基于本體的智能教學系統著作工具研究

邢立國，褚龍現

（平頂山學院 河南 平頂山　467000）

基于本體的智能教學系統著作工具研究

邢立國，褚龍現

（平頂山學院 河南 平頂山467000）

以研究語義Web相關知識，分析本體相關技術和工具為基礎，總結傳統網絡智能教學系統存在的問題，提出采用本體驅動的方法對網絡智能教學系統進行著作。通過設計適用于網絡智能教學系統著作的教學本體、領域知識本體和學習者本體，構建基于本體的網絡智能教學系統著作工具的系統結構，并完成著作工具原型設計。

著作工具；教學系統；本體；智能

隨著當今社會的快速發展，人們逐漸認識到終身學習的重要性，因為傳統課堂學習方式受限于時間與地點，再加上互聯網技術的不斷發展，所以利用互聯網進行學習資源的傳遞與共享被廣泛應用［1］。眾多優秀的教學系統擔負著激發學習者潛能的重任，為了提高教學系統的智能化程度、更好到服務于學習者，出現了網絡智能教學系統［2］。本文旨在研究基于本體的智能教學系統著作工具，通過分析本體在語義Web下和知識重用的作用，提出新的智能教學系統著作工具體系結構，并設計各個模塊本體，最終形成個性化教學計劃。

1　網絡智能教學系統的產生

為了適應快速發展的社會生活，終身學習方式逐漸形成，學習過程打破時間和空間限制的需求不斷增強［3］。網絡的發展使得通過互聯網的教學資源共享進行學習成為可能，但是網絡教學能調動人們學習主動性的同時卻較難控制學習的有效性，這對網絡教學提出了挑戰。解決這一問題的關鍵在于3個方面：合適教學策略的編制、最佳幫助時機的確定和高速學習效率的引導［4］。

在此背景下，智能化網絡教學系統隨之出現。這些教學系統首先優化學習者的學習愛好，接著根據愛好匹配合適的教學資源，然后評價學習者學習效果，如智能推薦、智能監督等等。但是因為網絡智能教學系統實現復雜，導致現有智能教學系統發展緩慢。主要體現在：

1）網路智能教學系統開發難度大，不同系統之間功能可復用性差；

2）教師參與系統設計需求強，但是實現困難；

3）網絡學習與智能教學整合程度低，未能充分發揮兩者優勢［5］。

2　語義Web與本體

語義Web的本質是通過給互聯網上的文檔添加能被計算機理解的語義，從而使整個網絡成為一個通用的信息交換媒體。本體是語義Web的重要組成部分，可以對不同知識進行表示，以使計算機理解和處理，是用戶與語義Web進行交互的基礎［6］。將語義Web應用于網絡智能教學系統設計中，能夠促進系統之間的互操作和知識的共享與復用，可以降低網絡智能教學系統的開發難度。

用戶可以通過語義Web將兩個不相干的東西連接在一起，組成一個“無縫”式連接的網絡，其層次結構共有七層，且自下而上功能逐漸增強。本體作為語義Web的組成部分，主要有5個基本的建模元語構成，分別是類、關系、函數、公理和實例［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、結構非形式化、半形式化和嚴格形式化的本體；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）本體開發工具

本文研究過程中選用的開發工具是Protégé，Protégé支持類、多繼承和實例等知識表示要素，其最大的特點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出，實現各種格式間轉換［9］。

3　著作工具體系結構構建

在網絡智能教學系統中應用本體既有利于實現資源查找和正確使用，為不同模塊標準化建模提供方法，又能使不同系統間互操作成為可能。本文設計了本體在網絡智能教學系統著作工具的體系結構，主要由教學規劃、學生模型、學習對象庫和領域知識四部分構成，如圖1所示。

圖1　著作工具體系結構Fig．1　The system structure of authoring tools

3.1教學規劃模塊

該模塊主要任務是對教學過程進行設計，目標是設計出適合學習者個性需求的教學步驟，最終實現教學目標。教學本體設計時，以促進知識積累和利用現有知識為基礎，對產生式規則中的條件和結果進行描述。

教學規劃設計分為目標層、教學事件層、教學行為層和學習對象層，所以將教學本體設計分為教學目標本體、教學事件本體、教學行為本體和教學計劃本體。其中，教學計劃本體設計是重點，主要設計目標是：

1）根據教學策略動態生成教學計劃；

2）對完成學習任務的教學計劃進行記錄；

3）能夠積累教學經驗促進知識的復用和共享。

教學計劃本體設計包含教學計劃類、教學目標類、教學事件類和教學行為類，如圖2所示。教學計劃類通過3個對象屬性將其他3個類關聯起來，另一方面將每個教學單元的教學過程定義為（教學目標（教學事件序列（具體操作集合）））。

