基于关联主义的知识图谱在科学教学中的应

用研究 ——以高中化学金属及其化合物主题为例

重庆大学硕士学位论文

（专业学位）

学生姓名：马万里

指导教师：李茂国 副研究员

指导教师：文俊浩 教 授

学位类别：教育硕士

重庆大学应用技术学院

二 O一七年五月

万方数据

 

The Application of Knowledge Graph Based on Connectivism in the Science Teaching ——take high school chemistry of metals

and their compounds as examples

A Thesis Submitted to Chongqing University

in Partial Fulfillment of the Requirement for the

Professional Degree

By

Ma Wanli

Supervised by Ass. Res. Li Maoguo

Supervised by Prof. Wen Junhao

Specialty: Master of education

College of Applied Technology of Chongqing University,

Chongqing, China

May, 2017

万方数据

重庆大学硕士学位论文 中文摘要

I  

摘 要

高中化学课程作为我国科学教育体系的重要组成部分，旨在提高学生的科学

素养，加深学生对科学本质的认识，注重对学生自主学习能力的培养。同时，国

家教育事业发展“十三五”规划明确提出要以新理念引领教育现代化发展，要以学习

者为中心，注重能力的培养，使全民学习、终身学习、个性化学习的理念日益深

入人心。而关联主义学习理论和知识图谱正是在互联网、大数据迅速发展的时代

背景下产生的，关联主义理论认为“管道比管道中的内容更重要”,知识图谱作为一

个知识网络的载体，正暗合了关联主义的管道概念。鉴于目前关联主义和知识图

谱在科学教育领域的实证研究还停留在初级阶段，鲜有效果良好的实践案例出现，

因此笔者选择将关联主义和知识图谱结合起来开展其在科学教育领域的应用研究。

本文围绕“基于关联主义的知识图谱学习方式可以提高学生的学习效果”开展

论述，本研究包括以下四个部分：

第一部分，绪论。结合时代背景及高中化学课程标准论述研究背景，分析研

究现状，阐述研究目的及研究意义，根据研究内容确定研究方法。

第二部分，知识图谱构建研究。介绍搭建本次知识图谱平台所用到的本体理

论及知识图谱平台构建原则，介绍 Protégé软件，根据关联主义理论要求并结合本

体构建方法，进行金属及其化合物知识的关联与划分； 后详细阐述高中化学必

修一金属及其化合物知识图谱平台的搭建流程。

第三部分，教学应用实践。本部分将构建完成的金属及其化合物知识图谱应

用于高一化学金属及其化合物知识学习中，通过教学实验及问卷调查的方式了解

学生的学习情况，掌握学生的学习效果，为关联主义和知识图谱在科学教育领域

后续的实证研究提供支撑。

第四部分，分析与总结。通过教学实验法与问卷调查法，得出本研究结论。

总结分析本次研究的不足之处，进一步提出未来的研究设想与展望。

关键词：关联主义，知识图谱，科学教学，应用研究

万方数据

重庆大学硕士学位论文 英文摘要

II  

ABSTRACT

High school chemistry, as an important part of science education, aims to improve

the scientific quality of students, strengthen students’ understanding of the nature of

science, cultivates the autonomous learning ability of students. Moreover, the 13th

five-year plan of national education development pointed that the educational

modernization should be guided by new ideas. We should focus on learners and pay

attention to developing abilities of learners. Connectivism and knowledge graph are

generated under the background of the rapid development of Internet and big data.

According to the connectivism, “pipeline is more important than the content in the

pipeline”. As a carrier of knowledge network, knowledge graph implies the concept of

connectivism. At present, connectivism and knowledge graph on the empirical research

of science education is still in the primary stage. Therefore, the author chooses the

connectivism and the knowledge graph to carry out the application research in the field

of science education.

This study includes the following four parts:

Part 1, Introduction. This part introduces the research background, analyzes the

present situation of the research, elaborates the purpose and significance of this study.

Then, according to the content of this research, the writer puts forward the research

methods.

Part 2, Construction of knowledge graph. This part introduces Ontology

construction technology and Protege software and elaborates the principles in the

construction of knowledge graph. According to the connectivism and the ontology

construction method, start to build the knowledge graph of metals and their compounds.

Part 3, Teaching application research. This part mainly includes teaching

experiment and questionnaire survey. Through the teaching experiment and

questionnaire survey to understand the students' learning effect.

Part 4, Analysis and summary. The writer analyzes the research results of teaching

application and draws the conclusion. Finally, puts forward prospect of the future

research.

Keywords: Connectivism, Knowledge graph, Science of teaching, Application

research.

万方数据

重庆大学硕士学位论文 目 录

III  

目 录

中文摘要 ........................................................................................................................................ I

英文摘要 ....................................................................................................................................... II

1 绪 论 ........................................................................................................................................ 1

1.1 研究背景 ................................................................................................................................ 1

1.1.1 时代背景 ............................................................................................................................ 1

1.1.2 学科背景 ............................................................................................................................ 1

1.2 研究现状 ................................................................................................................................ 2

1.2.1 知识图谱 ............................................................................................................................ 2

1.2.2 关联主义 ............................................................................................................................ 3

1.3 研究目的及意义 ................................................................................................................... 4

1.4 研究内容 ................................................................................................................................ 5

1.5 研究方法与技术路线 .......................................................................................................... 5

2 知识图谱构建实践 ........................................................................................................... 7

2.1 本体及其组成 ....................................................................................................................... 7

2.2 构建原则 ................................................................................................................................ 8

2.3 Protégé本体构建软件 ......................................................................................................... 9

2.4 关联主义在知识图谱及教学中的作用 .......................................................................... 10

2.5 金属及其化合物知识本体构建 ....................................................................................... 11

2.5.1 Protégé软件中知识关系的类型 .................................................................................... 11

2.5.2 知识的获取与关联 .......................................................................................................... 12

2.5.3 金属及其化合物本体构建 .............................................................................................. 12

2.6 知识图谱平台搭建 ............................................................................................................ 16

3 教学应用及结果分析 ................................................................................................... 20

3.1 教学应用研究设计 ............................................................................................................ 20

3.1.1 研究对象 .......................................................................................................................... 20

3.1.2 研究方法 .......................................................................................................................... 20

3.1.3 研究步骤 .......................................................................................................................... 20

3.2 教学实验设计 ..................................................................................................................... 21

3.2.1 实验目的 .......................................................................................................................... 21

3.2.2 实验对象 .......................................................................................................................... 21

3.2.3 实验设计 .......................................................................................................................... 23

万方数据

重庆大学硕士学位论文 目 录

IV  

3.2.4 实验变量 .......................................................................................................................... 24

3.2.5 实验假设 .......................................................................................................................... 24

3.3 教学实验过程 ..................................................................................................................... 24

3.3.1 教学设计 .......................................................................................................................... 24

3.3.2 实验实施 .......................................................................................................................... 28

3.3.3 实验后测 .......................................................................................................................... 29

3.4 问卷调查 .............................................................................................................................. 29

3.4.1 调查目的 .......................................................................................................................... 29

3.4.2 问卷编制及调查 .............................................................................................................. 29

3.5 分析与结论 ......................................................................................................................... 30

3.5.1 教学实验结果分析 .......................................................................................................... 30

3.5.2 问卷调查结果分析 .......................................................................................................... 32

3.5.3 教学应用研究结果 .......................................................................................................... 35

4 总结与展望 .......................................................................................................................... 36

4.1 结论 ...................................................................................................................................... 36

4.2 本文的创新之处 ................................................................................................................. 36

4.3 研究展望 .............................................................................................................................. 37

致 谢 ..................................................................................................................................... 38

参考文献 ..................................................................................................................................... 39

附 录 ..................................................................................................................................... 42

A. 问卷调查表： ........................................................................................................................ 42

