基于知識圖譜的新型教材建設與應用路徑探索

劉超　黃榮懷　王宏宇

摘 要：教材是教育教學的關鍵要素，也是落實立德樹人根本任務的基本載體。黨的二十大明確提出“加強教材建設和管理”“推進教育數字化”，對教材工作和教育數字化作出總體部署。高等教育承擔著全面提高人才自主培養質量的重要使命，加強教材工作特別是推動數字教材建設和管理探索，對于優化高等教育體系、提高育人質量、建設教育強國具有重要的價值和意義?；诖吮尘?，本文梳理了國內外新型教材推廣政策與實踐，嘗試厘清“基于知識圖譜的新型教材”的概念內涵、體系特征及價值意義，旨在探索其未來發展方向與路徑。

關鍵詞：教育數字化戰略行動；知識圖譜；教育知識圖譜；新型教材；教材出版

劉 超，高等教育出版社黨委書記、社長；黃榮懷，北京師范大學智慧學習研究院院長，教授；王宏宇，重點領域教學資源建設項目管理辦公室主任。

在黨的二十大報告中，首次把教育、科技、人才進行“三位一體”統籌安排、一體部署，并放在論述“高質量發展是全面建設社會主義現代化國家的首要任務”之后的突出位置。這一部署極具戰略意義和深遠影響?！俺叽缯n本、國之大者”，黨的二十大報告首次提出“加強教材建設和管理”，表明了教材建設國家事權的重要屬性，凸顯了教材工作在黨和國家事業發展全局中的重要地位?！笆奈濉遍_局提出的“教育新基建”規劃和“新興領域教材研究與實踐項目”研究課題，標志著中國教育信息化發展進入了新發展階段，這個新階段的主要任務是利用互聯網提供的表征、數據采集與分析，以及知識編排、組織等新型工具，對人類既有知識的再一次系統地搜集、整理和重新組織、編排，為智能社會打造認知基礎設施。教育部關于戰略性新興領域“十四五”高等教育教材體系建設的工作部署中特別提到，鼓勵合理應用數字技術，探索數字教材等新形態教材建設。

建設中國特色高質量教材體系必須適應教育數字化的要求，創新教材內容呈現形式、傳播渠道和服務模式，實現教材資源的有效聚集和高效轉換，提高教材服務教育數字化背景下教學改革的能力[1]。作為教育出版的國家隊、主力軍，高等教育出版社堅持積極探索教育出版在內容建設、業態創新等方面的新路徑，以高質量出版助推教育高質量發展，助力高校教學改革和教育強國建設。

隨著“教育數字化戰略行動”的不斷推進，國家智慧教育公共服務平臺正式上線運行，教育智能化的應用場景日益豐富。知識圖譜作為認知智能的關鍵技術，在教育信息化走向教育智能化階段的重要基礎作用愈發凸顯。通過梳理國內外新型教材推廣政策與實踐，分析知識圖譜應用于新型教材的典型特征，有助于厘清“基于知識圖譜的新型教材”的概念內涵及價值意義。

一、基于知識圖譜的新型教材建設研究

1．國內外新型教材發展現狀

（1）國外新型教材推廣政策與實踐。目前，我國新型教材發展仍處于起步階段，而以美國、韓國為代表的發達國家已然將發展新型教材納入了國家教育發展規劃，在新型教材理念、推廣政策與實踐經驗上展現出領先優勢[2]。從中也可以發現，政府仍是數字教材發展與應用的主要推動者。

