基于本體的智能教學(xué)系統(tǒng)著作工具研究

邢立國(guó)，褚龍現(xiàn)

（平頂山學(xué)院 河南 平頂山　467000）

基于本體的智能教學(xué)系統(tǒng)著作工具研究

邢立國(guó)，褚龍現(xiàn)

（平頂山學(xué)院 河南 平頂山467000）

以研究語(yǔ)義Web相關(guān)知識(shí)，分析本體相關(guān)技術(shù)和工具為基礎(chǔ)，總結(jié)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)智能教學(xué)系統(tǒng)存在的問(wèn)題，提出采用本體驅(qū)動(dòng)的方法對(duì)網(wǎng)絡(luò)智能教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行著作。通過(guò)設(shè)計(jì)適用于網(wǎng)絡(luò)智能教學(xué)系統(tǒng)著作的教學(xué)本體、領(lǐng)域知識(shí)本體和學(xué)習(xí)者本體，構(gòu)建基于本體的網(wǎng)絡(luò)智能教學(xué)系統(tǒng)著作工具的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并完成著作工具原型設(shè)計(jì)。

著作工具；教學(xué)系統(tǒng)；本體；智能

隨著當(dāng)今社會(huì)的快速發(fā)展，人們逐漸認(rèn)識(shí)到終身學(xué)習(xí)的重要性，因?yàn)閭鹘y(tǒng)課堂學(xué)習(xí)方式受限于時(shí)間與地點(diǎn)，再加上互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，所以利用互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行學(xué)習(xí)資源的傳遞與共享被廣泛應(yīng)用［1］。眾多優(yōu)秀的教學(xué)系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著激發(fā)學(xué)習(xí)者潛能的重任，為了提高教學(xué)系統(tǒng)的智能化程度、更好到服務(wù)于學(xué)習(xí)者，出現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)智能教學(xué)系統(tǒng)［2］。本文旨在研究基于本體的智能教學(xué)系統(tǒng)著作工具，通過(guò)分析本體在語(yǔ)義Web下和知識(shí)重用的作用，提出新的智能教學(xué)系統(tǒng)著作工具體系結(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)各個(gè)模塊本體，最終形成個(gè)性化教學(xué)計(jì)劃。

1　網(wǎng)絡(luò)智能教學(xué)系統(tǒng)的產(chǎn)生

為了適應(yīng)快速發(fā)展的社會(huì)生活，終身學(xué)習(xí)方式逐漸形成，學(xué)習(xí)過(guò)程打破時(shí)間和空間限制的需求不斷增強(qiáng)［3］。網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展使得通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)的教學(xué)資源共享進(jìn)行學(xué)習(xí)成為可能，但是網(wǎng)絡(luò)教學(xué)能調(diào)動(dòng)人們學(xué)習(xí)主動(dòng)性的同時(shí)卻較難控制學(xué)習(xí)的有效性，這對(duì)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)提出了挑戰(zhàn)。解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵在于3個(gè)方面：合適教學(xué)策略的編制、最佳幫助時(shí)機(jī)的確定和高速學(xué)習(xí)效率的引導(dǎo)［4］。

在此背景下，智能化網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)隨之出現(xiàn)。這些教學(xué)系統(tǒng)首先優(yōu)化學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)愛(ài)好，接著根據(jù)愛(ài)好匹配合適的教學(xué)資源，然后評(píng)價(jià)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)效果，如智能推薦、智能監(jiān)督等等。但是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)智能教學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，導(dǎo)致現(xiàn)有智能教學(xué)系統(tǒng)發(fā)展緩慢。主要體現(xiàn)在：

1）網(wǎng)路智能教學(xué)系統(tǒng)開發(fā)難度大，不同系統(tǒng)之間功能可復(fù)用性差；

2）教師參與系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求強(qiáng)，但是實(shí)現(xiàn)困難；

3）網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)與智能教學(xué)整合程度低，未能充分發(fā)揮兩者優(yōu)勢(shì)［5］。

2　語(yǔ)義Web與本體

語(yǔ)義Web的本質(zhì)是通過(guò)給互聯(lián)網(wǎng)上的文檔添加能被計(jì)算機(jī)理解的語(yǔ)義，從而使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)成為一個(gè)通用的信息交換媒體。本體是語(yǔ)義Web的重要組成部分，可以對(duì)不同知識(shí)進(jìn)行表示，以使計(jì)算機(jī)理解和處理，是用戶與語(yǔ)義Web進(jìn)行交互的基礎(chǔ)［6］。將語(yǔ)義Web應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)智能教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，能夠促進(jìn)系統(tǒng)之間的互操作和知識(shí)的共享與復(fù)用，可以降低網(wǎng)絡(luò)智能教學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)難度。

