基于本体的智能教学系统著作工具研究

邢立国，褚龙现

（平顶山学院 河南 平顶山　467000）

基于本体的智能教学系统著作工具研究

邢立国，褚龙现

（平顶山学院 河南 平顶山467000）

以研究语义Web相关知识，分析本体相关技术和工具为基础，总结传统网络智能教学系统存在的问题，提出采用本体驱动的方法对网络智能教学系统进行著作。通过设计适用于网络智能教学系统著作的教学本体、领域知识本体和学习者本体，构建基于本体的网络智能教学系统著作工具的系统结构，并完成著作工具原型设计。

著作工具；教学系统；本体；智能

随着当今社会的快速发展，人们逐渐认识到终身学习的重要性，因为传统课堂学习方式受限于时间与地点，再加上互联网技术的不断发展，所以利用互联网进行学习资源的传递与共享被广泛应用［1］。众多优秀的教学系统担负着激发学习者潜能的重任，为了提高教学系统的智能化程度、更好到服务于学习者，出现了网络智能教学系统［2］。本文旨在研究基于本体的智能教学系统著作工具，通过分析本体在语义Web下和知识重用的作用，提出新的智能教学系统著作工具体系结构，并设计各个模块本体，最终形成个性化教学计划。

1　网络智能教学系统的产生

为了适应快速发展的社会生活，终身学习方式逐渐形成，学习过程打破时间和空间限制的需求不断增强［3］。网络的发展使得通过互联网的教学资源共享进行学习成为可能，但是网络教学能调动人们学习主动性的同时却较难控制学习的有效性，这对网络教学提出了挑战。解决这一问题的关键在于3个方面：合适教学策略的编制、最佳帮助时机的确定和高速学习效率的引导［4］。

在此背景下，智能化网络教学系统随之出现。这些教学系统首先优化学习者的学习爱好，接着根据爱好匹配合适的教学资源，然后评价学习者学习效果，如智能推荐、智能监督等等。但是因为网络智能教学系统实现复杂，导致现有智能教学系统发展缓慢。主要体现在：

1）网路智能教学系统开发难度大，不同系统之间功能可复用性差；

2）教师参与系统设计需求强，但是实现困难；

3）网络学习与智能教学整合程度低，未能充分发挥两者优势［5］。

2　语义Web与本体

语义Web的本质是通过给互联网上的文档添加能被计算机理解的语义，从而使整个网络成为一个通用的信息交换媒体。本体是语义Web的重要组成部分，可以对不同知识进行表示，以使计算机理解和处理，是用户与语义Web进行交互的基础［6］。将语义Web应用于网络智能教学系统设计中，能够促进系统之间的互操作和知识的共享与复用，可以降低网络智能教学系统的开发难度。

用户可以通过语义Web将两个不相干的东西连接在一起，组成一个“无缝”式连接的网络，其层次结构共有七层，且自下而上功能逐渐增强。本体作为语义Web的组成部分，主要有5个基本的建模元语构成，分别是类、关系、函数、公理和实例［7］。

1）本体的分类

本体的分类方法不唯一，按照形式化程度的不同，可以把本体分为高度非形式化、结构非形式化、半形式化和严格形式化的本体；按照本体的描述对象不同，可以把本体分为特殊领域、一般世界知识、问题求解和知识表示语言本体等［8］。

2）本体开发工具

本文研究过程中选用的开发工具是Protégé，Protégé支持类、多继承和实例等知识表示要素，其最大的特点在于它具有开放式接口并提供大量插件，支持几乎所有本体表示语言，还能将知识库以多语言格式导出，实现各种格式间转换［9］。

3　著作工具体系结构构建

在网络智能教学系统中应用本体既有利于实现资源查找和正确使用，为不同模块标准化建模提供方法，又能使不同系统间互操作成为可能。本文设计了本体在网络智能教学系统著作工具的体系结构，主要由教学规划、学生模型、学习对象库和领域知识四部分构成，如图1所示。

图1　著作工具体系结构Fig．1　The system structure of authoring tools

3.1教学规划模块

该模块主要任务是对教学过程进行设计，目标是设计出适合学习者个性需求的教学步骤，最终实现教学目标。教学本体设计时，以促进知识积累和利用现有知识为基础，对产生式规则中的条件和结果进行描述。

教学规划设计分为目标层、教学事件层、教学行为层和学习对象层，所以将教学本体设计分为教学目标本体、教学事件本体、教学行为本体和教学计划本体。其中，教学计划本体设计是重点，主要设计目标是：

1）根据教学策略动态生成教学计划；

2）对完成学习任务的教学计划进行记录；

3）能够积累教学经验促进知识的复用和共享。

教学计划本体设计包含教学计划类、教学目标类、教学事件类和教学行为类，如图2所示。教学计划类通过3个对象属性将其他3个类关联起来，另一方面将每个教学单元的教学过程定义为（教学目标（教学事件序列（具体操作集合）））。

