基于本体的网络学习虚拟学习环境的构建_e-learning论文

基于本体的E-learning虚拟学习环境构建,本文主要内容关键词为:本体论文,环境论文,learning论文,此文献不代表本站观点,内容供学术参考,文章仅供参考阅读下载。

近几年来,我国高校投入大量的人、财、物建设数字化校园,推进教育信息化的进程。而E-learning是高校教育信息化建设的重要组成部分,是提高教学质量和效率的有效手段之一,可以说,E-learning已经发展成为教育的另一种主要模式。

但是随着其广泛发展,E-learning的一些问题也逐渐暴露出来。例如,国外有学者从学习者满意度的角度分析认为,资源对学习者参与持续的E-learning学习至关重要①,需要针对不同用户提供不同的学习资源和路径。而基于本体的E-learning虚拟学习环境构建可以很好地解决这一问题。

1 E-learning概述

1.1 E-learning的含义及特点

E-learning源于Electronic Learning,这一概念是由Jay Cross提出的,广义上指通过电子媒体进行的学习,狭义上主要指通过因特网进行的学习与教学活动,即充分利用现代信息技术提供的、具有全新沟通机制的网络环境与车富多媒体信息资源开展教学活动的一种全新的学习方式②。随着Internet技术的日益成熟,网络成为人们获取知识的重要途径。根据中国互联网络信息中心(CNNIC)的统计(2006年1月),我国的上网用户达到1.7亿,其中有14.1%的人经常使用网上教育服务;最近半年内购买过网络教育服务的占7.0%(约777万)③。E-learning以其显著的特点被人们看好,迅速发展。

相对于传统的教育模式,E-learning具有诸多显著特点:(1)可以形成网络化的知识体系。学习的知识不再是一本书,也不再是几本参考书,而是有关专业知识的数据库。在数据库的支持下,知识体系将被重新划分,学习内容将发生重新组合,学习与研究方法也将发生新的变化。(2)可以随时随地学习。任何人,可以在任何地点、时间学习,只要能够连接互联网,并可以提高学习者之间的协作和交互能力。(3)可以对学习资料保持及时更新。学习教材在内的各种学习资源能保持在线更新,对用户来说更具有价值,可以长期吸引用户的目光。(4)可以提高师生的信息素养,实现终身学习。网络已成为师生工作、学习和生活的一部分,通过利用网络进行E-learning教与学,可提高效率,培养信息意识,实现终身学习的效果。

总之,E-learning引发了一场学习模式的革命,它将传统的以教师为中心的学习模式转变为以学生为中心的全新的学习模式,通过协作式学习和发现式学习来培养学生的辩证思维、自主学习的能力。这有助于发挥学生的主动性、创造性,有助于培养具有创新精神的人才。

1.2 E-learning虚拟学习环境存在的问题

E-learning为我们带来丰富的学习资源的同时,也带来了一些问题:

(1)E-learning系统自身信息量巨大与分散的学生群体特性之间的矛盾。在E-learning学习中学习者的学习能力、个人兴趣与习惯、个人学习基础、努力程度,都存在巨大的差异。相比而言,现有的E-learning系统,虽然自身信息量巨大,但是,浏览的课件、考试的题目与整个学习的流程都是单一固定的,教育方法与模式上就显得非常单一。这造成了两者之间越来越大的矛盾。目前的E-learning忽略了学习本身是一种个性化的过程,没有做到因人而异、因材施教、兼顾到个体的差异。

(2)E-learning教育中有限的教师资源与受教育人数不断增长的矛盾。在E-learning教育中,有限的教师资源难以适应受教育人数不断增长的需求,利用网络和信息技术建立智能化E-learning学习系统,实现智能化的学习指导和答疑将解决这种矛盾,大大降低老师的工作量。同时可以利用先进的视频技术、虚拟现实技术来改善这一问题。

