基于語義網的遠程教育系統研究

【摘要】遠程教育發展到現在，同傳統的教學形式相比較，有其優越的一面，但是其本身也存在著一些弊端。隨著信息技術的發展，將語義網、Ontology技術應用于遠程教育體系，會使現有的遠程教育系統具有語義，系統可以與學生進行更好的交流，在一定程度上提高學生的學習效率，促進學生的學習積極性。本文對目前的基于網絡的遠程教育進行了分析，提出了一種基于語義網的遠程教育體系模型。

【關鍵詞】遠程教育，Ontology，語義網，代理

【中圖分類號】G434 【文獻標識碼】B 【論文編號】1009—8097（2006）05—0044—04

一、概述

基于計算機網絡的遠程教育是一種新型的教育方式。遠程教育具有雙向互動、內容直觀、可進行個別化教育等優勢，但也存在不足。

（一）基于Web的遠程教育的優勢

遠程教育借助于計算機技術已經取得了很大的發展，其本身有很多的優點，主要表現在以下幾個方面：

1、遠程教育使授課、學習途徑具有多元化和靈活性的特點。遠程教育不同于以往任何教育方式，打破了課堂教學的單一模式。不再局限于固定的時間、空間，體現了其固有的多元化、靈活性，這是遠程教育最大的優勢之一，也是遠程教育最具特色的方面^[1]。以往的任何教育都不具備靈活性，也不具備這種學習的多元性。

2、遠程教育實現了跨地域及跨學校的優質教學資源、研究資源、學習資源的共享。

3、遠程教育加強了學生與教師的互動性。教學過程是互動溝通的過程，遠程教育通過多媒體教學傳授知識，通過電子郵件、網上答疑系統解決學生疑難問題，信息溝通達到了方便、快捷，這都是傳統教學模式不能達到的效果。而且，學生可以多次重復學習教師可見內容，彌補了以往課堂教學的不足。

（二）基于Web的遠程教育存在的問題

雖然遠程教育有著傳統教育無法比擬的優勢，但是其本身也有著很多的弊端，綜合起來大致可以分為以下兩個方面。

1、硬件方面

目前的帶寬不夠寬，網絡的瓶頸問題，是提高學習效率的一個重要的障礙。

2、軟件方面

（1）現有的網絡課程泛濫，真正適合學習者的精品課程很少。（2）網絡課程的設計，存在著重視教學內容的呈現與講解，輕視學習環境與學習活動設計的問題。（3）一部分網絡課程仍以大量的文字閱讀為主，存在著文字教材搬家的現象。（4）協作學習的環節薄弱，并且缺乏協作學習的設計、組織與實施的指導和建議。（5）缺乏相應的學習導航系統。對于遠程學習這種方式，大多數的學習者一開始很不適應，在學習的過程中常常感到盲目與茫然。

綜合上述不足，硬件問題有賴于電子與通訊技術的進一步發展。軟件方面的問題，主要是網絡本身提供的功能并不十分完善，不能給學生創造更好的互動空間，互聯網不能很好的理解學生的需求^[2]，這個問題將隨著語義網(Semantic Web)的發展，得到逐步解決。

二、語義網與Ontology

1、語義網的產生

隨著互聯網應用的不斷擴展，現有互聯網技術的局限也逐漸暴露出來。現有互聯網技術的核心是超文本系統，它的主要思想是通過統一資源標識符(URI: Uniform Resource Identifier)對互聯網上的信息進行標記，使人們可以迅速地對互聯網上的信息資源進行定位。然而，現有互聯網技術并沒有對信息的含義進行描述，計算機在處理信息時只是按照URI來定位信息，對信息的內容并不關心。而人們真正關心的是信息的內容，也就是互聯網上的文本、圖片等資源所包含的意義。由于現有互聯網技術的局限，互聯網上信息處理的自動化、智能化程度是很低的。互聯網技術的研究者正在研究新的技術以改變這種狀況，而其中最令人矚目的就是語義網技術。語義網是互聯網研究者對下一代互聯網的稱謂，通過擴展現有互聯網，在信息中加入表示其含義的內容，使計算機可以與人進行交流。也就是說，語義網中的各種資源不再只是信息的簡單的鏈接，而是使信息具有真正的含義，從而提高計算機處理信息的自動化和智能化^[3]。

