本體在智能授導系統（ＩＴＳ）著作工具中的應用

【摘要】 ITS著作工具的主要目標是降低構造ITS的難度，為顯性化描述ITS各個模塊的知識搭建腳手架是其為達到目標所采用的方法之一。本體是對知識進行顯性描述的基礎，因此本體對ITS著作工具的構建有著重要的作用。通過ITS著作工具實例描述和分析本體在ITS著作工具應用中所起到的作用。

【關鍵詞】 ITS著作工具；本體；知識重用和共享

【中圖分類號】G40-057 【文獻標識碼】B 【論文編號】1009—8097 (2008) 10—0097—04

引言

智能授導系統（ITS，Intelligent Tutoring System）是基于計算機的智能教學系統，它的發展源于對傳統計算機輔助教學（CAI，Computer - Aided Instruction）的改進，克服了僅僅關注學生行為的缺陷，引入了對知識的描述以及智能推理技術。ITS在上世紀八九十年代得到了廣泛的關注和發展，應用于多個不同領域的智能授導系統也應運而生。然而由于缺少合適的技術對各個模塊的知識進行基礎的建模，ITS模塊的重用性極差，不同的ITS都是從零開始構建，需要耗費極大的人力資源以及時間資源。同時，構建ITS的人員需要掌握廣泛的跨領域的知識，如程序語言，知識工程，教學設計等。因此，為ITS的構造搭建友好的，功能強大的著作平臺逐步成為ITS研究的另一個熱點。 ITS著作工具的主要目標是降低構造ITS的難度，為顯性化描述ITS各個模塊的知識搭建腳手架是其為達到目標所采用的方法之一，而本體是對知識進行顯性描述的基礎，因此本體對ITS著作工具的構建有著重要的作用。

本文從ITS及其著作工具的介紹開始，并對本體進行了詳細的描述，旨在分析本體在ITS著作工具中所能起到的作用，并通過ITS著作工具實例說明本體的應用情況。最后，闡述了作者針對本體在ITS著作工具中的應用將要做的工作。

一 ITS及其著作工具

ITS是基于計算機的智能教學系統，這種教學系統主要是由實際的教學內容和實施教學的教學策略等多個部分組成，并體現一定的智能性。與傳統的基于計算機的培訓（CBT，Computer - Based Training）和CAI相比較，ITS的獨特之處是能依據每個學習者的不同需求來進行教學，即相當于一個私人的導師在對學生進行單獨傳授和輔導。一般的ITS是由四部分組成的：學生模塊，教學模塊，領域知識模塊和人機界面模塊。其中學生模型是用來存儲每一個學習者的信息，這些信息通常包括學習者對領域知識的掌握情況，教學模塊則根據這些信息來決定使用合適的教學方法。另外學生模型中還可以包括一些關于學習者的個人學習方法信息。領域知識模型包含著ITS所要教授的所有知識以及知識間的關系。人機界面負責與學習者進行交互，其中包括對話以及屏幕布局，如何以最有效的方式來將學習內容展示給學生是該模型要解決的主要問題。教學模型是根據學生模型中的信息來決定應該把什么樣的領域知識呈現給學習者，這些知識是怎樣排列的，和應該提供什么形式的反饋等教學策略問題。

ITS在上世紀八九十年代得到了很好的發展，多個ITS得到成功開發并且投入到教學和工作中使用，事實證明ITS極大的提高了學習的有效性。比如，學生們通過一個名為“Air Force 電子故障診斷授導系統”進行二十個小時的學習，能達到相當于實習生四十個月工作所具備的熟練程度[1]。還有另一個實例為學生們通過LISP授導系統在比傳統的課堂教學所用時間少了三成的情況下完成了編程練習，并在在期末考試中取得了高于傳統課堂教學43%的好成績[2]。但是，開發一個ITS系統也將付出很大的代價，如，通常開發一個ITS大概需要花費200個小時來設計一個小時的教學內容[3]，并且如果要重新設計ITS的教學風格所需花費的時間相當于重新開發一個ITS。此外，ITS中的知識以及各個功能模塊缺少重用性，不能被其它的系統所共享。因此研究者們嘗試開發ITS著作工具，ITS著作工具可以用來著作ITS所包括的各個模塊，并且這些著作工具是與領域知識無關的。

