李雁飛

高中IT課程目標(biāo)Ontology的構(gòu)建及其應(yīng)用研究

李雁飛

(洛陽師范學(xué)院信息技術(shù)學(xué)院,河南洛陽471022)

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,開發(fā)智能、共享的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺是網(wǎng)絡(luò)教育應(yīng)用的一個重要課題.基于Ontology技術(shù),以高中信息技術(shù)課程為背景,構(gòu)建信息技術(shù)課程目標(biāo)Ontology,并以構(gòu)建的Ontology為基礎(chǔ)建立輔助教學(xué)系統(tǒng),用于指導(dǎo)教學(xué)和學(xué)習(xí),并為開發(fā)有效的輔助教學(xué)平臺提供范例.

Ontology;課程目標(biāo);輔助教學(xué)平臺

信息技術(shù)(Information Technology,IT)對人類生活和工作方式產(chǎn)生了重大的影響.隨著信息技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,以計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、多媒體及AI等技術(shù)為核心的教學(xué)系統(tǒng)的研究受到前所未有的重視.網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)有傳統(tǒng)課堂不可比擬的優(yōu)勢,但是目前的教學(xué)系統(tǒng)面臨一些問題[1],如教學(xué)系統(tǒng)之間不能相互通信,即使是對同一學(xué)科開發(fā)的教學(xué)系統(tǒng),往往是從頭開始開發(fā),很少能重復(fù)利用原來已開發(fā)的資源(包括功能部件);系統(tǒng)維護(hù)也很困難;如何按照教育技術(shù)觀點(diǎn)和教學(xué)設(shè)計(jì)理論對知識進(jìn)行重新建構(gòu)、重新表示和重新訪問;等等.解決這些難題的基礎(chǔ)之一是有一個可以共享的、可擴(kuò)充的、便于管理的、不斷更新的知識庫系統(tǒng).本文試圖將Ontology技術(shù)及研究成果應(yīng)用到輔助教學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)中,以提高輔助教學(xué)系統(tǒng)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規(guī)范說明[2].這個定義包含了四層含義[3]:概念模型(conceptualization)、明確(explicit)、形式化(formal)和共享(share).“概念模型”指通過抽象出客觀世界中一些現(xiàn)象(Phenomenon)的相關(guān)概念而得到的模型.“概念模型”所表現(xiàn)的含義獨(dú)立于具體的環(huán)境狀態(tài).“明確”指所使用的概念及使用這些概念的約束都有明確的定義.“形式化”指Ontology是計(jì)算機(jī)可讀的(即能被計(jì)算機(jī)處理).“共享”指Ontology中體現(xiàn)的是共同認(rèn)可的知識,反映的是相關(guān)領(lǐng)域中公認(rèn)的概念集,即Ontology針對的是團(tuán)體而非個體的共識.

Ontology包括概念以及概念之間的關(guān)系.概念對于描述現(xiàn)實(shí)世界是必不可少的.對于概念的定義包括:用于表明其名稱的標(biāo)簽label;用于表明其父概念名稱的 super;用于約束所有概念實(shí)例的axiom;用于定義概念的自然語言描述的非規(guī)范化定義def;用于構(gòu)成概念一部分的部分概念partconcept以及用于描述概念屬性的attribute.概念之間的關(guān)系主要有三種:is-a關(guān)系;part-of關(guān)系和attribute-of關(guān)系[4].其中is-a關(guān)系為概念之間的一種最基本的關(guān)系,它表示一個超類和一個子類概念之間的關(guān)系.子概念全部繼承了其父概念.Part-of關(guān)系表示整體概念和部分概念間的整體—部分關(guān)系,部分概念組成了整體概念.例如,<“a wheel”part-of“a bicycle”>表示wheel是bicycle的組成部分.當(dāng)整體概念的一個實(shí)例被創(chuàng)建時(shí),其中所有的部分概念的實(shí)例也同時(shí)創(chuàng)建了.部分概念同時(shí)作為在整體概念中扮演的角色,也稱為角色概念.角色概念表示一個事物在一個特定的語境中扮演的角色,通常包括角色和角色扮演者.attribute-of關(guān)系表示某個概念為另外一個概念的屬性,例如red描述apple的屬性.利用概念和這三種關(guān)系就構(gòu)成了所要構(gòu)建的Ontology的概念元模型.