2、語義網的模型

Berners-Lee T.在XML2000大會上提出語義網體系結構，他把語義網分為七層結構^[4]，如圖1所示。

（1）XML層作為語法層；XML使每個人可以創造自己的標簽來標注網頁或網頁的部分文本。（2）RDF(Resource Description Framework)層作為數據層；在該語義網模型中，信息以RDF句子的形式存儲，即以統一的方式來存儲數據，便于機器理解。（3）本體層(Ontology Layer)作為語義層。（4）邏輯層(Logic Layer)提供了智能推理的規則；而證據層則在此基礎上使代理可以交換推理的結果。（5）證據層(roof Layer)支持代理間通訊的證據交換。圖中語義網結構中的數字簽名(Digital Signature)和確信(Trust)則是為了保證信息交換的安全問題而設計的。

3、語義網應用的優缺點

語義網的基本思想是提供基于機器可處理的數據語義，并應用這些元數據的啟發式進行自動化的信息訪問^[5]。其最終目標是將人類知識編織成一個巨大的網絡，并以機器處理的方式來實現它。各種自動化服務將幫助用戶以機器可理解的格式訪問和提供信息，并使得計算機自動化處理過程和Web信息集成更為方便。語義網可以對因特網上的海量資源達到幾乎無所不知的程度，計算機可以在這些資源中找到用戶所需要的信息。

雖然語義網有以上優點，但是實現起來還有一定的困難，因為目前大部分網絡信息都是基于超文本技術的，把這些網絡信息改成適合語義網的形式，需要的工作量之大是無法估計的。而且目前的語義網技術正處于發展之中，很多技術還需要進一步的發展成熟起來，這也需要一定的時間。

但是語義網的前景確實是很美妙的，對于其存在的不足之處，將會隨著技術的進一步發展而逐漸克服掉的。比如，當Ontology逐漸成熟并被廣泛應用后，就可以將目前存在的網絡信息很容易的轉變成為語義網所需要的信息形式。

4、Ontology

在哲學里，Ontology是客觀存在的一個系統的解釋和說明，是客觀現實的一個抽象本質，研究現存的各種各樣的事物。隨著人工智能的發展，在人工智能領域和互聯網研究領域，給Ontology賦予了新的概念。人工智能領域里的Ontology指共享概念模型的明確的形式化規范說明。一個Ontology描述了一個特定研究領域的一個形式化的、共享的概念化模型。Ontology非常適合于描述互聯網上各種不同的、分散的、半結構化的信息資源。通過定義共享的、通用的領域知識，Ontology幫助人和機器明確的交流，支持語義級的交換，而不僅僅是語法級的。Ontology的目標是捕獲相關的領域的知識，提供對該領域知識的共同理解，確定該領域內共同認可的詞匯，并從不同層次的形式化模式上給出這些詞匯(術語)和詞匯之間相互關系的明確定義^[6]。

基于Ontology的含義，我們可以定義一個教育領域的Ontology，使現存的教育系統能夠更好的交流。把這個技術用于現代遠程教育中，就形成了具有語義的遠程教育體系。

三、基于語義網的遠程教育模型

1、基于語義網的遠程教育的特點

把遠程教育與傳統教育相比較，在傳統教育的課堂上，教師面對學生的講課有一種交談的氣氛，即使學生沒有提問，教師也能從學生的各種反應上感覺到講課的效果，如果再加上學生積極地提出問題，教師回答，則有了極強的交互性。目前的遠程教育系統有很多弊端，比如不能提供及時地自動的答疑系統，目前所提供的答疑系統，都是基于關鍵詞檢索技術的，常常會帶來很多無用的信息，而且現有的遠程教育系統的交互性很不理想，這給學生學習帶來了極大的不便，也在無形中打擊著學生的積極性。

