基于本體的ＣＳＣＬ學(xué)習(xí)資源管理研究

【摘要】CSCL技術(shù)的發(fā)展為參與學(xué)習(xí)活動的個體提供了一個優(yōu)良的協(xié)作學(xué)習(xí)環(huán)境。為了達到最優(yōu)的學(xué)習(xí)效果，使學(xué)習(xí)個體能在CSCL環(huán)境中順利地進行協(xié)作，更好地利用網(wǎng)絡(luò)上的學(xué)習(xí)資源，提高學(xué)習(xí)資源的使用效率，須用本體來對CSCL的參與個體和學(xué)習(xí)資源進行定義，使到在CSCL中的學(xué)習(xí)資源能被統(tǒng)一的表示，完成以學(xué)習(xí)資源為主要表現(xiàn)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(xué)習(xí)資源管理系統(tǒng)模型的實現(xiàn)和測試成為可能。

【關(guān)鍵詞】CSCL；本體；學(xué)習(xí)個體；學(xué)習(xí)資源管理

【中圖分類號】G434 【文獻標(biāo)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(yōu)點是眾所周知的，特別是基于Web技術(shù)的方式為參與學(xué)習(xí)活動的所有者提供了一個更為優(yōu)良的網(wǎng)絡(luò)協(xié)作學(xué)習(xí)環(huán)境.比如： Internet技術(shù)的迅速發(fā)展，為學(xué)習(xí)者提供了一個龐大的學(xué)習(xí)資源庫。但是，在長期的資源建設(shè)、開發(fā)過程中網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源變得復(fù)雜和多樣，即使是同類的學(xué)習(xí)資源，在不同的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)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(huán)境中，學(xué)生知識的獲取是通過對CSCL環(huán)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(dāng)學(xué)習(xí)者需要某些學(xué)習(xí)資源時，通常會在Web上通過在搜索引擎中輸入關(guān)鍵詞來查找所需要的資料，經(jīng)過搜索引擎所返回的大量資源中可能存在大量無關(guān)的或?qū)W習(xí)者認(rèn)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(xué)習(xí)者在日后對在已保存的資源中進行再次查找又產(chǎn)生了難度。另外，當(dāng)學(xué)習(xí)者與其他學(xué)習(xí)個體在進行資源的交互與共享時，對方可能因為對該學(xué)習(xí)者的下載并存放的資源因為不理解而不感興趣。這就給學(xué)習(xí)資源的管理、搜索和整合帶來了不便。

在CSCL環(huán)境下，“學(xué)生對新知識的獲得是通過學(xué)習(xí)個體與學(xué)習(xí)資源的交互來完成的”[1]?？梢哉J(rèn)為在CSCL中，小組成員的交互活動也是一種學(xué)習(xí)資源。因為在以小組完成學(xué)習(xí)任務(wù)的基礎(chǔ)上，個別學(xué)習(xí)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(guān)資料而在Web上發(fā)貼，或是小組中的學(xué)習(xí)個體之間進行的討論、競爭、合作等學(xué)習(xí)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(xué)習(xí)個體在進行瀏覽這些資料的同時也是一種學(xué)習(xí)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(xué)習(xí)資源管理的一大問題。

為了更好地利用網(wǎng)絡(luò)上的學(xué)習(xí)資源，提高學(xué)習(xí)資源的使用效率。本文希望籍由CSCL學(xué)習(xí)理論基礎(chǔ)和本體的相關(guān)理論提出一個CSCL學(xué)習(xí)資源本體管理系統(tǒng)框架，希望解決在CSCL環(huán)境中龐大的網(wǎng)絡(luò)資源、異構(gòu)資源庫和不同運行平臺所帶來的學(xué)習(xí)資源共享性差、利用效率低、準(zhǔn)確度差等缺點。