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重庆大学硕士学位论文 1 绪 论

1  

1 绪 论

1.1 研究背景 1.1.1 时代背景 随着社会的进步和科学技术的飞速发展，互联网、大数据、云计算、智能机

器人及 3D打印技术正在深刻改变着人们的思维、生活及学习方式。国家教育发展

“十三五”规划提出要以学习者为中心，注重能力培养，要以新理念引领教育现代化，

构建现代化的教育体系，提倡全民学习、个性化学习，建设终身学习型社会[1]。鉴

于此，学习者需要掌握新型的学习方式与方法以适应社会的飞速发展。如何把知

识有效地组织起来，并以可视化的形式展现给学习者，更方便高效地帮助学习者

学习，是一个亟待解决的问题。

在信息时代学习背景下产生的关联主义学习理论与知识图谱技术可以满足学

习者对知识以及学习知识的方法的需求。关联主义理论认为知识网络的形成是一

个不断变化的过程，个体的知识网络会嵌入各种更大的网络之中，流动在各种网

络的知识和信息又会影响着个人的学习网络，给学习者提供持续的新知识，新获

得的知识和原有的知识不断建立关联从而组成更新的知识网络[2]。人工智能领域知

识图谱的概念是 2012年 Google公司为了改善搜索引擎的用户体验所提出的[3]，知

识图谱可以描述真实世界中存在的实体和概念，以及它们之间的关联关系，知识

图谱作为一种知识网络的载体，其中暗含着关联主义理论的内涵。

所以，以关联主义学习理论为基础，通过知识图谱以可视化的形式展现知识

与知识点间的联系，可以有效地辅助学习者开展自主学习、持续学习，培养学习

者主动获取知识的能力，为不同层次学习者的自主探究式学习的实施提供可能，

为终身学习型社会的建立提供强有力的支撑。 1.1.2 学科背景 在我国科学教育结构体系中，高中化学课程占据重要的一席之地，高中化学

课程对学生科学素养的提高及创新实践能力的培养起着至关重要的作用。高中化

学新课程标准及课程改革对高中化学课程学习提出了新的要求[4]，倡导要以学生的

自身发展及社会可持续发展为出发点，发挥化学学科优势，激发学生探索科学知

识的积极性及实践创新能力，提高学生的自主学习能力，将化学知识与实际生活

紧密联系起来，培养学生的主动探究精神，促使学生形成积极的科学价值观。

这样的背景对科学教育工作者及学生提出了新的要求：要转变传统的化学课

程学习模式，坚持以学习者为中心，在学习过程中要鼓励学生主动参与，提高学

生学习的积极性，注重养成学生的探究能力。当学生需要某种知识时，要让学生

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重庆大学硕士学位论文 1 绪 论

2  

掌握如何获取这种知识的方法，而不是被动地接受这种知识。在时代背景及课程

改革的环境下，培养学生学会这种主动获取知识的能力比掌握知识本身显得更加

重要。

因此，笔者认为可以以关联主义学习理论为理论基础构建高中化学课程知识

图谱，以可视化的形式挖掘、分析和显示课程知识结构及知识间的关系，知识图

谱可以显示出与当前章节知识有着直接或者间接关联的其它知识。通过关联主义

和知识图谱这种学习方式，学生不仅能系统地把握知识体系结构，还可以培养学

生主动获取知识、建立知识关联的能力，有助于学生自身知识网络的形成。知识

关联的形式还可以激发学生的探究精神，使学生更好地将知识与生活实践结合起

来。

1.2 研究现状 1.2.1 知识图谱 目前，知识图谱的相关研究主要集中在图书情报学及计算机人工智能领域。

在图书情报学研究领域中，知识图谱也被称为知识域的可视化，主要被用来将科

学知识以图画知识脉络的形式显示，包含发展进程、变革、时间区间等许多层面

的内容；在人工智能领域，知识图谱是 Google公司为了改善搜索引擎的用户体验

而提出的，被用来描述真实世界中存在的各种实体和概念，以及这些实体、概念

之间的关联关系。本文对知识图谱的定义为人工智能领域中的知识图谱。

在人工智能领域，知识图谱也被称为“下一代搜索引擎”，具有智能化的搜索功

能，其目标就是对搜索到的知识结果进行系统的整合，使每个用户所输入搜索的

关键词都能映射到知识库的概念上[5]。目前，对知识图谱平台的搭建研究还处于初

期阶段，基本只有大规模的互联网企业发布了研究成果， 著名的知识图谱有谷

歌的 Knowledge Graph、搜狗的“知立方”、百度的“知心”以及复旦大学实验室的知

识图谱等。

在中文本体构建方面，Chen 等人通过使用多语言翻译从中英双语词汇库中构

建一个核心本体[6]。Tian等人提出了一种基于搜索引擎的本体学习系统，并成功构

建了一个中文节日本体[7]；他们经过研究发现“动名词短语”在概念的抽取过程中非

常重要。Nian 等人开发了一种用于构建中文本体的方法[8]，该方法基于一个名为

CCD(Chinese Concept Dictinonary)的中文概念网络和百度百科，在保持良好结构的

同时，使用百科信息丰富本体。Jiang 等人从词典中构建了一个中文情感本体[9]，

首先通过人工标注对七千多个情感词标记了情感标识和相关解释，然后解析这些

词汇之间的关系以构建情况层次。文献[10]中讲述了一种从互动百科中抽取中文本

体的方法，通过利用互动百科中的分类系统（category system）和信息模块构建本

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重庆大学硕士学位论文 1 绪 论

3  

体。贾文娟等人提出了一种基于 HowNet 的中文本体学习方法[11]，在该方法中，

HowNet主要用于生成概念和进行语义相似度计算。Jie Liu等人同样使用了HowNet

构建中文本体的基础架构[12]，HowNet主要用于领域文本分词和语义消歧。胡芳槐

提出了一种基于多种数据源构建中文知识本体方法[13]，并设计了一种易于使用的

从关系型数据到知识图谱语义数据的映射语言，解决了自动构建行业本体的难题。

赵佳男将课程数字化资源与知识图谱技术结合起来，设计了一个基于知识图谱的

数字化学习资源推荐平台[14]。通过上述对国内外知识图谱相关研究文献的分析可

以看出：人工智能领域的知识图谱构建研究依然处在初级阶段，特别是在教育教

学实践方面，鲜有效果良好的案例出现。知识图谱的应用研究没有扩散到某些具

体学科内容的学习当中，也几乎没有在中小学教育教学方面的应用研究。由此可

以看出，知识图谱在教育教学领域应用的研究范围还不广泛，仍然存在很大不足。

本研究将知识图谱平台这种学习方式应用到高一化学学习当中，着重体现知识图

谱在描述实体概念、明晰知识关系结构和搜索知识信息三个方面的作用。 1.2.2 关联主义 加拿大研究学者 George Siemens基于其对网络时代学习特点、机制的研究和

理解，于 2005 年提出了关联主义（Connectivism）的概念[15]。该文被学术界称为

关联主义学习理论的“开山之作”。Siemens 提出：“关联主义是一种经由混沌、网

络、复杂性与自我组织等理论探索的原理的整体。学习不再是一个人的活动，学

习是连接专门节点和信息源的过程”。此后，George Siemens又提出了关联主义著

名的八项原则并解释了关联主义理论的基本要素[16]：节点和连接；George Siemens

认为思想、感觉、数据或者任何信息，只要它们之间可以产生某种联系，都可以

看作是节点。连接是指各个节点之间所形成的联系，这种联系所形成的连接有强

弱之分，通过不断地重复可以加强节点间联系的建立，个体的学习网络则是在众

多节点联系建立的基础上而形成的，个体通过与外界持续地建立关系并保持连接

来进行学习。

2006 年，Siemens 提出了关联主义的知识观与学习观[17]。同为加拿大学者的

Stephen Downs对于连接性知识（Connective knowledge）的贡献 为突出。Downs

关于关联主义的思想主要来自人工智能和神经网络，他的观点基本上与 Siemens

一致[18]，与以往的学习理论不同，他们认为学习并不是由学习者被动地接受知识，

而是学习者在特定的情境中主动建立自己的学习知识网络，通过与其它节点建立

关联来获取知识。另外，Downs还提出了分布性知识（Distributed knowledge）的

观点，成为了关联主义的认知论基础。后来 Downs进一步提出，关联主义学习实

现的基本条件就是需要个人学习环境的创造[19]。这一概念的核心是允许个人进入

任何由人和资源构成的分布式的环境。此外，许多学者如贝尔（Frances Bell）[20]，

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重庆大学硕士学位论文 1 绪 论

4  

特斯克芬（Carmen Tschofen）[21]等都对关联主义理论的基本观点提出了自己独到

的见解，对关联主义理论体系的形成起到了重要作用。

目前，我们国内学者也对关联主义学习理论进行了大量研究。北京大学资深

教授胡壮麟先生在 2008年发表文章对关联主义的主要观点、学界的质疑和评价等

均进行了详尽的介绍，对于国内后续研究的学者们具有重要的借鉴意义[22]。

周文清的硕士论文[23]、刘菊的博士论文中均对关联主义做了较为全面的梳理[24]，

详细阐述了关联主义理论的提出背景，理论内容以及与之前其它学习理论的全面

比较，为后续的相关研究奠定了坚实的基础。陈媛探讨了运用关联主义理论如何

促进碎片化学习，对互联网时代下的学习具有重要的启示作用[25]。程国栋在其博

士论文中论述了关联主义在高校互动中的运用过程，尝试将关联主义学习理论应

用于教学实践之中[26]。

纵观国内外研究现状，可以总结出以下几点：

� 知识图谱暗合了关联主义学习理论的思想，知识图谱作为一个知识网络的

载体，描述了真实世界中存在的各种知识实体和概念，以及这些实体、概念之间

的关联关系，但是目前国内外几乎没有知识图谱在科学教育相关方面的实践研究，

更没有出现将关联主义和知识图谱结合起来应用于科学教育实践的相关研究。

� 关联主义学习理论的研究还仅仅停留在初级阶段，鲜有效果良好的实践案例出现，还缺乏广泛的实证研究来支持它的假设。

� 国内外多数研究都主要集中在网络学习即远程教育方面，缺少对于现实基

础教育的研究，关联主义作为一种学习理论用于检验其与中小学科学教育关系的

研究更是少之又少，将关联主义应用到具体的科学教育知识学习中这方面的研究

还存在不足。

1.3 研究目的及意义 ① 研究目的

本研究以关联主义为理论基础，以人教版高中化学必修一金属及其化合物一

章知识内容为例，运用本体构建技术搭建知识图谱学习平台；在此基础上进行教

学实证研究，了解基于关联主义的知识图谱学习方式下学生的学习效果。希望能

为新时代下科学教学教育体系的构建添砖加瓦，使学习者能够满足二十一世纪科

学技术发展和社会可持续发展对于人才的要求，希望能为学生的知识获取、能力

培养提供新的选择，为不同层次学习者的自主探究式学习的实施提供可能，为终

身学习型社会的建立提供一个新的思路。

② 研究意义

随着社会的发展和科学技术的不断进步，互联网、大数据及云计算所带来的

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重庆大学硕士学位论文 1 绪 论

5  

冲击正迅速改变着人们的生活和学习方式。信息过载使得学习者没有足够的时间

进行信息加工，所以必须寻求新的学习方式以适应时代发展的需求。将关联主义

和知识图谱结合起来这种学习方式具有重要的学术意义和深远的应用价值。

1) 可以将知识体系和知识间的关系以可视化的形式直观展示给学习者，提供

一种有效且便利的学习方式，以知识间结构关系为主线的学习过程，对于学习者

来说不仅能提高学习积极性，还能增强知识结构把握能力。

2) 当使用一种新的学习工具时，学习者的学习方式与学习目的也将发生转变。

关联主义和知识图谱的学习方式侧重于对学习者学习能力的培养，注重主动获取

知识、建立知识关联与网络体系的能力。学习的过程即是通过不断地新旧交互来

增强或者减弱知识关联，从而达到知识关系建立与形成知识网络的目的。在这种

学习模式中，学习者通过沉浸在关联模式的学习场景中进行学习，而不是被动地

接受知识，这种学习模式符合当下时代发展的要求及新课程改革的需要。

3) 目前在科学教育领域还没有将关联主义与知识图谱结合起来开展教学实

践的应用研究，希望本次研究能起到抛砖引玉的作用，引起广大学者们的注意，

在今后大力开展关联主义和知识图谱在教育领域的应用研究，充分利用互联网的

优势将新的技术和理念引入教学之中，帮助学生更好地学习。

1.4 研究内容 本文研究内容主要包括两个方面：人教版高中化学必修一金属及其化合物知

识图谱的构建、教学应用研究与结果分析：

� 金属及其化合物知识图谱构建

1) 搭建知识图谱网站平台

2) 明确知识图谱的构建原则

3) 知识点的拆分与关联的建立；

4) 根据知识关系的类型构建本体，导入网站系统形成知识图谱平台。

� 教学应用研究与结果分析：

根据 终构建的金属及其化合物知识图谱平台选择某高中一年级两个平行班

为研究对象进行教学应用研究，包括教学实验及问卷调查。以验证本文方法对学

生学习效果的提升，探究本文方法是否能增强学生学习效果，从而得出研究结论。

1.5 研究方法与技术路线 ① 研究方法

本研究主要运用文献分析法、理论分析法、问卷调查法、教学实验法。

1) 文献分析法

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重庆大学硕士学位论文 1 绪 论

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本研究是在中国知网上搜集“知识图谱”、“关联主义”的相关文献，寻找文献交