隨著語義網技術的發展，將語義網應用到遠程教育中，那么目前遠程教育中存在的問題將會得到解決。基于語義網的遠程教育形式綜合起來大致有以下幾個特點^[7]：

●動態性：學生可以選擇自己的日程。學生可以使用語義網的詢問機制，建立適合于自己的學習計劃和課程。

●應答機制：學生可以對當前的問題立即做出反應并和他人交流。學生通過自己的軟件代理(Agent)與其他人的代理(Agent)進行交流。

●訪問機制：非線性的，學生可以根據自己對目前情況的感知直接的對知識進行訪問。學生對當前的情況進行描述(如，學習目標、以前學過的知識……)，通過語義網的詢問機制得到合適的學習材料。

●整體性：學習活動不是單獨的，而是一個整體中的一部分。語義網為這樣的整體活動提供了可能性。

●連續性：學習是連續的、并行的，并且永無止境，也即實現了真正意義上的終身學習。語義網中，通過個人代理主動地提供信息，從而創建一個動態的學習環境。

●權威性：學習內容由學習的參與者與學習的輔導者二者相互交流而形成。語義網將盡可能的靈活，從而形成了有效的協作性的內容管理模式。在這樣的情況下，學習內容更具有權威性。

●個別化：用戶根據需要決定內容，達到自己的目標。語義網中，用戶往往根據自己的需要通過個人代理搜索學習材料。這項功能是通過Ontology實現的，Ontology將用戶的需求與學習材料的特征連接了起來。

●適應性：為了適應用戶的需求，學習的內容是經常改

變的。用戶可以通過輸入一些信息(如：自己的經歷、實踐中得到的啟發……)來改變學習內容。通過對內容的語義上的注釋，語義網使各種各樣形式的知識得到運用，語義網的這種靈活性使學習材料不斷更新與提高。

從以上特點中可以看出：基于語義網的遠程教育系統，給學生提供了更大的靈活性和更強的交互性。增大了遠程教育中個別化的程度，滿足了學生自身的要求。隨著語義網技術的逐步發展，未來的遠程教育系統平臺上，將會出現懂得語義的自動答疑系統、自動輔導系統以及為學生良身定做的學習課程和學習日程安排等等，給學生的學習帶來智能化的便利的學習環境。

2、基于語義網的遠程教育系統模型

本文依據前面提到的語義網和Ontology，提出一種遠程教育系統模型(如圖2)，它建立在一定Ontology基礎之上，通過幾種代理來完成相應的功能。

該模型建立在一定領域的教育Ontology基礎上，通過這個教育Ontology可以在本系統里實現知識共享和順利交流，同時也可以與外部的系統共享知識和進行交流。在這個系統里，學習者可以根據自己的學習狀況，建立適合于自己的學習環境。因為這個系統是基于語義的，也就是說它可以理解學習者的意圖，并根據學習者輸入的具體情況構建適合學習者的學習環境。同時它也有相應的代理來完成對學習者學習過程的監控和反饋，讓學習者知道自己學習過程中的不足和沒有掌握的知識，幫助學習者進一步改善自己的學習計劃，提高學習效率。

應用到的代理以及相關功能如下：

（1）Interface 代理：主要負責成員之間的交流，它監控著成員的活動，并且將信息傳給其他相關的代理。

（2）Teacher 代理：主要負責學習者信息的概括、學習過程的監控和創建反饋以指導學習者。

（3）Leaner Modeling 代理：主要負責將成員的情況建立模型。在Leaner Material 代理和Teacher 代理的協助下，

根據Interface 代理 提供的相關信息構建適合學習者的學

習環境和模型。

（4）Leaner Model 代理：主要儲存學習者學習過程的相關信息，給學習者提供學習的環境，幫助學習者學習。

（5）Leaner Material 代理：主要負責專業知識的組織和更新，也即建立相關領域的Ontology。同時回答其他代理發出的疑問，這些代理往往需要專業領域的知識才能完成他們的功能。

