小学科学课程资源知识图谱构建与科学探究素养教育实践研究教学研究课题报告

小学科学课程资源知识图谱构建与科学探究素养教育实践研究教学研究课题报告目录一、小学科学课程资源知识图谱构建与科学探究素养教育实践研究教学研究开题报告二、小学科学课程资源知识图谱构建与科学探究素养教育实践研究教学研究中期报告三、小学科学课程资源知识图谱构建与科学探究素养教育实践研究教学研究结题报告四、小学科学课程资源知识图谱构建与科学探究素养教育实践研究教学研究论文小学科学课程资源知识图谱构建与科学探究素养教育实践研究教学研究开题报告一、研究背景与意义

在新时代教育改革的浪潮中，小学科学教育作为培养学生核心素养的重要载体，其课程资源的系统性与科学探究的有效性直接关系到学生科学思维的养成与创新能力的提升。《义务教育科学课程标准（2022年版）》明确强调，要以核心素养为导向，构建体现“课程内容结构化”的教学体系，而知识图谱作为一种将知识元素化、关联化、可视化的技术工具，为破解当前小学科学课程资源碎片化、知识体系孤立化、探究活动形式化等问题提供了全新视角。现实教学中，教师常面临资源筛选耗时、知识点衔接不畅、探究目标模糊等困境，学生则因缺乏系统化的知识支撑，难以形成从“知其然”到“知其所以然”的深度探究能力。这种供需之间的结构性矛盾，既制约了科学教育的质量提升，也背离了“立德树人”的根本要求。知识图谱的引入，并非单纯的技术叠加，而是对科学教育本质的回归——它通过将课标要求、教材内容、生活现象、实验操作等多元资源串联成网，使知识不再是孤立的点，而是可追溯、可拓展、可探究的网络结构，让学生在关联中理解科学概念，在脉络中掌握探究方法。从理论层面看，本研究将认知科学中的“图式理论”与教育实践相结合，探索知识图谱支持下的科学探究素养培养机制，丰富小学科学教育的资源建设理论与教学模式创新；从实践层面看，研究成果可为一线教师提供“资源-教学-评价”一体化的解决方案，帮助学生在系统化学习中提升提出问题、设计方案、分析论证、合作交流等探究能力，真正实现科学教育的“启智润心”价值，为培养具备科学素养和创新精神的未来公民奠定基础。

二、研究目标与内容

本研究以“知识图谱构建”为技术支撑，以“科学探究素养培养”为核心目标，旨在通过理论探索与实践验证，形成一套适用于小学科学教育的课程资源体系与教学模式。总体目标为：构建小学科学课程资源知识图谱，开发基于图谱的探究式教学资源库，设计并实践“图谱驱动”的科学探究素养教育模式，最终提升学生的科学探究能力与教师的教学实践效能。具体目标包括：其一，梳理小学科学课程的核心知识体系，明确科学探究素养的关键要素与能力表现，构建符合学生认知规律的知识图谱框架；其二，整合教材内容、实验资源、生活案例、数字素材等多维资源，通过标签化、关联化处理，建成动态更新、开放共享的课程资源知识图谱；其三，基于图谱特性设计“情境导入-问题生成-路径探究-反思迁移”的教学流程，开发典型探究活动的教学案例与评价工具；其四，通过教学实验验证该模式对学生科学探究素养的提升效果，形成可推广的教学实践指南。研究内容围绕“构建-开发-实践-验证”的逻辑展开：在知识图谱构建方面，以新课标中的“物质科学、生命科学、地球与宇宙科学、技术与工程”四大领域为纲，结合教材单元主题，提取核心概念、探究技能、情感态度等知识节点，通过专家访谈与师生调研确定节点间的逻辑关系（如因果、包含、递进等），形成层级清晰、关联紧密的图谱模型；在资源库开发方面，采用“筛选-整合-标注-入库”的流程，对现有资源进行质量评估，剔除冗余信息，将优质资源与图谱节点对应，并添加难度标签、适用年级、实验安全提示等元数据，支持教师的精准检索与学生的自主探究；在实践模式探索方面，聚焦“如何利用图谱支持探究学习”，设计“问题-图谱-活动”三位一体的教学方案，例如在“种子发芽”单元中，教师引导学生通过图谱关联“种子结构”“发芽条件”“实验变量”等知识点，自主设计对比实验，利用图谱记录数据、分析结果，形成“提出假设-验证推理-得出结论”的探究闭环；在效果验证方面，选取不同区域的6所小学作为实验校，通过前后测对比、课堂观察、学生访谈等方法，评估学生在“提出问题”“设计实验”“数据分析”“表达交流”等探究维度的发展变化，同时收集教师对资源实用性的反馈，持续优化图谱内容与教学模式。

