基于本體的ＣＳＣＬ學習資源管理研究

【摘要】CSCL技術的發展為參與學習活動的個體提供了一個優良的協作學習環境。為了達到最優的學習效果，使學習個體能在CSCL環境中順利地進行協作，更好地利用網絡上的學習資源，提高學習資源的使用效率，須用本體來對CSCL的參與個體和學習資源進行定義，使到在CSCL中的學習資源能被統一的表示，完成以學習資源為主要表現形式的知識交互，并進行以知識獲取為最終目的的資源重組，使基于本體的CSCL的學習資源管理系統模型的實現和測試成為可能。

【關鍵詞】CSCL；本體；學習個體；學習資源管理

【中圖分類號】G434 【文獻標識碼】B 【論文編號】1009—8097 (2008) 06—0057—05

一 前言

CSCL（Computer Supported Collaborative Learning ）方式的優點是眾所周知的，特別是基于Web技術的方式為參與學習活動的所有者提供了一個更為優良的網絡協作學習環境.比如： Internet技術的迅速發展，為學習者提供了一個龐大的學習資源庫。但是，在長期的資源建設、開發過程中網絡學習資源變得復雜和多樣，即使是同類的學習資源，在不同的數據庫系統中也會存在不同的概念、格式的可能；不同地域的人對一個概念也會有不同的理解與語言描述方法。這就造成網絡學習資源不容易管理和利用（包括瀏覽、搜索、下載、重用和整合等）。

在CSCL環境中，學生知識的獲取是通過對CSCL環境下的信息資源進行共享和交互后在頭腦中進行加工處理達成的。但是，當學習者需要某些學習資源時，通常會在Web上通過在搜索引擎中輸入關鍵詞來查找所需要的資料，經過搜索引擎所返回的大量資源中可能存在大量無關的或學習者認為沒有價值的無用信息。搜索所得的資源下載到本地磁盤后由于信息量的遞增，使學習者在日后對在已保存的資源中進行再次查找又產生了難度。另外，當學習者與其他學習個體在進行資源的交互與共享時，對方可能因為對該學習者的下載并存放的資源因為不理解而不感興趣。這就給學習資源的管理、搜索和整合帶來了不便。

在CSCL環境下，“學生對新知識的獲得是通過學習個體與學習資源的交互來完成的”[1]。可以認為在CSCL中，小組成員的交互活動也是一種學習資源。因為在以小組完成學習任務的基礎上，個別學習個體針對某個知識點的見解或是在其他地方查找到的其他相關資料而在Web上發貼，或是小組中的學習個體之間進行的討論、競爭、合作等學習過程資料，或者是對某個實驗操作步驟的記錄都會保存在Web上。其它學習個體在進行瀏覽這些資料的同時也是一種學習的過程。如何對這些保存下來的資料進行更好的打包、管理也就成為CSCL學習資源管理的一大問題。

為了更好地利用網絡上的學習資源，提高學習資源的使用效率。本文希望籍由CSCL學習理論基礎和本體的相關理論提出一個CSCL學習資源本體管理系統框架，希望解決在CSCL環境中龐大的網絡資源、異構資源庫和不同運行平臺所帶來的學習資源共享性差、利用效率低、準確度差等缺點。

二 本體與CSCL學習資源本體

1 本體的定義與應用

“本體作為一種能在語義和知識層次上描述信息系統的概念型建模工具，自被提出以來就引起了國內外科研人員的關注。”[2]本體或本體論(Ontology)這個術語最早出現于17世紀的哲學領域，用來對世界上任何領域內的真實存在做出客觀描述。近十多年來，本體論的研究日益成熟，遠遠超過了哲學的范疇，它和信息技術（例如：面向對象系統）、知識工程及人工智能都有著密切的關系。Studer[3]等認為“本體是共享概念模型的明確的形式化規范說明”。也就是說在一般的情況下，本體可以用來描述領域知識的概念模型，用于并要求模型中的概念至少在某個領域或者某個范圍內是公認的或統一的。因此，本體特別是領域本體的建立對于需要交換信息、共享資源的人或某個異構系統來說，有助于消除對概念和術語的定義分歧，對于一定領域內的概念理解達成共識。其目標是“獲取、描述和表示相關領域的知識，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)和詞匯間相互關系的明確定義”[4]。本體已成為定義語義模型的主要方法之一。