在圖2的模型里，各個成員都是通過自己的Interface

代理與其他成員之間實現交互。根據以上模型，單機上具體系統的實現結構如圖3所示。

3、模型的設計與實現

圖3所示的教育系統模型是基于特定的Ontology庫，因此必需首先構建一個某領域的Ontology庫。在構建這個Ontology庫時，首先抽取某一領域的相關概念，然后用RDF對標注過的內容進行建模，使其具有語義，便于機器理解，

之后基于XML語言的特點，用XML對這些概念進行標注，以網頁的形式實現出來。關于應用環境的建立可以利用現有的c\\c++等技術實現，將做好的這些Ontology庫和應用環境集成到一個網站里，就可以讓學習者使用了。

實現這個模型的關鍵技術是Ontology庫的建立，因為Ontology庫的建立涉及到某一領域的專業知識，所以它的建立需要特定領域的專家的參與。同時由于它具有一定的動態性，所以在系統的使用過程中，這個Ontology庫還會隨著時間的發展而不斷豐富起來，從而使這個系統的功能逐步強大起來。

4、利用上述模型學習整數的加減法舉例

下面舉個例子來探討學習者如何利用這個系統進行有效的學習：

現有一個學生(Leaner1，簡稱為L1)，要利用這個系統學習整數的加法。則他的學習過程如下：

L1首先通過用戶界面進入學習系統時，在接口代理里輸入自己的一些信息，如：姓名，性別，愛好，學習風格，以前學過的知識，需要學習的知識……，然后接口 代理將這些信息書送到學習者建模代理里，在學習者建模代理的基礎上，通過和教師代理以及學習者建模代理之間的交流，可以建立一個適合于L1自己情況的學習環境即學習者模型代理1；通過一段時間的學習，教師代理會搜集L1的相關信息并根據這些信息與學習者材料代理進行交流，分析L1在學習加法的過程中，已經掌握的問題和通過學習后還沒有掌握的問題，最后給出有關L1進一步學習的建議和相應的反饋信息。L1根據這些反饋信息可以發現自己學習過程中的不足之處以及沒有掌握的問題，從而調整自己的學習計劃，主動地使自己得到提高。同時，在學習過程里，每個學習者也可以同時通過自己的接口代理與其他學習者進行交流。

在這個系統里，學生可以根據自己的實際情況，在各種代理的幫助下，通過自己的積極地參與，建立適合于自己的學習內容和學習計劃，并可以及時地與其他成員進行交流。學習者在這樣的系統里學習，不僅可以提高自己的學習積極性，也可以提高學習的效率。

四、結論

本文基于語義網和Ontology技術的特點，在分析了現代遠程教育所存在的問題后，將語義網技術應用于遠程教育體系，并以教育領域的Ontology為基礎，構建了一個語義級的遠程教學系統，以便于能夠更好的理解學習者的需求，建立適合學習者個人特點的學習環境，提高學習效率，真正發揮出遠程教育的優勢。

把語義網和Ontology應用到遠程教育系統中，將會真正促進遠程教育的發展，使遠程教育呈現出勃勃生機，但是這一美好前景，需要依賴于這兩種技術的逐漸發展與成熟。相信在不久的未來，網上課堂最終會形成比傳統課堂更好的教學環境。

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參考文獻

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[7] Ljiljana Stojanovic etc. eLearning based on the Semantic Web[C]

Research of Distant Education System Based on Semantic Web

Li Yanfei1Wang Xiaodong2

1、College of Physics and Information Engineering Henan Normal University， Xinxiang Henan， 453007

2、College of Computer Science and Information Technology Henan Normal University， Xinxiang Henan， 453007

Abstract: Compared with traditional teaching methods， the distant education system has its own advantages. But as everything has two sides， it also has disadvantages. With the development of IT， once the technology of Semantic web and Ontology was applied to the distant education system， the system will possess semantic meaning， which can communicate better with students， elevate students’ study efficiency and stimulate students’ enthusiasm in study. This article first analyzes the present situation of the distant education system based on web， finally put forward a model of the distant education system based on Semantic web.

Keywords: Distance Education， Ontology， Semantic Web， Agent

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文