陳恒岳（中山市中等專業(yè)學(xué)校，中山　528458）

基于語(yǔ)義建模的個(gè)性化學(xué)習(xí)服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳恒岳
（中山市中等專業(yè)學(xué)校，中山528458）

1　語(yǔ)義Web概念

在XML2000年會(huì)上，互聯(lián)網(wǎng)的創(chuàng)始人Tim Berners-Lee推出了一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)——語(yǔ)義網(wǎng)。并對(duì)語(yǔ)義網(wǎng)做了如下解釋：“語(yǔ)義Web不是脫離現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的孤立網(wǎng)絡(luò)，而是當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)拓展，該網(wǎng)絡(luò)中的信息被標(biāo)記為機(jī)器可理解的意義，使得計(jì)算機(jī)和人類能夠更好地合作。語(yǔ)義Web描述了事物間的明顯關(guān)系，且包含語(yǔ)義信息，有利于機(jī)器的理解并進(jìn)行自動(dòng)處理”［1］。

語(yǔ)義Web的出現(xiàn)使得這些難題的解決成為可能，它使得計(jì)算機(jī)上的文本信息具有計(jì)算機(jī)可理解的語(yǔ)義，計(jì)算機(jī)通過(guò)判斷語(yǔ)義來(lái)建立資源之間的聯(lián)系，這使得互聯(lián)網(wǎng)成為了能夠理解人類語(yǔ)言的智能網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)資源實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)義級(jí)共享。將語(yǔ)義Web技術(shù)應(yīng)用于個(gè)性化學(xué)習(xí)服務(wù)系統(tǒng)的構(gòu)建中，主要是應(yīng)用其結(jié)構(gòu)體系中的XML、RDF以及Ontology層技術(shù)構(gòu)建用戶模型和課程知識(shí)本體，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)個(gè)性化服務(wù)功能。

2　模型基礎(chǔ)

在語(yǔ)義Web思想的指導(dǎo)下，運(yùn)用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)開發(fā)技術(shù)，本文構(gòu)建了兩個(gè)主要的模型：學(xué)習(xí)者模型和課程知識(shí)本體。

2.1學(xué)習(xí)者模型

學(xué)習(xí)者建模，實(shí)際上就是通過(guò)對(duì)學(xué)習(xí)者的信息進(jìn)行分析，得出系統(tǒng)可理解、可計(jì)算的過(guò)程。本文中，主要收集的學(xué)習(xí)者信息有：①學(xué)習(xí)者的一般信息（如姓名、年齡、聯(lián)系方式、地址、生日，專業(yè)等）；②學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)論壇中搜索或查詢的關(guān)鍵詞；③學(xué)習(xí)者在知識(shí)學(xué)習(xí)模塊中的瀏覽行為，記錄其瀏覽的章、節(jié)、知識(shí)點(diǎn)及停留時(shí)間；④學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)風(fēng)格或偏好；學(xué)習(xí)者提出的問題、發(fā)表的帖子或日志、回復(fù)的帖子或日志；⑤學(xué)習(xí)者的原有知識(shí)背景及學(xué)習(xí)過(guò)程中的知識(shí)狀態(tài)。

在構(gòu)建學(xué)習(xí)者模型的過(guò)程中，首先通過(guò)學(xué)前測(cè)試了解學(xué)習(xí)者的原有知識(shí)背景，從而確定學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)起點(diǎn)；同時(shí)對(duì)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)風(fēng)格依照所羅門學(xué)習(xí)風(fēng)格量表進(jìn)行測(cè)試，并存入到學(xué)習(xí)者的靜態(tài)特征庫(kù)中；在學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)過(guò)程中對(duì)學(xué)習(xí)者的各種學(xué)習(xí)行為（練習(xí)、提問題、發(fā)表的帖子日志、在各章節(jié)知識(shí)點(diǎn)的停留時(shí)間等）進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，獲得學(xué)習(xí)者的特征信息并存入學(xué)習(xí)者信息的動(dòng)態(tài)庫(kù)中。最后，通過(guò)一定的推理機(jī)制將個(gè)性化的內(nèi)容推薦給學(xué)習(xí)者。在整個(gè)過(guò)程中，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)根據(jù)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)行為更新學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)進(jìn)度以及學(xué)習(xí)者興趣子模型。