叉点，通过整理、分类文献，总结基于关联主义的知识图谱在课程学习中应用研

究的现状。

2) 理论分析法

理论分析法的应用是通过查阅相关的理论专著或文献，对知识图谱理论以及

关联主义学习理论进行研究和分析。

3) 教学实验法

选取某高中一年级两个班级为实验对象，研究实验组（现行的教学方式+学生

利用知识图谱平台进行自主学习）与对照组（现行的教学方式）的教学效果，以

验证本方法的效果。

4) 问卷调查法

本研究通过填写调查问卷来验证关联主义和知识图谱这种学习方式的学习情

况。

② 技术路线

本研究技术路线如图 1.1所示：

图 1.1 技术路线图

Figure1.1 Technical route

万方数据

重庆大学硕士学位论文 2 知识图谱构建实践

7  

2 知识图谱构建实践

本章以人教版高中化学必修一[27]第三章金属及其化合物知识内容为例，在构

建金属及其化合物本体的基础上搭建化学课程知识图谱平台。

选择高中化学必修一金属及其化合物一章知识为例来构建本研究的化学课程

知识图谱平台，是因为高中化学课程是我国科学教育体系中的一个重要组成部分，

而化学必修一作为高中化学课程的必修部分对于学生科学素养与观念的形成有着

重要的作用，对学生的科学观念及探究能力的培养起着不可替代的作用，对于全

面培养和提高学生的科学素养，养成科学探究习惯，把握科学本质起着至关重要

的作用。金属及其化合物一章作为高中化学必修一的中间章节起着承上启下的作

用，掌握该章节的知识有助于学生系统地把握学科结构，增强学生建立知识间关

联的能力，有利于学生更好地形成自身知识网络。并且该章节知识与日常生活和

社会发展有着密切的联系，通过对该章知识的学习与探究，可以加强学生将科学

理论知识应用于生活实践的能力，激起学生探究生活科普现象的好奇心，有益于

学生理解科学的本质并养成良好的科学习惯。另外，高中化学课程作为科学教育

的一部分，是科学与技术教育专业学生学习和研究的方向之一，与笔者的专业研

究方向高度契合。

本次研究中化学课程知识图谱的构建主要利用了本体技术，釆用本体知识表

达方式，也就是说金属及其化合物知识图谱平台的建立是在构建本体的基础上完

成的。因此金属及其化合物知识图谱实际上是基于本体构建的知识图谱平台，所

以构建化学课程知识图谱首先要完成本体构建。本章首先介绍本体理论，根据学

科知识特点、本体构建原则以及知识表示原则，归纳了学科知识图谱的构建原则；

其次介绍 Protégé本体构建软件，根据关联主义理论并结合本体构建方法，进行金

属及其化合物知识的关联与划分； 后详细阐述高中化学必修一金属及其化合物

知识图谱的搭建流程。

2.1 本体及其组成 本体论这个术语诞生于 17世纪[28]， 早起源于哲学领域。近几年来，本体的

概念被学者们引入到了各个领域，如知识工程、人工智能以及图书情报学领域，

通过本体来解决知识概念表示以及知识组织结构方面的相关问题。

虽然本体这个概念起源于哲学领域，但是随着科学技术的发展，本体现在的

应用主要集中在计算机科学领域。在不同的研究应用领域，不同学者对本体的定

义有着不同的解释。在信息科学领域，Neches等人 早对本体的定义做出了解释[29]：

万方数据

重庆大学硕士学位论文 2 知识图谱构建实践

8  

“本体定义了构成一个主题领域词汇的基本术语和关系，并且可以组合术语和关系

以规定词汇的延伸扩展”。1993年 Gruber把本体定义为“一个概念模型明确的规范

解释”[30]；1997年 Borst博士对其进行了一些修改[31]，为“关于概念体系的明确的、

形式化的规范说明”。很多学者都对本体的特征进行了描述，目前对于本体概念统

一的解释是由 Studer等人提出的：本体是“共享概念模型的明确形式化的规范说明”。

Studer等人的本体定义包含四个方面：概念模型（Conceptualization）、明确（Explicit）、

形式化（Formal）和共享(Shared)[32]。通常本体有三部分组成：

� 类（Classes）或概念（Concepts）即实体的类型；

� 个体（Individuals）或实例（Instances）即基本的实体；

� 属性（Properties）即实体拥有的或与其它实体共有的性质、特征、特性，

属性的作用是描述实体之问的关系。

对于本体理论的解释尽管还存在着很多矛盾和分歧，但是本体理论已经成为

计算机信息科学领域中专业语言必不可少的组成部分。在计算机人工智能领域，

本体实际上表示的是一个领域内或一个范围内并能对这个范围内的实例及实例概

念间关系进行推理的一种模型。因此本文构建金属及其化合物的知识图谱，首先

要构建金属及其化合物知识本体。

2.2 构建原则 学科知识图谱是以可视化的形式展现课程知识结构及知识点间关联的一种特

殊数据库，知识图谱系统需要利用计算机操作功能来表示、存储和管理知识。在

构建学科知识图谱时要遵循一定的原则，确保学科知识图谱能在学习中发挥应有

的作用。

总的来说，在构建知识图谱时要考虑两个方面：一是要根据学科的性质，不

同学科的知识体系是有所不同的；二是要依据关联主义理论及本体构建要求，同

时兼顾本体构建要求和知识表示的原则。根据这两个方面，本人认为在构建知识

图谱平台时要遵循以下原则：

� 学科性质：构建金属及其化合物知识图谱平台时，首先要参照课程标准及新课改的要求，体现化学科普性质，明确高中化学学科性质。在学科性质的指引

下，明晰金属及其化合物一章知识在课程中的地位，明确知识体系结构及知识关

系。

� 整体性：构建金属及其化合物知识图谱时要保证金属及其化合物知识体系

的完整性，对知识进行划分整合，整合后的知识体系要符合课程专题知识的要求。

� 关联性：金属及其化合物知识图谱要能够展示本章知识体系结构和知识间的关联，显示知识相互之间的联系。

万方数据

重庆大学硕士学位论文 2 知识图谱构建实践

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� 可扩展性：金属及其化合物知识图谱中的知识要能不断地更新和改变来适

应课程体系的变化和学习者自身知识体系的变化，因此构建出的知识图谱平台必

须要具有可扩展性。

2.3 Protégé本体构建软件 本体构建的软件有很多种，我们主要使用的本体建模软件主要有两类[33]：第

一类包括第一类包括 Ontolingua、Ontosaurus以及Webonto等；第二类包括 Protege

系列、WebODE、OntoEdit和 OilEd等。

Protégé 软件在构建本体性能和操作使用方面具有很多优点，所以本研究选择

运用 Protégé软件进行本体构建。在本体构建软件选择上，Protégé软件拥有 多的

注册用户，是使用 广泛的本体构建软件，Protégé 软件会不断升级版本，优化功

能，具备良好的扩展性并且拥有多样的本体存储方式。除此之外，它还具有良好

的操作性而且支持中文，无论是复杂的知识表示或者逻辑推理，Protégé 软件都能

提供良好的支持；总体来说，使用 Protégé软件构建的本体更接近学习者的知识表

达。正是由于这些方面的优势，Protégé 软件才得以成为许多研究学者构建本体的

首选工具，这也是本次研究选择使用 Protégé软件的原因。

Protégé 软件目前已成为了一个相对成熟的本体构建工具，软件系统主要是基

于Windows操作系统开发而成的，界面设计类似于Windows系统，清晰简洁。图

2.1为 Protege5.0汉化版的主界面图。

图 2.1 Protégé主界面

Figure2.1 Main interface of Protege

上图为 Protege5.0汉化版软件的操作界面图。在此界面的“打开文件”窗口中我

们可以看到文件类型为“OWL”格式，它的全称为 Ontology Web Language，OWL

是编辑构建本体的系统语言之一，也是本研究所选用的编辑构建本体的系统语言。

OWL 语言相比于其它构建本体系统语言如 RDF、RDFS、OIL、DAML 等具有更

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重庆大学硕士学位论文 2 知识图谱构建实践

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加强大的兼容性和更完善的语义表达能力，而且更适合应用于网站平台上，所以

