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摘要:知識圖譜能以可視化圖形的方式將知識間的關系呈現出來，揭示出復雜知識之間動態的發展規律和結構關系。知識圖譜提出以來，知識圖譜在很多相關領域作為技術手段、分析工具、知識管理的方法受到廣泛關注和研究，在教育領域也出現了教育知識圖譜、學科知識圖譜等相關概念。通過對知識圖譜在教育領域的研究與應用進行分析，提出知識圖譜應用到物理實驗教學中的方法和思路。

關鍵詞:教育知識圖譜；物理實驗教學；知識結構關系

在大數據時代背景下，人們越來越重視對知識的組織和加工。2003年，美國國家科學院基于知識計量、知識管理技術和方法的發展，提出了知識圖譜的概念。知識圖譜可將復雜領域的知識通過知識抽取[1]、知識融合[2]、知識推理[3]等方式，以可視化的網格形式將知識之間的結構和發展直觀地表達出來，呈現出各領域知識動態的發展規律。由于知識圖譜在展現知識結構、知識發展進程方面具有直觀、清晰、可視化的獨特優勢，自知識圖譜這一概念提出后就受到廣泛的關注和應用。比如，可視化工具VO-Sviewer、Citespace通過對導入的文獻進行引文分析、共引分析、耦合分析等計量分析，可直觀展現出某一領域的研究熱點、研究趨勢，有利于研究人員對某一領域研究方向的把握；知識圖譜中的知識推理為建立客觀世界中人類實體知識與計算機語言之間的聯系提供了新思路，促使人工智能從感知智能向認知智能的邁進，在優化計算機自然語言處理、智能推薦[4]、問答系統[5,6]等領域都展現出極大的優勢。在教育領域，已經出現了教育知識圖譜、學科知識圖譜等概念，主要針對某一學科進行知識圖譜的構建與應用。知識圖譜在教育領域的研究主要集中在線上教育[7]，包括學科知識點查詢、學科知識關聯查詢[8]、學科知識自動問答、學科知識資源推薦[9]、個性化學習路徑推薦和查詢及學習興趣遷移教育平臺的使用實踐，推動了“互聯網+智能+教育”的發展。然而，將知識圖譜應用于線下物理課堂教學的研究還較少，截止作者著稿，以中國知網（CNKI）為樣本，僅有2篇論文研究了知識圖譜在物理線下課堂教學中的應用。其一為薛鈺康[10]的《運用知識圖譜指向核心素養的物理復習課教學設計——以初中物理力學綜合復習教學為例》，闡述了搭建立體化的力學知識圖譜，使學生的物理知識框架和認知結構都得以豐滿、立體、關聯地展現出來；其二為高晉陽[11]的《知識圖譜對中學生創新能力培養的實踐研究》，闡述了學生通過知識圖譜進行相關知識的學習，提高了創新能力和學習成績。目前，知識圖譜在學科教育中的研究和應用還處于初步階段，但無論是線上還是線下，知識圖譜都體現出學生在個性化學習、合作學習、掌握系統知識結構方面的優勢。物理學作為一門以實驗為基礎的學科，作者將研究如何在線下構建知識圖譜，并將其應用于物理實驗教學，使學生掌握物理實驗知識的動態發展規律和結構特征，提高學生個性化學習和合作學習的能力，促使學生更好地掌握實驗原理，增強學生的實驗動手能力，為物理實驗教學提供一種更好的教學思路。

1知識圖譜在教育領域的研究與應用

1.1知識圖譜的概念和內涵

目前，學術界對知識圖譜的概念有著不同的認識，魏瑞斌[12]在其《機構知識圖譜的建構及其應用》中根據國內外學者的研究方法和思路，認為知識圖譜可以劃分為“知識發現說”、“圖形說”、“方法說”、“圖形說+方法說”這四種類型。“知識發現說”認為繪制知識圖譜的目的是將知識、方法、科學技術等內容有機整合在一起，給我們呈現出清晰的知識結構，便于發現和獲取信息；“圖形說”認為知識圖譜可將知識的結構關系和演進規律以一種可視化的方式呈現出來；“方法說”認為知識圖譜是一種能夠展示出知識結構體系以及發展規律的研究方法；“圖形說+方法說”則是前兩種觀點的結合。然而，不管是哪一種類型，總體都是將知識單元通過不同類型的圖形、圖像、網格等形式以可視化的方式呈現出知識的內容、結構及揭示知識的動態發展過程和規律，并在知識構建的過程中演變成不同學科的理論和方法。