二 本體與CSCL學(xué)習(xí)資源本體

1 本體的定義與應(yīng)用

“本體作為一種能在語義和知識層次上描述信息系統(tǒng)的概念型建模工具，自被提出以來就引起了國內(nèi)外科研人員的關(guān)注?！盵2]本體或本體論(Ontology)這個術(shù)語最早出現(xiàn)于17世紀(jì)的哲學(xué)領(lǐng)域，用來對世界上任何領(lǐng)域內(nèi)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(xué)的范疇，它和信息技術(shù)（例如：面向?qū)ο笙到y(tǒng)）、知識工程及人工智能都有著密切的關(guān)系。Studer[3]等認(rèn)為“本體是共享概念模型的明確的形式化規(guī)范說明”。也就是說在一般的情況下，本體可以用來描述領(lǐng)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(lǐng)域或者某個范圍內(nèi)是公認(rèn)的或統(tǒng)一的。因此，本體特別是領(lǐng)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(gòu)系統(tǒng)來說，有助于消除對概念和術(shù)語的定義分歧，對于一定領(lǐng)域內(nèi)的概念理解達成共識。其目標(biāo)是“獲取、描述和表示相關(guān)領(lǐng)域的知識，提供對該領(lǐng)域知識的共同理解，確定該領(lǐng)域內(nèi)共同認(rèn)可的詞匯，并從不同層次的形式化模式上給出這些詞匯(術(shù)語)和詞匯間相互關(guān)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(jù)本體的定義，可以用本體來描述遠程用戶的生存、活動的環(huán)境；在分布系統(tǒng)中，又可以把本體充當(dāng)中介，負(fù)責(zé)溝通agent和環(huán)境之間的信息交流。在教育領(lǐng)域，Marvin Tan[3]和Angela Goh[3]就已成功使用特殊的領(lǐng)域本體，實現(xiàn)了“基于語義的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源的分類、瀏覽和查找”。國內(nèi)目前對本體在E-Learning環(huán)境中的應(yīng)用已成為研究熱點?？梢岳帽倔w，針對教學(xué)系統(tǒng)進行設(shè)計常用詞匯表和框架，在恰當(dāng)?shù)某橄髮哟紊辖o智能教育的任務(wù)加以形式化。使學(xué)習(xí)者訪問教學(xué)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)自己的問題和不足，使系統(tǒng)不斷調(diào)整適合學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)方法，即學(xué)習(xí)者和系統(tǒng)的角色以及智能教學(xué)過程的任務(wù)能根據(jù)實際而變化。設(shè)計合適的本體，可以充分“利用現(xiàn)有的教學(xué)資源使基于Web的各種教育包括CSCL方式得到應(yīng)有的發(fā)展”[5]。本體是領(lǐng)域范圍內(nèi)的概念及相互之間關(guān)系的一種形式化表示，它使人們了對所描述的概念有統(tǒng)一的、一致的理解。

在基于Web的教育方式中，網(wǎng)上資源是學(xué)習(xí)者進行知識學(xué)習(xí)的重要來源之一。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，為學(xué)習(xí)者提供了豐富的數(shù)字化學(xué)習(xí)資源，例如題庫（包括試題庫、習(xí)題庫）、學(xué)習(xí)專題網(wǎng)站、WebQuest、學(xué)習(xí)文本、音像和視頻資料、學(xué)科資源庫、數(shù)字化圖書館、數(shù)字化報刊等等。學(xué)習(xí)者可以通過不同的網(wǎng)絡(luò)搜索引擎為自己快速地獲取自己所需要的學(xué)習(xí)資源進行高效的知識學(xué)習(xí)。

