教材数据库的教材对象结构研究王亚萍.docx

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教材数据库的教材对象结构研究王亚萍

教材数据库的教材对象结构研究

摘要

教材是主要的课程产品，是教师教学设计的重要参考，是学习者进入一个领域最先接触到的工具。

教材分析与评估一直是备受关注的学术领域。

以数据库为依托开展教材研究是提高研究科学性的可选之策。

但数据库的建设艰苦浩繁，已有的教材数据库或将教材作为整体全文存储，或抽取教材信息进行标注部分存储，难以满足教材内容精细化检索的需求。

在此背景下，本研究根据教材内容及学科特点，尝试构建合理的教材数据库的存储结构及数据内容编码规范，以期为大规模教材数据库的建设和开放式教材内容的检索分析服务打下基础。

本研究以语文、数学、科学教材为例，在分析已有教材研究需求和数据库功能的基础上，设计了合理有效的学科教材对象结构原型，选取了部分教材的具体章节进行拆分编码、录入数据库，以检验是否出现预期的技术结果、是否满足教材分析的需求，并基于检验结果进一步修改与完善教材对象结构原型来增强教材数据存储规范的可行性和易用性，形成最终的操作规范。

本研究取得了以下研究成果：

（一）构建了语文、数学和科学学科的教材数据库对象结构

每个学科的教材数据库对象结构包括各个对象的关系结构图及每个对象的属性及值域表。

对象的关系结构图表征教材的各组成对象及其之间的包含关系，各种属性则标注各对象在不同方面的特征及所涵盖的知识点等，实现了按属性、知识点和能力目标进行多样化检索的目的。

（二）初步明确了语文、数学、科学学科教材数据库对象结构之间的异同

通过比较三科教材的对象结构的异同发现，不同学科教材在组成上有共同对象，如单元、附录等，同一对象在属性上有共通性。

基于此，本研究提取出了教材数据库的通用对象、及属性值域规范，如此，后续学科教材数据库的建设即可将更多精力集中于学科特色对象结构设计。

另外，不同学科的教材知识体系差异较大，教材分析的需求点不一样，所以针对不同的学科特点而设计不同的结构模型是有必要的。

（三）确立了教材数据拆分与录入规范

通过对教材进行碎片化实操过程中对数据填写注意事项的梳理，本研究总结了教材数据的规范，包括对象命名规则、属性填写规范、从已有教材提取知识点和能力目标规范。

本研究将真实的教材数据存储到本研究设计的结构中，发现其基本能满足已有教材检索、对比、分析等需求，在一定程度上能实现更复杂的检索，证明了教材对象结构设计以及数据编码规范的合理性。

关键词：

教材数据库；教材结构；数字教材；教材分析；数字出版

ARESEARCHONTHETEXTBOOKOBJECTSTRUCTUREOFTHETEXTBOOKDATABASE

ABSTRACT

Textbooksarethemaincourseproducts,whichareimportantreferencesforteachingandthefirsttoolforlearnerswhileenteringintoanewfield.

Theanalysisandevaluationoftextbookshavealwaysarousedbroadattention.Usingthedatabasetoimprovethescientificnatureoftextbooksresearchseemstobeanoptionalstrategy.However,itisarduoustoconstructingadatabase,andtheexistingtextbookdatabaseeitherstorethedataasawholeorextractandstorepartinformationofthetextbookandaddsomemarkssimultaneously,whichcouldnotmeettheneedsofrefinedtextbookretrieval.Basedonsuchbackground,thisstudytriestoconstructareasonablestoragestructureoftextbook,anddevelopencodingspecificationsoftextbookdata.Thepurposeofthisstudyistolayfoundationfortheconstructionofmassivetextbookdatabaseandopensearch&analysisservicesoftextbook.

ThisstudytakesthetextbooksofChinese,Math,andScienceasanexample,designtheobjectstructureoftextbooksbyanalyzingtheneedsoftextbookexsistedresearchesandthefunctionofdatabase.Thenaimtocheckwhetherthestructureiseffectiveandusefulandprovewhetherthedatabasemeetstheneedsofsearching,weselectsomesectionsofthetextbooksindetail,thensplitandencodeit,andstorethedataintothestructurewedesigned.Atthesametime,wemodifyandimprovethestructureaccordingtothecheckresults.Finally,inordertofurtherenhancethefeasibilityoftextbookdatabaseandmakeiteasiertouse,weoutputsomespecifications.Thespecificworkdoneincludes:

Firstly,ConstructingtheobjectstructureofChinese,Math,andSciencetextbookdatabase.Theobjectstructureofeachsubjecttextbookdatabaseincludestheobjectrelationshipchartandthetablethatcontainsthepropertiesandrangeofeachobject.Theobjectrelationshionchartshowstheobjectsthatthetextbookcontains,anditcharacterizestheincluderelationshipoftheobjects.Theobjectmarksshowthepropertiesandtheknowledgepointsoftextbooks,theabilitytargetaswell.Soit’spossibletobesearchedinthedatabasebydiverseneeds.