(3)E-learning学习中学习者渴望讨论交流与缺乏与他人联系的矛盾。学习者普遍感到当前的E-learning教学中缺乏讨论交流,缺乏及时的反馈,缺乏师生间的情感交流,对激励学生、提升兴趣不如传统课堂教学,从而易导致学生迷失学习方向。在学习兴趣不高或目标不明确的情况下,学生会浏览与学习目标不相关的网页,或聊天、或玩没有多大教育价值的网络游戏。

(4)E-learning系统中提供的检索功能不精确与用户渴望其精确的矛盾。基于关键字的检索技术会导致检索结果不精确,无法保证查全率及查准率,并且无法根据用户的搜索要求进行推理以得到更加合理的搜索结果,也即董慧在2003年提出的传统信息检索机制中表现出的三个深层次问题,“忠实表达”问题、“表达差异”问题、“词汇孤岛”问题④。

克服以上问题的关键就是要在学习对象上定义丰富的语义信息,使系统中的所有资源有明确的定义,并且对同一领域中的知识之间的各种属性关系有明确的描述,使系统具有一定的推理能力。根据每个学习者的特征(如知识水平、学习能力、爱好和兴趣等),为其寻求适合其特点的学习内容。首先需要从学生学习行为中获取学生的兴趣、偏好、知识掌握程度等信息并进行分析,然后根据分析结果为他提供相应的界面、资源等。这样就可以大大提高学生的学习效率,真正实现以学生为中心的学习模式。而基于人工智能领域的本体技术构建的E-learning虚拟学习环境可以很好的实现这一目标。

2 本体对E-learning虚拟学习环境的支持

2.1 本体技术

本体原是哲学上的一个概念,近年来在人工智能、知识工程、信息科学及相关领域得到广泛的关注。本体(Ontology)是共享概念模型的明确的形式化规范说明,此概念包含4层含义:概念模型(conceptualization)、明确(explicit)、形式化(formal)和共享(share)⑤。

本体与传统知识表示的一个根本区别就是系统中的概念、属性、约束条件等内容都是“计算机可理解的”,并且可以表示隐含(或不明确的)信息,建立人机之间对信息的共同理解,可以被直接再利用,这样就能使系统根据用户特点智能生成适合用户的个性化学习路线,并能提高检索质量。

2.2 本体与E-learning的结合

基于本体的E-learning虚拟学习环境具有如下特性:

(1)支持智能检索。大多数本体描述的都是个体(实例)、类、属性以及关系,它们形成了本体良好的概念层次关系。这一特点可为E-learning系统中学科资源描述提供语义支持,并通过本体的概念层次结构能够很好地层现学科内部各术语之间的语义逻辑关系,而且能够提供基于语义的智能检索。

(2)支持逻辑推理。由于本体对信息资源的描述是基于语义理解的,因此,可以针对本体中某一属性根据一定的语义规则进行逻辑推理。这一特点可使E-learning系统具有学习、推理能力,尤其是概念、属性之间的语义推理,它可以有效促进系统内部及系统与用户之间的语义交流和理解;同时它增强了概念之间逻辑关系的语义表达能力,提高了系统的智能性。

(3)支持领域内共享。本体是对某一领域知识概念的抽象化描述,其所描述的类、对象、属性具有一定的普遍性,因此在该本体领域内可实现共享。本体的可重用性在E-learning系统中的作用表现为资源语义描述的共享及其利用效率的提高,从而提高整个系统的运行效率。

2.3 本体在E-learning中的应用

(1)构建个性化学习环境。个人学习环境是个人在网络上为自己创建的学习空间,在Web2.0环境下,学习活动将由学习者自己而不是学校机构来控制。Graham Attwell认为,个人学习环境将是E-learning的未来,个人学习环境“赋予了学习者对学习经历的更大自主控制权”⑥。不同的学习者会选择不同的工具与方式来创建其个人学习环境,本体的特征决定了它是个人构建个人学习环境的有效手段。Web2.0提供了全面的学习环境,将原本分离的学习资源、原本封闭的学校教育同外界连接起来。语义本体则从内容和服务上扩展了这种功能,有助于学习者个人学习空间的建立,它允许学习者自主地使用学习资源和服务,同时还鼓励他们去创造新资源和服务。