圖2　教學計劃本體設計Fig．2　The design of instructional plan ontology

3.2學生模型

該模型主要任務是負責學習者信息的初始化和后期維護，其中學生本體主要描述學習者本身相關的概念和關系。在設計學生本體時，重點關注學習者信息表示，使用如下描述模型：

學習者信息模型：＜S，D，S_M＞

其中，S表示學習者靜態屬性信息，包括姓名、性別和年齡等特征信息；D表示動態信息，包括知識掌握信息和錯誤信息等等；S_M表示構建學生模型的方法，本文只考慮了簡單有效的覆蓋模型。

在構造學生本體時，重點考慮能夠影響教學資源選取、內容安排和步驟確立的學習者信息。學生本體設計了學習者類和學習者信息類，學習者信息類對象作為學習者類成員屬性出現，而學習者信息類又包含基本信息、學習愛好、知識狀態、錯誤記錄、歷史活動記錄和績效類等6個子類。

3.3學習對象庫

該模塊主要任務是對元數據進行規范和統一，目標是實現對學習資源的高效應用。通過學習對象本體設計實現學習單元對象的動態生成，且相關對象對學生模型具有普遍適應性，本體使用如下描述模型：

學習對象庫：＜LOi，Aij＞

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

在構造學習對象元數據本體時，充分考慮了與其他本體設計的配合，如教學類型應該與教學本體中保持一致，媒體格式要與學生本體中保持一致等。將學習對象元數據本體設計分為基本、技術、教學和知識點等4類信息。各個信息含義如下：

1）基本信息：學習對象的名稱、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，柿子樹上掛著一個個黑黢黢的影子，有歌聲從篝火的深處傳來，無梁可繞，卻鉆進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。這樣一個圍著篝火看月亮的夜晚，非常的適合說出你的秘密。

2）技術信息：學習對象媒體格式、大小、位置和時長等；

3）教學信息：學習對象類型、教學類型等；

4）知識點信息：知識點難度等。

3.4領域知識點圖

該模塊主要任務是生成有效的知識點路徑，通過對知識點排序，以及知識點與教學資源間的聯系找到學習資源。為了合理描述知識點之間的關系，使用圖表達知識點集合，圖中的結點是領域知識點的集合，知識點間關系用連接表示，模型如下：

領域知識點圖模型：DM＜J，R＞，J＜Ji，Aij＞，R＜Ji，Jj，Jl＞

知識點本體設計以組織和定義知識點概念和關系為重心，目標是實現知識點信息在不同系統間復用和共享。

3.5系統原型設計

在分析系統著作工具系統結構中不同模塊的本體設計基礎上，構建基于本體的網絡智能教學系統著作工具原型。系統原型包含了3個模塊的著作，如圖3所示。

圖3　著作工具原型Fig．3　The prototype of authoring tools

1）教學模塊

教學本體著作主要負責對教學計劃進行制定，按照四個步驟進行：一是對教學目標進行定義和分類；二是對教學事件進行選擇和排序；三是對教學行為進行選擇和安排；四是選擇學習對象和教學服務。

2）學生模塊

學生本體著作主要負責對學習者信息進行選擇編輯，實現信息初始化和動態維護。

3）領域知識模塊

領域知識模塊分為學習對象元數據編輯器和領域知識點圖編輯器。前者主要負責對學習對象進行描述；后者主要負責對知識點進行描述和組織。

將3個模塊的著作工具編輯器和相關功能函數相結合，即能動態生成基于知識并對學生模型具有適應性的多個學習單元，最終組成智能教學系統。

4　結束語

通過分析傳統智能教學系統存在的問題，提出研究語義Web和本體對教學模塊、學生模塊和領域知識模塊的形式化表示，在此基礎上，構建基于本體的智能教學系統著作工具體系結構，并完成著作工具原型設計。該原型將降低網絡智能教學系統的開發難度，進一步實現功能復用和共享。

［1］林木輝，張杰，包正委．智能教學系統中基于本體的知識表示及推送研究［J］．福建師范大學學報（自然科學版），2009，25：120-124．

［2］趙久艷．基于本體的教學管理系統語義檢索研究［D］．哈爾濱：哈爾濱工程大學，2007．

［3］岳靜，張自力．本體表示語言研究綜述［J］．計算機科學，2006，33（2）:158-162．

［4］王曉琳，高丹丹，張際平．語義Web下的智能授導系統［J］．遠程教育雜志，2009（02）:51-53．

［5］L．W．安德森等著，皮連生等譯．學習、教學和評估的分類學［M］．上海：華東師范大學出版社，2007．

［6］常子冠．個性化學習支持系統中教學策略編輯工具的設計與開發［D］．北京：首都師范大學碩士學位論文，2007．

［7］李志平，劉敏昆，孫瑜．基于web的智能教學系統研究［J］．計算機工程與應用，2006（02）:208-210．

［8］郭文英．基于SWRL推理的語義關聯發現及其在本體映射與集成中的應用［D］．杭州：浙江大學，2006．

［9］郁書好，郭學俊．基于本體的教學知識庫研究與應用［J］．計算機技術與發展，2007，8：161-164．

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

河南省教育廳科學技術研究重點項目（12B520040）

邢立國（1982—），男，河南安陽人，助理實驗師，碩士。研究方向：人工智能。