基于本體的E-learning虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境構(gòu)建

基于本體的E-learning虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境構(gòu)建

近幾年來，我國高校投入大量的人、財、物建設(shè)數(shù)字化校園，推進(jìn)教育信息化的進(jìn)程。而E-learning是高校教育信息化建設(shè)的重要組成部分，是提高教學(xué)質(zhì)量和效率的有效手段之一，可以說，E-learning已經(jīng)發(fā)展成為教育的另一種主要模式。但是隨著其廣泛發(fā)展，E-learning的一些問題也逐漸暴露出來。例如，國外有學(xué)者從學(xué)習(xí)者滿意度的角度分析認(rèn)為，資源對學(xué)習(xí)者參與持續(xù)的E-learning學(xué)習(xí)至關(guān)重要①，需要針對不同用戶提供不同的學(xué)習(xí)資源和路徑。而基于本體的E-learning虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境構(gòu)建可以很好地解決這一問題。1E-learning概述1.1E-learning的含義及特點(diǎn)E-learning源于ElectronicLearning，這一概念是由JayCross提出的，廣義上指通過電子媒體進(jìn)行的學(xué)習(xí)，狹義上主要指通過因特網(wǎng)進(jìn)行的學(xué)習(xí)與教學(xué)活動，即充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)提供的、具有全新溝通機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境與車富多媒體信息資源開展教學(xué)活動的一種全新的學(xué)習(xí)方式②。隨著Internet技術(shù)的日益成熟，網(wǎng)絡(luò)成為人們獲取知識的重要途徑。根據(jù)中國互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)信息中心(CNNIC)的統(tǒng)計(jì)（2006年1月），我國的上網(wǎng)用戶達(dá)到1.7億，其中有14.1%的人經(jīng)常使用網(wǎng)上教育服務(wù)；最近半年內(nèi)購買過網(wǎng)絡(luò)教育服務(wù)的占7.0%（約777萬）③。E-learning以其顯著的特點(diǎn)被人們看好，迅速發(fā)展。相對于傳統(tǒng)的教育模式，E-learning具有諸多顯著特點(diǎn)：(1)可以形成網(wǎng)絡(luò)化的知識體系。學(xué)習(xí)的知識不再是一本書，也不再是幾本參考書，而是有關(guān)專業(yè)知識的數(shù)據(jù)庫。在數(shù)據(jù)庫的支持下，知識體系將被重新劃分，學(xué)習(xí)內(nèi)容將發(fā)生重新組合，學(xué)習(xí)與研究方法也將發(fā)生新的變化。(2)可以隨時隨地學(xué)習(xí)。任何人，可以在任何地點(diǎn)、時間學(xué)習(xí)，只要能夠連接互聯(lián)網(wǎng)，并可以提高學(xué)習(xí)者之間的協(xié)作和交互能力。(3)可以對學(xué)習(xí)資料保持及時更新。學(xué)習(xí)教材在內(nèi)的各種學(xué)習(xí)資源能保持在線更新，對用戶來說更具有價值，可以長期吸引用戶的目光。(4)可以提高師生的信息素養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)終身學(xué)習(xí)。網(wǎng)絡(luò)已成為師生工作、學(xué)習(xí)和生活的一部分，通過利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行E-learning教與學(xué)，可提高效率，培養(yǎng)信息意識，實(shí)現(xiàn)終身學(xué)習(xí)的效果?？傊?，E-learning引發(fā)了一場學(xué)習(xí)模式的革命，它將傳統(tǒng)的以教師為中心的學(xué)習(xí)模式轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為中心的全新的學(xué)習(xí)模式，通過協(xié)作式學(xué)習(xí)和發(fā)現(xiàn)式學(xué)習(xí)來培養(yǎng)學(xué)生的辯證思維、自主學(xué)習(xí)的能力。這有助于發(fā)揮學(xué)生的主動性、創(chuàng)造性，有助于培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神的人才。1.2E-learning虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境存在的問題E-learning為我們帶來豐富的學(xué)習(xí)資源的同時，也帶來了一些問題：(1)E-learning系統(tǒng)自身信息量巨大與分散的學(xué)生群體特性之間的矛盾。