根據本體的定義，可以用本體來描述遠程用戶的生存、活動的環境；在分布系統中，又可以把本體充當中介，負責溝通agent和環境之間的信息交流。在教育領域，Marvin Tan[3]和Angela Goh[3]就已成功使用特殊的領域本體，實現了“基于語義的網絡學習資源的分類、瀏覽和查找”。國內目前對本體在E-Learning環境中的應用已成為研究熱點。可以利用本體，針對教學系統進行設計常用詞匯表和框架，在恰當的抽象層次上給智能教育的任務加以形式化。使學習者訪問教學系統發現自己的問題和不足，使系統不斷調整適合學習者的學習方法，即學習者和系統的角色以及智能教學過程的任務能根據實際而變化。設計合適的本體，可以充分“利用現有的教學資源使基于Web的各種教育包括CSCL方式得到應有的發展”[5]。本體是領域范圍內的概念及相互之間關系的一種形式化表示，它使人們了對所描述的概念有統一的、一致的理解。

在基于Web的教育方式中，網上資源是學習者進行知識學習的重要來源之一。網絡技術的發展，為學習者提供了豐富的數字化學習資源，例如題庫（包括試題庫、習題庫）、學習專題網站、WebQuest、學習文本、音像和視頻資料、學科資源庫、數字化圖書館、數字化報刊等等。學習者可以通過不同的網絡搜索引擎為自己快速地獲取自己所需要的學習資源進行高效的知識學習。

通過對CSCL中的學習資源進行本體的定義，將學習資源中的概念、屬性、關系、函數、公理等都有明確的定義，也就是用適當的本體語言L將信息源O中的概念M表示出來。并建立基于本體的學習資源管理系統，對教學資源和學習過程進行有效管理，提高現有資源的利用率，為學習者提供一個良好的學習環境。同時，將不同個體在CSCL中的交互過程用本體的特征分析方法進行定義，使不同背景的學習參與個體就能在統一的語義環境下相互交流，學習到他人的經驗和方法。

2 本體建模

要定義CSCL學習資源本體需要包含其實體、屬性、處理過程等參數的定義以及它們之間的關系。本體在支持不同個體交互、系統/人機交互、組件復用的同時，應說明學習資源的組織規范，來增強基于本體的系統的可靠性，本文在這里對一部分不做主要的研究。

在對本體進行設計之前，要對其進行建模。本體建模的核心是明確本體在所表示的領域中的概念、概念的屬性、約束條件以及概念之間的層次關系等。這里定義的概念之間的關系主要有4種：part of，kind of，instance of 和 attribute of。關系代表了在領域中概念之間的交互作用。

本體的具體定義如下：定義1：2個概念Cl，C2，如果Cl的屬性C2全部具有，并且Cl和C2之間具有直接關系，則C1叫做C2的父概念，記作Cl=Parent(C2)；C2叫做Cl的子概念，記作C2=Child(C1)。

定義2：對于任意的概念Cl、C2、C3，和關系R，若ClRC2和C2RC3成立，則有C1RC3，那么稱關系R是傳遞的，記為RRattTrans。

定義3：概念C或者關系R的同義詞集合記為Same(C)或者Same(R)。

這樣，本體中概念的語義，概念之間關系的語義以及利用這些關系進行的推理都可以通過該形式描述反映出來。如圖1所示的是教育信息技術部分學習方法的部分本體圖。教育信息技術是協作學習方法的父概念，而CSCL是協作學習方法的子概念。