通過對CSCL中的學(xué)習(xí)資源進行本體的定義，將學(xué)習(xí)資源中的概念、屬性、關(guān)系、函數(shù)、公理等都有明確的定義，也就是用適當(dāng)?shù)谋倔w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(xué)習(xí)資源管理系統(tǒng)，對教學(xué)資源和學(xué)習(xí)過程進行有效管理，提高現(xiàn)有資源的利用率，為學(xué)習(xí)者提供一個良好的學(xué)習(xí)環(huán)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(xué)習(xí)參與個體就能在統(tǒng)一的語義環(huán)境下相互交流，學(xué)習(xí)到他人的經(jīng)驗和方法。

2 本體建模

要定義CSCL學(xué)習(xí)資源本體需要包含其實體、屬性、處理過程等參數(shù)的定義以及它們之間的關(guān)系。本體在支持不同個體交互、系統(tǒng)/人機交互、組件復(fù)用的同時，應(yīng)說明學(xué)習(xí)資源的組織規(guī)范，來增強基于本體的系統(tǒng)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(shè)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(lǐng)域中的概念、概念的屬性、約束條件以及概念之間的層次關(guān)系等。這里定義的概念之間的關(guān)系主要有4種：part of，kind of，instance of 和 attribute of。關(guān)系代表了在領(lǐng)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(guān)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(guān)系R，若ClRC2和C2RC3成立，則有C1RC3，那么稱關(guān)系R是傳遞的，記為RRattTrans。

定義3：概念C或者關(guān)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(guān)系的語義以及利用這些關(guān)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(shù)部分學(xué)習(xí)方法的部分本體圖。教育信息技術(shù)是協(xié)作學(xué)習(xí)方法的父概念，而CSCL是協(xié)作學(xué)習(xí)方法的子概念。

3 CSCL學(xué)習(xí)資源本體設(shè)計

CSCL學(xué)習(xí)資源本體有兩層意義上的定義。第一種是網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源本體的定義；第二種是CSCL中參與學(xué)習(xí)個體的定義。具體如圖2所示：

網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源本體主要由6個分別代表各類不同學(xué)習(xí)資源的子本體所構(gòu)成，分別是：

（1）媒體(Media library)本體：是學(xué)習(xí)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(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)相關(guān)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(guān)的各類型的習(xí)題和試題所組成的。

（4）網(wǎng)絡(luò)課件(Web course-ware library)本體：包含了PPT課件、專題網(wǎng)站、WebQuest、網(wǎng)絡(luò)課件等。

（5）參考文庫(Reference library)本體：包含了與學(xué)習(xí)資源相關(guān)的書籍、論文、期刊、報紙、文獻、，還包含了所有和網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)相關(guān)的政策及法規(guī)等的信息。

（6）其他：指與CSCL方式相關(guān)網(wǎng)絡(luò)資源、軟件及硬件等的信息。

參與學(xué)習(xí)個體本體在這里指的是參與了CSCL過程并訪問“學(xué)習(xí)資源”本體的用戶，它可以是教師、也可以是學(xué)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(xué)生(Student)本體：學(xué)生本體可以下載、評論、瀏覽存儲在“學(xué)習(xí)資源庫”本體中的所有學(xué)習(xí)資源，也可以發(fā)表自己的意見和上傳自己找到的相關(guān)資料。在CSCL中，作為一個學(xué)習(xí)個體參與活動，可以提出疑問，也可以進行丟盔棄甲的學(xué)習(xí)，他也可以被定義成知識的接收者或知識觸發(fā)者。

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

（3）管理員(Administrator)本體：主要負(fù)責(zé)資源的錄入、修改及對整個資源庫進行日常事務(wù)的維護，如處理學(xué)生對學(xué)習(xí)資源發(fā)表的評論。并同時負(fù)責(zé)高級事務(wù)，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(tǒng)的安全。管理員在此系統(tǒng)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(xué)習(xí)資源本體及各子本體間的關(guān)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(guān)系。

三 CSCL學(xué)習(xí)資源本體管理系統(tǒng)的功能

本體建立之后將應(yīng)用于數(shù)據(jù)庫在CSCL平臺上運行?；贑SCL學(xué)習(xí)資源本體的管理系統(tǒng)功能流程如圖4所示，可以表述如下：