1.2教育知識圖譜的研究與應用

1.2.1知識圖譜在線上教育中的研究KnowEdu等將知識圖譜自動構建系統及時更新為各種教育資源，并對資源進行分析、歸納和總結，促使國內外涌現出不少自適應學習系統（Adap-tiveLearningSystem,ALS），如指向高等教育的CogBooks教育平臺；指向高等教育、職業教育的SmartSparrow、Declara教育平臺等都利用了知識圖譜聯系與發展知識的特性。通過知識圖譜構建的教育平臺在幫助學生篩選適合自身學習的內容[8]、資源[7]以及路徑[13]上有很強的適用性。美國亞利桑那州立大學2000名學生在使用知識圖譜自動構建系統在線教育平臺Knewton兩學期之后，畢業率從64%提升到75%，數學成績也大幅提高[7]。2.2.2知識圖譜在線下教育中的研究在兩篇有關物理知識圖譜的文獻中，高晉陽[11]以高一物理《相互運動》和《牛頓運動定律》兩章知識內容為樣本，以Protégé為工具建構了物理學科知識圖譜。圖1展示了知識圖譜的學習界面，學生通過該界面學習一個知識點時，會呈現出與該知識點相關的內容，促使學生聯系相關知識，豐富頭腦中的知識體系。實踐研究表明，將建構的物理知識圖譜應用在教學中能夠一定程度提升學生的學習成績和創新能力，為知識圖譜應用于物理實驗教學提供了借鑒。薛鈺康[10]以初中力學的復習課為例，通過啟發學生思考以及師生、生生之間互動的方式，搭建了力學的知識圖譜（如圖2），展示了系統知識之間的關聯及其相互關系。他認為，通過老師和學生之間的交流互動與反思，形成學生自己立體的、關聯的、系統的認知結構，在這個過程中包含了文化、自主、合作的因素，對學生學科核心素養的提升有促進作用。知識圖譜是一種思維可視化的重要表征方式，是提升學生高階思維能力，實現深度學習的有效途徑[14]。對于一個物理實驗來說，在實驗過程中涉及到的因素眾多，若學生對實驗原理的整體知識結構沒有一個深入的了解，就很難將這些因素分析透徹。如果我們能夠將物理實驗過程中知識點之間的關系以知識圖譜的方式呈現出來，就可以大大增進學生對實驗原理的理解，促進學生思考各個知識點之間的聯系，提高學生實驗動手能力。因此，建構物理實驗知識圖譜對于學生理解實驗、提升實驗操作能力具有重要意義。

2知識圖譜在物理實驗教學中的應用

以“探究加速度與力、質量的關系”實驗為例，探討知識圖譜在物理實驗教學中的應用。該實驗是新課標要求的必做實驗，也是提高學生實驗動手能力的典型探究實驗。結合知識圖譜聯系與發展知識的特點，通過建構物理實驗知識圖譜，以直觀的網格結構形式將力、加速度和質量等相關知識的聯系與發展呈現出來，便于學生理解和掌握相關知識，設計出合理的實驗操作方案，從而為提高學生的實驗操作能力打好基礎。

2.1實驗前，聯系舊知，探索新知

在“探究加速度與力、質量的關系”實驗中，從“物體的運動狀態”出發構建部分知識圖譜，如圖3所示，聯系已學知識，引導學生思考新知識。通過圖3可以看出，知識圖譜能直觀地將速度、加速度和運動的關系呈現出來，如速度是描述物體運動狀態的物理量，而加速度是描述物體速度變化快慢的物理量，所以加速度可以用來描述物體運動狀態變化的快慢。根據上一節所學內容“牛頓第一定律”可知“力是改變物體運動狀態的原因且物體運動狀態改變的難易程度與物體的質量有關”，由此引出物體運動的加速度、所受的合外力、物體質量之間必然存在著某種關系。教師利用知識圖譜以直觀的方式給學生講解，引發學生思考與探究知識點間的聯系。此外，以圖3展示的知識圖譜為中心，從v、a部分可以拓展運動學知識；從F、m部分可拓展力學知識；通過加速度a將力與運動的知識結合起來。通過知識圖譜將碎片化的知識組織起來，展現知識點間的動態發展規律，在學生頭腦中形成系統的實驗前期知識結構。實驗后將實驗得到的結果和規律以文字、圖表等形式補充到知識圖譜中，讓學生在自主構建知識圖譜的過程中領略知識的系統結構和發展關系。

2.2實驗中，基于知識圖譜，把握實驗環節

陳悅[15]等認為知識圖譜描繪的對象包含了研究問題、解決問題的過程和方法。在實驗教學的每一個環節，學生自主探究、合作交流，從而激發學生的學習興趣，充分體現學生學習的主體地位。在實驗知識圖譜的指導下，教師的角色轉變為教學的“引導者”、“輔助者”，學生在各學習環節中自主構建知識體系，成為實驗教學的“主體”。學生在完善知識圖譜相應內容的過程中，結合圖3思考a、F、m的相互關系，確定實驗目標。圖4為實驗教學流程圖，該圖以實驗目標為導向，揭示了實驗中各環節的聯系，呈現出教學的整體框架，對實驗的教和學都具有宏觀指導作用。

2.3實驗后，構建系統知識，促進深度學習

學生繪制知識圖譜的過程是一個對所學知識進行深入思考的過程，教師也可以根據學生繪制的知識圖譜了解學生對知識的掌握情況，從而對學生進行個性化的指導。在繪制實驗知識圖譜的過程中，學生各抒己見，共同討論出最佳方案，從而加深學生對所學知識的認識，有效促進學生的合作學習。

3總結

在物理實驗教學過程中，知識圖譜可作為實驗原理和實驗操作的橋梁，還可以作為學生準備實驗、進行實驗、總結實驗的工具。利用知識圖譜開展物理實驗教學，教師應先向學生滲透知識圖譜的思想方法，引導學生建構物理實驗的知識圖譜。在實驗過程中，學生利用知識圖譜把實驗原理與實驗操作聯系起來，并在實驗報告中繪制出實驗的知識圖譜。通過知識圖譜學生可以發現實驗中存在的問題，又可以加深對整個實驗的理解，同時教師也可以清晰地了解學生的思路和對知識的掌握情況，并在教學中進行改進。因此，建構物理實驗知識圖譜對于學生理解整個實驗以及對實驗的拓展都有重要意義，能提高學生的核心素養。

作者:王華鈺 林卓婷 周庭艷 支啟軍 吳波 單位:貴州師范大學物理與電子科學學院 遵義師范學院物理與電子科學學院