(2)构建网络化学习环境。学习网络正在逐渐成为学习的重要因素。组成学习网络的务实体(学习者)会连接成网,通过互动和交流,学习者可以获得更多的知识。当前,网络学习集合了各种日常使用的学习工具,网络学习的实现需要人们研发能整合提供各种服务工具的框架,以此来构建学习网络。语义本体迎合了学习网络的这一内在要求,可以有机地聚合学习网络中的内容和服务,既支持信息实体多元化的发展,同时良好地保持各个实体之间功能的独立性和开放性。

(3)构建情景化学习环境。“情境”是学习的四大要素之一⑦,应该有效地创设学习环境以利于学生对所学内容的意义建构。在传统的学习系统中,系统的功能一般在设计时基本确定,灵活性受到限制,所以一般难以有效地满足灵活性的情境化学习要求。基于语义本体的网络学习环境具有较强的灵活性与敏捷性,创设学习情境以展开和促进学习,同时基于本体构建的情景化学习环境将丰富学习者体验,提高学习者学习兴趣,增强学习者参与度。

总之,将本体技术引入到E-learning系统中,可实现其信息资源的语义描述,并且有利于提高系统的语义理解和交流能力,从而为教师和学生之间的沟通互动提供更为便利的环境支持。

3 基于本体的E-learning虚拟学习环境构建

基于本体构建的E-learning虚拟学习环境系统主要包括四个子系统(如图1所示):用户建模子系统、学习资料收集子系统、资源描述子系统、用户接口子系统。

图1 基于本体的E-learning虚拟学习环境

3.1 用户建模

用户需求的获取和用户模型的构建是个性化服务实现的关键因素。用户建模的实质就是对用户的兴趣、偏好、需求等进行描述,将隐含的用户需求显性化并存储到计算机内部,由系统对用户信息进行维护。构建用户描述文件可以采用基于XML的RDF(Resource Definition Framework)来表达用户描述文件⑧,并利用支持XML的数据库系统来存储用户描述文件,这样,不仅利用了XML的优点,也保持了系统的性能。

收集用户信息时,用户第一次使用E-learning系统,系统可以要求用户注册自己的基本信息和感兴趣的内容,同时系统也可以隐式地收集用户信息,如用户查询、访问页面、标记书签等能有效揭示用户的兴趣。在定制好一个用户描述文件之后,系统可以让用户自主修改,也可以由系统定期地修改,如要求用户对推荐的资源进行反馈和评价。这样,用户模型是随着用户的使用动态更新的,始终反应用户当前状态的资源需求信息。

3.2 学习资料收集

学习资料收集是整个系统的基础,其主要作用即根据用户的需求从数字图书馆、Internet等渠道收集某领域学科的学习资料,包括各种电子资源、网络资源及教师课件、历年试卷,这也充分体现了E-learning虚拟学习环境的优势,即可以在一个平台上满足学习需求。

在学习资料的收集中,要重视对数字图书馆资源的利用。数字图书馆为E-learning资源整合提供了资源基础。在资源内容上,数字图书馆涵盖了各个学科不同类型的信息资源,每种资源都是根据用户需求和特征对现有的数字信息资源进行筛选、组织、加工和集成,经过图书馆员和专家的评价、选择和采集等一系列的规范馆藏资源建设流程,并且具备合法的使用权限。这不仅确保了E-learning资源整合对象的质量,而且确保了资源利用的合理性和合法性。

3.3 基于语义本体的资源描述

基于语义本体的资源描述是整个系统的关键核心部分,个性化功能的实现基础就是要建立合理的本体表示模型。在该子系统中,保存了从学习资料中提取收集来的所有有用学习信息以及从用户建模中收集来的用户的个人信息,并用元数据进行了统一格式的描述,以本体形式表示。不论是学习资源信息还是用户信息资源,其概念及概念之间的关系在语义本体单元都有了清晰明确的定义。例如,在网上收集到一个介绍P2P的幻灯片,首先将其归为PPT,然后将其归为计算机类,并在归类的同时把它的内容进行总结说明(在该学科领域专家的协助下)并保存。此本体除了能够为学习者提供数字图书馆的一般功能外,还能够实现学习路线生成等个性化功能,并能显著改善搜索质量。