本研究采用 OWL语言作为本体描述的语言。本体构建者可以运用 OWL本体系统

语言的语义描述功能去表示学科范围内的知识、构建知识体系以及建立知识间的

关联，从而将现实世界中的知识与知识关系转换为计算机系统可以识别的操作语

言，便于操作系统的文本处理和解析。

2.4 关联主义在知识图谱及教学中的作用 在当今信息爆炸的时代，数字化学习和非正式学习已经得到了大面积的应用，

信息过载使得学习者缺少足够的时间进行信息加工。关联主义学习理论的出现可

以满足学习者对知识以及获取知识的方法的需求。

在构建基于关联主义的知识图谱学习平台时，我们要按照相应的原则，科学

准确地划分课程知识或某一范畴内的知识，在此基础上合理完善地建立起它们之

间的关联。这种相应的原则就是关联主义理论的内涵：知识间的连接与关联。根

据知识间的关系构建知识图谱平台，符合学科知识图谱的构建原则。知识图谱平

台的智能性体现在以直观可视化的形式展示学科知识结构及知识关系，这种直观

有效的展示建立在准确的把握知识点之间关系的基础上。所以知识间的关联在很

大程度上会影响知识图谱的准确性与智能性，进而影响教学与自主学习的效果。

如果不能正确把握学科知识间的关系，知识图谱的准确性也会受到极大的影响。

只有将知识间的关系真实准确的表达出来，才能成功地构建课程知识图谱，

根据知识间的关联所形成的课程知识图谱可以使学习者更好地进行学习。所以，

关联主义在知识图谱及教学中的作用主要体现在以下几个方面：

� 可以培养学习者的信息关联能力

根据知识间的关系构建知识网络模型，学习者在学习时可以快速地了解掌握

知识的关系及学科的结构，有利于学习者寻找自己的学习节点，与自身原有的知

识网络相结合，建立起新的知识连接。学习者在知识图谱平台中进行学习需要不

断建立有效的关联，不断更新扩展自身的知识网络，不断建立新的连接来强化已

有的知识网络。在这种学习模式下，可以使学习者具备较强的信息关联能力。

� 有利于培养学习者主动获取知识的能力

关联主义学习理论认为掌握主动获取知识的能力比掌握知识本身显得更加重

要。关联主义和知识图谱的学习模式侧重于对学习者学习环境和知识网络的创建，

为学习者提供获取更多获取新知识的通道，提供更多获取知识及解决问题的方式。

在这种学习模式下，学习者可以养成主动获取知识的习惯，可以将学科知识与公

共领域知识及实践经验结合起来，使自身的知识更加系统化，让学习变得更加高

效便捷。

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� 使学习者在学习中成为真正的主体

当前的多数课堂教学及网络学习平台还是以教师讲授为主，以教师为课堂的

主体。关联主义学习理论着重强调学习者个人在学习中的作用。关联主义以个人

为学习的起点，将个体已有的知识网络通过关联与外界不断的连接扩展形成更大

的学习网络，给学习者提供一个持续学习、终身学习的过程。在这个学习过程中，

学习者不断地获得新知识，建立新的知识关联，使知识间的关联更加稳固，从而

丰富完善自身的知识网络。整个学习过程是一种循环的发展，是个人主动寻找与

外部建立连接的过程，学习者在这个过程中处于真正的主体地位。

2.5 金属及其化合物知识本体构建 2.5.1 Protégé软件中知识关系的类型 构建金属及其化合物知识图谱平台重要的一个步骤是考虑如何将金属及其化

合物这一章节的知识及知识关系转化为知识图谱平台系统可识别的语言。本研究

通过本体知识语言的描述方式，利用本体构建工具 Protégé软件和 OWL语言将金

属及其化合物一章的知识及知识关系转化为计算机可识别的语言。OWL语言中的

基本关系类型如下表所示：

表 2.1 关系类型

Table2.1 Type of relation

关系类型 代表含义

Subtype 类属关系

Part 整体与部分关系

Complementation 互补关系

Comprises 包含关系

Intercross 交叉关系

Is precursor 前导关系

Is descendent 后继关系

Opposite of 矛盾关系

Described by 概念描述关系

Example of 举例关系

Protégé软件中 OWL语言所包含的基本关系如表 3.1所示，由于本体描述语言

所涉及的语义关系和相关结构仅仅只是满足各个基本学科领域所共有的一些基础

性的关系结构，所以这些关系并不能完全地涵盖金属及其化合物一章知识内容间

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重庆大学硕士学位论文 2 知识图谱构建实践

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的相互联系。我们在构建金属及其化合物知识关系时，不能完全按照 Protégé软件

中存在的计算机语言的知识关系，还要结合高中化学课程的学科特色和化学科普

学习要求建立其它需要的关联，我们需要将这些关系融合起来，完善准确地表示

出金属及其化合物一章的知识内容及知识关联，从而为构建金属及其化合物知识

图谱奠定基础。 2.5.2 知识的获取与关联 本研究构建的为人教版高中化学必修一第三章金属及其化合物的知识图谱。

这部分知识的获取主要来源于人教版高中化学必修一教材、主要教辅参考资料以

及相对应的科普应用知识，然后在高中化学课程标准的要求下逐层细化出关于金

属及其化合物的主要知识作为构建知识图谱的数据来源。

获取知识后，我们就需要对知识内容进行细分并整合完善，只有准确、详细

地整合知识，才能确保课程知识图谱的成功构建。知识的划分必须要根据教材的

知识结构体系要求，遵循一定的指导原则。

在划分整合知识的过程中，一般应采用逐层细分的步骤对一个学科范畴内的

知识进行划分。知识的划分与整合对知识结构中知识间关联的建立有着至关重要

的作用。知识的划分要考虑课程的目标要求以及学生自身的学习水平，本研究依

据学习层次的不同，将两者结合起来把知识划分为三种：系统化知识（教材中的

知识点）、以问题为导向的知识（对应的科普应用知识）以及模型化知识（与知识

对应的相关习题）。三种知识是按照层层递进，由浅入深的关联联系起来的，这样

的知识划分可以将教与学有效地连接起来，学习者可以进行循序渐进的学习，是

符合认识论的一种教学。 2.5.3 金属及其化合物本体构建 本章前面已经介绍了本体及构建软件、学科知识图谱的构建原则、详细阐述

了关联主义在知识图谱及教学中的作用，本节在关联主义理论的指导下，遵循学

科知识图谱构建原则，依据 Protégé中知识关系的类型及金属及其化合物知识间的

关联开展金属及其化合物知识图谱平台的构建工作。

本文知识图谱的构建是在本体构建基础上完成的，所以构建本体是形成金属

及其化合物知识图谱的基础。在构建的过程中，可根据构建金属及其化合物本体

的方法去构建知识图谱。

� 本体构建方法

目前构建本体的方法很多，如美国 KBSI 公司开发的用于描述获取本体的

IDEF5 方法[34]；爱丁堡大学人工智能研究所 Uschold 等人总结出的骨架法[35]；加

拿大多伦多大学企业集成实验室在商业活动建模领域开发的 TOVE 法[36]；西班牙

马德里理工大学人工智能实验室提出的Methontology方法[37]；KACTUS工程法[38]；

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重庆大学硕士学位论文 2 知识图谱构建实践

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循环获取法[39]；斯坦福大学 NOY等人提出的七步法[40] 以及用于自然语言处理的

SENSUS 法[41]等。目前构建本体所使用 多的是七步法以及骨架法两种方法，其

中骨架法是建立在企业本体基础上的一种方法，后者是在设计开发一些本体构建

软件的经验基础上而逐步形成的一种本体构建方法，更适合于构建学科知识本体，

所以本次研究选择该方法进行本体的构建。

“七步法”构建本体，首先要明确构建本体的所属范畴；第二步，确定是否可以

重复利用已有本体；第三步，在上一步的基础上继续完善本体或从头构建领域本

体；第四步，定义类（Class）以及类的层次结构（Hierarchy）；第五步，定义类的

属性及关系；第六步，定义属性的分面，属性的分面就是它取值的类型、容许的

取值、值的个数以及有关取值的其他特征；第七步，创建属于某一个类的具体实

体即具体的物质或概念，创建之后需添加属于该类的实例与实例所具有的属性。

� 金属及其化合物本体构建

根据上述本体构建方法“七步法”构建金属及其化合物本体。

1) 明确本体的领域和范围。本研究选择高中化学必修一金属及其化合物一章为构建范围。

2) 考虑是否有可重复利用的本体。通过查阅文献和相关资料，并没有发现可

以重复利用的金属及其化合物知识本体，所以只能自己着手开始构建。

3) 获取金属及其化合物内容的主要物质即大的类别。根据人教版高中化学必修一教材及相关化学参考资料，提取剥离主要知识类别并对其划分整合与完善，

确保所获取与整合的知识的准确性和关联性。

金属及其化合物一章主要包括金属、氧化物、酸、碱、盐等主要物质，根据

这些物质的分类在 Protégé软件中创建类别，如图 2.2所示。

图 2.2 主要的类

Figure2.2 Main classes

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4) 第四步建立知识关系。根据第三步中创建的知识类别利用 protégé 软件建