用戶可以通過(guò)語(yǔ)義Web將兩個(gè)不相干的東西連接在一起，組成一個(gè)“無(wú)縫”式連接的網(wǎng)絡(luò)，其層次結(jié)構(gòu)共有七層，且自下而上功能逐漸增強(qiáng)。本體作為語(yǔ)義Web的組成部分，主要有5個(gè)基本的建模元語(yǔ)構(gòu)成，分別是類、關(guān)系、函數(shù)、公理和實(shí)例［7］。

1）本體的分類

本體的分類方法不唯一，按照形式化程度的不同，可以把本體分為高度非形式化、結(jié)構(gòu)非形式化、半形式化和嚴(yán)格形式化的本體；按照本體的描述對(duì)象不同，可以把本體分為特殊領(lǐng)域、一般世界知識(shí)、問(wèn)題求解和知識(shí)表示語(yǔ)言本體等［8］。

2）本體開發(fā)工具

本文研究過(guò)程中選用的開發(fā)工具是Protégé，Protégé支持類、多繼承和實(shí)例等知識(shí)表示要素，其最大的特點(diǎn)在于它具有開放式接口并提供大量插件，支持幾乎所有本體表示語(yǔ)言，還能將知識(shí)庫(kù)以多語(yǔ)言格式導(dǎo)出，實(shí)現(xiàn)各種格式間轉(zhuǎn)換［9］。

3　著作工具體系結(jié)構(gòu)構(gòu)建

在網(wǎng)絡(luò)智能教學(xué)系統(tǒng)中應(yīng)用本體既有利于實(shí)現(xiàn)資源查找和正確使用，為不同模塊標(biāo)準(zhǔn)化建模提供方法，又能使不同系統(tǒng)間互操作成為可能。本文設(shè)計(jì)了本體在網(wǎng)絡(luò)智能教學(xué)系統(tǒng)著作工具的體系結(jié)構(gòu)，主要由教學(xué)規(guī)劃、學(xué)生模型、學(xué)習(xí)對(duì)象庫(kù)和領(lǐng)域知識(shí)四部分構(gòu)成，如圖1所示。

圖1　著作工具體系結(jié)構(gòu)Fig．1　The system structure of authoring tools

3.1教學(xué)規(guī)劃模塊

該模塊主要任務(wù)是對(duì)教學(xué)過(guò)程進(jìn)行設(shè)計(jì)，目標(biāo)是設(shè)計(jì)出適合學(xué)習(xí)者個(gè)性需求的教學(xué)步驟，最終實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。教學(xué)本體設(shè)計(jì)時(shí)，以促進(jìn)知識(shí)積累和利用現(xiàn)有知識(shí)為基礎(chǔ)，對(duì)產(chǎn)生式規(guī)則中的條件和結(jié)果進(jìn)行描述。

教學(xué)規(guī)劃設(shè)計(jì)分為目標(biāo)層、教學(xué)事件層、教學(xué)行為層和學(xué)習(xí)對(duì)象層，所以將教學(xué)本體設(shè)計(jì)分為教學(xué)目標(biāo)本體、教學(xué)事件本體、教學(xué)行為本體和教學(xué)計(jì)劃本體。其中，教學(xué)計(jì)劃本體設(shè)計(jì)是重點(diǎn)，主要設(shè)計(jì)目標(biāo)是：

1）根據(jù)教學(xué)策略動(dòng)態(tài)生成教學(xué)計(jì)劃；

2）對(duì)完成學(xué)習(xí)任務(wù)的教學(xué)計(jì)劃進(jìn)行記錄；

3）能夠積累教學(xué)經(jīng)驗(yàn)促進(jìn)知識(shí)的復(fù)用和共享。

教學(xué)計(jì)劃本體設(shè)計(jì)包含教學(xué)計(jì)劃類、教學(xué)目標(biāo)類、教學(xué)事件類和教學(xué)行為類，如圖2所示。教學(xué)計(jì)劃類通過(guò)3個(gè)對(duì)象屬性將其他3個(gè)類關(guān)聯(lián)起來(lái)，另一方面將每個(gè)教學(xué)單元的教學(xué)過(guò)程定義為（教學(xué)目標(biāo)（教學(xué)事件序列（具體操作集合）））。

圖2　教學(xué)計(jì)劃本體設(shè)計(jì)Fig．2　The design of instructional plan ontology

3.2學(xué)生模型

該模型主要任務(wù)是負(fù)責(zé)學(xué)習(xí)者信息的初始化和后期維護(hù)，其中學(xué)生本體主要描述學(xué)習(xí)者本身相關(guān)的概念和關(guān)系。在設(shè)計(jì)學(xué)生本體時(shí)，重點(diǎn)關(guān)注學(xué)習(xí)者信息表示，使用如下描述模型：