Secondly,thesimilaritiesanddifferencesofdifferentsubjecttextbookdatabasearedefinedpreliminary.ThroughthecomparisonoftheobjectstructureofChinese,Math,andSciencetextbook,wefoundthatdifferentsubjecttextbookshavesomethingincommonincompositionlikeunits,appendixetc.Andthesameobjectownssimilarproperties.Basedonthis,thegeneralobjectsandpropertiesofthetextbookdatabasewereextracted,therangeofthepropertiesaswell.So,whileconstructinganewsubjecttextbookdatabase,muchmoretimecouldbespentonthedesignofthesubjectcharacristics.Also,wefoundthatduetothecomparativelylargedifferenceofknowledgesystembetweendifferentsubject,andthedemandforanalysiswasquitedifferent,it’snecessarytodesigndifferentstructuralmodelsfordifferentsubjecttextbooks.

Thirdly,thespecificationofhowtoextracttextbookdataandstoreitinthetextbookdatabaseisestablished.Wesumuptheprecautionswhilefragmentthetextbooksandputthedataintodatabase.Andthatincludethenamingrulesoftheobject,thespecificationtofilltheproperties,howtoextractknowledgepointsandcompetencygoalsfromexistingtextbooks.

Bystoringthetruedataoftextbooksintothetextbookdatabase,whoseobjectsoftextbookandtherelationshipbetweenobjectsweredesignedbythisstudy,wefoundthatthisobjectstructureoftextbookcouldmeetstheneedsoftextbookresearcheslikesearching,comparing,andanalyzingonthewhole.Andtosomecertainextends,itcouldrealizesomemorecomplexsearching.Duetothis,thetextbookobjectsstructureoftextbookdatabaseandthespecificationoftextbookdatacodingowncertainreationality.

KEYWORDS：

TextbookDatabase,StructuralofTextbook,DigitalTextbook,TextbookAnalysis,DigitalPublishing

