邢立國，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，褚龍現(xiàn)

（平頂山學(xué)院 河南 平頂山467000）

以研究語義Web相關(guān)知識，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)存在的問題，提出采用本體驅(qū)動的方法對網(wǎng)絡(luò)智能教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行著作。通過設(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)今社會的快速發(fā)展，人們逐漸認(rèn)識到終身學(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，通過分析本體在語義Web下和知識重用的作用，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)展的社會生活，終身學(xué)習(xí)方式逐漸形成，學(xué)習(xí)過程打破時(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)動人們學(xué)習(xí)主動性的同時(shí)卻較難控制學(xué)習(xí)的有效性，這對網(wǎng)絡(luò)教學(xué)提出了挑戰(zhàn)。解決這一問題的關(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)愛好，接著根據(jù)愛好匹配合適的教學(xué)資源，然后評價(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［5］。

2　語義Web與本體

語義Web的本質(zhì)是通過給互聯(lián)網(wǎng)上的文檔添加能被計(jì)算機(jī)理解的語義，從而使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)成為一個(gè)通用的信息交換媒體。本體是語義Web的重要組成部分，可以對不同知識進(jìn)行表示，以使計(jì)算機(jī)理解和處理，是用戶與語義Web進(jìn)行交互的基礎(chǔ)［6］。將語義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。

用戶可以通過語義Web將兩個(gè)不相干的東西連接在一起，組成一個(gè)“無縫”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)。本體作為語義Web的組成部分，主要有5個(gè)基本的建模元語構(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；按照本體的描述對象不同，可以把本體分為特殊領(lǐng)域、一般世界知識、問題求解和知識表示語言本體等［8］。

2）本體開發(fā)工具

本文研究過程中選用的開發(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言，還能將知識庫以多語言格式導(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)對象庫和領(lǐng)域知識四部分構(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)是對教學(xué)過程進(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)知識積累和利用現(xiàn)有知識為基礎(chǔ)，對產(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)策略動態(tài)生成教學(xué)計(jì)劃；

2）對完成學(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3個(gè)對象屬性將其他3個(gè)類關(guān)聯(lián)起來，另一方面將每個(gè)教學(xué)單元的教學(xué)過程定義為（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表示動態(tài)信息，包括知識掌握信息和錯(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)愛好、知識狀態(tài)、錯(cuò)誤記錄、歷史活動記錄和績效類等6個(gè)子類。

3.3學(xué)習(xí)對象庫

該模塊主要任務(wù)是對元數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范和統(tǒng)一，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)對學(xué)習(xí)資源的高效應(yīng)用。通過學(xué)習(xí)對象本體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)單元對象的動態(tài)生成，且相關(guān)對象對學(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)對象庫：＜LOi，Aij＞

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

在構(gòu)造學(xué)習(xí)對象元數(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)對象的名稱、制作者和日期等；

月亮一定是從人的心頭升起來的。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，無梁可繞，卻鉆進(jìn)了人的心里再也出不來。有些東西會讓人失去年齡，徹底地打開心門。這樣一個(gè)圍著篝火看月亮的夜晚，非常的適合說出你的秘密。

2）技術(shù)信息：學(xué)習(xí)對象媒體格式、大小、位置和時(shí)長等；

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

4）知識點(diǎn)信息：知識點(diǎn)難度等。

3.4領(lǐng)域知識點(diǎn)圖

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

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

知識點(diǎn)本體設(shè)計(jì)以組織和定義知識點(diǎn)概念和關(guān)系為重心，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)知識點(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)對教學(xué)計(jì)劃進(jìn)行制定，按照四個(gè)步驟進(jìn)行：一是對教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行定義和分類；二是對教學(xué)事件進(jìn)行選擇和排序；三是對教學(xué)行為進(jìn)行選擇和安排；四是選擇學(xué)習(xí)對象和教學(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)信息初始化和動態(tài)維護(hù)。

3）領(lǐng)域知識模塊

領(lǐng)域知識模塊分為學(xué)習(xí)對象元數(shù)據(jù)編輯器和領(lǐng)域知識點(diǎn)圖編輯器。前者主要負(fù)責(zé)對學(xué)習(xí)對象進(jìn)行描述；后者主要負(fù)責(zé)對知識點(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，即能動態(tài)生成基于知識并對學(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

通過分析傳統(tǒng)智能教學(xué)系統(tǒng)存在的問題，提出研究語義Web和本體對教學(xué)模塊、學(xué)生模塊和領(lǐng)域知識模塊的形式化表示，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．本體表示語言研究綜述［J］．計(jì)算機(jī)科學(xué)，2006，33（2）:158-162．

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