在CSCL平臺上，參與學(xué)習(xí)的個體通過用戶界面登陸，學(xué)習(xí)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(rèn)證的各個用戶分配不同的權(quán)限。對于在系統(tǒng)中注冊為學(xué)生的用戶，可以下載學(xué)習(xí)資源并且對資源發(fā)表自己的評論；對于注冊為教師的用戶，除了擁有學(xué)生所具有的權(quán)限外，還可以上傳學(xué)習(xí)資源或驗證學(xué)習(xí)資源的有效性；對于系統(tǒng)管理員，可以記錄、刪除、修改以及查驗各用戶對系統(tǒng)的操作。該系統(tǒng)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(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源管理部分，在這部分主要定義了不同用戶使用網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源的權(quán)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(xué)習(xí)個體的本體管理功能。

四 CSCL學(xué)習(xí)資源本體管理系統(tǒng)框架

根據(jù)CSCL學(xué)習(xí)資源本體系統(tǒng)的功能流程圖，可以將該系統(tǒng)主要劃分為四個模塊：用戶登陸模塊、網(wǎng)絡(luò)請求模塊、本體支持模塊、數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)請求模塊：這個模塊的主要功能是通過網(wǎng)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(fā)往相應(yīng)的數(shù)據(jù)源。它也是將最終結(jié)果返回并轉(zhuǎn)換為用戶可以直接瀏覽的形式（如XML網(wǎng)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(shù)據(jù)集成、請求過程的推理支持。它通過從網(wǎng)絡(luò)請求模塊輸送過來的數(shù)據(jù)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(xiàn)基于本體的資源查詢，提高了對數(shù)據(jù)查詢的準(zhǔn)確性。

數(shù)據(jù)集成模塊：這個部分包括了CSCL學(xué)習(xí)資源本體模式子模塊和用戶數(shù)據(jù)管理子模塊。

CSCL學(xué)習(xí)資源本體模式子模塊連接了資源數(shù)據(jù)庫，根據(jù)從本體中抽取出來的元數(shù)據(jù)，與從數(shù)據(jù)庫中的資源標(biāo)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(rèn)、權(quán)限設(shè)置、集成系統(tǒng)中各數(shù)據(jù)源列表、處理局部數(shù)據(jù)的加入與退出等功能。

五 結(jié)論與后續(xù)工作

本文通過本體來組織并管理CSCL學(xué)習(xí)資源是對現(xiàn)有的CSCL學(xué)習(xí)方式中學(xué)習(xí)資源的管理的一個有意嘗試：在對CSCL學(xué)習(xí)資源進行定義后分析了本體建模方式及網(wǎng)絡(luò)CSCL學(xué)習(xí)資源本體系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，構(gòu)造了一個既包含學(xué)習(xí)資源又支持各個不同用戶交互的上級本體和系統(tǒng)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(xiàn)這一本體、并用OWL進行描述；建立CSCL學(xué)習(xí)資源系統(tǒng)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(xué)習(xí)資源本體進行評估，使系統(tǒng)具有更強的邏輯推理能力，更有效地管理各種學(xué)習(xí)資源，增強CSCL方式的學(xué)習(xí)效果收斂性。最后是開發(fā)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(xué)習(xí)資源為主的CSCL學(xué)習(xí)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(fù)雜性。即如何解決不同學(xué)習(xí)個體在CSCL環(huán)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(xiàn)是否能成功。即實驗取得的實驗數(shù)值是否體現(xiàn)了本體定義的科學(xué)性和正確性能；（3）要擴展到全領(lǐng)域的困難。即目前本系統(tǒng)的功能只考慮到某個知識點，如何使系統(tǒng)功能能應(yīng)用到一門課程或擴展到整個學(xué)科甚至應(yīng)用到跨領(lǐng)域需要更進一步研究。

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