學(xué)習(xí)者信息模型：＜S，D，S_M＞

其中，S表示學(xué)習(xí)者靜態(tài)屬性信息，包括姓名、性別和年齡等特征信息；D表示動(dòng)態(tài)信息，包括知識(shí)掌握信息和錯(cuò)誤信息等等；S_M表示構(gòu)建學(xué)生模型的方法，本文只考慮了簡(jiǎn)單有效的覆蓋模型。

在構(gòu)造學(xué)生本體時(shí)，重點(diǎn)考慮能夠影響教學(xué)資源選取、內(nèi)容安排和步驟確立的學(xué)習(xí)者信息。學(xué)生本體設(shè)計(jì)了學(xué)習(xí)者類和學(xué)習(xí)者信息類，學(xué)習(xí)者信息類對(duì)象作為學(xué)習(xí)者類成員屬性出現(xiàn)，而學(xué)習(xí)者信息類又包含基本信息、學(xué)習(xí)愛(ài)好、知識(shí)狀態(tài)、錯(cuò)誤記錄、歷史活動(dòng)記錄和績(jī)效類等6個(gè)子類。

3.3學(xué)習(xí)對(duì)象庫(kù)

該模塊主要任務(wù)是對(duì)元數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范和統(tǒng)一，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)習(xí)資源的高效應(yīng)用。通過(guò)學(xué)習(xí)對(duì)象本體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)單元對(duì)象的動(dòng)態(tài)生成，且相關(guān)對(duì)象對(duì)學(xué)生模型具有普遍適應(yīng)性，本體使用如下描述模型：

學(xué)習(xí)對(duì)象庫(kù)：＜LOi，Aij＞

其中，LOi表示學(xué)習(xí)對(duì)象名稱，Aij表示對(duì)象屬性。具體操作包括描述學(xué)習(xí)對(duì)象、編輯學(xué)習(xí)對(duì)象和刪除學(xué)習(xí)對(duì)象。

在構(gòu)造學(xué)習(xí)對(duì)象元數(shù)據(jù)本體時(shí)，充分考慮了與其他本體設(shè)計(jì)的配合，如教學(xué)類型應(yīng)該與教學(xué)本體中保持一致，媒體格式要與學(xué)生本體中保持一致等。將學(xué)習(xí)對(duì)象元數(shù)據(jù)本體設(shè)計(jì)分為基本、技術(shù)、教學(xué)和知識(shí)點(diǎn)等4類信息。各個(gè)信息含義如下：

1）基本信息：學(xué)習(xí)對(duì)象的名稱、制作者和日期等；

月亮一定是從人的心頭升起來(lái)的。不然她怎么可以美得和我們心里想的一模一樣。把電源關(guān)了以后，月光和火光一起給所有人的臉都打上了柔光，柿子樹上掛著一個(gè)個(gè)黑黢黢的影子，有歌聲從篝火的深處傳來(lái)，無(wú)梁可繞，卻鉆進(jìn)了人的心里再也出不來(lái)。有些東西會(huì)讓人失去年齡，徹底地打開心門。這樣一個(gè)圍著篝火看月亮的夜晚，非常的適合說(shuō)出你的秘密。

2）技術(shù)信息：學(xué)習(xí)對(duì)象媒體格式、大小、位置和時(shí)長(zhǎng)等；

3）教學(xué)信息：學(xué)習(xí)對(duì)象類型、教學(xué)類型等；

4）知識(shí)點(diǎn)信息：知識(shí)點(diǎn)難度等。

3.4領(lǐng)域知識(shí)點(diǎn)圖

該模塊主要任務(wù)是生成有效的知識(shí)點(diǎn)路徑，通過(guò)對(duì)知識(shí)點(diǎn)排序，以及知識(shí)點(diǎn)與教學(xué)資源間的聯(lián)系找到學(xué)習(xí)資源。為了合理描述知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)系，使用圖表達(dá)知識(shí)點(diǎn)集合，圖中的結(jié)點(diǎn)是領(lǐng)域知識(shí)點(diǎn)的集合，知識(shí)點(diǎn)間關(guān)系用連接表示，模型如下：

領(lǐng)域知識(shí)點(diǎn)圖模型：DM＜J，R＞，J＜Ji，Aij＞，R＜Ji，Jj，Jl＞

知識(shí)點(diǎn)本體設(shè)計(jì)以組織和定義知識(shí)點(diǎn)概念和關(guān)系為重心，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)知識(shí)點(diǎn)信息在不同系統(tǒng)間復(fù)用和共享。

3.5系統(tǒng)原型設(shè)計(jì)

在分析系統(tǒng)著作工具系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中不同模塊的本體設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，構(gòu)建基于本體的網(wǎng)絡(luò)智能教學(xué)系統(tǒng)著作工具原型。系統(tǒng)原型包含了3個(gè)模塊的著作，如圖3所示。