3 CSCL學習資源本體設計

CSCL學習資源本體有兩層意義上的定義。第一種是網絡學習資源本體的定義；第二種是CSCL中參與學習個體的定義。具體如圖2所示：

網絡學習資源本體主要由6個分別代表各類不同學習資源的子本體所構成，分別是：

（1）媒體(Media library)本體：是學習資源的一個基本組成部分，主要包括5種類型的資 源： 文本資源，圖像資源，視頻資源，音頻資源以及動畫資源。

（2）案例(Case library)本體：主要包含了和網絡學習相關的一些具有重大意義和代表性的 事件、案例和課例。

（3）試題(Problem library)本體：是由和考試相關的各類型的習題和試題所組成的。

（4）網絡課件(Web course-ware library)本體：包含了PPT課件、專題網站、WebQuest、網絡課件等。

（5）參考文庫(Reference library)本體：包含了與學習資源相關的書籍、論文、期刊、報紙、文獻、，還包含了所有和網絡學習相關的政策及法規等的信息。

（6）其他：指與CSCL方式相關網絡資源、軟件及硬件等的信息。

參與學習個體本體在這里指的是參與了CSCL過程并訪問“學習資源”本體的用戶，它可以是教師、也可以是學生、或者是管理CSCL平臺的管理員。這里也定義了3種不同的個體本體：

（1）學生(Student)本體：學生本體可以下載、評論、瀏覽存儲在“學習資源庫”本體中的所有學習資源，也可以發表自己的意見和上傳自己找到的相關資料。在CSCL中，作為一個學習個體參與活動，可以提出疑問，也可以進行丟盔棄甲的學習，他也可以被定義成知識的接收者或知識觸發者。

（2）教師(Teacher)本體：教師本體除了具有學生本體具有所有功能外，還具有對學習資源進行處理的權限，如檢查學生所發的帖子、檢查學生的上傳資料是否有效。在CSCL中，作為另一個學習個體參與活動，可以解釋疑問，也可以發起新的討論或新的學習活動，他可以定義為知識的觸發者和知識的解釋者

（3）管理員(Administrator)本體：主要負責資源的錄入、修改及對整個資源庫進行日常事務的維護，如處理學生對學習資源發表的評論。并同時負責高級事務，如校驗訪問個體對資源庫的操作是否正確并維護整個資源系統的安全。管理員在此系統中并不是本文研究的重點，只對其進行定義，而不會具體描述他的功能和操作過程。

基于以上，可以將CSCL學習資源本體及各子本體間的關系用圖3來表示：從圖3可以看出各子本體是以“用戶”為中心的分開層次關系。

三 CSCL學習資源本體管理系統的功能

本體建立之后將應用于數據庫在CSCL平臺上運行。基于CSCL學習資源本體的管理系統功能流程如圖4所示，可以表述如下：

在CSCL平臺上，參與學習的個體通過用戶界面登陸，學習資源庫通過訪問存儲用戶信息的用戶信息庫驗證用戶身份，對通過注冊認證的各個用戶分配不同的權限。對于在系統中注冊為學生的用戶，可以下載學習資源并且對資源發表自己的評論；對于注冊為教師的用戶，除了擁有學生所具有的權限外，還可以上傳學習資源或驗證學習資源的有效性；對于系統管理員，可以記錄、刪除、修改以及查驗各用戶對系統的操作。該系統可以分為主要的兩個框架，粗虛線框的部分是屬于用戶使用系統和網絡學習資源管理部分，在這部分主要定義了不同用戶使用網絡學習資源的權限。細虛線框的部分定義了對不同個體的本體并劃分出的不同角色，即CSCL學習個體的本體管理功能。

四 CSCL學習資源本體管理系統框架

根據CSCL學習資源本體系統的功能流程圖，可以將該系統主要劃分為四個模塊：用戶登陸模塊、網絡請求模塊、本體支持模塊、數據集成模塊。如圖5所示，各個模塊的主要功能是：

用戶登陸模塊：這個模塊主要完成用戶注冊與登陸的功能。

網絡請求模塊：這個模塊的主要功能是通過網頁的形式，在用戶登陸后接收并處理用戶的請求，進行語義的推理，并翻譯成各個功能的子序列，發往相應的數據源。它也是將最終結果返回并轉換為用戶可以直接瀏覽的形式（如XML網頁）。包括有瀏覽、查詢、下載、上傳、驗證、管理等功能。