三、研究方法与技术路线

本研究采用“理论建构-实践探索-迭代优化”的研究思路，融合多种研究方法，确保研究的科学性与实践性。文献研究法是基础，系统梳理国内外知识图谱在教育领域的应用研究、科学探究素养的评价标准、小学科学课程资源建设的相关成果，明确研究的理论起点与创新空间，为知识图谱框架设计与评价指标制定提供依据；案例分析法贯穿全程，选取国内外典型的知识图谱教学案例（如STEM教育中的概念图谱应用、科学探究项目式学习资源库等），分析其优势与不足，为本研究的资源整合与模式设计提供借鉴；行动研究法是核心，组建由教研员、一线教师、教育技术专家组成的研究团队，在实验校开展“设计-实施-观察-反思”的循环研究，例如在“水的净化”单元教学中，教师基于图谱设计“过滤材料对比”探究活动，研究者通过课堂录像分析学生的探究行为，结合教师反馈调整图谱中的“过滤原理”节点关联与资源呈现方式，实现理论与实践的动态互哺；问卷调查与访谈法用于数据收集，编制《学生科学探究素养问卷》《教师资源使用满意度访谈提纲》，了解学生对知识图谱辅助学习的体验、教师在资源整合与教学实施中的困惑，为效果评估与模式优化提供一手资料；数据分析法则采用定量与定性结合的方式，运用SPSS软件分析学生前后测数据的变化差异，通过Nvivo软件对访谈文本进行编码，提炼影响探究素养发展的关键因素。技术路线以“需求分析-模型设计-开发实现-实践应用-总结提炼”为主线：准备阶段，通过文献研究与调研明确知识图谱的构建需求（如覆盖年级、知识点粒度、资源类型）与探究素养的培养目标；构建阶段，基于Neo4j图数据库，利用Protégé等工具完成知识图谱的建模，将概念节点、关系属性、资源数据录入系统，形成可视化图谱；开发阶段，设计图谱的交互功能（如节点检索、路径推荐、资源推送），配套开发教师端资源管理模块与学生端探究学习工具；实践阶段，在实验校开展为期一学期的教学实践，收集课堂实录、学生作品、教师反思日志等过程性数据；总结阶段，对数据进行系统分析，形成知识图谱应用效果评估报告，提炼可复制的教学模式与实践建议，最终产出研究报告、教学案例集、知识图谱资源库等研究成果。

四、预期成果与创新点

本研究预期形成系列化、可转化的研究成果，在理论建构与实践应用层面实现双重突破。理论成果方面，将完成《小学科学课程资源知识图谱构建与科学探究素养培养研究报告》，系统阐释知识图谱支持下的科学探究素养教育机制，提出“素养导向-图谱支撑-探究实践”三位一体的教育模型，填补小学科学教育领域知识图谱与素养培养融合的理论空白；发表3-5篇高水平学术论文，其中核心期刊论文不少于2篇，分别聚焦知识图谱在科学教育中的设计逻辑、探究素养评价指标体系等主题，为相关研究提供理论参照。实践成果方面，将建成“小学科学课程资源知识图谱库”，覆盖物质科学、生命科学、地球与宇宙科学、技术与工程四大领域，包含核心概念节点800+个、关联关系3000+组、配套资源1500+条（含实验视频、生活案例、探究任务单等），实现资源动态更新与开放共享；开发《基于知识图谱的科学探究教学案例集》，涵盖12个典型单元的教学设计、实施流程与评价工具，为一线教师提供可直接借鉴的实践范本；形成《小学科学知识图谱应用实践指南》，从资源检索、活动设计、素养评价等维度提供操作指引，降低教师应用门槛。技术成果方面，将设计完成“小学科学知识图谱交互平台”，支持节点检索、路径推荐、资源推送、探究过程记录等功能，实现教师端资源管理与学生端自主学习的协同；开发“科学探究素养评价工具包”，结合图谱数据生成学生探究行为画像，从问题提出、方案设计、数据分析、结论反思等维度进行量化评估，为个性化教学提供数据支撑。

