本體在智能導(dǎo)師系統(tǒng)開發(fā)中的應(yīng)用研究

鄧文新

摘要: 智能導(dǎo)師系統(tǒng)(ITS)是教育技術(shù)領(lǐng)域的研究前沿和熱點(diǎn)之一。然而,ITS的開發(fā)研究仍然存在著諸如理論基礎(chǔ)、系統(tǒng)建模、關(guān)鍵開發(fā)技術(shù)和教學(xué)應(yīng)用等許多問題與困難。本文通過對ITS開發(fā)中的自然語言交互、領(lǐng)域知識(shí)表示、教學(xué)策略運(yùn)用、學(xué)生模型建造等問題的分析,提出了基于本體的解決方法,以期對智能教學(xué)系統(tǒng)開發(fā)的深入研究有所裨益。

關(guān)鍵詞:本體;智能導(dǎo)師系統(tǒng)

一、智能導(dǎo)師系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

智能導(dǎo)師系統(tǒng),是指具有某一領(lǐng)域?qū)W科知識(shí)和相關(guān)的教學(xué)知識(shí),能對學(xué)生進(jìn)行個(gè)別化教學(xué),在一定程度上模擬人類教學(xué)專家或有經(jīng)驗(yàn)的教學(xué)導(dǎo)師進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)。較為著名的智能導(dǎo)師系統(tǒng)有SCHOLAR、TUTOR、WHY、WEST、BUGGY、LMS、ACTP、SIERRA和SHERLOCK等。智能導(dǎo)師系統(tǒng)由人機(jī)智能接口模塊、領(lǐng)域?qū)＜抑R(shí)模塊、教學(xué)策略模塊和學(xué)生模型模塊四部分組成。

國外ITS研究集中在美國、歐洲和日本,研究主體是高校。特別是美國,一些著名大學(xué)紛紛加入ITS的研究和開發(fā)行列,開發(fā)出了學(xué)科范圍覆蓋廣、智能化程度較高的ITS應(yīng)用系統(tǒng)。國內(nèi)ITS的研究起步較晚,只有少量的研究工作在大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)中進(jìn)行,研制的多數(shù)是供研究和演示用的概念系統(tǒng)。2000年以后,ITS的發(fā)展加快,隨著一些著名的IT教育公司的加入和國家對教育信息化的政策性推動(dòng),出現(xiàn)了一些實(shí)用的智能教學(xué)系統(tǒng)。

二、智能導(dǎo)師系統(tǒng)開發(fā)中的困境

1.自然語言的理解與交互。目前的ITS系統(tǒng)主要通過語音識(shí)別技術(shù)、模糊查詢技術(shù)和機(jī)器翻譯技術(shù)來實(shí)現(xiàn)自然語言理解和交互,造成智能導(dǎo)師系統(tǒng)的交互智能化程度低。

2.領(lǐng)域知識(shí)的建造與重用。現(xiàn)有的ITS系統(tǒng)均能夠建立自身的領(lǐng)域知識(shí)庫,但是這些知識(shí)庫只能在本系統(tǒng)內(nèi)使用,系統(tǒng)之間的知識(shí)共享和重用基本無法實(shí)現(xiàn),加大了ITS系統(tǒng)的封閉性。

3.教學(xué)策略的智能運(yùn)用。大部分ITS都采用產(chǎn)生式規(guī)則形成教學(xué)策略。由于系統(tǒng)沒有一個(gè)對學(xué)生實(shí)際學(xué)習(xí)情況進(jìn)行理解的語義機(jī)制,它產(chǎn)生的教學(xué)策略往往與學(xué)生的實(shí)際學(xué)習(xí)情況和需要并不吻合,從而失去了其導(dǎo)學(xué)的智能性。