本體支持庫：主要是提供數據集成、請求過程的推理支持。它通過從網絡請求模塊輸送過來的數據進行解析，建立資源本體映射文件，通過不同的資源分類推理，實現基于本體的資源查詢，提高了對數據查詢的準確性。

數據集成模塊：這個部分包括了CSCL學習資源本體模式子模塊和用戶數據管理子模塊。

CSCL學習資源本體模式子模塊連接了資源數據庫，根據從本體中抽取出來的元數據，與從數據庫中的資源標注進行比較，將配對的資源輸送到上層模塊。用戶管理子模塊主要用來管理用戶的身份確認、權限設置、集成系統中各數據源列表、處理局部數據的加入與退出等功能。

五 結論與后續工作

本文通過本體來組織并管理CSCL學習資源是對現有的CSCL學習方式中學習資源的管理的一個有意嘗試：在對CSCL學習資源進行定義后分析了本體建模方式及網絡CSCL學習資源本體系統功能的基礎上，構造了一個既包含學習資源又支持各個不同用戶交互的上級本體和系統功能模塊圖；下一階段的研究將著力在用本體建模工具Protégé實現這一本體、并用OWL進行描述；建立CSCL學習資源系統的元模型，希望用一個實例來驗證該本體的有效性。接著對CSCL學習資源本體進行評估，使系統具有更強的邏輯推理能力，更有效地管理各種學習資源，增強CSCL方式的學習效果收斂性。最后是開發用戶交互提取模塊，資源特征提取模塊，資源顯示模塊。為了對CSCL學習資源為主的CSCL學習方式有更深入的研究。還要進一步考慮的問題有：（1）CSCL中小組成員之間的交互本體的復雜性。即如何解決不同學習個體在CSCL環境中的角色定義，將他們的交互過程以本體的方法保存下來；（2）實驗過程的實現是否能成功。即實驗取得的實驗數值是否體現了本體定義的科學性和正確性能；（3）要擴展到全領域的困難。即目前本系統的功能只考慮到某個知識點，如何使系統功能能應用到一門課程或擴展到整個學科甚至應用到跨領域需要更進一步研究。

參考文獻

[1] 王真星，呂騰.基于本體的協同知識交流模型[J].計算機工程，2007，33(2):1-3.

[2] 李善平、奇華和玉杰等.本體論研究綜述[J].計算機研究與發展，2004:lO4l—lO52.

[3] Marvin T. Angela G. The Use of Ontologies in Web-based Learning [A]， Proceedings of the 8th IEEE. In Symposium on Wearable Computers， American.2004.

[4] 宋煒.張銘.語義網簡明教程[M].高等教育出版社，2004:110-111.

[5] 李克東.CBE研究新課題[6]會議PPT.2003.

[6] 鐘珞.王輝.李銳搜.宋華珠.基于語義Web的網絡學習資源庫本體實現[J].計算機工程，2007，33(8):282-285.

[7] 姜華.基于本體的多主體網絡協作學習模型研究[J].計算機工程與設計，2007，(2):269-271

[8] 王真屋，但唐仁，葉長青，劉巖，呂騰，丁夭懷.基于本體的協同知識交流模型[J].計算機工程，2007，(2):1-3.

[9] 邱波 夏士雄.基于領域本體的e—Learning學習資源管理系統的設計[J].福建電腦，2006，(10).

[10] 楊建學，楊貫中，楊俊柯.領域本體在學習資源管理系統中的應用[J].科學技術與工程，2006，6(17):2702-2706.

[11] 龔能，李玉順，史美林.協作環境中的關鍵技術研究[J].計算機科學，2005，32(9):230-233.

[12] 楊俊柯，楊貫中，楊建學.基于領域本體的學習資源管理系統框架研究[J].科學技術與工程， 2005，5(11):708-711.

[13] 劉均，鄭慶華，李人厚.個性化協同學習環境本體的研究[J].西安交通大學學報，2003，37，(2):184-187.

[14] Song Huazhu Zhong Luo W ang Hui Li Ruitao. Ontology and metadata for online learning resource repository management based on semantic web[]. Journal of Southeast University (English Edition)， 2006:Vo1.22， No.3.399—403.