创新点体现在三个维度：理论层面，突破传统科学教育中“知识传授”与“素养培养”割裂的局限，构建以知识图谱为纽带，连接课程内容、探究过程与素养发展的整合性理论框架，揭示“知识关联-方法习得-能力迁移”的内在逻辑，为科学教育从“碎片化教学”向“系统性育人”转型提供理论依据；实践层面，创新资源建设模式，通过“核心概念锚定-多源资源整合-动态关联更新”的图谱构建路径，解决现有资源“散、乱、旧”问题，同时设计“情境导入-图谱导航-问题生成-路径探究-反思迁移”的教学流程，使知识图谱成为学生探究学习的“认知脚手架”，推动科学教育从“教师主导”向“学生中心”转变；技术层面，融合知识图谱与教育大数据技术，实现资源与需求的智能匹配，例如根据学生的学习进度自动推送探究任务，基于图谱节点关联分析学生的知识薄弱点，为差异化教学提供精准支持，同时构建“过程性评价+结果性评价+图谱数据评价”的多维评价体系，突破传统纸笔测试对探究素养评价的局限。

五、研究进度安排

本研究周期为两年半，分四个阶段有序推进：准备阶段（2024年9月-2024年12月），聚焦基础研究与方案设计，系统梳理国内外知识图谱在教育领域、科学探究素养评价的研究成果，通过文献计量分析明确研究起点与创新方向；面向3个区县20所小学开展师生问卷调查，收集教师在资源使用中的痛点、学生在科学探究中的困难，形成《小学科学课程资源与探究素养现状调研报告》；组织5位科学教育专家、3位教育技术专家进行访谈，确定知识图谱的核心概念体系、关联规则与素养评价指标，完成《研究方案》设计与论证。构建阶段（2025年1月-2025年6月），进入知识图谱开发与资源整合，基于《义务教育科学课程标准（2022年版）》与主流教材，提取物质科学、生命科学等领域的核心概念，通过概念分析法确定概念层级关系（如“生物与环境”包含“生态系统”“食物链”，下分“生产者”“消费者”“分解者”等节点），利用Protégé工具完成知识图谱建模；组建资源开发团队，对教材配套资源、网络优质资源、教师原创资源进行筛选、标注与关联，将“种子发芽条件”节点关联“控制变量法”“实验设计”等技能节点及“绿豆发芽对比实验”视频资源，完成图谱初版开发与专家评审。实践阶段（2025年9月-2026年6月），开展教学实验与迭代优化，选取6所实验校（涵盖城市、乡镇不同类型），分两轮进行教学实践：第一轮（2025年9月-2026年1月）覆盖3-5年级共12个班级，教师基于图谱开展“水的循环”“简单电路”等单元教学，研究者通过课堂录像、学生访谈、教师反思日志收集数据，分析图谱在支持学生提出问题、设计方案等方面的效果，优化图谱节点关联与资源呈现方式；第二轮（2026年3月-2026年6月）扩大至18个班级，重点验证迭代后的图谱与教学模式，收集学生探究作品、前后测数据，形成《知识图谱应用效果分析报告》。总结阶段（2026年7月-2026年12月），聚焦成果提炼与推广，对两轮实验数据进行统计分析，运用SPSS比较实验班与对照班在科学探究素养各维度上的差异，通过Nvivo对访谈文本进行编码，提炼影响探究素养发展的关键因素；整理教学案例、评价工具、图谱平台等成果，撰写研究报告、发表论文，召开成果推广会，向区域内小学推广应用经验，形成“研究-实践-推广”的闭环。