在教育信息化和全美第三次課程改革的大背景之下，美國的中小學新型教材建設以數字教科書和在線課程為抓手，致力于創建以學生為中心的數字學習環境，為學生的學習和實踐搭建“腳手架”[3]。2001年成立的國家教育技術董事協會（State Education Technology Directors Association，SETDA），是代表美國各州和地區教育技術和數字學習領導者的主要非營利會員協會，旨在通過廣泛的宣傳和教育計劃，協助各州及地區通過技術政策和實踐改善教育。SETDA于2012年至2019年發布了5份關于美國數字教科書發展的報告。美國教育部與聯邦通信委員會于2012年成立“數字教材協作小組”，為各州、學區和學校發展數字教材提供指導。該小組于同年發布《數字教科書戰略集》（Digital Textbook Playbook），被視為美國數字教科書的發展藍圖，旨在幫助K–12學校教育工作者實現向豐富、互動性和個性化的數字學習環境過渡。培生（Pearson）、麥格勞—希爾（McGraw-Hill）、學樂（Scholastic）、霍頓·米夫林·哈考特（HMH）等K–12領域主要教育出版商，以及蘋果、微軟、三星、戴爾、AT&T 等硬件設備和信息技術商均參與了《數字教科書戰略集》的編制過程。美國教育部于2018年開始施行的開放教材試點計劃（Open Textbooks Pilot Program，OTP）是一項美國聯邦政府撥款計劃，支持符合條件的高等教育機構創建新的開放式教科書，并擴大開放式教科書在學位授予計劃課程中的使用。例如其支持大型開放教科書項目LibreTexts，旨在將LibreTexts項目擴展為下一代開放教育資源教科書的建設、傳播和使用中心，創建一套開放的在線教科書和其他教學材料，用于本科和職業技術教育課程。

韓國數字教科書是在國家數字教育發展戰略的整體規劃之下發展起來的，致力于以數字化教育提升國家的教育競爭力[4]。作為最早發展數字教科書的國家之一，從2007年起，韓國政府和教育部即開始推行“數字教科書計劃”，至今已有十多年，在新型教材開發應用方面積累了較為豐富的經驗[5]。數字教科書的商業化預示著學校教育迎來革命性的變革，韓國政府將該推廣計劃分為六大領域十六項任務開展（見表1）[5]。

2011年10月，韓國教育部發布“促進智慧教育的行動計劃（2011—2015）”（Action Plan on Promoting SMART Education），主要任務之一是開發和應用數字教科書。2013年5月起實施“數字教科書的開發和激活計劃”（Development and Activation Plan of Digital Textbooks），目標是開發完整的數字教科書系統，建立將課堂和家庭學習相聯系的數字教科書體系。2014年7月，韓國教育部提出強制性“中小學軟件教育推廣計劃”（Promotion Plan of Elementary and Secondary Software Education）計劃，對所有中小學學生進行系統的公共軟件教育，以促進數字教科書的有效應用與推廣[5]。根據韓國教育研究信息院2021年發布的教育白皮書，從2014年到2021年，韓國全境使用數字教科書的中小學由163所增長到10755所[6]。在十多年的發展過程中，韓國數字教科書的開發應用逐漸理性，不再試圖用數字教科書完全取代傳統紙質教科書，而是注重兩者優勢的結合與互補，融入更多數字技術，以豐富數字教科書的類型和功能[5]。