在E-learning學(xué)習(xí)中學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)能力、個人興趣與習(xí)慣、個人學(xué)習(xí)基礎(chǔ)、努力程度，都存在巨大的差異。相比而言，現(xiàn)有的E-learning系統(tǒng)，雖然自身信息量巨大，但是，瀏覽的課件、考試的題目與整個學(xué)習(xí)的流程都是單一固定的，教育方法與模式上就顯得非常單一。這造成了兩者之間越來越大的矛盾。目前的E-learning忽略了學(xué)習(xí)本身是一種個性化的過程，沒有做到因人而異、因材施教、兼顧到個體的差異。(2)E-learning教育中有限的教師資源與受教育人數(shù)不斷增長的矛盾。在E-learning教育中，有限的教師資源難以適應(yīng)受教育人數(shù)不斷增長的需求，利用網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)建立智能化E-learning學(xué)習(xí)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能化的學(xué)習(xí)指導(dǎo)和答疑將解決這種矛盾，大大降低老師的工作量。同時可以利用先進(jìn)的視頻技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來改善這一問題。(3)E-learning學(xué)習(xí)中學(xué)習(xí)者渴望討論交流與缺乏與他人聯(lián)系的矛盾。學(xué)習(xí)者普遍感到當(dāng)前的E-learning教學(xué)中缺乏討論交流，缺乏及時的反饋，缺乏師生間的情感交流，對激勵學(xué)生、提升興趣不如傳統(tǒng)課堂教學(xué)，從而易導(dǎo)致學(xué)生迷失學(xué)習(xí)方向。在學(xué)習(xí)興趣不高或目標(biāo)不明確的情況下，學(xué)生會瀏覽與學(xué)習(xí)目標(biāo)不相關(guān)的網(wǎng)頁，或聊天、或玩沒有多大教育價值的網(wǎng)絡(luò)游戲。(4)E-learning系統(tǒng)中提供的檢索功能不精確與用戶渴望其精確的矛盾?；陉P(guān)鍵字的檢索技術(shù)會導(dǎo)致檢索結(jié)果不精確，無法保證查全率及查準(zhǔn)率，并且無法根據(jù)用戶的搜索要求進(jìn)行推理以得到更加合理的搜索結(jié)果，也即董慧在2003年提出的傳統(tǒng)信息檢索機(jī)制中表現(xiàn)出的三個深層次問題，“忠實(shí)表達(dá)”問題、“表達(dá)差異”問題、“詞匯孤島”問題④?？朔陨蠁栴}的關(guān)鍵就是要在學(xué)習(xí)對象上定義豐富的語義信息，使系統(tǒng)中的所有資源有明確的定義，并且對同一領(lǐng)域中的知識之間的各種屬性關(guān)系有明確的描述，使系統(tǒng)具有一定的推理能力。根據(jù)每個學(xué)習(xí)者的特征（如知識水平、學(xué)習(xí)能力、愛好和興趣等），為其尋求適合其特點(diǎn)的學(xué)習(xí)內(nèi)容。首先需要從學(xué)生學(xué)習(xí)行為中獲取學(xué)生的興趣、偏好、知識掌握程度等信息并進(jìn)行分析，然后根據(jù)分析結(jié)果為他提供相應(yīng)的界面、資源等。這樣就可以大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，真正實(shí)現(xiàn)以學(xué)生為中心的學(xué)習(xí)模式。而基于人工智能領(lǐng)域的本體技術(shù)構(gòu)建的E-learning虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境可以很好的實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。2本體對E-learning虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的支持2.1本體技術(shù)本體原是哲學(xué)上的一個概念，近年來在人工智能、知識工程、信息科學(xué)及相關(guān)領(lǐng)域得到廣泛的關(guān)注。本體(Ontology)是共享概念模型的明確的形式化規(guī)范說明，此概念包含4層含義：概念模型(conceptualization)、明確(explicit)、形式化(formal)和共享(share)⑤。本體與傳統(tǒng)知識表示的一個根本區(qū)別就是系統(tǒng)中的概念、屬性、約束條件等內(nèi)容都是“計(jì)算機(jī)可理解的”，并且可以表示隱含（或不明確的）信息，建立人機(jī)之間對信息的共同理解，可以被直接再利用，這樣就能使系統(tǒng)根據(jù)用戶特點(diǎn)智能生成適合用戶的個性化學(xué)習(xí)路線，并能提高檢索質(zhì)量。