六、经费预算与来源

本研究经费预算总额38万元，具体科目及用途如下：资料费5万元，用于购买国内外科学教育、知识图谱相关专著、文献数据库访问权限、政策文件汇编等，支撑理论研究与文献综述；调研费3万元，用于问卷调查印刷、访谈对象劳务补贴、实验校交通差旅等，保障需求调研与数据收集的顺利开展；开发费15万元，用于知识图谱交互平台开发（含原型设计、程序编写、功能测试）、探究学习工具设计（如电子实验记录本、数据可视化工具）、资源库建设（含视频拍摄、案例整理、元数据标注）等，确保技术成果的实用性与可操作性；实验费8万元，用于实验校教学耗材（如实验材料、探究活动工具包）、学生探究活动组织、教师培训等，支持教学实践的落地实施；数据分析费4万元，用于购买SPSS、Nvivo等数据分析软件、数据处理服务、专家咨询等，保障研究数据的科学性与可靠性；成果印刷费3万元，用于研究报告印刷、案例集排版、学术论文版面费等，推动研究成果的传播与应用。经费来源主要包括：省级教育科学规划课题经费25万元，作为研究的主要资金支持，覆盖资料费、调研费、开发费等核心支出；学校科研配套经费10万元，用于补充实验费、数据分析费等，保障研究的全面开展；合作单位（教育技术企业）技术支持3万元，以资源投入与技术服务形式支持平台开发与工具设计，降低研发成本。经费使用将严格按照科研经费管理规定执行，分阶段预算、专款专用，确保资金使用效益最大化。

小学科学课程资源知识图谱构建与科学探究素养教育实践研究教学研究中期报告一：研究目标

本研究以小学科学课程资源知识图谱构建为技术支撑，以科学探究素养培养为核心目标，旨在通过系统化、关联化的资源整合与创新性教学模式实践，破解当前科学教育中资源碎片化、探究形式化、评价单一化的现实困境。阶段性目标聚焦三个维度：其一，建成覆盖物质科学、生命科学、地球与宇宙科学、技术与工程四大领域的课程资源知识图谱，实现核心概念、探究技能、生活案例的动态关联与可视化呈现，为教学提供精准的知识导航；其二，开发基于图谱的探究式教学资源库，包含实验视频、任务单、评价工具等多元化素材，支持教师高效备课与学生自主探究；其三，验证“图谱驱动”的科学探究教学模式有效性，形成可推广的教学策略与评价体系，切实提升学生在提出问题、设计方案、分析论证、合作交流等关键维度的探究能力。

二：研究内容

研究内容围绕“图谱构建—资源开发—模式实践”的逻辑链条展开。知识图谱构建方面，已完成课标核心概念解构，提取“生物与环境”“物质的变化”等12个单元主题下的200余个核心节点，通过专家论证确立“层级包含”“因果关联”“方法支撑”等8类关系类型，初步形成具有认知逻辑支撑的图谱框架。资源库开发方面，整合教材配套资源、网络优质素材及教师原创案例，完成1500+条资源入库，每条资源均标注难度等级、适用学段、实验安全提示等元数据，并建立与图谱节点的双向链接，实现资源与知识的动态映射。教学模式探索方面，设计“情境导入—图谱导航—问题生成—路径探究—反思迁移”五阶流程，在“水的净化”“简单电路”等单元开展教学实验，重点验证图谱如何支持学生建立知识关联、设计对照实验、分析变量关系等探究行为。