（2）國內新型教材發展現狀。早在2003年，高等教育出版社便率先開展新形態教材建設。新形態教材（亦稱融媒體教材）是以紙介質教材為核心，與數字化資源相配合的新型教材產品，前身是由書配盤演化而來的書配學習卡模式，通過網絡平臺為師生提供數字資源增值服務。2011年到2021年教育部先后出臺多項政策推進新形態教材建設。如2011年《教育部關于“十二五”普通高等教育本科教材建設的若干意見》中就提出要“推進數字化教材建設”，2018年教育部《教育課程教材改革與質量標準工作專項資金管理辦法》中明確“包括開展數字教材等新形態教材的研發、試點和推廣等”；2023年教育部《關于組織開展戰略性新興領域“十四五”高等教育教材體系建設工作的通知》，再次提出了“鼓勵合理應用數字技術，探索數字教材等新形態教材建設”[7]。隨著互聯網和移動互聯網的快速發展以及二維碼的普及，新形態教材也不斷升級換代。通過紙介質教材和數字化資源的一體化設計，新形態教材可以充分發揮紙介質教材體系完整、數字化資源呈現多樣和服務個性化的特點，形成相互配合、相互支撐的知識體系，大大提高教材的適用性和服務課程教學的能力[7]。從應用上來看，當前高等教育數字教材尚未形成規?；瘧?，只在部分學校、專業或課程開展應用嘗試。整體來看，目前我國數字教材的發展分為五個層次：第一個層次是閱讀瀏覽，能夠準確完整地把教學內容呈現出來供用戶閱覽；第二個層次是實現個體的人機交互，如劃線、批注、添加書簽等；第三個層次是支持與其他學習者互動，實現社會化學習，如分享筆記、彈幕、評論等；第四個層次是建立師生關系，實現基于數字教材的基礎性師生互動，如教師查看學生的閱讀數據，畫重點或批注給學生看，布置閱讀任務，查看學生答題情況等；第五個層次是將數字教材與各類在線學習平臺或工具相結合，支持各教學活動的開展，如作業、考試等，與其他教學資源、學習工具、智能學習技術深度融合，形成課程教學整體解決方案[7]。

雖然高等教育數字教材早有探索，但一直未能形成規模和成熟的市場。近年因新冠疫情，在教育數字化戰略、出版融合發展戰略等相關政策推動下，數字教材有望迎來快速發展期[7]。國內大型出版社多通過技術合作，圍繞紙質教材進行配套數字資源建設，并進行了新形態教材、智能化數字教材解決方案的初步探索。而基于知識圖譜的新型教材建設還處于探索和實踐階段，研究主要集中在知識圖譜的構建和教材內容的整合方面。今后如何將知識圖譜和新型教材應用于教學實踐中，還需要克服知識圖譜教學應用分析等技術難題，并加強知識圖譜與其他教學工具的整合和優化。

2．新型教材基本概念與特征

（1）知識圖譜與教育知識圖譜。知識圖譜是一種大規模語義網絡，富含概念、實體及各種語義關系，是目前發展最快、應用最廣的一種知識表達和處理工具，并利用可視化的圖譜形象地展示特定領域知識的核心結構、發展歷史、前沿領域以及整體知識架構。

教育知識圖譜基于課程標準與學科教學規律進行構建，并充分考慮學習知識點的先后順序、同一個知識點在不同學習階段的不同要求等。教育知識圖譜作為教育知識的載體，是教育知識引擎的核心部件，旨在將碎片式、分散的教學資源與相關實體關聯成一張巨大的語義網絡，進而為教育的智能化應用提供知識支撐。教育知識圖譜是教育智能的重要構成，是實現教育智能化的關鍵基礎設施和重要技術工具，是實現各種智能化教育信息服務的基礎[8]。

（2）基于知識圖譜的新型教材。在新興領域新形態教材建設與運用的研究中，定義基于知識圖譜的新型教材主要是采用文字、圖畫、色彩、音頻、視頻、VR、游戲等“多模態”表達元素，以知識圖譜為底層邏輯通過網狀結構及超鏈接等編排和組織內容，內容動態及時更新，并通過“服務器＋PC、iPad、智能手機、電子書等設備”的方式發布使用的一種新型教學內容生產、發布和使用的出版形態，是一種結合知識圖譜技術的創新教材形式。

它具有以下特征：一是從內容表征來看，新型教材內容表達采用文字、圖畫、色彩、音頻、視頻、VR、游戲等“多模態”表達符號。二是從知識組織方式來看，基于知識圖譜的新型教材通過算法抽取現有學科中的概念、事實、故事、理論等實體和關系，形成各學科知識融合、聯通的知識圖譜組織體系，打通了現有教材、課程、學科的邊界。利用知識圖譜的對齊、關聯和合并的運算，能夠有效推動新文科、新工科、新醫科、新農科，以及交叉學科等知識交叉、融合的發展。三是從教學應用的角度看，基于知識圖譜的新型教材資源可支持教師對知識資源的重新混編（remix），可與各類通用在線教學平臺無縫銜接，支持教師、學生的多場景、混合式教學，支持基于大數據的學習行為分析和精準教學支持服務。