4.智能化學(xué)生模型的建造。覆蓋模型要求學(xué)生的思維方式和過程與領(lǐng)域?qū)＜业南嘁恢?這在很大程度上限制了學(xué)生思維的個(gè)性和創(chuàng)造性,與教學(xué)目標(biāo)明顯相悖。偏差模型雖然允許學(xué)生思維有獨(dú)創(chuàng)性,但學(xué)生思維與專家有較大區(qū)別時(shí),系統(tǒng)往往又難以判斷學(xué)生思維的正確性。貝葉斯方法建立在對學(xué)生的大量原始數(shù)據(jù)的挖掘基礎(chǔ)上,實(shí)際操作中存在很大困難。

簡而言之,這些困境的共同點(diǎn)都在知識(shí)的表征、溝通、共享和重用。在AI領(lǐng)域,本體論就是解決知識(shí)的表征、溝通、共享和重用問題的有效工具。

三、本體:ITS開發(fā)的方法論

人們發(fā)現(xiàn),計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對信息和知識(shí)的處理并不能像人那樣具有靈活性和智能化,人與機(jī)器之間、機(jī)器與機(jī)器之間的溝通與交流也顯得困難重重。究其原因,是計(jì)算機(jī)軟件應(yīng)用系統(tǒng)中缺少類似人類大腦中的“知識(shí)結(jié)構(gòu)”那樣的部分來描述外部客觀世界的本質(zhì),并通過這種描述去解決知識(shí)表示問題和實(shí)現(xiàn)有意義的交流、溝通。于是,研究人員借用了“本體”這一哲學(xué)名詞來表達(dá)系統(tǒng)中的“知識(shí)結(jié)構(gòu)”,即為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)建立有關(guān)客觀世界的本體。

1.本體的基本概念。

本體,指的是“被共享的概念化的一個(gè)形式化的規(guī)格說明”。概念化,是指通過標(biāo)識(shí)某個(gè)現(xiàn)象的相關(guān)概念而得到這個(gè)現(xiàn)象的抽象模型,它明確了所用到的概念的類型,以及定義概念使用的約束等;形式化是指本體應(yīng)該是機(jī)器可讀的;共享則反映了這樣一個(gè)觀念,即本體獲取了群體對事物的一致的知識(shí),它不是某個(gè)個(gè)體私有的,而是被一個(gè)群體所接受的。

2.本體的作用。

總的來說,構(gòu)造本體的目的都是為了實(shí)現(xiàn)某種程度的知識(shí)共享和重用。所以,本體的作用主要有以下兩方面:第一、本體的分析澄清了領(lǐng)域知識(shí)的結(jié)構(gòu),從而為知識(shí)表示打好基礎(chǔ)。本體可以重用,從而避免重復(fù)的領(lǐng)域知識(shí)分析;第二、統(tǒng)一的術(shù)語和概念使知識(shí)共享成為可能。Uschold等人總結(jié)了本體在通訊、互操作和系統(tǒng)工程中的作用,值得我們借鑒。

3.建立本體的方法。

比較成熟的本體開發(fā)模式是Uschold的本體建立模式。該模式提出,建立本體的4個(gè)主要步驟是:第一步,明確建立本體的目的和所建立的本體的范圍;第二步,建立本體;第三步,對所建立的本體進(jìn)行評(píng)價(jià);第四步,形成文檔。

四、本體在ITS開發(fā)中的應(yīng)用

基于本體的智能導(dǎo)師系統(tǒng)建模,關(guān)鍵是在原有模型的基礎(chǔ)上建立學(xué)科領(lǐng)域本體、教學(xué)策略本體和學(xué)習(xí)者本體,以這些本體為支撐建立領(lǐng)域知識(shí)庫、教學(xué)策略庫和學(xué)生模型,實(shí)現(xiàn)智能教學(xué)系統(tǒng)中領(lǐng)域知識(shí)模塊、教學(xué)策略模塊和學(xué)生模型的語義溝通、知識(shí)共享和重用。同時(shí),使得建立在相同本體基礎(chǔ)之上的不同系統(tǒng)之間也能夠?qū)崿F(xiàn)資源共享和互相操作。