2.2本體與E-learning的結(jié)合基于本體的E-learning虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境具有如下特性：(1)支持智能檢索。大多數(shù)本體描述的都是個體（實(shí)例）、類、屬性以及關(guān)系，它們形成了本體良好的概念層次關(guān)系。這一特點(diǎn)可為E-learning系統(tǒng)中學(xué)科資源描述提供語義支持，并通過本體的概念層次結(jié)構(gòu)能夠很好地層現(xiàn)學(xué)科內(nèi)部各術(shù)語之間的語義邏輯關(guān)系，而且能夠提供基于語義的智能檢索。(2)支持邏輯推理。由于本體對信息資源的描述是基于語義理解的，因此，可以針對本體中某一屬性根據(jù)一定的語義規(guī)則進(jìn)行邏輯推理。這一特點(diǎn)可使E-learning系統(tǒng)具有學(xué)習(xí)、推理能力，尤其是概念、屬性之間的語義推理，它可以有效促進(jìn)系統(tǒng)內(nèi)部及系統(tǒng)與用戶之間的語義交流和理解；同時它增強(qiáng)了概念之間邏輯關(guān)系的語義表達(dá)能力，提高了系統(tǒng)的智能性。(3)支持領(lǐng)域內(nèi)共享。本體是對某一領(lǐng)域知識概念的抽象化描述，其所描述的類、對象、屬性具有一定的普遍性，因此在該本體領(lǐng)域內(nèi)可實(shí)現(xiàn)共享。本體的可重用性在E-learning系統(tǒng)中的作用表現(xiàn)為資源語義描述的共享及其利用效率的提高，從而提高整個系統(tǒng)的運(yùn)行效率。2.3本體在E-learning中的應(yīng)用(1)構(gòu)建個性化學(xué)習(xí)環(huán)境。個人學(xué)習(xí)環(huán)境是個人在網(wǎng)絡(luò)上為自己創(chuàng)建的學(xué)習(xí)空間，在Web2.0環(huán)境下，學(xué)習(xí)活動將由學(xué)習(xí)者自己而不是學(xué)校機(jī)構(gòu)來控制。GrahamAttwell認(rèn)為，個人學(xué)習(xí)環(huán)境將是E-learning的未來，個人學(xué)習(xí)環(huán)境“賦予了學(xué)習(xí)者對學(xué)習(xí)經(jīng)歷的更大自主控制權(quán)”⑥。不同的學(xué)習(xí)者會選擇不同的工具與方式來創(chuàng)建其個人學(xué)習(xí)環(huán)境，本體的特征決定了它是個人構(gòu)建個人學(xué)習(xí)環(huán)境的有效手段。Web2.0提供了全面的學(xué)習(xí)環(huán)境，將原本分離的學(xué)習(xí)資源、原本封閉的學(xué)校教育同外界連接起來。語義本體則從內(nèi)容和服務(wù)上擴(kuò)展了這種功能，有助于學(xué)習(xí)者個人學(xué)習(xí)空間的建立，它允許學(xué)習(xí)者自主地使用學(xué)習(xí)資源和服務(wù)，同時還鼓勵他們?nèi)?chuàng)造新資源和服務(wù)。(2)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化學(xué)習(xí)環(huán)境。學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)正在逐漸成為學(xué)習(xí)的重要因素。組成學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的務(wù)實(shí)體（學(xué)習(xí)者）會連接成網(wǎng)，通過互動和交流，學(xué)習(xí)者可以獲得更多的知識。當(dāng)前，網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)集合了各種日常使用的學(xué)習(xí)工具，網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的實(shí)現(xiàn)需要人們研發(fā)能整合提供各種服務(wù)工具的框架，以此來構(gòu)建學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)。語義本體迎合了學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的這一內(nèi)在要求，可以有機(jī)地聚合學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)中的內(nèi)容和服務(wù)，既支持信息實(shí)體多元化的發(fā)展，同時良好地保持各個實(shí)體之間功能的獨(dú)立性和開放性。(3)構(gòu)建情景化學(xué)習(xí)環(huán)境。“情境”是學(xué)習(xí)的四大要素之一⑦，應(yīng)該有效地創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)環(huán)境以利于學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容的意義建構(gòu)。在傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)系統(tǒng)中，系統(tǒng)的功能一般在設(shè)計(jì)時基本確定，靈活性受到限制，所以一般難以有效地滿足靈活性的情境化學(xué)習(xí)要求?；谡Z義本體的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)環(huán)境具有較強(qiáng)的靈活性與敏捷性，創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)情境以展開和促進(jìn)學(xué)習(xí)，同時基于本體構(gòu)建的情景化學(xué)習(xí)環(huán)境將豐富學(xué)習(xí)者體驗(yàn)，提高學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)習(xí)者參與度?？傊?，將本體技術(shù)引入到E-learning系統(tǒng)中，可實(shí)現(xiàn)其信息資源的語義描述，并且有利于提高系統(tǒng)的語義理解和交流能力，從而為教師和學(xué)生之間的溝通互動提供更為便利的環(huán)境支持。3基于本體的E-learning虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境構(gòu)建基于本體構(gòu)建的E-learning虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境系統(tǒng)主要包括四個子系統(tǒng)（如圖1所示）：用戶建模子系統(tǒng)、學(xué)習(xí)資料收集子系統(tǒng)、資源描述子系統(tǒng)、用戶接口子系統(tǒng)。圖1基于本體的E-learning虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境3.1用戶建模用戶需求的獲取和用戶模型的構(gòu)建是個性化服務(wù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵因素。用戶建模的實(shí)質(zhì)就是對用戶的興趣、偏好、需求等進(jìn)行描述，將隱含的用戶需求顯性化并存儲到計(jì)算機(jī)內(nèi)部，由系統(tǒng)對用戶信息進(jìn)行維護(hù)。構(gòu)建用戶描述文件可以采用基于XML的RDF(ResourceDefinitionFramework)來表達(dá)用戶描述文件⑧，并利用支持XML的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)來存儲用戶描述文件，這樣，不僅利用了XML的優(yōu)點(diǎn)，也保持了系統(tǒng)的性能。收集用戶信息時，用戶第一次使用E-learning系統(tǒng)，系統(tǒng)可以要求用戶注冊自己的基本信息和感興趣的內(nèi)容，同時系統(tǒng)也可以隱式地收集用戶信息，如用戶查詢、訪問頁面、標(biāo)記書簽等能有效揭示用戶的興趣。在定制好一個用戶描述文件之后，系統(tǒng)可以讓用戶自主修改，也可以由系統(tǒng)定期地修改，如要求用戶對推薦的資源進(jìn)行反饋和評價。這樣，用戶模型是隨著用戶的使用動態(tài)更新的，始終反應(yīng)用戶當(dāng)前狀態(tài)的資源需求信息。3.2學(xué)習(xí)資料收集學(xué)習(xí)資料收集是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其主要作用即根據(jù)用戶的需求從數(shù)字圖書館、Internet等渠道收集某領(lǐng)域?qū)W科的學(xué)習(xí)資料，包括各種電子資源、網(wǎng)絡(luò)資源及教師課件、歷年試卷，這也充分體現(xiàn)了E-learning虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的優(yōu)勢，即可以在一個平臺上滿足學(xué)習(xí)需求。在學(xué)習(xí)資料的收集中，要重視對數(shù)字圖書館資源的利用。數(shù)字圖書館為E-learning資源整合提供了資源基礎(chǔ)。在資源內(nèi)容上，數(shù)字圖書館涵蓋了各個學(xué)科不同類型的信息資源，每種資源都是根據(jù)用戶需求和特征對現(xiàn)有的數(shù)字信息資源進(jìn)行篩選、組織、加工和集成，經(jīng)過圖書館員和專家的評價、選擇和采集等一系列的規(guī)范館藏資源建設(shè)流程，并且具備合法的使用權(quán)限。這不僅確保了E-learning資源整合對象的質(zhì)量，而且確保了資源利用的合理性和合法性。3.3基于語義本體的資源描述基于語義本體的資源描述是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵核心部分，個性化功能的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)就是要建立合理的本體表示模型。