與其他數字教材對比，上文所提的新型教材在概念上增加了知識圖譜的表述，在內容上增加了教材的知識圖譜資源，在技術實現上提供了對教材知識圖譜編輯工具的支撐?；谥R圖譜的新型教材將具備自我生長能力，是動態變化且可反饋的，從而更好地銜接迅速更新的前沿科技，教材建設模式將發生重大變化[9]。

3．新型教材建設的價值與意義

500多年前，舊的百科全書知識體系按照“拉米斯教材范式”，被切片、分類，裝進了一本本的印刷教科書中，推動了16世紀的教育改革，也逐步演化形成了今天的專業分工、知識分類體系。未來基于知識圖譜的新型教材，將采用實體、關系的圖語義網絡，建立相互融通的知識體系。利用知識圖譜的對齊、關聯和合并的運算，還可以支持學科的交叉、融合的變革。這是培養具有交叉學科視野和問題解決能力的互聯網時代新型人才、推動學科發展、支持教育高質量發展的一項基礎樞紐工程[10]。

（1）從學習者學習角度?；谥R圖譜的新型教材將從以下幾個方面提高學習者學習效能：一是增強學習的科學性和實踐性。知識圖譜可以整合各種知識形式，構建更全面、實用的知識體系，也可以通過豐富的實踐案例和場景，幫助學生更加深入地理解和應用知識，進而增強學習的科學性。二是促進個性化學習，提高學習興趣和效率。知識圖譜可以根據學生的興趣、能力和需求，提供個性化的知識信息和學習資源，幫助學生更加高效地學習和掌握知識。三是發展跨學科能力和思維方式。學生借助知識圖譜掌握各學科更體系化的知識，這種跨學科的思維方式和能力不僅可以幫助學生更好地適應未來的職業發展和工作環境，還可以幫助他們更好地理解和解決現實世界中的各種問題和挑戰。

在未來的教育教學實踐中，我們應該更加注重學生的跨學科能力和思維方式的培養，通過不斷探索和應用新型教學模式和工具，為學生提供更加豐富、多彩的學習體驗和發展機會。

（2）從教師教學角度?；谥R圖譜的新型教材為教師提供了更多的教學工具和參考，能夠幫助教師實現個性化教學、知識梳理和整合、高效課堂管理以及反饋與評估，可以有效地促進教師的“對話性”教學和“深刻性”教學[11]。具體來看：一是優化教輔工具，提升課堂參與效果。借助知識圖譜，教師更好地組織教學內容和展示知識結構，設計課堂活動和討論，提升學生參與性。同時，教師可以利用知識圖譜來設計課程大綱、整理教學資源、制定教學計劃等，提高教學效果。二是助力靶向教學，實現因材施教。知識圖譜可以根據學生的學習情況和興趣特點進行個性化的知識推薦和學習路徑規劃。教師可以根據學生的知識圖譜分析結果，針對性地教學，滿足學生多樣化教學需求。三是優化知識結構，促進教學資源共享。知識圖譜可以將教學內容進行分類、組織和關聯，形成一個全面、系統的知識結構，同時整合、共享各種教學資源，有效提高教學資源利用率。

基于知識圖譜的新型教材建設是一種具有前瞻性和實用性的教學模式，可以為教育教學帶來全新的變革和發展，為未來校內/校外、正式/非正式、隨時隨地、終身學習提供一個知識學習的支撐框架。數字化教材與知識圖譜的結合，可以變革傳統的教與學方式，支持構建智能時代的新型教育模式，為學習者提供高學習體驗、高內容適配性和高教學效率的教育體系。