借助于ITS 著作工具可以使得ITS構建簡單化，模塊化。ITS 著作工具的目標是[4]：降低構建智能授導系統所需要的努力（時間，成本，以及其它資源）；降低構建智能授導系統的技術瓶頸，使得更多的人能夠參與到設計過程中；幫助設計者清晰的整理領域或者教學知識；支持好的設計規則；更迅速的搭建智能授導的設計模型；進一步可以評估教學方法以及增加對如何根據學習情境來選擇教學方法的理解。

根據ITS著作系統所能構造的ITS類別的不同，可以把系統分為兩大類： 面向教學（pedagogy-oriented）和面向績效（performance-oriented）的ITS著作系統。面向教學的系統關注的是如何排列相關的內容來教學，多數系統著重于教學策略和方法的表示。而面向績效的系統則關注于提供豐富的學習環境，學生們可以通過實際操作以及接收反饋來學習技能，多數系統著重于人類問題解決能力或者具體領域操作過程的表示。ITS著作工具可以更詳細地分為七類：

（1） 課程排序和規劃；

（2） 授導策略；

（3） 基于模擬的學習；

（4） 領域專家系統；

（5） 多種知識類型；

（6） 特殊目的；

（7） 智能/適應性超媒體。

其中（1）（2）（5）（7）屬于面向教學的著作系統，其它三類則屬于面向績效的著作系統。

二 本體與ITS著作工具

使用ITS著作工具可以提高構建ITS的效率，并且增加了重復使用ITS模塊的可能性，但是目前的ITS著作工具存在以下不足之處：

（1） 在著作系統與制作者之間存在著巨大的概念鴻溝。使用ITS著作工具來開發ITS要求制作者通過ITS著作工具規定的格式來描述自己的知識，這是有一定困難的。

（2） 在對ITS的構建過程中缺少對已有教學和學習研究成果的應用，其原因可能歸結于從事ITS以及著作工具研究的人們多數是計算機和人工智能領域的專家，缺少教學設計的理論基礎。

（3） 在設計ITS的過程中，系統缺少有效的指導和限制，比如在Eon系統中，著作者可以任意的創作教學流水線，因此創作出來的教學過程有可能并不能有效的指導教學。

（4） 重用性差。由于各個系統使用不同的術語來描述學生特征，教學策略，和教學知識，因此制定出來的各模塊不具有共享性和重用性。

所有以上問題都是與內容有關的。這也就是說，無論推理技術還是更好的理論形式化都不能夠改善這些問題。我們認為使用基于本體的結構和合適的本體可以克服以上問題。

1 本體的內涵

本體這一術語用在不同的領域有著不同的涵義，而目前最為人們所熟悉的本體概念主要有以下幾種：

（1） 哲學領域： 應該說本體的概念是源于哲學領域，在該領域本體是意味著“存在理論 （theory of existence）”；

（2） 人工智能領域：該領域將本體定義為“對于概念化的一種顯性表示（an explicit representation of conceptualization）”[5]；

（3） 知識庫中： 本體又被定義為“用來構建智能系統的關于詞匯/概念的一種理論 （a theory of vocabulary/concepts used as building artificial system）”[6] 。