在該子系統(tǒng)中，保存了從學(xué)習(xí)資料中提取收集來的所有有用學(xué)習(xí)信息以及從用戶建模中收集來的用戶的個人信息，并用元數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)一格式的描述，以本體形式表示。不論是學(xué)習(xí)資源信息還是用戶信息資源，其概念及概念之間的關(guān)系在語義本體單元都有了清晰明確的定義。例如，在網(wǎng)上收集到一個介紹P2P的幻燈片，首先將其歸為PPT，然后將其歸為計(jì)算機(jī)類，并在歸類的同時把它的內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)說明（在該學(xué)科領(lǐng)域?qū)＜业膮f(xié)助下）并保存。此本體除了能夠?yàn)閷W(xué)習(xí)者提供數(shù)字圖書館的一般功能外，還能夠?qū)崿F(xiàn)學(xué)習(xí)路線生成等個性化功能，并能顯著改善搜索質(zhì)量。在本體構(gòu)建工具方面，目前已有Ontolingua、Protégé⑨等數(shù)十種工具可供選擇，這些工具大多數(shù)是開源的，即可以免費(fèi)獲取和使用。其中Protégé使用Java編寫，具有友好的圖形界面，功能也比較強(qiáng)大，是目前比較流行的本體構(gòu)建工具。對于本體的存儲形式，目前主要有OWL、RDF、XML等幾種方式，并且這些不同格式之間可以相互轉(zhuǎn)換，也可以將本體轉(zhuǎn)換為關(guān)系數(shù)據(jù)庫存儲和使用。通過在E-learning系統(tǒng)中構(gòu)建學(xué)科知識本體，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對各學(xué)科資源的語義識別和理解，并通過邏輯推理發(fā)現(xiàn)概念之間的潛在語義關(guān)聯(lián)，從而更好地支持用戶檢索和利用資源；同時，可以對用戶的查詢進(jìn)行語義解釋，以便更好地了解用戶需求，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與用戶、用戶與用戶之間的有效溝通和交流。3.4用戶接口用戶接口子系統(tǒng)是用戶與系統(tǒng)進(jìn)行交互的單元，為用戶提供各種服務(wù)，包括課件學(xué)習(xí)、試卷參考、智能檢索、答疑中心、作業(yè)中心、互動論壇等。用戶登最后可以瀏覽課件，并選擇相應(yīng)可視化內(nèi)容進(jìn)行點(diǎn)播學(xué)習(xí)。答疑是網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)中的重要環(huán)節(jié)，答疑中心可用于解答學(xué)生的問題尤其是專業(yè)領(lǐng)域的問題，當(dāng)用戶提交問題后，對應(yīng)的教師就會收到消息提示。學(xué)生可以在線回答老師布置的作業(yè)，作業(yè)提交成功后老師或者助教會對作業(yè)進(jìn)行批改，學(xué)生可以看到批改的結(jié)果，并通過互動論壇進(jìn)行交流。而通過智能檢索，用戶可以在一個平臺上對各種學(xué)習(xí)資源進(jìn)行智能化的檢索。該子系統(tǒng)除了用于提供服務(wù)給用戶，還要收集用戶信息及查詢要求，并傳遞到語義本體單元。由于在系統(tǒng)中加入了本體技術(shù)，使交互過程變得更為智能。除了能夠提供上述各種服務(wù)，還提供一般數(shù)字圖書館所提供的書籍、資料檢索服務(wù)，并且具有較高的查全查準(zhǔn)率，這主要是因?yàn)橐肓吮倔w技術(shù)，使系統(tǒng)中所有資源的內(nèi)容、屬性、約束條件等內(nèi)容都能被計(jì)算機(jī)所“理解”，再加上基于邏輯的本體推理機(jī)制，使系統(tǒng)克服了“忠實(shí)表達(dá)、表達(dá)差異、詞匯孤島”問題⑩，檢索性能大幅提高。4小結(jié)基于本體構(gòu)造的E-learning虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境為學(xué)習(xí)者提供個性化和適應(yīng)性的學(xué)習(xí)環(huán)境創(chuàng)造了有利條件。通過運(yùn)用本體技術(shù)，對近年來迅速發(fā)展的E-learning虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境進(jìn)行完善，使其能夠根據(jù)不同用戶的自身特點(diǎn)及情況，提供個性化的學(xué)習(xí)方案，并且通過本體技術(shù)在語義方面的顯著優(yōu)勢提高了檢索效率。目前，本體技術(shù)在E-learning虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中的應(yīng)用還不是十分成熟，如何實(shí)現(xiàn)真正以學(xué)習(xí)者需求為導(dǎo)向的