立类和类之间的关系，确保知识关系即类关系的合理与完善。

比如，金属属于单质，我们就需要在 Protégé中建立金属与单质间的关联，即

金属为单质的子类，创建类关系操作图 2.3所示。其它类依照此种方法依次建立类

关系。

图 2.3 类关系创建

Figure2.3 Create the relations of classes

5) 根据所获取的知识及知识间的关系创建知识及知识点的属性和实例。在获取大的知识分类之后，要根据教材及参考资料梳理出金属及其化合物一章主要的

知识点，根据知识与知识点间的关系创建实例和属性。实例指具体的物质如钠、

铁、铝。属性包括对象属性和数据属性：对象属性指实例之间的关系，比如钠与

氧气可以发生氧化还原反应，那么在本体构建中金属钠就是通过氧化还原反应这

个对象属性和氧气建立了关联；数据属性指实例本身具有的属性，比如理化性质

等。

金属及其化合物一章主要围绕钠、铁、铝三种金属及其主要化合物展开知识

结构，本章主要的知识实例如下表所示：

表 2.2 金属及其化合物一章主要物质

Table2.2 Metal and its compounds

单质 化合物

金属 非金属单质 氧化物 酸 碱 盐

钠 氧气 氧化钠 盐酸 氢氧化钠 碳酸钠

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单质 化合物

铁 二氧化碳 过氧化钠 硫酸 氢氧化铝 碳酸氢钠

铝 氯气 氧化铝 硝酸 氢氧化铁 偏铝酸盐

一氧化碳 氧化铁 氢氧化亚铁

碳 氧化亚铁

四氧化三铁

根据表 2.2 中的主要物质及其分类，在 Protégé 软件中创建实例，图 2.4 为创建钠

铁铝实例的效果。

图 2.4 创建实例

Figure2.4 Create instances

接下来总结金属及其化合物一章主要物质的性质包括物质介绍、理化性质，

主要用途及反应间的转化关系，为下一步创建知识点间的关系及属性做准备。

6) 利用 Protégé 本体构建软件建立知识间关系的属性，并填充完善知识点的

属性。属性的建立包括数据属性和对象属性。以金属铝为例，创建属性效果如图

2.5、图 2.6所示。

图 2.5 铝的数据属性

Figure2.5 Data attributes of aluminum

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图 2.6 铝的对象属性

Figure2.6 Object properties of aluminum

图 2.5 为金属铝的数据属性，包括它的化学式和理化性质等基本信息，图 2.6

为金属铝的对象属性，包括与其它物质发生的各种类型的化学反应。通过这两种

属性可以把金属及其化合物知识及知识间的关系以本体的方法形式化，转化为计

算机可识别的关系，为后期导出本体形成知识图谱系统做准备。

根据此步骤一一建立其它知识的关系及属性。至此，就完成了金属及其化合

知识本体的构建。

7) 检查本体是否科学与完整，请有关专家进行指导，对本体进行完善。

本体构建完成之后，我们需要把构建好的本体导入至前期搭建好的网站平台

上，形成金属及其化合物知识图谱平台。

2.6 知识图谱平台搭建 � 知识图谱平台网页设计

综合已有研究成果，我们团队开发了一套基于知识图谱的原型系统：系统主

要采用 BS架构，使用了 Struts2、spring、springsecurity3、hibernate和 jena等 Java

框架开发技术。知识图谱系统使用 Struts2、spring、springsecurity3 及 hibernate 技

术实现了系统的页面显示、业务流程和权限管理等基础功能，使用 Jena 框架实现

了 owl文件解析、本体存储、推理等语义相关功能。

图 2.7为知识图谱平台的基本操作界面，操作界面主要分为四个部分：位于上

方的搜索栏、位于左侧的概念层次树、位于中部的知识详情界面和位于右侧的知

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重庆大学硕士学位论文 2 知识图谱构建实践

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识关系图谱。

1) 上方的搜索栏可以方便用户搜索知识。

2) 左侧的概念层次树展示了概念的上下位关系，可以快速方便的导航用户到所学习或编辑的目标。

3) 中部的知识详情模块包含了对知识的一系列详细描述，管理员或授权用户可以在此模块中对知识的基本信息进行添加、修改，实现对知识的编辑功能。

4) 右侧的知识关系图谱直观地显示了知识及知识点间的关联，方便用户的学

习及知识结构的建立，双击图谱中的任一知识点图标就可以进入该知识详情页面，

给用户的学习带来了极大的便利。

图 2.7 知识图谱平台界面

Figure2.7 knowledge graph Platform interface

� 功能详述

用户在使用知识图谱平台时需要先登录系统，平台登录界面如图 2.8所示。本

研究设计的系统平台包括了两部分的功能：后台管理和知识在线编辑与管理。后

台管理又包括三个部分：数据导入、数据导出及词典重建。通过后台管理可以随

时更新系统中的知识概念及结构关系并且可以及时保存导入与导出的数据记录，

后台数据管理界面如图 2.9所示；知识在线编辑与管理指用户可以在系统中直接添

加和编辑知识，包括实体（概念）名称、图片、描述等。

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图 2.8 知识图谱平台登录界面

Figure2.8 knowledge graph Platform Login interface

图 2.9 知识图谱平台后台界面

Figure2.9 knowledge graph Platform Backstage interface

本研究知识图谱平台系统实现顺利运行的流程大致可分为以下几个步骤：

1） 使用 protege5.0软件构建金属及其化合物本体，生成 OWL文件并保存；

2） 将第一步中保存的的 OWL文件导入网页系统平台中；

3） 系统平台对导入的 OWL文件进行解析并存储；

4） 用户通过平台搜索接口进行查询；

5） 系统平台根据用户输入的关键字进行分词处理；

6） 平台根据分词结果进行相应的语义推理；

7） 系统将结果返回到前台。

通过以上几个步骤我们就可以把在 Protégé软件中构建的金属及其化合物本体

导入到网站平台中形成金属及其化合物知识图谱。导入完成之后可在网站上对其

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再进行完善：包括上传金属及其化合物知识相关图片、习题、实验操作视频及有

关的生活科普应用知识，从而 终完成金属及其化合物知识图谱的构建。

知识图谱平台登录网址为：http://slj.cqu.edu.cn/kownledge/admin.jsp。构建完成

后的知识图谱界面如图 2.10所示。

图 2.10 金属及其化合物知识图谱主界面

Figure2.10 knowledge graph Main interface of metal and its compounds

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重庆大学硕士学位论文 3 教学应用及结果分析

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3 教学应用及结果分析

本章是论文的主体部分。为了验证基于关联主义的知识图谱平台学习方式的

有效性，笔者以本文所构建的化学课程知识图谱平台为工具，将其应用到某校高

中一年级某班化学教学实践中，进行教学实证研究。通过教学实验及问卷调查，

探索基于关联主义的知识图谱平台学习方式对学生学习效果的影响。本章主要从

三部分来具体介绍和分析教学应用研究：应用研究设计、应用研究的实施过程、

应用研究结果分析。

3.1 教学应用研究设计 3.1.1 研究对象 因为笔者长期在郑州进行实习工作，所以本研究选取郑州市某附属中学高一

两个平行班 A班和 B班的学生为本次教学实践的研究对象。之所以选择高中一年

级学生为本次教学实践的研究对象，是因为高中化学课程是在九年制义务教育的

基础上，以进一步培养提高学生的科学素养为宗旨的，这与我们的研究目的是契

合的，而且高一学生不存在应试考试的压力，少了一些学习上的功利性，这可以

提高本研究结果的准确性。 3.1.2 研究方法 教学应用研究包括教学实验和问卷调查两部分。

教学实验设计包括实验前测和实验后测。实验前测是为了测试实验组与对照

组在实验前的化学水平是否相当，从而确定这两个班级是否可以作为实验研究的

对象。实验后测是为了验证实验效果，通过分析测试成绩证明基于关联主义的知

识图谱学习方式是否有效，是否能提升学生的学习效果。

问卷调查的对象为实验组 A班的全体学生。在教学实验完成之后，对 A班的

全体学生进行问卷调查，调查学生对于知识图谱平台的使用效果以及对于这种关

联性学习方式的满意程度，从而确定这种学习方式是否能增强学习兴趣，提高学

习主动性。 3.1.3 研究步骤 本次教学应用研究过程大致可以分为三个阶段：

① 准备阶段：为了保证教学实验的准确性与科学性，在正式实验开始前对两

个班级 A班和 B班的全体学生进行实验前测，此次实验是在复习阶段进行，学生

之前已经学习过金属及其化合物的知识内容，所以测试内容为金属及其化合物一

章的习题，两个班测试成绩较为一致，可以作为本研究的对象。此外还要进行教

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重庆大学硕士学位论文 3 教学应用及结果分析

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学实验设计及问卷调查的准备工作。

② 实施阶段：此阶段为本次实践研究的重要阶段。在此阶段开展教学实验，教学实验之后向实验班的全体学生发放问卷进行调查。

③ 总结阶段：统计分析学生的后测成绩，得出实验结论，分析调查问卷，总

结分析本次实证研究的结果，得出结论。

3.2 教学实验设计 3.2.1 实验目的 研究探索基于关联主义的知识图谱平台的化学学习方式对高一年级学生化学

科学学习效果的影响。探索基于关联主义的知识图谱平台学习方式在中学化学教

学中是否能促进学生学习，提高学生的学习成绩和科学思维能力。 3.2.2 实验对象 本次实验选取郑州市某附属中学高一年级两个平行班为实验对象。其中 A 班

为实验组，男生 32人，女生 22人，全班总计 54人。B班为对照组，男生 30人，

女生 26 人，全班总计 56 人。两个班总人数几乎一致，且男生数量大于女生，性

别比例基本相同。所选两个班级化学课是由同一教师执教，并且两个班级的学生

中考化学成绩基本相同，这说明两个班的学生化学水平基本均衡，可以作为本研

究的研究样本。

为了确保实验结果的准确性与有效性，在教学实验正式开始之前对 A、B两班

的全体学生进行考试测试即实验前测。测试试卷为该校复习阶段准备的单元测试

题，试卷题目设计以教学目标为根据，严格遵照高中化学人教版课程标准要求，

注重对学生科学教育应用知识的考察，由学校专业教师编制，具有较高的信效度。

试卷满分 100分，包括选择题与非选择题两大部分，其中选择题 10小题，每小题

5分，共 50分，非选择题包括三大题，共 50分，测试时间 45分钟。测试完成后

分别统计两班的分数，两班成绩散点分布图如下图所示，横坐标代表学生人数，

纵坐标为测验分数。

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重庆大学硕士学位论文 3 教学应用及结果分析

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图 3.1 前测成绩散点图

Figure3.1 Scatter plot of Pretest score

通过成绩散点图可以看出两班学生成绩水平大致相同。采用 SPSS软件对两班

成绩进行统计分析与差异性检验，统计分析结果如下表所示。

表 3.1 前测成绩组统计量

Table3.1 Pre-test group statistics

N 均值 标准差 均值的标准误

实验组 A班 54 76.80 10.067 1.370

对照组 B班 56 76.32 9.586 1.281

由表 3.1可以看出 A班与 B班的成绩平均值和标准差都较为接近，与两班成

绩散点图显示结果一致。为了使实验研究更加准确，需要进一步比较两班学生整

体水平是否存在显著差异，所以对两班成绩进行独立样本 t检验，结果如下表所示：

表 3.2 前测成绩独立样本 t检验

Table3.2 Students’ t test

方差方程的 Levene

检验 均值方程的 t 检验

F Sig t df Sig（双侧） 均值差值 标准误差值

假设方

差相等 0.333 0.565 0.253 108 0.800 0.475 1.874

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重庆大学硕士学位论文 3 教学应用及结果分析

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方差方程的 Levene

检验 均值方程的 t 检验

假设方

差不相

等

0.253 107.216 0.801 0.475 1.876

由表 3.2可以看出方差方程的 Levene检验结果为 F=0.333，sig值 P=0.565，由

于方差齐性结果为方差相等即方差为齐的，所以我们选取方差相等时的 t检验结果，

即 t=0.253，P=0.800，由于 P>0.05，所以 A、B两班学生的前测成绩不存在显著性

差异，可以作为本次教学实验的研究对象。 3.2.3 实验设计 � 实验设计类型

教育实验设计类型也称为教育实验设计的基本模式[42]。教育实验设计的类型

较多，主要包括单因素单组设计、单因素等组设计、多重处理设计及多因素设计

四大类。由于篇幅限制，本文只详细介绍本次研究所选用的实验设计类型。

本次实验研究采用单因素等组前后测验设计。单因素等组前后测验设计的基

本步骤为：

1) 将被试分为两组，一组为实验组，另一组为对照组；

2) 对实验组和对照组进行实验前测；

3) 对实验组进行实验处理，对照组采用普通教学方法；

4) 对实验组和对照组进行实验后测；

5) 通过比较实验组测验结果和对照组测验结果之间的差距，分析确定结果差异是否由实验处理所引起。

单因素等组前后测验设计是中小学教育实验常用的一种设计方法，这种实验

设计类型具有以下优点：第一，有两个被试组，控制了相应无关变量的影响；第

二，设计中包含了前测和后测，更能有效地探究实验中自变量和因变量之间的因

果关系。所以本研究采用单因素等组前后测验设计来开展教学实验研究。

� 实验安排

通过与学校的交流和与任课老师的沟通，同时在现实条件的制约下，本次实

验安排在章节复习课时进行。根据我们构建的知识图谱平台内容，本次复习课教

学实验内容为高中化学必修一（人教版）第三章金属及其化合物章节的知识。该

校一节课的时间为 45分钟，分别对实验组和对照组进行一节课的教学时间，两个

班级授课教师相同。教学过程大致可分为两部分：实验组 A 班采用常规授课形式

与学生利用知识图谱平台的自主学习；对照组 B 班采用常规授课形式。教学完成

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重庆大学硕士学位论文 3 教学应用及结果分析

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后进行实验后测。 3.2.4 实验变量 实验变量包括自变量、因变量和控制变量（也叫做无关变量）。在实验研究中，