近來本體研究在計算機應用領域引起了越來越多人們的關注，其研究動因來源于人工智能發展的需要。從人工智能的研究進程來看，主要可以將其分為兩類研究，一類是面向格式的研究（form-oriented research），而另一類是面向內容的研究 （content-oriented research）。其中前者是研究邏輯與知識表征，而后者則關注于知識的內容 [7] 。很明顯，前者一直在人工智能領域處于主導地位，直到最近由于大量現實問題，比如知識重用，代理通訊以及大規模的知識庫等問題的解決，不僅需要高級的理論或者推理方法，而且需要對知識內容的復雜處理，從而面向內容的研究引起了人們更多的關注。然而，對于面向內容的研究，目前并沒有一個被廣泛認可的合適方法。近幾年來，主要的研究成果僅僅是對知識庫的開發。可能的原因有以下兩點：面向內容的研究趨向于非正式化和尋求合適的方法來積累研究結果。然而，本體的應用可以克服這些難點。本體工程是一種這樣的研究方法：它給出知識庫設計規則，關于存在的一切有興趣事物的核心概念化，關于基礎概念和復雜理論基本含義的嚴格定義，以及可以積累知識的技術，這些對于建模真實世界來說都是必不可少的。

2 本體對ITS著作工具開發的作用

通過對本體的簡單介紹，可以看出本體可以克服現有ITS著作工具中存在的問題，為ITS著作工具的開發提供了更好的方法。

首先，最簡單的本體提供了一組在領域內共享的術語，可以被視為良好組織的共享詞匯表。這些術語使我們能夠對模塊的功能，授導策略的說明進行共享，進而可以進行比較。較為復雜的本體是由一組術語和公理組成的，公理是用正式定義對術語間的關系進行描述，提供了對一些限制的陳述性描述。

本體的另一個作用就是充當元模型的角色。模型通常是指使用計算機對真實目標進行抽象。本體提供了構建模型時使用的概念和關系。一個本體通過給出模型所必需滿足的限制和指導來對要構建的模型進行詳細聲明。這就是為什么說本體能夠充當元模型的角色，而且這也正是著作系統所需要的特點。

3 本體在ITS著作工具中的應用

針對ITS的四個不同模塊，本體都能對其知識的建模起到幫助性作用，下面我們將以實例進行說明。

Eon是使用本體的ITS著作工具之一，它是由著作教學內容，教學策略，學生模型和界面設計的一系列工具所組成的[8]。Eon提供了定義知識點本體的方法，定義好的本體可以應用于相同領域的其它課程。Eon提供了定義知識點本體的調色板，該調色板是對知識點本體的一個可視化表示，用來定義知識點并將其拖置于知識點網絡中。Eon中的知識點本體自身是通過一個文本文件定義的，其主要內容如下：

NewTopicOntology

NewTopicLinkType

NewTopicProperty

NewTopicLevel

NewTopicType

其中，TopicType也即知識類型（knowledge type），可以定義為fact，concept，principal等；TopicProperty即知識點的屬性，可以定義為importance，difficulty，其中difficulty允許的值可以為easy，moderate，difficult等；TopicLinkType即知識點間連接的關系類型，可以定義為prerequisite，part-of，is-a，context-for 等；TopicLevel是Eon系統為了將抽象的主題與具體的模塊化的教學內容連接起來所設置的一個屬性，任一主題可以有一個或多個主題水平，這些主題水平用來說明主題的不同使用情況，TopicLevel可以定義為：introduction，summary，teach，test，beginning level，difficult level等。

本體在領域知識模型中的應用較為普遍，在學生，教學策略以及人機界面模塊的應用較少，然而我們在多個著作工具中發現到類似于本體的應用。比如，在人機界面模塊中，EON系統使用按等級組織的界面組件調色板來設計人機界面，其中共包括六種類型的26個窗口組件，如按鈕，文本，圖片，電影，多項選擇對話框，圖表等。窗口組件的屬性由“選項”和“屬性”兩個對話框來定義。我們可以將窗口組件調色板以及屬性對話框看作是人機界面模塊的本體。對學生模塊進行著作的工具中，也給出了對學生狀態進行描述的屬性以及相應的允許數值，這也可以看作是對學生模型的本體描述。另外在教學模塊著作中，多個著作工具（如EON，REDEEM）采用了元策略的方法，其中用來定義元策略的參數，組成了對教學策略描述的詞匯表，他們可以看作是一個教學策略模型本體。