目录

教材数据库的教材对象结构研究I

ARESEARCHONTHETEXTBOOKOBJECTSTRUCTUREOFTHETEXTBOOKDATABASEII

1问题提出1

1.1研究背景1

1.2研究问题2

1.3选题意义2

2相关文献综述2

2.1数字教材及数字出版2

2.2教材研究现状3

2.3教材分析技术5

2.3.1教材分析领域所面对的问题5

2.4教材数据库6

2.4.1现有教材数据库研究6

2.4.2教材数据库对象结构研究构想6

2.4.3教材数据库结构设计7

2.5小结8

3研究设计9

3.1研究目标9

3.2研究内容9

3.3研究过程10

4研究结果及分析12

4.1语文教材数据库的教材对象结构研究12

4.1.1语文教材数据库的教材对象结构图12

4.1.2语文教材数据库的教材对象属性表15

4.1.3语文教材数据库教材对象的结构检验及检索规则设计20

4.2数学教材数据库的教材对象结构研究23

4.2.数学教材数据库的教材对象结构图23

4.2.2数学教材数据库的教材对象属性表26

4.2.3数学教材数据库教材对象的结构检验及检索规则设计30

4.3科学教材数据库的对象结构研究33

4.3.1科学教材数据库的对象结构图33

4.3.2科学教材数据库的对象属性表36

4.3.3科学教材数据库对象的结构检验及检索规则设计37

4.4语文、数学、科学教材数据库的对象结构比较40

4.4.1语文、数学、科学教材数据库的对象比较40

4.4.2语文、数学、科学教材数据库相同对象的属性比较41

4.4.3教材数据库的通用对象结构41

4.5教材数据规范43

4.5.1对象命名规范43

4.5.2教材中知识点提取规范44

4.5.3教材中能力提取规范45

4.5.4教材对象属性填写规范45

5研究总结与反思46

参考文献48

附录51

附录一：

语文教材数据库库建库概念模型51

附录二：

数学教材数据库库建库概念模型56

附录三：

科学教材数据库库建库概念模型61

致谢65

图目录

图1教材数据中教材对象的结构研究流程11

图2语文教材数据库对象结构14

图3检索课文包含的知识点示例-A20

图4检索课文包含的知识点示例-B21

图5检索知识点可视化生成知识建模图21

图6语文教材数据库图片对象数量检索与统计22

图7语文教材数据库图片对象主题属性分布统计分析图22

图8语文教材数据库注释对象检索与统计图23

图9语文教材数据库生字表检索与统计示例23

图10数学教材数据库对象结构关系图25

图11人教七年级下册数学教材第五章目录即章节关系图28

图12人教版习题背景属性分布图31

图13人教版和浙教版习题背景分布比较32

图14浙教版和人教版习题类型分布比较32

图15以知识点和习题性质为检索条件进行检索结果示意33

图16科学教材对象结构关系图35

图17语文、数学、科学三科教材媒体关注度（中国知网指数）37

图18教科版科学教材拓展阅读材料对象材料性质属性分布图38

图19苏教版科学教材拓展阅读材料对象材料性质属性分布图38

图20小学科学教材光学部分活动检索结果39

图21从详略不同角度呈现检索结果39

图22实验对象实验类型属性值分类统计40

图23教材数据库通用对象结构41

表目录

表1语文教材课文对象属性表16

表2语文教材单元学习活动属性表16

表3语文教材图片对象属性表17

表4语文教材学习任务属性表18

表5语文教材注释对象属性表18

表6语文教材导言/导语属性表19

表7语文教材对象中知识点和能力属性20

表8数学教材数据库例题对象属性表26

表9数学教材数据库习题属性表27

表10数学教材数据库单元及正文章节属性表28

表11数学教材数据库图像对象属性表29

表12数学教材数据库课外拓展材料属性表30

表13数学教材数据库解题对象属性表30

表14科学教材数据库活动对象属性表36

表15科学教材实验对象属性表37

表16通用教材数据库教材对象属性表42

表17通用教材数据库图标对象属性表42

表18通用教材数据库段落/表格对象属性表43

表19通用教材数据库标题对象属性表43

表20语文教材对象命名（部分）示例规范44

表21教材知识点和能力命名规范44

表22知识点提取举例44

表23知识点关系表45

表24能力提取举例45

1问题提出

1.1研究背景

对学习者而言，教材是初次进入一个领域首先接触到的工具，是学校教育中的重要因素，在促进社会发展、传承人类文化精华、促进学生发展等方面发挥着重要作用。

与传统纸质教材相比，数字教材具有同步更新更迅速、表现形式更多样化、远程传输更便捷等优势。

随着信息技术的飞速发展,移动设备的普及，教材数字化趋势日趋明显，数字教材需求日益增长。

现有的数字教材多为PDF格式，但这些PDF教材多为纸质教材的扫描或其他格式文件的图片转存，复制或迁移教材内容信息的难度较大，不利于在线共享，更不利于信息检索。

对教师而言，教材是主要的课程产品，是进行教学设计的重要参考依据。

我们常说教师要好好研读教材，准确把握教材背后的知识点，要用教材教而不是教教材。

然而，透彻理解教材编写者传达的课程目标并非易事。

因为一方面需要教材本身的表达清晰无二义；另一方面需要教师个人对知识点透彻掌握、游刃有余，这往往需要教师参考多本教材，从不同版本中教材中寻找需要的材料。

因为即使课程目标准确无误地传达给了教师，但教材中的实例/示例仍和具体教学情景存在很大差别。

此外，在线教育逐渐成为一种不可替代的教育主流形式，在线教育不做线下到线上的课程搬运工的共识正在慢慢形成，新的数字化课程开发思路和技术路径也正在摸索中前进。

我国现行教材编写采用的是一纲多本，就单个出版社而言，无论其编写人员多权威、编写多细致，不同的出版社不同的编写者均有其突出擅长的地方，也有其可能疏忽不当的地方。

因而，在数字化课程的开发过程中，大量阅读与借鉴已有教材的内容和形式是必需。

就教材研究而言，教材研究一直是一个重要的学术领域，尤其是教材的分析与评估备受研究者关注。

教材的分析与评估主要考察教材“结构-功能”的一致性、教材本体与课程目标的契合性以及教材的编制等问题。

新课程标准中，教育部对教材的编写理念、编写原则做了具体规定，为教材的编写提供了指导方针。

但在实际操作中，编者的编著理念、经验不同，对新课程标准理解也存在个体差异，不同编者编著的教材呈现不同的特点。

这虽有利于实现教材的多样化，但不利于教材评估的客观化。

以往教材评估多采用直观定性的方式进行分析。

教材的定性分析是研究者/专家研读教材的主观感受，对研究者自身经验依赖程度大，分析的主观性难以避免，有时对同一本教材的分析也能引发很大争议，得出不尽不同甚至截然不同的结论。

