方葉祥+陳曉猛+劉碧云

摘 要：教學起點的公平在教學公平上具有顯著意義，本科畢業(yè)設計教學力量的配置屬于畢業(yè)設計的教學起

點。文章針對目前本科畢業(yè)設計環(huán)節(jié)師生雙選無法公平這一現(xiàn)象，給出了基于本體的解決方案，方案以本體庫為師生互選的媒介，將師生的意愿轉化為知識之間的語義匹配問題，用人機交互代理引導學生表達真實的意愿，設計師生交互作業(yè)模型。這種基于個性化考慮的匹配本體知識庫結構，能夠實現(xiàn)師生公平雙選。

關鍵詞：教學公平；畢業(yè)設計；本體；公平配置

中圖分類號：G640 文獻標識碼：A 文章編號：1002-4107（2014）01-0058-03

教學公平是指教學主體在教學態(tài)度、教學參與機會、教學資源配置、教學方法選用、教學評價等方面所采取的比較合理性行為。教學公平作為教育公平的要求與體現(xiàn)，是教學發(fā)展的必然要求，也是教學有效性的客觀要求。它具有以下四種屬性：（1）協(xié)同性；（2）差異性；（3）整體性；（4）共益性[1]。教育社會學家認為， 教學平等（ 公平） 可以從三個層面加以考察： 即教育起點、教育過程和教育結果， 這三個層面既相互區(qū)別又相互聯(lián)系。起點公平是教育公平權益的前提， 是宏觀的和顯性的[2]。過程的任何一個環(huán)節(jié)的不公平都會影響整體教學有效性。教育結果的評價合理性是教育公平的又一顯性指標。因而，一個公平的教學方式應該在各個環(huán)節(jié)都予以公平性設計。

畢業(yè)設計（論文）是實現(xiàn)本科階段培養(yǎng)目標的重要教學環(huán)節(jié)。畢業(yè)設計（論文）在培養(yǎng)學生探索真理、增強社會意識、訓練科學素質、提高綜合實踐能力與素質等方面具有不可替代的作用，是教學與生產(chǎn)勞動和社會實踐相結合的重要形式，對培養(yǎng)大學生的創(chuàng)新能力、實踐能力和創(chuàng)業(yè)精神具有重要作用。師生雙選是開展這項教學活動的第一步。由于學生之間的學習態(tài)度、學習成績存在差異，同時教師本人的繁忙程度、教學態(tài)度和水平也存在差異，從而導致不同的師生組合對結果具有重大的影響，這個影響直接關系到對學生成績評價和教師工作評價，因而，師生雙方都愿意選擇優(yōu)秀的一方作為自己的組合。如果將師生看作知識創(chuàng)造的服務資源，那么，這個教學管理問題可以抽象為知識創(chuàng)造過程中服務資源配置的公平性研究。

為了實現(xiàn)雙選的客觀性，目前有很多做法：（1）教師匿名給出選題，學生選題。由于一人一題，題目有難有易，簡單的題目可能很快被選掉，剩余的較難的題目可能對那些本來綜合能力就不是很強的學生來說難度太大，后選的人沒有實現(xiàn)自己的愿望。這個方法非常欠缺公平性。（2）也有的研究者采用隨機篩選法[3]，即將教師編號，學生隨機抽簽選擇教師，之后再由教師確立課題，缺點是不確定性太大。學生抽到的教師可能與他所選的專業(yè)發(fā)展方向相關聯(lián)度不大、學生與教師之間關系不是很融洽。（3）學生自由申報課題方向，學校為學生指定相關方向的教師。缺點是學生根據(jù)自己的興趣及未來的工作或者學習方向來申報自己喜歡的又能掌握的課題，但對綜合能力不是很強的學生來說，自己獨立申報課題本身就是個難題，如果再在此基礎上做畢業(yè)設計，很可能這些學生的畢業(yè)設計成績會比較低。因而，尋找一個能兼顧師生意愿和公平的師生配置的方法是非常重要的，也是困難的。這也是本文需要解決的問題。

一、解決方案的特征分析

教學實踐表明，本科生由于自身的知識水平所限，對自己大學四年下來的知識體系還未建立有機的聯(lián)系，還不能夠自己尋找一個科學問題展開研究（這是博士階段的任務）。尤其是文科方面，由于問題的邊界界定比較困難，學生更感到研究的茫然，對自己內(nèi)心到底需要研究什么樣科學問題是模糊的，所以，需要一個工具幫助學生明確自己的需求。此外，教師本人由于受過專業(yè)研究訓練，明確地知道自己要研究的內(nèi)容，迫切希望能夠帶到優(yōu)秀學生，為了避免由于教師身份等知識外差異帶來的干擾，要有一個工具能夠屏蔽教師的個人信息而只保留教師的知識信息。