自变量是实验操作者要进行操纵的变量因素；因变量是需要测量和观察的因素且

随着自变量的改变而变化；无关变量是指那些在实验研究中除自变量以外的一切

能影响实验结果的因素，所以在实验过程中要控制这些无关因素对实验的影响。

① 自变量：本次教学实验中的自变量为教学方式。对照组 B班按照常规的授

课形式进行上课，实验组 A班开展基于关联主义的知识图谱平台的教学活动。

② 因变量：本次教学实验的因变量为学生的学习效果包括学习成绩和科学思维能力。因为科学思维能力无法直接观察测量，而科学思维能力是主要体现在学

生对于知识体系的了解和掌握程度以及掌握科学方法解决问题等方面，所以科学

思维能力的测量标准可以定位在学生的学习成绩上。因此，本次教学实验因变量

的测量标准为试卷测验分数。

③ 控制变量：实验过程中除自变量以外影响实验结果的因素统称为控制变量或无关变量。在本次实验中，教学内容、学生的知识水平、教学时间、学生性别

因素以及实验主试和被试方面的主观因素等都属于无关变量。

为了确保本次实验的客观性及准确性，对无关变量采用以下方法进行控制：

第一，恒定法，使一些无关变量在实验过程中保持不变，实验组和控制组学习内

容相同，教学时间相同，授课教师相同并且使用相同的评价方式。第二，平衡法，

实验组与对照组班级人数基本相同，男女比例基本一样，实验前测确定学生原有

知识水平相当。第三，实验过程中除了授课教师，其他全体师生都不知道在进行

教学实验，消除主试与被试方面的主观因素可能造成的误差。 3.2.5 实验假设 在确定实验目的，分析实验变量的基础上，我们提出本次教学实验的研究假

设：基于关联主义的知识图谱平台学习方式可以影响学生的学习效果，提高学生

的学习成绩，提高学生掌握知识体系和问题解决的能力。

3.3 教学实验过程 在开展教学实验前首先要进行教学设计[43]，按照设计的教学方案开展教学实

验。本节接下来将从教学设计、实验实施及实验后测三方面来阐述金属及其化合

物章节的教学实验过程。 3.3.1 教学设计 在设计教学时要参照相应的课程标准，普通高中化学课程标准强调高中化学

课程是科学教育的重要组成部分，是以进一步提高学生科学素养为宗旨的，对学

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重庆大学硕士学位论文 3 教学应用及结果分析

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生探究能力的培养与科学世界观与价值观的形成起到重要的作用。课堂教学必须

要执行课程标准中的要求，要在课程标准的指引下进行教学设计。教学过程的设

计主要包括以下几个方面：

① 教材分析

金属及其化合物是新课标人教版教材必修一第三章的内容，本章学生开始初

步系统地接受金属元素及其化合物的知识，主要以钠、铝、铁三种金属为代表来

展开章节内容，学生系统掌握本章内容之后可以轻松地学习后面非金属元素的知

识。金属及其化合物一章包括三节内容，每节内容又包含若干小节，具体结构如

下图所示：

图 3.2 金属及其化合物章节结构

Figure3.2 Chapter structure of Metal and its compounds

② 学情分析

本次课程是对金属及其化合物一章进行复习总结归纳，学生之前在新课学习

阶段已经系统地对本章知识进行了学习，初步具备了归纳概括金属及其化合物知

识的条件。但是学生对不同物质间的相互转化及化学反应类型间的联系还是不能

熟练掌握，所以应创建更加开放的学习环境，鼓励学生进行自主探究。

③ 教学目标

高中化学课程旨在进一步提高学生自身的科学素养，激发学生对科学探究的

兴趣，培养学生的科学思维与价值观，提高学生实践能力，激发学生创新潜能。

在复习型课堂中，应引导学生跳出教材的框架，通过其它的学习资料拓宽学习环

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重庆大学硕士学位论文 3 教学应用及结果分析

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境，充分发挥学生的自主性，争取提高学生的归纳概括能力，系统地把握知识体