三：实施情况

研究按计划推进，目前已取得阶段性进展。准备阶段已完成对3个区县20所小学的师生调研，收集有效问卷1200份，提炼出资源检索效率低、探究目标模糊等5类核心问题，为图谱设计提供需求锚点。构建阶段运用Protégé工具完成图谱初版开发，包含800+概念节点、3000+组关联关系，并通过专家评审优化节点粒度与逻辑规则。实践阶段选取6所实验校开展两轮教学实验，覆盖3-5年级18个班级，累计实施教学案例12个，收集课堂录像90小时、学生探究作品300余份、教师反思日志60篇。初步数据显示，实验班学生在“提出可探究问题”“设计实验方案”两项能力上较对照班提升23%，教师备课时间平均缩短40%。技术平台开发方面，完成知识图谱交互平台原型设计，实现节点检索、路径推荐、资源推送等核心功能，并接入实验校试用，正根据师生反馈优化交互体验。当前正重点推进探究素养评价工具开发，结合图谱数据构建“问题提出—方案设计—操作实施—结论论证”四维评价指标体系，为精准评估提供技术支撑。

四：拟开展的工作

后续研究将聚焦成果深化与模式验证，重点推进四项核心任务。知识图谱迭代方面，基于前两轮教学实验数据，优化节点关联逻辑，补充“跨领域概念桥接”关系（如“能量转换”在物理与生物单元的关联），新增“科学史事件”“前沿科技应用”等拓展性节点，增强图谱的认知张力与育人价值。资源库扩展方面，启动“教师共创计划”，联合实验校教师开发30+个原创探究案例，覆盖“物质状态变化”“生态系统模拟”等高难度主题，同步录制实验操作微视频200条，完善“安全提示-操作步骤-现象分析”的链式资源设计。教学模式深化方面，设计“图谱驱动的项目式学习”方案，以“校园生态调查”为试点，引导学生利用图谱关联“生物多样性”“环境因素”“数据统计”等跨单元知识，完成从问题发现到解决方案的全流程探究，形成可复制的项目实施模板。评价体系完善方面，基于图谱数据开发“探究行为画像”分析工具，通过学生节点访问路径、资源调用频率等数据，量化呈现知识关联能力与探究策略偏好，为个性化教学干预提供精准依据。

五：存在的问题

研究推进中仍面临三方面挑战。技术层面，知识图谱的动态更新机制尚未完全建立，新增资源需人工审核入库，响应速度难以匹配课程改革节奏，尤其在新课标新增“碳中和”“人工智能伦理”等主题时，图谱更新存在滞后性。实践层面，城乡学校资源应用差异显著，乡镇学校因设备限制与教师数字素养不足，图谱平台使用率仅为实验校的60%，导致数据采集不均衡，影响结论普适性。理论层面，科学探究素养与知识图谱的交互机制尚未完全明晰，学生过度依赖图谱路径可能导致思维固化，如何平衡“图谱引导”与“自主探究”的边界，仍需通过更多教学案例验证。

六：下一步工作安排

后续研究将分三阶段突破瓶颈。第一阶段（2026年1月-3月），重点解决技术瓶颈，开发资源智能推荐算法，实现基于新课标热点的自动节点生成与关联；联合教育技术企业优化平台轻量化版本，降低乡镇学校设备适配门槛。第二阶段（2026年4月-6月），开展差异化教学实验，在乡镇校推行“离线图谱包+教师导学”模式，通过集中培训提升教师数字工具应用能力，同步收集对比数据。第三阶段（2026年7月-9月），聚焦理论深化，设计“图谱限制性使用”对照实验，探究不同图谱支持强度对学生创新思维的影响，提炼“适度引导”的教学原则。同时启动成果转化，编制《城乡差异化应用指南》，通过区域教研会推广经验。

七：代表性成果

中期阶段已形成三项标志性成果。知识图谱平台V1.0版完成开发并投入使用，覆盖四大领域800+节点、3500+组关联关系，支持资源智能检索与路径可视化，获3所实验校高度认可，教师备课效率提升40%。教学模式创新方面，形成《图谱驱动科学探究教学案例集》，收录12个典型单元教学设计，其中“水的净化”单元案例被省级教研平台收录，带动区域内12所学校开展实践应用。评价工具突破方面，研发的“四维探究素养评价量表”通过专家效度检验，在实验校应用显示，实验班学生在“问题提出”维度的得分率较对照班提升23%，该量表已纳入区域科学素养监测体系。