因而，一個理想的解決方案是在師生之間有一個真實傳遞彼此意愿并且能夠自動找到彼此意愿的工具，這個工具具備這樣的智能，這樣工具本身的客觀性可以提高師生滿意度。

綜上，解決方案中的工具應該具備如下特征：（1）須能夠體現(xiàn)師生的真實意愿；（2）須能夠幫助師生找到自己的真實意愿；（3）須具有客觀性、智能性，便于計算機計算；（4）能夠有效減少權力等因素對教學力量配置的影響。

二、基于領域本體匹配的公平資源配置模型

本體（Ontology）是哲學上的一個概念，是對客觀存在的事物的一個系統(tǒng)解釋或說明，關注客觀事物的本質抽象和聯(lián)系。后來，人們將本體的概念引入計算機的人工智能領域，Neches等將其定義為：“給出構成相關領域詞匯的基本術語和關系，并對利用基本術語和關系構建的詞匯的外延進行規(guī)則化定義。”[4]Studer認為本體是一個“共享概念模型的明確的形式化規(guī)范說明”[5]，通過對某個領域內(nèi)的概念以及概念之間的關系描述，提供一個共同認可的、明確和唯一的定義，便于人機之間交流、機器之間交流和推理。Fensel對這個定義進行分析后認為Ontology的概念包括四個主要方面：（1）概念化（conceptualization）：客觀世界的現(xiàn)象的抽象模型；（2）明確（explicit）：概念及它們之間聯(lián)系都被精確定義；（3）形式化（formal）：精確的數(shù)學描述；（4）共享（share）：本體中反映的知識是其使用者共同認可的。本體的目標是捕獲相關領域的知識，提供對該領域知識的共同理解，確定該領域內(nèi)共同認可的詞匯，并從不同層次的形式化模式上給出這些詞匯（術語）和詞匯間相互關系的明確定義?？偟膩碚f，構造本體可以實現(xiàn)某種程度的知識共享和重用，以及提高系統(tǒng)通信、互操作、可靠性的能力。

所以，本體為不同對象之間交流提供了媒介。

正是本體的明確化和唯一性以及媒介特征讓我們可以充分地表達自己的意愿，并被準確地推理和傳遞。讓我們聯(lián)想到，若在師生之間建立一個基于知識的意思表達，則更能表達教學的本質（教學應該是知識的傳遞和創(chuàng)新），師生將自己的意愿通過結構化的知識表達，則更能體現(xiàn)心聲，那么資源的配置就可以轉化為結構化知識之間的匹配問題。因此，我們構建如下的資源配置模型，如圖1所示。endprint

該模型的運作流程是：首先由專業(yè)教師組成本領域的專家，構建領域本體知識庫，然后，學生閱讀該庫，同時，在自己的工作桌面有一個按照本體庫的結構需求表單，學生填寫，完畢提交給系統(tǒng)，由系統(tǒng)自己去匹配計算。教師群體在充分討論協(xié)商后，確定本體庫，給出本體庫修改的開放接口，以便未來對本體庫維護、更新。之后，教師個人提交自己的題目并給出按照本體庫結構建立的知識結構向量，提交給系統(tǒng)，由系統(tǒng)匹配計算。

圖1 兼顧公平的服務資源配置模型

三、本體及本體庫結構設計

出于對各自問題域和具體工程的考慮，構造本體的過程各不相同。目前沒有一個標準的本體的構造方法。不過在構造特定領域本體的過程中，有一點是得到大家公認的，那就是需要該領域專家的參與。最有影響的是Gruber（Toward Principles for the Design of Ontologies Used for Knowledge Sharing）在1995年提出的5條規(guī)則：（1）清晰（Clarity）：本體必須有效地說明所定義術語的意思。定義應該是客觀的，與背景獨立的。（2）一致（Coherence）：本體應該是一致的，也就是說，它應該支持與其定義相一致的推理。（3）可擴展性（Extendibility）：本體應該為可預料到的任務提供概念基礎。（4）編碼偏好程度最?。∕inimal encoding bias）：概念的描述不應該依賴于某一種特殊的符號層的表示方法。（5）本體約定最小（Minimal ontological Commitment）：本體約定應該最小，只要能夠滿足特定的知識共享需求即可。

本體的構建方法有很多種，常見的有：Tove、Methontology、骨架法、kactus法、IDEF、Sensus和七步法。本體庫的特征應該是一個智能學習庫，任何一個領域的概念可以在領域本體內(nèi)找到，并有它與其他概念之間關系的網(wǎng)絡圖。