在本体构建工具方面, 目前已有Ontolingua、Protégé⑨等数十种工具可供选择,这些工具大多数是开源的,即可以免费获取和使用。其中Protégé使用Java编写,具有友好的图形界面,功能也比较强大,是目前比较流行的本体构建工具。对于本体的存储形式,目前主要有OWL、RDF、XML等几种方式,并且这些不同格式之间可以相互转换,也可以将本体转换为关系数据库存储和使用。通过在E-learning系统中构建学科知识本体,可以实现系统对各学科资源的语义识别和理解,并通过逻辑推理发现概念之间的潜在语义关联,从而更好地支持用户检索和利用资源;同时,可以对用户的查询进行语义解释,以便更好地了解用户需求,实现系统与用户、用户与用户之间的有效沟通和交流。

3.4 用户接口

用户接口子系统是用户与系统进行交互的单元,为用户提供各种服务,包括课件学习、试卷参考、智能检索、答疑中心、作业中心、互动论坛等。用户登最后可以浏览课件,并选择相应可视化内容进行点播学习。答疑是网络学习中的重要环节,答疑中心可用于解答学生的问题尤其是专业领域的问题,当用户提交问题后,对应的教师就会收到消息提示。学生可以在线回答老师布置的作业,作业提交成功后老师或者助教会对作业进行批改,学生可以看到批改的结果,并通过互动论坛进行交流。而通过智能检索,用户可以在一个平台上对各种学习资源进行智能化的检索。

该子系统除了用于提供服务给用户,还要收集用户信息及查询要求,并传递到语义本体单元。由于在系统中加入了本体技术,使交互过程变得更为智能。除了能够提供上述各种服务,还提供一般数字图书馆所提供的书籍、资料检索服务,并且具有较高的查全查准率,这主要是因为引入了本体技术,使系统中所有资源的内容、属性、约束条件等内容都能被计算机所“理解”,再加上基于逻辑的本体推理机制,使系统克服了“忠实表达、表达差异、词汇孤岛”问题⑩,检索性能大幅提高。

4 小结

基于本体构造的E-learning虚拟学习环境为学习者提供个性化和适应性的学习环境创造了有利条件。通过运用本体技术,对近年来迅速发展的E-learning虚拟学习环境进行完善,使其能够根据不同用户的自身特点及情况,提供个性化的学习方案,并且通过本体技术在语义方面的显著优势提高了检索效率。目前,本体技术在E-learning虚拟学习环境中的应用还不是十分成熟,如何实现真正以学习者需求为导向的、更大范围的学习资源有效聚合与广泛共享等方面的研究仍值得深入研究。

注释:

①Pei Chen Sun,Ray J.Tsar,Glenn Finger,Yue Yang Chen.What drives a successful E-learning an empirical investigation of the critical factors influencing learner satisfaction? Computers & Education,2007(1)

②荆雪.E-learning与高校教学的深化改革.赤峰学院学报,2007(2)

③第17次中国互联网络发展状况统计报告,2006(1)

④⑩董慧.基于本体论和数字图书馆的信息检索.情报学报,2003(6)

⑤邓志鸿,唐世渭,张铭等.Ontology研究综述.北京大学学,2002(9)

⑥Graham Attwell.Personal Learning Environments-The Future of E-learning.http://www.E-learningpapers.eu/index.php.page=doc & vol=2 & doc_id=8553 & doclng=6

⑦曾智.国外三大学习理论研究的基本状况与进展.南通大学学报,2008(6)

⑧宋文,傅红梅.文献资源集成揭示的模式及应用.图书馆论坛,2008(2)

⑨李超.本体论方法在档案信息检索系统中的应用研究.情报杂志,2009(4)

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