2 IT課程目標(biāo)Ontology的構(gòu)建

高中IT課程分為必修和選修兩個部分.必修部分包括“信息技術(shù)基礎(chǔ)”一個模塊;選修部分包括“算法與程序設(shè)計(jì)”、“多媒體技術(shù)應(yīng)用”、“網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用”、“數(shù)據(jù)管理技術(shù)”和“人工智能初步”5個模塊.可以根據(jù)布盧姆教學(xué)目標(biāo)分類原理對每個模塊的具體目標(biāo)進(jìn)行分類,這一部分以“信息技術(shù)基礎(chǔ)”模塊為例進(jìn)行說明.

2.1 概念的抽取與分類

根據(jù)布盧姆教學(xué)目標(biāo)分類原理以及國家頒布的《高中信息技術(shù)課程目標(biāo)》,信息技術(shù)基礎(chǔ)課程目標(biāo)模塊可以分為“信息獲取教學(xué)目標(biāo)”、“信息加工與表達(dá)教學(xué)目標(biāo)”、“信息資源管理教學(xué)目標(biāo)”和“信息技術(shù)與社會教學(xué)目標(biāo)”.以上幾個概念稱為一級概念,每一個一級概念需要進(jìn)一步的細(xì)化與分類.4個一級概念分別細(xì)化為3個二級概念,分別對應(yīng)布盧姆的教育目標(biāo)分類法.信息獲取教學(xué)目標(biāo)下面抽取了3個子概念:信息獲取的知識教學(xué)目標(biāo)、信息獲取的技能教學(xué)目標(biāo)、信息獲取的情感教學(xué)目標(biāo).這是對應(yīng)于布盧姆的教學(xué)目標(biāo)分類的,表1顯示了這種對應(yīng)關(guān)系.

表1 信息獲取子概念與布盧姆教學(xué)目標(biāo)分類對應(yīng)表

每一個二級概念同樣細(xì)化為三級概念,依據(jù)信息技術(shù)課程目標(biāo)中的內(nèi)容和教學(xué)設(shè)計(jì)思想來進(jìn)行本層次概念的細(xì)化.例如,對于信息獲取的知識教學(xué)目標(biāo),又可以分為以下幾個主要概念:信息的基本特征、信息技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例、信息技術(shù)的歷史和發(fā)展趨勢、信息來源多樣性.

每一級概念細(xì)化的依據(jù)是《高中信息技術(shù)課程目標(biāo)》、教學(xué)設(shè)計(jì)思想、信息技術(shù)學(xué)科內(nèi)容等.這些概念都可以用“is-a”關(guān)系和“part-of”關(guān)系描述.

2.2 IT課程目標(biāo)Ontology的構(gòu)建及圖形化表示

4個一級概念和IT基礎(chǔ)課程教學(xué)目標(biāo)構(gòu)成了is-a關(guān)系,即超—子概念關(guān)系.一級概念和二級概念間同樣構(gòu)成is-a關(guān)系.

這樣分類是因?yàn)樾畔@取教學(xué)目標(biāo)、信息加工與表達(dá)教學(xué)目標(biāo)、信息資源管理教學(xué)目標(biāo)、信息技術(shù)與社會教學(xué)目標(biāo)這4個概念是信息技術(shù)基礎(chǔ)教學(xué)目標(biāo)的子概念.is-a層級關(guān)系如圖1所示.概念后面的[+]表示該概念里面有子概念.

圖1 IT基礎(chǔ)課程教學(xué)目標(biāo)Ontology中的基本概念層

上面抽取出的每一個概念,都有其對應(yīng)的part-of和attribute-of關(guān)系,在此以“信息獲取的技能教學(xué)目標(biāo)”這個概念為例,來說明part-of層級關(guān)系的構(gòu)建.對于信息獲取的技能教學(xué)目標(biāo),分為以下幾個主要概念:“確定信息需求”、“分析信息來源”、“獲取信息的方法”、“判斷信息的價(jià)值”、“信息的下載及保存”.這幾個概念在“信息獲取的知識教學(xué)目標(biāo)”這個概念里分別扮演了不同的角色.從教學(xué)目標(biāo)的分級來看,以上幾個都屬于教學(xué)子目標(biāo),都受到“教學(xué)子目標(biāo)”這個類的限制,所以類約束均為教學(xué)子目標(biāo).教學(xué)子目標(biāo)在Ontology中另外有定義.這幾個概念和“信息獲取的技能教學(xué)目標(biāo)”之間用part-of關(guān)系來描述.