二、基于知識圖譜的新型教材建設與出版流程再造

1．知識圖譜技術對于教材出版的變革影響

有學者提出，出版是將信息進行系統化重組和價值挖掘后封裝為可傳播和可利用的知識產品的活動，幾千年文明史，就是信息傳播載體及信息封裝方式變革的歷史[12]。信息時代人們一直致力于創建一套知識生產的“數字‘新工具”，知識圖譜作為知識工程在大數據時代的代表性技術，作為目前發展最快、應用最廣的一種知識表達和處理工具脫穎而出。以知識圖譜為核心的人工智能技術推動出版實踐創新主要表現為對內推進業務流程再造以及對外提供智能化產品服務兩個方面，其在出版領域的應用將從根本上改變出版選題策劃、內容編輯、制作環節、生產發布和變現等一系列流程[13]?；谥R圖譜建設新型教材，教材的出版模式將發生重大變化。

知識圖譜可以幫助教材出版機構實現知識的跨界整合和協同創新。知識圖譜通過連接和整合不同領域的知識點、概念和關系，形成跨學科的知識網絡，助力教材出版機構與其他機構、企業和個人進行知識共享和協同創新，推動教材內容的不斷更新和優化。教材內容可以依托知識圖譜網狀互聯，可以接入多種類型媒體資源、在線數字資源，甚至進入虛擬空間。引入AI大模型應用，教材將具備自我生長能力，從而更好地銜接迅速更新的前沿科技。

基于知識圖譜的新型教材出版流程可以實現知識產權的保護。通過對知識圖譜的建模和維護，出版社可以更好地管理和保護教材知識產權，防止知識產權的侵權和盜用。

知識圖譜可以為教材出版機構提供數據分析和決策支持服務。通過挖掘和分析知識圖譜中的數據，獲取教材內容的熱點和痛點，為教材的更新和改進提供指導和建議。同時，知識圖譜還可以為教材出版機構提供市場預測和競爭情報，幫助其更好地把握市場動態和用戶需求。

2．新型教材出版流程再造

知識圖譜為教材的內容組織、呈現方式、閱讀服務方式、更新迭代提供了全新的解決方案，基于知識圖譜的新型教材出版流程是一個高效、智能的出版過程。在知識圖譜技術的支持下，可以更好地管理、處理和呈現教材資源，為學生提供更加全面、系統、精準的學習體驗，能夠更好地滿足學生和教師的需求，促進知識的傳播和應用。在教材出版流程再造方面，可以利用知識圖譜實現出版機構與高校之間的深度協作，優化教材的設計和制作流程，提高教材建設的質量和效率。

（1）圖譜構建?；跈嗤＜覙嫿ǖ闹R體系框架，利用人工智能技術和自然語言處理技術對已有的知識進行自動分類和歸納，或者利用深度學習技術對知識圖譜中的實體和關系進行更深入的分析和抽象。

（2）教材設計。根據學生學習需求和高校教學目標，合理設計教材的結構和內容，以確保教材內容的科學性和實用性。依據現代教學理論發揮智能技術優勢，適應學生學習特征，基于知識圖譜的內容組織方式，動態組織學習資源，支持學生開展高質量學習。

（3）教材制作和應用。利用知識圖譜實現對文檔、音視頻、VR及數據集等多模態內容的關系表示，幫助出版社更好地將多媒體內容與教材內容相結合。同時，利用知識圖譜實現教材與開放資源的拓展鏈接，甚至可以接入AI大模型服務，幫助學習者更加便捷地使用教材，提高教材的實用性、可交互性。

（4）動態更新與數據分析。利用自動化的知識圖譜分析技術及AI大模型，可智能搜索匹配動態資源，實現知識圖譜迭代拓展，實時更新前沿拓展知識。利用閱讀端分析學習者學習行為，及時了解對教材的反饋和評價，進一步完善教材的內容和結構，同時支持面向高校的學情分析服務。