圖3　著作工具原型Fig．3　The prototype of authoring tools

1）教學(xué)模塊

教學(xué)本體著作主要負(fù)責(zé)對(duì)教學(xué)計(jì)劃進(jìn)行制定，按照四個(gè)步驟進(jìn)行：一是對(duì)教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行定義和分類；二是對(duì)教學(xué)事件進(jìn)行選擇和排序；三是對(duì)教學(xué)行為進(jìn)行選擇和安排；四是選擇學(xué)習(xí)對(duì)象和教學(xué)服務(wù)。

2）學(xué)生模塊

學(xué)生本體著作主要負(fù)責(zé)對(duì)學(xué)習(xí)者信息進(jìn)行選擇編輯，實(shí)現(xiàn)信息初始化和動(dòng)態(tài)維護(hù)。

3）領(lǐng)域知識(shí)模塊

領(lǐng)域知識(shí)模塊分為學(xué)習(xí)對(duì)象元數(shù)據(jù)編輯器和領(lǐng)域知識(shí)點(diǎn)圖編輯器。前者主要負(fù)責(zé)對(duì)學(xué)習(xí)對(duì)象進(jìn)行描述；后者主要負(fù)責(zé)對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行描述和組織。

將3個(gè)模塊的著作工具編輯器和相關(guān)功能函數(shù)相結(jié)合，即能動(dòng)態(tài)生成基于知識(shí)并對(duì)學(xué)生模型具有適應(yīng)性的多個(gè)學(xué)習(xí)單元，最終組成智能教學(xué)系統(tǒng)。

4　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析傳統(tǒng)智能教學(xué)系統(tǒng)存在的問(wèn)題，提出研究語(yǔ)義Web和本體對(duì)教學(xué)模塊、學(xué)生模塊和領(lǐng)域知識(shí)模塊的形式化表示，在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建基于本體的智能教學(xué)系統(tǒng)著作工具體系結(jié)構(gòu)，并完成著作工具原型設(shè)計(jì)。該原型將降低網(wǎng)絡(luò)智能教學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)難度，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)功能復(fù)用和共享。

［1］林木輝，張杰，包正委．智能教學(xué)系統(tǒng)中基于本體的知識(shí)表示及推送研究［J］．福建師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，25：120-124．

［2］趙久艷．基于本體的教學(xué)管理系統(tǒng)語(yǔ)義檢索研究［D］．哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2007．

［3］岳靜，張自力．本體表示語(yǔ)言研究綜述［J］．計(jì)算機(jī)科學(xué)，2006，33（2）:158-162．

［4］王曉琳，高丹丹，張際平．語(yǔ)義Web下的智能授導(dǎo)系統(tǒng)［J］．遠(yuǎn)程教育雜志，2009（02）:51-53．

［5］L．W．安德森等著，皮連生等譯．學(xué)習(xí)、教學(xué)和評(píng)估的分類學(xué)［M］．上海：華東師范大學(xué)出版社，2007．

［6］常子冠．個(gè)性化學(xué)習(xí)支持系統(tǒng)中教學(xué)策略編輯工具的設(shè)計(jì)與開發(fā)［D］．北京：首都師范大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007．

［7］李志平，劉敏昆，孫瑜．基于web的智能教學(xué)系統(tǒng)研究［J］．計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2006（02）:208-210．

［8］郭文英．基于SWRL推理的語(yǔ)義關(guān)聯(lián)發(fā)現(xiàn)及其在本體映射與集成中的應(yīng)用［D］．杭州：浙江大學(xué)，2006．

［9］郁書好，郭學(xué)?。诒倔w的教學(xué)知識(shí)庫(kù)研究與應(yīng)用［J］．計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2007，8：161-164．

Authoring tools′research on intelligent teaching system based on ontology

XING Li-guo，CHU Long-xian
（Pingdingshan University，Pingdingshan467000，China）

This article，based on the research of semantic Web knowledge，analysis of technologies and tools related to ontology，summarizes the problems existing in traditional network teaching system，puts forward a method of ontology driven for the network of intelligent teaching system．Through designing some works which is applied to intelligent network teaching system in the field of ontology the knowledge of teaching ontology，domain knowledge ontology and learner ontology，building system structure of authoring tools based on ontology intelligent network teaching system，and complete works of tool prototype design．

authoring tools；teaching system；ontology；intelligent

TN91

A

1674－6236（2016）02-0018-03

2015-04-14稿件編號(hào)：201504138

河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（12B520040）

邢立國(guó)（1982—），男，河南安陽(yáng)人，助理實(shí)驗(yàn)師，碩士。研究方向：人工智能。