1.基于本體的智能教學(xué)系統(tǒng)框架。

建立基于本體的智能教學(xué)系統(tǒng)框架模型,如圖所示。

2.基于本體的領(lǐng)域知識(shí)庫的建造。

首先,按照Uschold的本體建立模式建立相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域的本體,如:教育技術(shù)學(xué)科本體。它包含教育技術(shù)學(xué)科的基本概念、概念之間的關(guān)系、本體的約束和實(shí)例。然后,在此基礎(chǔ)上對領(lǐng)域本體進(jìn)行形式化描述,形式化描述可采用RDF或XML來進(jìn)行。最后,形成領(lǐng)域本體庫。

其次,基于領(lǐng)域本體建立領(lǐng)域知識(shí)庫(即具體的領(lǐng)域知識(shí)內(nèi)容)。基于領(lǐng)域本體的學(xué)科知識(shí)庫為學(xué)科知識(shí)的表示、理解和共享提供統(tǒng)一的詞匯術(shù)語表,解決智能教學(xué)系統(tǒng)中人—人交流、人—機(jī)交互和Agent之間通訊的語義歧義和溝通效率低下的問題。基于本體的領(lǐng)域知識(shí)庫的可重用性也大大提高,在系統(tǒng)建構(gòu)中較好地解決領(lǐng)域知識(shí)庫重復(fù)開發(fā)的問題。

3.基于本體的教學(xué)策略庫。

教學(xué)策略是對完成教學(xué)目標(biāo)而采取的教學(xué)活動(dòng)程序、方法、形式和媒體等因素的總體考慮,由此可見教學(xué)策略最終體現(xiàn)在教學(xué)活動(dòng)上。建立教學(xué)活動(dòng)的本體將在很大程度上便利教學(xué)策略的跨學(xué)科、跨系統(tǒng)和智能化運(yùn)用。以活動(dòng)理論為指導(dǎo),教學(xué)活動(dòng)主要由參與角色(學(xué)生、教師等)、教學(xué)目標(biāo)、媒體工具、教學(xué)行為和教學(xué)評(píng)價(jià)等要素構(gòu)成。在分析這些要素及其關(guān)系的基礎(chǔ)上,我們可以建立起一些具體的教學(xué)活動(dòng)的本體,如:問題解決活動(dòng)、講授活動(dòng)、討論活動(dòng)、辯論活動(dòng)、協(xié)商學(xué)習(xí)活動(dòng)等。基于教學(xué)活動(dòng)本體,可以建立跨學(xué)科、跨系統(tǒng)和智能化的教學(xué)策略庫。

4.基于本體的學(xué)生模型建造。

學(xué)習(xí)者本體是關(guān)于學(xué)生的更高層次的知識(shí),這種知識(shí)的獲取將有利于建造更加靈活和個(gè)性化的學(xué)生模型。學(xué)習(xí)者本體主要由以下因素構(gòu)成:知識(shí)水平、認(rèn)知能力、認(rèn)知風(fēng)格、學(xué)習(xí)習(xí)慣、情感氣質(zhì)、個(gè)人信息等。其本體建立的方法與領(lǐng)域本體基本相同。

在學(xué)習(xí)者本體的基礎(chǔ)上,可應(yīng)用貝葉斯方法在本體層次上對學(xué)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘,提高學(xué)生模型建立的效率。

5.基于本體的自然語言交互。

智能教學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自然語言交互的關(guān)鍵在于計(jì)算機(jī)對自然語言的理解和自然語言的生成。領(lǐng)域本體為計(jì)算機(jī)的自然語言理解和自然語言生成提供了一個(gè)明確的詞匯術(shù)語表,再結(jié)合語音識(shí)別技術(shù)、模糊推理技術(shù)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),將有效解決自然語言交互的問題。

隨著ITS研究的深入,本體論方法成為了解決ITS相關(guān)問題的重要方法,ITS中的本體論這一研究方向?qū)⑹艿礁嗟年P(guān)注。但是,本體在ITS研發(fā)過程中仍然存在許多問題,如理論研究滯后于實(shí)踐、本體的建立和評(píng)價(jià)方法仍不完善、本體自身的可重用性問題等,這些問題都需要解決。

(作者單位:廣東外語藝術(shù)職業(yè)學(xué)院)

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見習(xí)編輯賴俊辰