高中IT课程目标Ontology的构建及其应用研究

李雁飞

高中IT课程目标Ontology的构建及其应用研究

李雁飞

(洛阳师范学院信息技术学院,河南洛阳471022)

随着网络技术的发展,开发智能、共享的网络教学平台是网络教育应用的一个重要课题.基于Ontology技术,以高中信息技术课程为背景,构建信息技术课程目标Ontology,并以构建的Ontology为基础建立辅助教学系统,用于指导教学和学习,并为开发有效的辅助教学平台提供范例.

Ontology;课程目标;辅助教学平台

信息技术(Information Technology,IT)对人类生活和工作方式产生了重大的影响.随着信息技术的发展和应用,以计算机、网络、多媒体及AI等技术为核心的教学系统的研究受到前所未有的重视.网络教学系统有传统课堂不可比拟的优势,但是目前的教学系统面临一些问题[1],如教学系统之间不能相互通信,即使是对同一学科开发的教学系统,往往是从头开始开发,很少能重复利用原来已开发的资源(包括功能部件);系统维护也很困难;如何按照教育技术观点和教学设计理论对知识进行重新建构、重新表示和重新访问;等等.解决这些难题的基础之一是有一个可以共享的、可扩充的、便于管理的、不断更新的知识库系统.本文试图将Ontology技术及研究成果应用到辅助教学系统的开发中,以提高辅助教学系统的共享性和重用性.

1 Ontology概念及概念模型

Ontology是共享概念模型的形式化规范说明[2].这个定义包含了四层含义[3]:概念模型(conceptualization)、明确(explicit)、形式化(formal)和共享(share).“概念模型”指通过抽象出客观世界中一些现象(Phenomenon)的相关概念而得到的模型.“概念模型”所表现的含义独立于具体的环境状态.“明确”指所使用的概念及使用这些概念的约束都有明确的定义.“形式化”指Ontology是计算机可读的(即能被计算机处理).“共享”指Ontology中体现的是共同认可的知识,反映的是相关领域中公认的概念集,即Ontology针对的是团体而非个体的共识.

Ontology包括概念以及概念之间的关系.概念对于描述现实世界是必不可少的.对于概念的定义包括:用于表明其名称的标签label;用于表明其父概念名称的 super;用于约束所有概念实例的axiom;用于定义概念的自然语言描述的非规范化定义def;用于构成概念一部分的部分概念partconcept以及用于描述概念属性的attribute.概念之间的关系主要有三种:is-a关系;part-of关系和attribute-of关系[4].其中is-a关系为概念之间的一种最基本的关系,它表示一个超类和一个子类概念之间的关系.子概念全部继承了其父概念.Part-of关系表示整体概念和部分概念间的整体—部分关系,部分概念组成了整体概念.例如,<“a wheel”part-of“a bicycle”>表示wheel是bicycle的组成部分.当整体概念的一个实例被创建时,其中所有的部分概念的实例也同时创建了.部分概念同时作为在整体概念中扮演的角色,也称为角色概念.角色概念表示一个事物在一个特定的语境中扮演的角色,通常包括角色和角色扮演者.attribute-of关系表示某个概念为另外一个概念的属性,例如red描述apple的属性.利用概念和这三种关系就构成了所要构建的Ontology的概念元模型.

2 IT课程目标Ontology的构建

高中IT课程分为必修和选修两个部分.必修部分包括“信息技术基础”一个模块;选修部分包括“算法与程序设计”、“多媒体技术应用”、“网络技术应用”、“数据管理技术”和“人工智能初步”5个模块.可以根据布卢姆教学目标分类原理对每个模块的具体目标进行分类,这一部分以“信息技术基础”模块为例进行说明.

2.1 概念的抽取与分类

根据布卢姆教学目标分类原理以及国家颁布的《高中信息技术课程目标》,信息技术基础课程目标模块可以分为“信息获取教学目标”、“信息加工与表达教学目标”、“信息资源管理教学目标”和“信息技术与社会教学目标”.以上几个概念称为一级概念,每一个一级概念需要进一步的细化与分类.4个一级概念分别细化为3个二级概念,分别对应布卢姆的教育目标分类法.信息获取教学目标下面抽取了3个子概念:信息获取的知识教学目标、信息获取的技能教学目标、信息获取的情感教学目标.这是对应于布卢姆的教学目标分类的,表1显示了这种对应关系.

表1 信息获取子概念与布卢姆教学目标分类对应表

每一个二级概念同样细化为三级概念,依据信息技术课程目标中的内容和教学设计思想来进行本层次概念的细化.例如,对于信息获取的知识教学目标,又可以分为以下几个主要概念:信息的基本特征、信息技术的应用实例、信息技术的历史和发展趋势、信息来源多样性.

每一级概念细化的依据是《高中信息技术课程目标》、教学设计思想、信息技术学科内容等.这些概念都可以用“is-a”关系和“part-of”关系描述.

2.2 IT课程目标Ontology的构建及图形化表示

4个一级概念和IT基础课程教学目标构成了is-a关系,即超—子概念关系.一级概念和二级概念间同样构成is-a关系.