三 教學本體結構與系統功能

在對眾多的ITS著作工具進行了研究與分析之后，我們發現當前已開發的工具對教學模塊的創作尚沒有進行深入的研究，而本體的引入將從根本上有助于教學模塊的創作。我們將教學本體分為三個主要組成部分：教學目標，教學策略以及教學行為，如圖1所示。當然，教學本體中還包括以謂詞演算形式定義的一些公理，用來對教學模塊的構建提供指導，比如根據所要教授的知識類型來決定合適的教學策略。

1 教學目標： 對教學目標的研究有很多，以布魯姆的教育目標分類最為著名。按照2001年布魯姆[9]教育目標修訂版，即從兩個維度——知識維度和認知過程維度進行教育目標描述。

2 教學策略： 根據教學目標以及學生特征選擇合適的教學方法，安排教學流程。我們在此所指的教學策略都是與學科領域無關的通用策略。喬納森對教學策略的分類和選擇進行過描述，可以作為教學策略本體構建的依據。

3 教學行為： 即具體的教學操作步驟，對教學策略的具體實現。教學操作步驟可以由“動詞＋名詞”短語來描述，即教學要執行的動作以及動作執行的對象，比如“給出反例”，“解釋答案”等。我們需要對描述教學行為的詞匯進行收集和分類。

從教育目標分類入手，參考教學設計模型，另外對ITS系統中描述教學行為的詞匯進行收集和分類構建教學行為本體，通過教學策略來完成教學目標與教學行為的對應。總而言之，我們的目標是針對ITS教學模塊，構建一個基于本體的著作工具，該工具可以為創作者在制作ITS教學模型過程中提供友好的，幫助性的指導，從而有效開發出功能強大的，適應性強的ITS 。該工具從教育目標制定開始進行教學任務分析，從而生成一系列可執行的教學行為步驟，步驟中可以包括變量，由學生在學習過程中的表現或選擇來具體化教學行為，系統功能如圖2所示。其中的教學步驟組合是一個樹型結構，其中的分支決定點由學生知識掌握情況以及學生學習特點來決定。

參考文獻

[1] Lesgold， A， Lajoie， S， Bunzo， M， et al. A Coached Practice Environment for an Electronics Troubleshooting Job：in Larkin， Chabay Sheftic (Eds.) Computer Assisted Instruction and Intelligent Tutoring Systems Establishing Communication and Collaboration.Hillsdale，NJ:Erlbaum， 1990，119-122.

[2] Anderson， J. Analysis of Student Performance with the LISP Tutor， in Frederiksen， N， Glaser， R， Lesgold， A Shafto， M (Eds.)， Diagnostic Monitoring of Skill and Knowledge Acquisition. Hillsdale， NJ: Lawrence Erlbaum， 1990， 188-191.

[3] Woolf，B.P. Cunningham，P.A. Multiple knowledge sources in intelligent teaching systems，IEEE Expert， Summer 1987，86-90.

[4] Murray， T. An Overview of Intelligent Tutoring System Authoring Tools: Updated analysis of the state of the art. in Murray， T.， Blessing， S. Ainsworth， S. (Eds.)， Authoring Tools for Advanced Technology Learning Environments Toward cost-effective adaptive， interactive， and intelligent educational software， Kluwer Publishers， 2003， 491-544.

[5] Gruber，T.A translation approach to portable ontology specifications， Proc. of JKAW'‘02， 2002， 89-108.

[6] Mizoguchi， R. Knowledge acquisition and ontology， Proc. of the KBKS'03， Tokyo， 2003， 121-128.

[7] Mizoguchi， R. Ikeda， M. Towards Ontology Engineering. Technical Report AI-TR-96-1， The Institute of Scientific and Industrial Research， Osaka University， 1996，68-77.

[8] Murray， T. Authoring knowledge-based tutors: Tools for content， instructional strategy， student model， and interface design[J]. Learning Sciences， Vol. 7. No. 1， 1998， 5-14.

[9] Anderson L. W. Krathwohl D. R. A taxonomy for learning， teaching， and assessing---a revision of Bloom’s taxonomy of educational objectives， 2007， New York， NY: Longman.