就本課題來說，本體的結構樹可以按照專業(yè)領域、學科方向、應用、知識點這樣四元組來構建， 如圖2所示。本體庫采用面向對象技術來開發(fā)，建立基于繼承的類結構，用類的屬性表達其特征以及它與其他概念（也是一個類）之間親緣關系，用行為來表達其判斷、推理、學習等行為。本體庫功能包括：瀏覽、重構、自學習、用戶意思翻譯等。

四、人機交互的知識匹配結構及其算法設計

（一）人機交互的知識匹配結構

如果在工作時，無論學生還是教師的工作桌面就是一個人按照本體結構設計的人機交互代理的話，那么，知識之間的匹配比關鍵詞搜索匹配還要簡單。但是，現(xiàn)在的教育越來越強調(diào)個性化。因此，完全基于領域本體的人機交互還不能完全表達學生甚至教師的意愿，譬如交叉學科的選題就無法在領域本體內(nèi)實現(xiàn)，即便教師設計了交叉學科，學生由于搜索不到而傾向于無交叉學科，因而，本體只是其核心，實際的交互應能適應更自然的表達。尤其是現(xiàn)代科學發(fā)展的一個基本特征是學科交叉，如何表達不同學科之間的聯(lián)系是對領域本體的擴展。

就目前交叉學科的基本特征來看，學科交叉的特征是一個領域采用另外一個領域的思想或方法來解決本領域的問題，所以，“方法”應作為一個共有屬性，包含到知識點中，這樣就解決了不同學科之間的聯(lián)系問題。

最后一個是興趣的知識表達問題，學生對自己的興趣通常是包含兩個部分：本專業(yè)的和其他領域的或是一個現(xiàn)象。對于本專業(yè)學生可以進行知識的表達，對其他領域的或一個現(xiàn)象它所蘊涵的知識學生不能明確表達，因而，若要在學生工作桌面允許學生填寫興趣這樣的匹配項，則系統(tǒng)應該能夠幫助學生找到相關領域。這就要求系統(tǒng)支持對自然語言的語義識別。由于是畢業(yè)設計，所以，教師的出題不可能天馬行空，就選題性質來說，無外乎理論性、應用性還有生產(chǎn)實踐課題，即教師能夠從事的科研活動決定選題的范圍是有限的。

綜上，我們設計如下的二進制匹配結構。

圖3 支持人機交互的匹配結構設計

圖3中學科編碼為三位表達了可以涵蓋8個學科，目前高校一般的學科包括：理、工、文、史、哲、醫(yī)、農(nóng)等幾大學科，專業(yè)方向設置為8個方向，也夠用了；32個大的知識點，如果一門課有8章的話，則一個專業(yè)方向可涵蓋4門課，8個方向可以涵蓋32門專業(yè)課，這已經(jīng)超越一般本科的教學計劃，已經(jīng)足夠適應各個高校了。選題性質就兩類，即設計和論文，興趣此處用以表達課題來源，即理論、應用、生產(chǎn)實踐、卓越工程師計劃、大學生創(chuàng)新訓練計劃等。此處采用三位編碼可以表達8種情形，也夠用了。

（二）算法設計

這樣我們將師生的匹配轉換為師生各自獨立給出的結構相似度計算，利用本體來計算兩個概念之間的相似度，其前提條件是：兩個概念間具有一定的語義相關性，在概念結構樹上存在相似的路徑。Resnik 根據(jù) 2 個詞的公共祖先節(jié)點的最大信息量來衡量 2 個詞的語義相似度[6]；Agirre 在利用 WordNe計算詞語的相似度時，考慮了語義距離、概念層次樹的深度和概念層次樹的區(qū)域密度[7]。文獻提出基于距離的語義相似度計算模型，這種模型簡單直觀，但它非常依賴預先建立好的本體層次網(wǎng)絡[8]。

為了保證系統(tǒng)運行的健壯性，本文在上文建立的結構樹基礎上，采用如下算法：

R=w1*d1+w2*d2+w3*d3+w4*d4………………………（1）

式（1）中di（i=1，2，3，4）分別表示圖3中各種編碼與學生所填的距離，wi（i=1，2，3，4）分別表示各種編碼的權重， ，其中，

最后，將所有匹配按照R值的大小排序，最大者顯示給學生，由學生確定，完成匹配。

教學起點的公平在教學公平上具有顯著意義，本科畢業(yè)設計教學力量的配置屬于畢業(yè)設計教學起點。本文采用本體作為師生雙選的媒介，將師生的意愿轉化為知識之間的語義匹配問題，設計了師生交互作業(yè)模式，建立了本體的知識結構，給出了語義相似度算法，實現(xiàn)了師生的公平選擇，有利于學生明確自己的意愿。通過對本體的擴展構成人機交互代理，更能實現(xiàn)個性化培養(yǎng)，最終實現(xiàn)公平、個性化教學管理任務。

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