图2　教学计划本体设计Fig．2　The design of instructional plan ontology

3.2学生模型

该模型主要任务是负责学习者信息的初始化和后期维护，其中学生本体主要描述学习者本身相关的概念和关系。在设计学生本体时，重点关注学习者信息表示，使用如下描述模型：

学习者信息模型：＜S，D，S_M＞

其中，S表示学习者静态属性信息，包括姓名、性别和年龄等特征信息；D表示动态信息，包括知识掌握信息和错误信息等等；S_M表示构建学生模型的方法，本文只考虑了简单有效的覆盖模型。

在构造学生本体时，重点考虑能够影响教学资源选取、内容安排和步骤确立的学习者信息。学生本体设计了学习者类和学习者信息类，学习者信息类对象作为学习者类成员属性出现，而学习者信息类又包含基本信息、学习爱好、知识状态、错误记录、历史活动记录和绩效类等6个子类。

3.3学习对象库

该模块主要任务是对元数据进行规范和统一，目标是实现对学习资源的高效应用。通过学习对象本体设计实现学习单元对象的动态生成，且相关对象对学生模型具有普遍适应性，本体使用如下描述模型：

学习对象库：＜LOi，Aij＞

其中，LOi表示学习对象名称，Aij表示对象属性。具体操作包括描述学习对象、编辑学习对象和删除学习对象。

在构造学习对象元数据本体时，充分考虑了与其他本体设计的配合，如教学类型应该与教学本体中保持一致，媒体格式要与学生本体中保持一致等。将学习对象元数据本体设计分为基本、技术、教学和知识点等4类信息。各个信息含义如下：

1）基本信息：学习对象的名称、制作者和日期等；

月亮一定是从人的心头升起来的。不然她怎么可以美得和我们心里想的一模一样。把电源关了以后，月光和火光一起给所有人的脸都打上了柔光，柿子树上挂着一个个黑黢黢的影子，有歌声从篝火的深处传来，无梁可绕，却钻进了人的心里再也出不来。有些东西会让人失去年龄，彻底地打开心门。这样一个围着篝火看月亮的夜晚，非常的适合说出你的秘密。

2）技术信息：学习对象媒体格式、大小、位置和时长等；

3）教学信息：学习对象类型、教学类型等；

4）知识点信息：知识点难度等。

3.4领域知识点图

该模块主要任务是生成有效的知识点路径，通过对知识点排序，以及知识点与教学资源间的联系找到学习资源。为了合理描述知识点之间的关系，使用图表达知识点集合，图中的结点是领域知识点的集合，知识点间关系用连接表示，模型如下：

领域知识点图模型：DM＜J，R＞，J＜Ji，Aij＞，R＜Ji，Jj，Jl＞

知识点本体设计以组织和定义知识点概念和关系为重心，目标是实现知识点信息在不同系统间复用和共享。

3.5系统原型设计

在分析系统著作工具系统结构中不同模块的本体设计基础上，构建基于本体的网络智能教学系统著作工具原型。系统原型包含了3个模块的著作，如图3所示。

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

1）教学模块

教学本体著作主要负责对教学计划进行制定，按照四个步骤进行：一是对教学目标进行定义和分类；二是对教学事件进行选择和排序；三是对教学行为进行选择和安排；四是选择学习对象和教学服务。

2）学生模块

学生本体著作主要负责对学习者信息进行选择编辑，实现信息初始化和动态维护。

3）领域知识模块

领域知识模块分为学习对象元数据编辑器和领域知识点图编辑器。前者主要负责对学习对象进行描述；后者主要负责对知识点进行描述和组织。

将3个模块的著作工具编辑器和相关功能函数相结合，即能动态生成基于知识并对学生模型具有适应性的多个学习单元，最终组成智能教学系统。

4　结束语

通过分析传统智能教学系统存在的问题，提出研究语义Web和本体对教学模块、学生模块和领域知识模块的形式化表示，在此基础上，构建基于本体的智能教学系统著作工具体系结构，并完成著作工具原型设计。该原型将降低网络智能教学系统的开发难度，进一步实现功能复用和共享。

［1］林木辉，张杰，包正委．智能教学系统中基于本体的知识表示及推送研究［J］．福建师范大学学报（自然科学版），2009，25：120-124．

［2］赵久艳．基于本体的教学管理系统语义检索研究［D］．哈尔滨：哈尔滨工程大学，2007．

［3］岳静，张自力．本体表示语言研究综述［J］．计算机科学，2006，33（2）:158-162．

［4］王晓琳，高丹丹，张际平．语义Web下的智能授导系统［J］．远程教育杂志，2009（02）:51-53．

［5］L．W．安德森等著，皮连生等译．学习、教学和评估的分类学［M］．上海：华东师范大学出版社，2007．

［6］常子冠．个性化学习支持系统中教学策略编辑工具的设计与开发［D］．北京：首都师范大学硕士学位论文，2007．

［7］李志平，刘敏昆，孙瑜．基于web的智能教学系统研究［J］．计算机工程与应用，2006（02）:208-210．

［8］郭文英．基于SWRL推理的语义关联发现及其在本体映射与集成中的应用［D］．杭州：浙江大学，2006．

［9］郁书好，郭学俊．基于本体的教学知识库研究与应用［J］．计算机技术与发展，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稿件编号：201504138

河南省教育厅科学技术研究重点项目（12B520040）

邢立国（1982—），男，河南安阳人，助理实验师，硕士。研究方向：人工智能。