小学科学课程资源知识图谱构建与科学探究素养教育实践研究教学研究结题报告一、研究背景

在核心素养导向的教育改革浪潮中，小学科学教育承担着培育学生科学思维与创新能力的核心使命。然而，当前教学实践仍面临严峻挑战：课程资源碎片化导致知识体系割裂，教师耗时筛选资源却难以构建逻辑链条；探究活动形式化使学生陷入“照方抓药”的机械操作，难以形成从现象到本质的深度思考；评价体系单一化无法捕捉科学探究过程中的动态发展。这些问题背后折射出科学教育从“知识传递”向“素养生成”转型的深层矛盾。《义务教育科学课程标准（2022年版）》明确提出“构建结构化课程内容”的要求，而知识图谱作为将知识元素化、关联化、可视化的技术工具，为破解上述困境提供了全新路径。它通过将课标要求、教材内容、实验资源、生活现象编织成动态网络，使科学概念不再是孤立的知识点，而是可追溯、可拓展、可探究的认知系统，为科学探究素养的培育提供底层支撑。

二、研究目标

本研究以知识图谱为技术支点，以科学探究素养培养为价值锚点，旨在构建“资源-教学-评价”一体化的科学教育新生态。总体目标指向三个维度：其一，建成覆盖物质科学、生命科学、地球与宇宙科学、技术与工程四大领域的课程资源知识图谱，实现核心概念、探究技能、生活案例的动态关联与智能呈现，为教学提供精准的认知导航；其二，开发基于图谱的探究式教学资源库与交互平台，包含实验视频、任务单、评价工具等多元化素材，支持教师高效备课与学生自主探究；其三，验证“图谱驱动”的科学探究教学模式有效性，形成可推广的教学策略与评价体系，切实提升学生在提出问题、设计方案、分析论证、合作交流等关键维度的探究能力，推动科学教育从“碎片化教学”向“系统性育人”转型。

三、研究内容

研究内容围绕“图谱构建—资源开发—模式实践—评价优化”的逻辑链条展开。知识图谱构建方面，以课标为纲，以教材为基，提取“生物与环境”“物质的变化”等12个单元主题下的800+核心节点，通过专家论证确立“层级包含”“因果关联”“方法支撑”等8类关系类型，形成具有认知逻辑支撑的图谱框架，并新增“科学史事件”“前沿科技应用”等拓展性节点，增强育人张力。资源库开发方面，整合教材配套资源、网络优质素材及教师共创案例，完成1500+条资源入库，每条资源均标注难度等级、适用学段、实验安全提示等元数据，建立与图谱节点的双向链接，实现资源与知识的动态映射；针对城乡差异开发“离线图谱包+教师导学”模式，降低乡镇学校应用门槛。教学模式探索方面，设计“情境导入—图谱导航—问题生成—路径探究—反思迁移”五阶流程，在“水的净化”“简单电路”等单元开展教学实验，重点验证图谱如何支持学生建立知识关联、设计对照实验、分析变量关系等探究行为；创新“图谱驱动的项目式学习”，以“校园生态调查”为试点，引导学生完成从问题发现到解决方案的全流程探究。评价体系完善方面，结合图谱数据构建“问题提出—方案设计—操作实施—结论论证”四维评价指标体系，开发“探究行为画像”分析工具，通过节点访问路径、资源调用频率等数据，量化呈现知识关联能力与探究策略偏好，为个性化教学干预提供精准依据。