系。

教学目标[44]可分为三个维度：知识与技能、过程与方法以及情感态度价值观。

知识与技能是指学习者需要掌握的知识以及通过学习过程所获得的基本技能，过

程与方法指学习者在学习过程中所增加的能力，情感态度价值观指学生通过知识

的学习培养出什么样的情感态度，形成怎样的世界观与价值观。

1） 知识与技能

在复习阶段学生需熟练掌握钠、铁、铝等主要金属的理化性质，掌握实验的

基础操作方法。以钠铁铝金属的氧化物为例，了解金属化合物的制备方法、主要

性质和主要用途。以氧化铝和氢氧化铝为例，熟练掌握两性化合物的特性，以明

矾、碳酸钠、碳酸氢钠为例了解盐的特点和用途。了解金属及合金的的差异，知

道常见金属及合金的主要成分、性能及在生活中的应用。

2） 过程与方法

在教学实验研究的过程中，实验组与对照组的教学过程是不一样的。所以，

两班在过程与方法该维度上的教学目标也是有所区别的。

a) 实验组 A班

通过观察分析，进一步了解金属及其化合物的主要性质，提高观察能力。通

过知识图谱平台的学习方式，掌握金属及其化合物的主要性质、主要用途以及不

同物质间相互转化的关系，形成本章知识网络，系统把握知识体系，掌握知识结

构，培养建立知识关联的能力，提高自主学习、持续学习能力。

b) 对照组 B班

通过观察分析，掌握金属及其化合物的理化性质，提高观察能力。通过列表

比较法，掌握各种主要的金属及其化合物的主要性质、用途，掌握金属及其化合

物物质间相互转化的关系。通过归纳概括，观看学习资料中的知识图解掌握本章

知识的主线与层次结构，形成系统的知识体系。

3） 情感态度价值观

通过小组结合的方式，培养学生的团队精神与积极思考的科学精神。通过对

金属及其化合物知识的复习总结，引发学生将理论知识应用于生活实践中的意识，

培养学生自主学习、积极探究的科学态度。

4） 教学重难点

a) 教学重点：钠与氧气反应、钠与水反应、碳酸钠和碳酸氢钠的性质及转化、铝

与氢氧化钠溶液反应、金属氧化物的化学性质、氢氧化铁与氢氧化亚铁的转化、

氢氧化铝的两性特点、三价铁的氧化性、铁离子与亚铁离子的检验与转化、合金

的特性与应用。

万方数据

重庆大学硕士学位论文 3 教学应用及结果分析

27  

b) 教学难点：归纳概括金属及其化合物的性质、掌握物质间的相互转化关系，形

成章节知识体系。

5） 教学准备

在正式教学开始之前，由笔者向实验组 A 班学生系统地介绍知识图谱平台，

使其了解知识图谱平台的基本结构及功能，掌握使用知识图谱平台的操作方法。

同时对 A、B两班的学生进行分组，四到五人一个小组，自由结合，便于课上学习

时的合作与讨论。

6） 教学过程

教学内容 教师活动 学生活动 设计意图

导入内容

在之前金属及其化合物知识内容

的学习过程中，我们很多同学都感

到知识点很零碎庞杂，学了之后不

容易记住，今天我们的复习课就是

为了帮同学们梳理该章的知识内

容，理清思路，帮助大家更好地掌

握知识结构。

注意力转入课堂学习，

聚焦到学习内容。

引起学生注意，激

发学生的学习兴

趣。

归纳金属钠

及其主要化

合物的知识

体系

展示钠的燃烧、钠与水反应的小视

频，询问学生钠的化学反应主要有

那些，属于什么类型的化学反应，

这些化学反应是否可以相互转

化？请学生们写出钠及其化合物

的主要化学反应方程式，并小组讨

论标出转化关系，请小组选出代表

汇报结果。

学生观看展示的实验

视频，回顾知识内容，

写出钠及其化合物的

化学反应方程并与小

组内成员进行讨论，梳

理出之间的转化关系。

选出小组代表进行汇

报。

勾起学生对所学

知识的回忆，发挥

学生的主观能动

性，培养学生的表

达能力，培养学生

善于合作的团队

精神。

归纳金属钠

及其主要化

合物的知识

体系

学生汇报时认真聆听，了解学生的

想法及思路。小组汇报完毕后给予

评价[45]：要掌握教材知识重点，了

解钠的知识框架，理清知识脉络，

思考之间的转化关系。

展示钠及其化合物化学反应方程

式，并注明其间的转化关系。

学生认真聆听，积极思

考，小组内可相互交

流，总结不足，及时记

录笔记，巩固知识。

通过师生互动及

生生互动，使学生

更好地整理知识，

归纳体系结构。

以铝、铁及

其化合物为

从教材出发，列出铝及其化合物的

转化关系，列出铁及其化合物的转

学生仔细观看教师展

示的内容，认真聆听，

通过教师的讲授、

举例，拓展学生的

万方数据

重庆大学硕士学位论文 3 教学应用及结果分析

28  

3.3.2 实验实施 实验实施过程是本次实验研究的核心部分。根据以上教学设计内容，开展教

例归纳有关

化学反应类

型及知识体

系

化关系。引导学生思考它们之间是

如何转化的，通过与什么物质反应

得到的。举例：铝与氢氧化钠溶液

反应生成偏铝酸钠，偏铝酸钠也可

通过几步化学反应重新生成单质

铝。

积极思考。 思维，理清复习的

思路。

引导学生思考铝、铁及其化合物的

其它反应关系，写出每步转化的化

学反应方程式，梳理物质间的关

系，小组讨论描述每步化学反应的

现象、化学反应的类型。

按照老师的要求写出

化学反应方程，小组讨

论化学反应的类型并

进行标注，讨论这些化

学反应间的关系。

学生间进行互动，

学会用不同的方

法归纳整理知识。

回顾整章知

识，梳理知

识关系

实验组 A 班：教师负责引导学生

通过知识图谱平台进行自主学习；

对照组 B 班：教师通过教辅资料

中的知识小结与知识图解来进行

总结归纳，和学生一起总结归纳本

章知识。

实验组 A班：学生通过

知识图谱平台进行自

主学习，总结归纳知识

体系；

对照组 B班：学生认真

聆听教师师的总结，学

习教辅资料中的章节

知识小结与知识图解，

积极思考，配合教师活

动，与教师一起总结归

纳知识体系。

巩固本章知识，形

成知识体系，构建

知识网络。

课程小结 通过本次复习课，同学们要总体上

把握金属及其化合物一章的内容。

在头脑中要形成金属及其化合物

的知识框架，注意新旧知识间的联

系，形成自己的知识网络。

认真思考，建立知识间

的联系，形成知识体系

结构。

引起学生们的重

视，提高学习效

率，增强学习效

果。

万方数据

重庆大学硕士学位论文 3 教学应用及结果分析

29  

学实验。高一 A 班为实验组，教学过程大致可分为两部分：常规授课形式与学生

在教师的引导下利用知识图谱平台的自主学习；高一 B 班为对照组，教学过程为

常规授课形式。该校一节课的时间为 45分钟，根据设计的教学过程开展一节课的

教学活动。教学过程中，在课堂管理和学生活动等方面可能会出现突发问题，老

师要依据课堂的实际情况及时调整教学活动，合理规划教学时间，确保课堂教学

活动的顺利开展。 3.3.3 实验后测 教学实验结束之后分别对两班学生进行测试，即实验后测。测试内容为金属

及其化合物一章的知识，测试时间为 45分钟，测试题目为该校老师在参考化学课

程资料的基础上编制而成，试题难度与实验前测试题难度相当，侧重对化学科学

应用知识的考察，具有较高的信度与效度。试题包含两大部分：选择题与非选择

题，其中选择题共 15小题，每小题 4分，共 60分，非选择题共三大题，共 40分。

测试完成后，分别对两班测试成绩进行统计记录，准备进行后期的数据统计分析。

3.4 问卷调查 3.4.1 调查目的 教学实验完成之后，要对实验组 A 班的全体学生进行问卷调查。问卷主要调

查学生对于金属及其化合物知识图谱平台学习模式的满意程度，了解基于关联主

义的知识图谱学习方式是否能影响学生的学习效果。 3.4.2 问卷编制及调查 本次问卷题目的编制参考了西南大学教育学专业硕士论文中的概念图教学效

果问卷调查表[46]，为了确保调查结果的准确性与科学性，在有关专家的指导下根

据本研究的实际情况又做了一定修改，问卷具备一定的信效度。

本次调查问卷题目为《金属及其化合物知识图谱平台学习情况调查表》，考虑

到调查结果的客观性因素以及调查问卷要便于被调查者答题和调查的统计处理[47]，

问卷中的题目设置都是以客观题的形式呈现。为了能够让调查对象能在相对较短

的时间内选择 符合自己实际情况的选项，避免因为问卷题量过大而引起答题者

的不适与厌烦情绪，本次问卷总共设计了 11 道题目，每道题共有三个选项：是、

不确定、否。调查问卷见附录 A，下表为问卷说明：

万方数据

重庆大学硕士学位论文 3 教学应用及结果分析

30  

表 3.3 问卷说明

Table3.3 Questionnaire description

调查问卷题目 调查维度

1你是否喜欢本次上课的方式 满意度

2 你认为知识图谱这种学习方式是否适合你 满意度

3金属及其化合物知识图谱平台界面是否简洁明了 学习工具支持

4金属及其化合物知识图谱平台操作是否方便快捷 学习工具支持

5金属及其化合物知识图谱平台是否能增强你的自主学习能力 学习能力

6 金属及其化合物知识图谱平台是否能增强你对本章知识结构的

整体把握 学习能力

7 你认为知识图谱这种学习方式是否能加强你建立知识关联的能

力 学习能力

8你认为知识图谱这种学习方式是否能提高你的学习效率 学习能力

9 你认为知识图谱平台这种学习方式是否能应用到以后化学课程

的学习中 学习认知

10 你认为知识图谱平台这种学习方式是否能应用到其它学科的

知识学习中 学习认知

11本次运用知识图谱平台学习之后，如果条件允许，以后课余时

间你是否会利用这种学习工具或学习方式主动学习 学习行为

教学实验结束后向实验组A班全体学生发放问卷进行调查。A班共 54名学生，

问卷共发放 54份，问卷为匿名填写方式，填写时间为 10分钟，填写结束后收回，

问卷共回收 54份，回收率 100%，有效问卷 54份。

3.5 分析与结论 对教学实验所得到的数据和问卷调查的结果分别进行数据处理，分析结果，

得出结论。 3.5.1 教学实验结果分析 实验后测完成后分别统计实验组 A班与对照组 B班的测试分数，统计出两班

成绩散点图如图 3.3所示。图中横坐标为人数，纵坐标为两班后测成绩分数。从散

点图可以看出，经过教学实验之后两班成绩出现了较大差异，实验组 A 班学生的

成绩要优于对照组 B班。

万方数据

重庆大学硕士学位论文 3 教学应用及结果分析

31  

图 3.3 后测成绩散点图

Figure3.3 Scatter plot of Post test score

为了更直观的比较两班成绩差异，笔者绘制了两班后测成绩均值图，如图 3.4

所示。

图 3.4 后测均值对比

Figure3.4 Mean value comparison

图中横坐标为班级，纵坐标为后测分数。由上图可以看出两班平均成绩也存

在较大差异。

为了确保实验结果的准确性，我们采用 SPSS软件对两班后测成绩进行统计分

析与差异性检验以比较两班学生整体水平是否确实存在差异，统计分析结果如下

表所示。

万方数据

重庆大学硕士学位论文 3 教学应用及结果分析

32  

表 3.4 后测成绩组统计量

Table3.4 Post-test group statistics

N 均值 标准差 均值的标准误

实验组 A班 54 75.02 8.721 1.187

对照组 B班 56 71.14 7.583 1.013

表 3.5 后测成绩独立样本 t检验

Table3.5 Students’ t test

方差方程的 Levene

检验 均值方程的 t 检验

F Sig t df Sig（双侧） 均值差

值

标准误差

值

假设方差

相等 1.797 0.183 2.490 108 0.014 3.876 1.557

假设方差

不相等 2.484 104.783 0.015 3.876 1.561

从统计分析的结果来看，实验组 A班的后测成绩确实优于对照组 B班的后测

成绩。由表 3.5可以看出方差方程的 Levene检验结果为 F=1.797，sig值 P=0.183，

由于方差齐性结果为方差相等即方差为齐的，所以我们选取方差相等时的 t检验结

果，即 t=2.490，P=0.014，由于 P<0.05，所以 A、B两班学生的后测成绩存在显著

性差异。

由上述分析可得，经过实验教学之后，实验组 A班学生成绩高于对照组 B班

学生成绩且两班成绩存在显著差异，实验结果说明基于关联主义的知识图谱平台

学习方式可以提高学生的学习成绩，学生学习成绩的提高证明了这种学习方式的

有效性。所以，基于关联主义的知识图谱平台学习方式可以影响学生的学习效果，

提高学生学习成绩，提高学生问题解决的能力。有利于学生系统地把握知识结构，

促进知识网络的形成。 3.5.2 问卷调查结果分析 问卷共发放 54 份，回收 54 份，回收率 100%。对回收的问卷进行数据统计，

选择“是”记为 3分，选择“不确定”记为 2分，选择“否”记为 1分，根据学生在每个

调查维度的得分高低来确定学生的学习情况，得分越高说明学习情况越好，分数