圖2顯示了其中一個概念的p/o關(guān)系,其他概念的層次關(guān)系不再列出.在圖2中概念框旁邊的[+]號,表示該概念有p/o或者a/o層級關(guān)系;在HOZO中,雙擊可折疊或展開;在展開狀態(tài)下,用戶可以為該概念添加或編輯p/o或者a/o層級關(guān)系.圖2還顯示了一個a/o關(guān)系,接下來論述這個關(guān)系的建立.

圖2 信息獲取的技能教學(xué)目標(biāo)p/o結(jié)構(gòu)

圖3 IT課程教學(xué)目標(biāo)Ontology

attribute-of關(guān)系用于對概念的屬性加以約束和限制.如教師備課書寫教案時(shí)常用的術(shù)語有教學(xué)方法、教學(xué)工具、對知識點(diǎn)的掌握程度(如知道、了解、熟練掌握等),對于這些教師熟悉的用語,在構(gòu)建Ontology的時(shí)候,把教學(xué)方法、教學(xué)工具、要求學(xué)生對知識和技能的掌握程度等分別以概念節(jié)點(diǎn)屬性的形式,在Ontology中用attribute-of關(guān)系進(jìn)行約束,以便于教師的使用.

從圖2可以看出,“信息獲取的技能教學(xué)目標(biāo)”里用“教學(xué)組織策略”作為其屬性,在教學(xué)設(shè)計(jì)中,實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)就要采取一定的教學(xué)組織策略,所以每個教學(xué)目標(biāo)的必然屬性就是教學(xué)組織策略.根據(jù)這個原理建立attribute-of層級關(guān)系,即a/o關(guān)系.

構(gòu)建出的Ontology整體結(jié)構(gòu)如圖3所示.

3 基于IT課程目標(biāo)Ontology的輔助教學(xué)系統(tǒng)

利用前面所構(gòu)建的Ontology,架構(gòu)輔助教學(xué)系統(tǒng),其體系結(jié)構(gòu)如圖4所示.

圖4 輔助教學(xué)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)有兩類用戶:教師和學(xué)習(xí)者.教師主要是在IT課程目標(biāo)Ontology的指導(dǎo)下制定或調(diào)整教學(xué)方案,上傳教學(xué)資源,并根據(jù)Ontology對教學(xué)資源進(jìn)行語義標(biāo)注,生成標(biāo)注文檔,存放到詞庫中.詞庫與教學(xué)資源庫是指向關(guān)系,即通過URI(Universal Resource Identifier)與具體的資源相關(guān)聯(lián).學(xué)習(xí)者通過該系統(tǒng)可以有兩種學(xué)習(xí)方式:1)基于IT課程目標(biāo)Ontology的學(xué)習(xí).用戶通過界面輸入要學(xué)習(xí)的知識點(diǎn),系統(tǒng)根據(jù) IT課程目標(biāo)Ontolo-gy,逐步提示用戶應(yīng)該學(xué)習(xí)什么,怎樣學(xué)習(xí).系統(tǒng)不僅提示用戶如何學(xué)習(xí),也為用戶提供獲得資源的渠道、獲取資源的工具等.目的是讓用戶知道,學(xué)習(xí)該知識點(diǎn)應(yīng)該如何學(xué)習(xí),如何獲取學(xué)習(xí)資源.2)基于教案的學(xué)習(xí).學(xué)習(xí)者在輸入頁面中輸入要學(xué)習(xí)的知識點(diǎn),系統(tǒng)根據(jù)學(xué)習(xí)者的輸入內(nèi)容查找教案庫,判斷教案庫中是否存在現(xiàn)成的相應(yīng)教案.如果有,點(diǎn)擊下載,進(jìn)行學(xué)習(xí);如果沒有,學(xué)習(xí)者可以按照IT課程目標(biāo)Ontology的提示,自組織資源進(jìn)行學(xué)習(xí),過程同1).

4 結(jié)束語

本文在Ontology概念及其概念的元模型基礎(chǔ)上搭建一個輔助教學(xué)系統(tǒng)模型,對教師的備課和教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行指導(dǎo),幫助學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí),為開發(fā)具有共享性和可重用性的教學(xué)平臺提供了必要的技術(shù)支撐.

[1]王曉東.基于Ontology知識庫系統(tǒng)建模與應(yīng)用研究[D].上海:華東師范大學(xué),2003:3-4.

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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

李雁飛(1979-),女,河南溫縣人,助教,碩士研究生,研究方向:基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程教育、語義Web及Ontology的應(yīng)用.