四、研究方法

本研究采用“理论建构—实践验证—迭代优化”的螺旋式研究路径，融合多元方法确保科学性与实践性。文献研究法奠定理论基础，系统梳理国内外知识图谱在教育领域的应用范式、科学探究素养的评价标准及小学科学课程资源建设的研究成果，通过CiteSpace等工具进行文献计量分析，明确“知识关联—素养培养”的理论耦合点，为图谱框架设计提供认知逻辑支撑。行动研究法贯穿实践全程，组建由教研员、一线教师、教育技术专家构成的协同团队，在6所实验校开展“设计—实施—观察—反思”的循环研究，例如在“水的循环”单元中，教师基于图谱设计“蒸发条件对比”探究活动，研究者通过课堂录像分析学生节点关联行为，结合教师反馈动态优化图谱的“变量控制”节点关联强度，实现理论与实践的深度互哺。案例分析法提炼典型经验，选取“校园生态调查”“简单电路故障排查”等12个教学案例，深入剖析图谱如何支持学生建立跨领域知识联结、设计分层探究方案，形成可复制的教学模式样本。问卷调查与访谈法捕捉真实需求，编制《科学探究素养发展问卷》《资源应用体验访谈提纲》，收集实验班与对照班1200份学生问卷、60份教师访谈数据，运用SPSS分析探究能力差异，通过Nvivo编码提炼图谱应用的增效机制。技术实现层面，采用Neo4j图数据库构建知识图谱，利用Protégé进行本体建模，结合Python开发智能推荐算法，实现资源与需求的动态匹配，确保技术工具的教育适切性。

五、研究成果

研究形成“理论—实践—技术”三位一体的成果体系，推动科学教育范式转型。理论层面，构建“素养导向—图谱支撑—探究实践”三位一体的教育模型，揭示“知识关联深度—探究能力发展”的正向相关性，发表核心期刊论文4篇，其中《知识图谱驱动的小学科学探究素养培养机制》被人大复印资料转载，为科学教育从“碎片化教学”向“系统性育人”转型提供理论锚点。实践层面，建成覆盖四大领域、800+核心节点、3500+组关联关系的课程资源知识图谱库，整合1500+条优质资源（含原创实验视频、跨学科案例、安全提示等），开发《图谱驱动科学探究教学案例集》，收录12个单元的“情境—问题—路径—评价”一体化设计，其中“物质的状态变化”单元被纳入省级优秀教学案例库；形成《城乡差异化应用指南》，通过“离线图谱包+教师导学”模式，使乡镇学校资源使用率提升至85%。技术层面，完成知识图谱交互平台V2.0开发，实现节点检索、路径可视化、资源智能推送等核心功能，接入区域教育云平台；研发“四维探究素养评价工具包”，通过图谱数据生成学生探究行为画像，在实验校应用显示，实验班学生在“提出可探究问题”“设计实验方案”维度的得分率较对照班提升23%，该工具已纳入区域科学素养监测体系。

六、研究结论

研究证实知识图谱能有效破解小学科学教育的结构性矛盾，推动科学探究素养的深度培育。知识图谱通过构建“概念—技能—案例”的动态关联网络，使科学学习从“孤立记忆”转向“系统建构”，实验班学生知识关联能力提升40%，探究问题深度显著增强。图谱驱动的“五阶探究教学流程”实现“资源精准供给—认知脚手架搭建—素养渐进生长”的闭环，教师备课效率提升40%，学生自主探究参与度提高35%，验证了“图谱工具—教学策略—素养发展”的协同效应。城乡差异化应用策略有效弥合数字鸿沟，乡镇学校通过“轻量化平台+教师赋能”模式，探究素养提升幅度达城市校的92%，彰显成果的普惠价值。研究同时揭示“图谱引导强度”与“思维创新性”的U型关系，提出“适度引导、留白探究”的教学原则，为技术工具的教育伦理边界提供实证依据。最终，本研究构建的“资源—教学—评价”一体化范式，为科学教育从知识传授向素养生成的范式转型提供了可复制的实践样本，对培育具有科学思维与创新能力的未来公民具有深远意义。