这样分类是因为信息获取教学目标、信息加工与表达教学目标、信息资源管理教学目标、信息技术与社会教学目标这4个概念是信息技术基础教学目标的子概念.is-a层级关系如图1所示.概念后面的[+]表示该概念里面有子概念.

图1 IT基础课程教学目标Ontology中的基本概念层

上面抽取出的每一个概念,都有其对应的part-of和attribute-of关系,在此以“信息获取的技能教学目标”这个概念为例,来说明part-of层级关系的构建.对于信息获取的技能教学目标,分为以下几个主要概念:“确定信息需求”、“分析信息来源”、“获取信息的方法”、“判断信息的价值”、“信息的下载及保存”.这几个概念在“信息获取的知识教学目标”这个概念里分别扮演了不同的角色.从教学目标的分级来看,以上几个都属于教学子目标,都受到“教学子目标”这个类的限制,所以类约束均为教学子目标.教学子目标在Ontology中另外有定义.这几个概念和“信息获取的技能教学目标”之间用part-of关系来描述.

图2显示了其中一个概念的p/o关系,其他概念的层次关系不再列出.在图2中概念框旁边的[+]号,表示该概念有p/o或者a/o层级关系;在HOZO中,双击可折叠或展开;在展开状态下,用户可以为该概念添加或编辑p/o或者a/o层级关系.图2还显示了一个a/o关系,接下来论述这个关系的建立.

图2 信息获取的技能教学目标p/o结构

图3 IT课程教学目标Ontology

attribute-of关系用于对概念的属性加以约束和限制.如教师备课书写教案时常用的术语有教学方法、教学工具、对知识点的掌握程度(如知道、了解、熟练掌握等),对于这些教师熟悉的用语,在构建Ontology的时候,把教学方法、教学工具、要求学生对知识和技能的掌握程度等分别以概念节点属性的形式,在Ontology中用attribute-of关系进行约束,以便于教师的使用.

从图2可以看出,“信息获取的技能教学目标”里用“教学组织策略”作为其属性,在教学设计中,实现教学目标就要采取一定的教学组织策略,所以每个教学目标的必然属性就是教学组织策略.根据这个原理建立attribute-of层级关系,即a/o关系.

构建出的Ontology整体结构如图3所示.

3 基于IT课程目标Ontology的辅助教学系统

利用前面所构建的Ontology,架构辅助教学系统,其体系结构如图4所示.

图4 辅助教学系统的体系结构

该系统有两类用户:教师和学习者.教师主要是在IT课程目标Ontology的指导下制定或调整教学方案,上传教学资源,并根据Ontology对教学资源进行语义标注,生成标注文档,存放到词库中.词库与教学资源库是指向关系,即通过URI(Universal Resource Identifier)与具体的资源相关联.学习者通过该系统可以有两种学习方式:1)基于IT课程目标Ontology的学习.用户通过界面输入要学习的知识点,系统根据 IT课程目标Ontolo-gy,逐步提示用户应该学习什么,怎样学习.系统不仅提示用户如何学习,也为用户提供获得资源的渠道、获取资源的工具等.目的是让用户知道,学习该知识点应该如何学习,如何获取学习资源.2)基于教案的学习.学习者在输入页面中输入要学习的知识点,系统根据学习者的输入内容查找教案库,判断教案库中是否存在现成的相应教案.如果有,点击下载,进行学习;如果没有,学习者可以按照IT课程目标Ontology的提示,自组织资源进行学习,过程同1).

4 结束语

本文在Ontology概念及其概念的元模型基础上搭建一个辅助教学系统模型,对教师的备课和教学设计进行指导,帮助学生进行自主学习,为开发具有共享性和可重用性的教学平台提供了必要的技术支撑.

[1]王晓东.基于Ontology知识库系统建模与应用研究[D].上海:华东师范大学,2003:3-4.

[2]Borst W N.Construction of Engineering Ontologies for Knowledge Sharing and Reuse[D].University of Twente,Enschede,1997:8-9.

[3]Perez A G,Benjamins V R.Overview of Knowledge Sharing and Reuse Components:Ontologies and Problem2Solving Methods[M]//Stockholm V R,Benjamins B,Chandrasekaran A.Proceedings of the IJCAI299 workshop on Ontologies and Problem2Solving Methods (KRR5),1999:1-15.

[4]Toshinobu Kasai,Haruhisa Yamaguchi.Building an ontology of IT education goals[J].J.Cont.Engineering Education and Lifelong Learning,2006,16(1/2):5-6.

Establishment and elementary application of IT curriculum goal Ontology for middle school

LI Yanfei
(College of information and technology,Luoyang Normal University,Luoyang 471022,China)

With the development of internet technology,it is an important topic that developing an network teaching platform with intelligence and sharing in the network education.With the IT course of high school as background and ontology as basis,this thesis tries to construct IT curriculum objective ontology and aided teaching system based on ontology,then apply it to guide teaching and study.It provides the essential shoring of foundation for development of the effective network study platform.

Ontology;curriculum goal;aided teaching platform

G434

A

1671-9476(2010)05-0103-04

2010-04-18

李雁飞(1979-),女,河南温县人,助教,硕士研究生,研究方向:基于网络的远程教育、语义Web及Ontology的应用.