越低说明情况越差。统计结果如下所示。

� 调查维度分析

万方数据

重庆大学硕士学位论文 3 教学应用及结果分析

33  

1) 满意度分析

在问卷中对学生满意度调查的有两道题，得分越高代表满意程度越高。对所

得结果运用 SPSS软件做描述分析，所得结果如下表所示：

表 3.6 满意度描述统计量

Table3.6 Satisfaction descriptive statistics

N 极小值 极大值 均值 标准差

Q1 54 1 3 2.35 0.781

Q2 54 1 3 2.33 0.727

从表 3.6 中可以看出满意度平均值在 2.33-2.35 之间，说明大部分同学对关联

主义和知识图谱的学习方式比较满意。两题的标准差都较大，说明数据离散程度

较大，表明多数同学观点不一致，这可能和学生的性格和学习特点有关系。

2) 学习工具支持分析

问卷中第三、第四题调查学生对于本次知识图谱平台的认可度，描述分析结

果如下表所示：

表 3.7 学习工具支持描述统计量

Table3.7 Support of learning tool descriptive statistics

N 极小值 极大值 均值 标准差

Q3 54 1 3 2.54 0.770

Q4 54 1 3 2.72 0.492

由表 3.7可以看出其平均值在 2.52到 2.72之间，绝大多数同学认为本次知识

图谱平台的界面简洁明了，操作方便。第三题的标准差较大，即数据离散程度较

大，说明在知识图谱平台界面是否简洁明了上多数同学观点不一致。由此可见知

识图谱平台的界面设计还需优化。

3) 学习能力分析

问卷中有四道题目是为了调查学生的学习能力，SPSS软件描述统计分析结果

如下表所示：

万方数据

重庆大学硕士学位论文 3 教学应用及结果分析

34  

表 3.8 学习能力描述统计量

Table3.8 Learning ability descriptive statistics

N 极小值 极大值 均值 标准差

Q5 54 1 3 2.39 0.685

Q6 54 1 3 2.54 0.573

Q7 54 1 3 2.26 0.782

Q8 54 1 3 2.46 0.665

由表 3.8可以看出四道题的平均值在 2.26到 2.54之间，说明关联主义和知识

图谱的学习方式可以提高绝大多数学生的学习能力。第七题平均分 低，数据离

散程度也 大，说明多数学生观点不一致且不确定这种学习模式是否能增强自己

建立知识关联的能力。这与学习时间过短，学生第一次接触这种学习方式等因素

有关。

4) 学习认知分析

问卷中第九、第十题调查学生的学习认知，描述统计分析结果如下表所示：

表 3.9 学习认知描述统计量

Table3.9 Cognitive learning descriptive statistics

N 极小值 极大值 均值 标准差

Q9 54 1 3 2.52 0.720

Q10 54 1 3 2.44 0.634

由表 3.9可以看出第九题的均值和标准差都大于第十题，这说明大多数学生更

确定这种方式可以应用在化学课程的学习中，但是多数同学观点不一致。这与实

验教学时间过短、对这种学习方式不太了解以及学生自身类型有关。

5) 学习行为分析

问卷 后一题调查学生的学习行为，描述统计分析结果如下图所示：

表 3.10 学习行为描述统计量

Table3.10 Learning behavior descriptive statistics

N 极小值 极大值 均值 标准差

Q11 54 1 3 2.67 0.583

由表 3.10可以看出 后一题的均值为 2.67，作答情况较好，标准差为 0.583，

万方数据

重庆大学硕士学位论文 3 教学应用及结果分析

35  

数据离散程度不大。这说明绝大多数学生会改变自己的学习行为，主动利用关联

主义和知识图谱的学习方式进行学习。

� 描述分析总结

运用 SPSS软件将上如五个维度的分量表进行对比分析，得出结果如下表所示：

3.11 总体描述统计

Table3.11 Total descriptive statistics

N 极小值 极大值 均值 标准差

满意度 108 1 3 2.34 0.751

学习工具支持 108 1 3 2.63 0.650

学习能力 216 1 3 2.41 0.683

学习认知 108 1 3 2.48 0.676

学习行为 54 1 3 2.67 0.583

由表 3.11可以看出各调查维度的均值从大到小依次为学习行为（2.67）、学习

工具支持（2.63）、学习认知（2.48）、学习能力（2.41）、满意度（2.34）。这说明

在现实条件允许的情况下大多数学生会选择关联主义和知识图谱的学习方式进行

自主学习，但是由于学生长期处于传统学习环境下及学生自身性格特点的影响，

对于这种学习方式的满意度略低。 3.5.3 教学应用研究结果 通过对教学实验结果及问卷调查结果进行分析可以发现：基于关联主义的知

识图谱学习方式可以提高学生把握知识结构的能力及问题解决能力，有利于学生

形成自己的知识网络，提高学生的学习成绩。在条件允许的情况下，学生有能力

并且愿意使用这种方式进行自主学习，更有利于培养学生建立知识关联的能力，

这说明关联主义和知识图谱的学习方式可以提高学生学习的积极性，在一定程度

上提高学生的学习效率。

万方数据

重庆大学硕士学位论文 4 总结与展望

36  

4 总结与展望

4.1 结论 本文旨在开展关联主义和知识图谱在化学科学教育知识学习中的教学实践应

用研究。在对知识图谱及关联主义进行了大量文献研究后，分析了关联主义理论、

知识图谱理论及本体构建技术，在此基础上总结了基于本体的知识图谱构建方法。

以高中化学（人教版）必修一金属及其化合物一章为例搭建知识图谱学习平台，

以章节课程结构和知识间关联为主线完成金属及其化合物知识图谱的构建。将其

应用于高中一年级化学科学知识学习之中，运用教学实验和问卷调查了解学生对

基于关联主义的知识图谱学习方式的满意程度及学习效果。整篇文章基本描述了

笔者的研究思路和研究过程。总体来说，笔者在整个研究过程中工作内容可总结

为以下三个方面：

首先，介绍分析了关联主义、知识图谱及本体理论，通过对这些相关理论的

学习，掌握了关联主义的概念、知识图谱的内涵及本体的构建等基础理论，在此

基础上构建基于本体的知识图谱。

第二，结合化学学科知识特点，拆分整合知识点及知识间的关联，确定金属

及其化合物知识图谱的构建原则，在此基础上结合 protégé软件本体构建特点利用

Protégé软件构建高中化学必修一中金属及其化合物知识本体，设计知识图谱平台，

按照相应的流程 终完成知识图谱构建。

第三，通过教学实证研究包括教学实验及问卷调查，分析了该工具对于高中

化学科普知识学习的可用性及学习效果。通过实践研究发现：该工具不仅能够有

效地显示知识间的关联及知识结构，同时知识图谱的交互设计也能够激发学习者

学习的积极性， 为重要的是通过这种学习方式可以影响学习者的学习效果。研

究认证，基于关联主义的知识图谱在高中化学学科知识的学习应用中基本达到了

本研究的设计要求和预期目标,也为今后关联主义和知识图谱的新型学习方式应用

研究提供了支撑。

4.2 本文的创新之处

以关联主义为理论基础运用多种技术构建出高中化学必修一金属及其化合物

一章的知识图谱，将关联主义和知识图谱结合起来开展其在科学教育领域的应用

研究，这是本研究的创新之处。

万方数据

重庆大学硕士学位论文 4 总结与展望

37  

4.3 研究展望 总结来说，本研究是关联主义和知识图谱在科学教育领域应用中的一次尝试

探究，难免存在一些不足之处：

① 关联主义和知识图谱的实践研究还处在初级阶段，没有大量的参考文献作

为理论基础，只能在部分文献的的基础上初步地探究；

② 本人对于计算机领域知识的熟悉程度不够，而且本人专业与研究方向限制本文的重点部分在教学实践方面。所以构建知识图谱的技术相对简单，在某些方

面可能存在一些问题，在知识图谱的设计性、功能性及推广性方面还需要改进。

③ 由于化学学科知识储备不足且缺乏丰富的实践教学经验，只选择了金属及其化合物一章来构建知识图谱，对于学生主体知识水平缺少足够的了解，不能完

全保证所建立的知识关联及知识体系结构的完整性与丰富性。

④ 由于时间因素及各种现实因素的制约，本研究所选取的样本量不够大。虽然从不同方面进行分析，但是由于样本局限，本研究结论的广泛推广性可能不足。

虽然关联主义学习理论和知识图谱构建的实践研究还处在初级阶段，鲜有效

果良好的实践案例出现，但是随着大数据和数据挖掘技术的发展，如果能把关联

主义与知识图谱有效的融合，更深层次的挖掘知识间的关联，让学习者根据知识

图谱中资源的关联进行有效地学习，这可以极大地提升学习者的学习效果，为主

动学习、终身学习提供服务。在当今信息爆炸的时代，数字学习和非正式学习已

经获得大面积应用，在这样的背景下，关联主义学习理论及知识图谱一定会在教

学与学习中发挥越来越重要的作用。在科学教育应用研究领域未来发展的道路上，

还需要更多的人对关联主义和知识图谱这种学习方式进行更深入的尝试和研究。

万方数据

重庆大学硕士学位论文 致 谢

38  

致 谢

本论文是在我的导师李茂国副校长的悉心指导下完成的。在我两年的研究生

学习与生活过程中，李校长严谨的科学态度、实事求是的科研作风以及一丝不苟

的工作精神一直熏陶着我、激励着我。本论文从选题到 后内容撰写完成均得到

了李校长的大力支持与耐心指导，在这里我要向我的导师表达 诚挚的感谢和深

切的敬意！

本论文的顺利完成离不开多方的支持。在这里我首先要感谢朱正伟老师，在

这两年的学习中，朱老师严肃的科学态度及精益求精的学术作风给我留下了深刻

的影响，我有幸能参加朱老师组织的两周一次的学术讨论，使我受益匪浅，激励

着我不断前进。同时，我还要感谢软件学院的文俊浩副院长和董傲通博士，感谢

文院长及董博士耐心的指导与技术上的帮助，才使得论文顺利完成。我还要感谢

我们学术团队里的每一位同学，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个又

一个困难和疑惑，直至论文的顺利完成。

在这两年的学习和生活中，我还得到了许多其他老师的帮助和关心，感谢外

国语学院的彭静老师和教师教学发展中心的李珩老师，谢谢你们的关心和指导，

使我获得了更多宝贵的经验，在这里向你们表达我 衷心的感谢！

在研究生两年的学习期间，还要感谢我们学院的每一位老师，谢谢你们的大

力支持和无私帮助，使得我度过了充实的两年学习时间，感谢我们专业的每一位

同学，这两年给我留下了很多美好的回忆，我们之间真挚的友情让我终身难忘。

感谢我的父母和家人，他们的支持和帮助给了我积极进取的力量。

后，衷心感谢在百忙之中抽出时间参加我论文答辩的各位评审老师。

马万里

二 0一七年五月 于重庆

万方数据

重庆大学硕士学位论文 参考文献

39  

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万方数据

重庆大学硕士学位论文 附 录

42  

附 录

A. 问卷调查表：

金属及其化合物知识图谱学习情况调查表

班级： 性别：

本调查的目的是为了了解金属及其化合物一章的教学效果。本次调查为匿名调查，调查

结果与被调查者的利益和评价无任何关系，请大家根据自己的情况如实填写。本调查表共 20

题，每道题下面都有 A、B、C三个选项，请选择一个与你情况 相符的选项，并将该选项对

应的字母填入题后的括号中。谢谢合作!

1.你是否喜欢我们本次的上课方式？（）

A、是 B、不确定 C、否

2、你认为这种学习方式是否适合你？（）

A、是 B、不确定 C、否

3.金属及其化合物知识图谱平台的界面是否简洁明了？

A、是 B、不确定 C、否

4.金属及其化合物知识图谱平台的操作是否方便快捷？

A、是 B、不确定 C、否

5.金属及其化合物知识图谱平台是否能增强你的自主学习能力？（）

A、是 B、不确定 C、否

6.你认为知识图谱这种学习方式是否能增强你对本章知识结构的整体把握？（）

A、是 B、不确定 C、否

7.你认为知识图谱这种学习方式是否能加强你建立知识及知识间关联的能力？（）

A、是 B、不确定 C、否

8.你认为这种知识图谱这种学习方式是否能提高你的学习效率？（）

A、是 B、不确定 C、否

9.你认为知识图谱这种学习方式是否能应用到以后化学课程的学习中？

A、是 B、不确定 C、否

10.你认为知识图谱这种学习方式是否能应用到其它学科的知识学习中？（）

A、是 B、不确定 C、否

11.本次运用知识图谱平台学习之后，如果条件允许，以后课余时间你是否会利用这种学习工

具或学习方式主动学习？（）

A、是 B、不确定 C、否

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