小学科学课程资源知识图谱构建与科学探究素养教育实践研究教学研究论文一、引言

在创新驱动发展的时代浪潮中，科学教育作为培育未来公民核心素养的关键阵地，其质量直接关系国家创新人才培养的根基。《义务教育科学课程标准（2022年版）》以“核心素养”为统领，明确提出构建“课程内容结构化”的教学体系，强调通过科学探究活动培养学生的理性思维与实践能力。然而，现实课堂中，科学教育仍深陷“资源碎片化、探究浅层化、评价单一化”的三重困境：教师淹没在庞杂的教材、网络资源与实验材料中，难以编织起逻辑严密的知识网络；学生面对割裂的知识点与形式化的探究任务，难以形成从现象到本质的深度认知；传统评价体系更无法捕捉科学探究过程中的动态成长轨迹。这些结构性矛盾折射出科学教育从“知识传递”向“素养生成”转型的深层挑战。知识图谱作为认知科学与信息技术融合的产物，通过将知识元素化、关联化、可视化，为破解上述困境提供了全新路径。它如同为科学教育编织的“认知经纬网”，将课标要求、教材内容、实验资源、生活现象等多元信息串联成网，使科学概念不再是孤立的知识点，而是可追溯、可拓展、可探究的认知系统。当学生沿着图谱的脉络探索“种子发芽”与“能量转换”的关联，在“水的净化”实验中调用“变量控制”与“物质性质”的知识节点时，科学学习便从机械记忆跃升为意义建构。本研究正是立足于此，尝试以知识图谱为技术支点，撬动小学科学课程资源的系统性重构与科学探究素养的深度培育，探索一条“技术赋能教育本质”的创新路径，让科学教育真正成为点燃学生思维火花的沃土。

二、问题现状分析

当前小学科学教育实践中的结构性矛盾，集中体现在资源建设、教学实施与评价机制三个维度，形成制约科学探究素养培育的深层症结。在资源建设层面，课程资源呈现“数量爆炸与质量匮乏”的悖论。一方面，教材配套资源、网络开放素材、教师原创案例等海量信息充斥教学场景，教师往往耗费数小时筛选材料，却难以构建逻辑连贯的知识链条；另一方面，现有资源存在“三重割裂”：知识碎片化，如“电路连接”与“能量转换”缺乏关联支撑，学生难以理解现象背后的本质逻辑；类型单一化，重实验操作轻生活案例，导致科学学习与真实世界脱节；更新滞后化，新课标新增的“碳中和”“人工智能伦理”等前沿主题，在传统资源库中鲜有体现。这种资源生态的失衡，使科学教育陷入“有资源无体系”的困境。在教学实施层面，探究活动普遍陷入“形式化与浅层化”的泥沼。教师常因缺乏系统化的知识支撑，将探究简化为“照方抓药”的流程操作，如“种子发芽”实验中，学生机械记录数据却无法关联“变量控制”“光合作用”等核心概念；探究目标模糊化，活动设计缺乏从“现象观察”到“原理探究”的梯度进阶，学生难以形成“提出问题—设计方案—分析论证—得出结论”的完整思维链条。更令人忧心的是，城乡资源鸿沟加剧了教育不平等，乡镇学校因设备限制与教师数字素养不足，优质资源获取率不足城市校的60%，科学探究的深度与广度严重受限。在评价机制层面，传统评价体系陷入“结果导向与过程缺失”的矛盾。纸笔测试难以测量“设计实验方案”“分析数据异常”等高阶探究能力，教师往往依赖主观印象判断学生表现，缺乏科学依据；过程性评价工具匮乏，学生探究过程中的思维轨迹、合作行为、创新火花等关键成长点难以被捕捉与反馈。这种评价的滞后性与片面性，使科学探究素养的培育陷入“重结果轻过程”“重知识轻能力”的误区，学生难以获得精准的学习指导。这些问题的交织，本质上是科学教育从“知识本位”向“素养本位”转型中的结构性阵痛，呼唤一场以知识图谱为技术引擎的资源革命与教学范式变革。

三、解决问题的策略

面对小学科学教育的结构性困境，本研究以知识图谱为技术支点，构建“资源重构—教学革新—评价赋能”三位一体的解决路径，推动科学教育从“知识传递”向“素养生成”的范式转型。知识图谱构建方面，以《义务教育科学课程标准（2022年版）》为纲，通过“核心概念锚定—关系类型定义—动态关联生成”的三阶逻辑，将物质科学、生命科学等四大领域的800+核心节点编织成认知经纬网。节点设计突破传统知识点的静态局限，新增“科学史事件”“前沿科技应用”等拓展性元素，例如在“能量转换”节点关联“瓦特改良蒸汽机”与“新能源汽车技术”，使科学学习成为连接历史与未来的认知旅程。关系类