總之，通過將知識圖譜與高校教材出版相結合，可以提高教材內容的質量，實現知識的跨界整合和協同創新，提高知識的傳播和推廣效果，為學習者提供更好的學習和服務體驗。推動建設基于知識圖譜的新型數字教材，有望突破傳統教材存在的出版周期長、內容更新遲緩、難以與最新行業動態和科研成果緊密結合的困局，構建智能化教材建設新范式，打造一批具有前瞻性的新型教材應用示范項目。未來，隨著知識圖譜技術的不斷發展和完善，其在高校教材出版業務中的創新應用和教學服務具有廣闊的前景和價值。

三、未來研究與發展方向

在新型教材建設基礎上，基于知識圖譜的應用還可以延伸到其他教學領域，如資源庫建設、課程建設、在線學習、虛擬實驗室建設、未來學習中心建設等。伴隨著人工智能技術的不斷發展，大語言模型的訓練和應用成為常態，未來知識圖譜技術將會更加強大和智能化，幫助人們更好地獲取和利用知識?；谥R圖譜的智能化教學將會是教育領域的新發展方向。

1．當前問題和挑戰

首先，知識圖譜的應用需要一定的技術和資源支持。當前知識圖譜技術的應用還處于初步階段，面臨各種問題與挑戰，如在數據存儲及質量、算法模型、算力等方面都需要投入大量的資金和高端技術人才支持，需要不斷加強知識圖譜技術的研究和應用，不斷提高其數據質量和準確性。

其次，新型教材在建設與應用中需要不斷提高數據安全性。通過持續改進新型教材相關的編輯與服務平臺系統，采取相應的安全措施保護用戶的隱私信息，保護作者團隊的著作權權益，以防止相關信息和內容數據被濫用或被非法獲取。

最后，需要不斷提升新型教材的監管力度。新型教材因其自身開放性、交互性、媒體類型多樣性等原因，其監管面臨著新挑戰。為推進新型教材建設與應用，就需要依據新型教材標準研發相應的教材管理工具，以信息化手段和工具對教材內容、學習應用、在線交互、資源生成等進行監管，提高教材的質量和可管理性，落實國家對教材管理要求，推動新型教材研究、設計和開發從實驗室向教室及市場的推廣普及。

2．未來發展方向

第一，需要進一步完善知識圖譜的技術標準和規范，明確知識圖譜的構建、迭代和使用規則，確保知識圖譜應用的有效性和可信度。同時，開發支持新型教材發展的知識圖譜工具、教材編輯工具，以及教材發布和應用的支撐平臺。此外，需制定國家新型教材標準，以支持新型教材的互操作和重用。

第二，需要加強對知識圖譜在教育領域的應用和創新，深入挖掘知識圖譜在教育領域的應用潛力。

第三，需要建立健全基于教育知識圖譜的應用評價體系，探索知識圖譜在教育評價、學科建設和教育資源共享等方面的應用評價標準，保證知識圖譜的技術應用和推廣具有科學性和可持續性。

第四，應該建立教材創新專項，支持開展“沉浸式教材”、游戲化教材的創新探索，推動VR、元宇宙技術與教材的融合發展。

教育領域是一個復雜和龐大的系統，知識圖譜已經且必將在個性化教與學、智能教育系統、教學評估與反饋、課程推薦和學科構建以及教育資源管理等方面為教育提供更智能化、個性化和高效的支持和服務。希望“新興領域新形態教材研究與運用——基于知識圖譜的新型教材建設研究與實踐”的成果呈現，能夠為我國高校教材體系建設提供新的路徑與方向，也能為相關出版機構的轉型發展提供理論參考。

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[基金項目：教育部高等教育司“新興領域新形態教材研究與運用——基于知識圖譜的新型教材建設研究與實踐”（項目編號：Eeet-202135）]

[責任編輯：周 楊]