这种定性分析虽然对于教材的后续编写及二次开发也有极大参考和借鉴意义，但由于教材背后的知识体系复杂，信息量大，依靠专家评审，缺乏数据支持，主观性较强，很难精细到知识点层面。

教材中哪些知识内容与课程标准是契合的、哪些知识内容与课标是偏离或背道而驰的？

教材的结构、体系、内容序列的安排是否合理？

不同教材对同一个内容的解释又有何不同？

依靠定性分析，我们无法得知这些问题的答案。

而基于数据库的教材量化评估以客观的标准衡量教材，并且利用数据库在检索上的天然独特优势可为教材的分析提供数据上的支持，能有效摒除主观性的干扰。

由此看来，以教材数据库为基础来提高教材研究的科学性和规范性是一条可选之策。

以往，也有不少研究者尝试根据不同的研究目的建立教材数据库。

但遗憾的是，这些数据库的功能多比较单一，只具备特定的一个或少数几个功能，如生词统计、主题分析、练习设计，等等，数据库中只存放教材的某些片段信息，并非是教材的全部内容。

这类教材数据库受限于特定研究目的，只着眼于教材中部分特定数据的提取，而忽略了教材本身的特点和结构完整性，很难被其他研究重复利用，也很难在此基础上进行二次开发。

1.2研究问题

本研究以扩大教材数据库的实用范围、增强教材数据库的功能为目的，根据教材内容及学科特点，构建合理的教材数据库存储结构及数据内容编码存储规范，以期为大规模教材数据库的建设和开放式教材内容的检索分析服务打下基础。

本研究主要解决两个问题：

一是如何实现教材数据的结构化存储，即设计教材数据库的对象结构组成及每个对象的属性与值域；二是解决教材数据库对象结构的通用性与独特性的问题，即探寻不同学科教材数据库的对象结构之间的异同。

1.3选题意义

本研究采用“结构-功能”的思考框架，借用知识分析技术探索教材在数据库中的存储结构与形式，以语文、数学和科学学科为例构造不同学科的教材数据库对象结构模型及数据存储规范，比较不同学科的教材数据库在结构上的差异，可为后续大规模教材数据库的建设积累经验。

精细化拆分教材并以适当的结构存储在数据库中，以教材的对象及对象的属性值、知识点和能力目标作为检索条件，提供了一种新的研究思路，打破了以往只能根据教材基本信息进行检索查找的限制，为更开放、多样化的检索分析服务打下基础。

2相关文献综述

2.1数字教材及数字出版

在社会信息化背景下，智能手机、平板电脑等多种移动设备受到越来越多人的青睐，纸质书籍数字化趋势日益明显。

学习者对数字化学习资源的使用习惯与偏好逐渐形成。

陈伟玲等对全国31个省的11124名中小学教师开展问卷调查发现，数字教育资源是开展教育教学工作的重要手段。

[1]Scott等人对临床儿科医学生的学习习惯进行调查发现，学生广泛使用数字资源进行自主学习，特别是在考试前两周、及笔试前一天达到顶峰。

[2]在美国2011-2015年间，数字教材的年均销售额增长提高到25%。

[3]此外，在传播的便利性以及媒体多样性等方面，数字教材有传统纸质教材望尘莫及的优势。

传统纸质教材一旦制作成书开始发行，即时修订困难，修正更新需等到下次再版；而数字教材在这方面则大为方便。

[4]数字教材的富媒体性、交互性、用户自主选择性等优势，传统纸质教材难以望其项背。

基于不同终端如iPad、智能手机等的数字教材如雨后春笋涌入教育市场。

这其中不乏一些优秀的数字教材，但由此暴露的问题也不容小觑。

为争夺市场抢占先机跟风出版、粗制滥造低水平的重复出版导致数字教材产品内容严重同质化，真正能利用的有效资源非常匮乏。

[5]Bianchini.P也指出现在网络上资源丰富，但过于碎片化、过于分散，无法用于研究。

[6]我国研究者通过案例分析和网络调查总结了我国教育出版数字内容的现状，发现数字出版在内容上存在碎片化、无体系、关联程度低、割裂感严重等问题。

[5]而在数字内容管理方面，数字教材存储分散，格式更是五花八门。

根据调查，全球范围内现有数字格式高达十几种，每种格式各有所长却也各不兼容，资源标准也不统一。

[7]这使得查找资源费时费力，可能会竹篮打水一场空。

有的数字资源虽采用了统一的资源管理平台，