本模型中，提取學(xué)習(xí)者的興趣點(diǎn)是難點(diǎn)部分，本文中提出的學(xué)習(xí)者興趣點(diǎn)主要指的是學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過(guò)程存在難點(diǎn)問題，信息的來(lái)源主要是學(xué)習(xí)者提出的問題，發(fā)表的帖子、日志，回復(fù)的帖子、日志，練習(xí)測(cè)試中做錯(cuò)的題目等，通過(guò)分析學(xué)習(xí)者的這些信息，從而得到學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)過(guò)程中可能存在困難的知識(shí)點(diǎn)及對(duì)應(yīng)的核心概念，并以此為基礎(chǔ)為學(xué)習(xí)者在交流討論和個(gè)人空間中提供個(gè)性化推薦服務(wù)，幫助學(xué)習(xí)者進(jìn)一步學(xué)習(xí)相應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)，并最終獲得知識(shí)。學(xué)習(xí)者興趣概念的提取過(guò)程如圖2所示。

圖1　學(xué)習(xí)者模型

圖2　學(xué)習(xí)者興趣概念提取過(guò)程

（1）學(xué)習(xí)者信息收集階段：對(duì)學(xué)習(xí)者的各種學(xué)習(xí)行為記錄（提出的問題、發(fā)表的帖子、日志、回復(fù)的帖子、日志、練習(xí)測(cè)試中做錯(cuò)的題目、瀏覽的章節(jié)知識(shí)點(diǎn)時(shí)間）進(jìn)行收集，并做一些預(yù)處理，采用一定的措施，去除一些無(wú)用的信息，如瀏覽時(shí)間較短的數(shù)據(jù)可以丟棄，對(duì)信息的合法性檢查，多余字符的檢查等。

（2）語(yǔ)義處理階段：對(duì)各個(gè)類型的信息內(nèi)容進(jìn)行語(yǔ)義分析，并與課程知識(shí)本體庫(kù)進(jìn)行匹配，通過(guò)多次循環(huán)和關(guān)鍵詞匹配機(jī)制提取出所包含的核心概念，形成核心概念集。

（3）入庫(kù)階段：最后，將獲得的核心概念集存入到學(xué)習(xí)者興趣庫(kù)中，以備后續(xù)的個(gè)性化學(xué)習(xí)推薦服務(wù)提供基礎(chǔ)。

在學(xué)習(xí)者興趣概念的提取過(guò)程中，最關(guān)鍵的就是語(yǔ)義處理階段，該階段核心內(nèi)容是，如何分析學(xué)習(xí)者的信息內(nèi)容并獲得核心概念。其核心算法流程如圖3所示。

圖3　學(xué)習(xí)者興趣概念提取的算法流程圖

（1）首先對(duì)學(xué)習(xí)者的文本內(nèi)容進(jìn)行處理，如去除無(wú)效的字符、空格等。

（2）對(duì)文本內(nèi)容做了處理后，循環(huán)核心概念本體庫(kù)，判斷文檔中是否存在核心概念Ci，若存在，則統(tǒng)計(jì)該核心概念的個(gè)數(shù)，統(tǒng)計(jì)方法是把目標(biāo)內(nèi)容賦給一個(gè)字符串，然后把源目標(biāo)字符串替換成空值，如果源字符串總長(zhǎng)度減去賦值后的字符的總長(zhǎng)度除以目標(biāo)字符串的總長(zhǎng)度小于等于1，則目標(biāo)內(nèi)容中不存在重復(fù)字符串，如果大于1則存在重復(fù)字符串，進(jìn)而統(tǒng)計(jì)重復(fù)字符串個(gè)數(shù)即核心概念個(gè)數(shù)；若不存在，則退出循環(huán)。

（3）通過(guò)比較統(tǒng)計(jì)文檔中存在的核心概念的個(gè)數(shù)，確定個(gè)數(shù)最多的核心概念為用戶最為感興趣的概念，至此，就確定了學(xué)習(xí)者在某一個(gè)學(xué)習(xí)行為記錄中最為感興趣或存在學(xué)習(xí)困難的核心概念。

（4）判斷學(xué)習(xí)者興趣庫(kù)中該核心概念是否存在，若存在，則學(xué)習(xí)者興趣庫(kù)中的該核心概念對(duì)應(yīng)的value值自動(dòng)加1，并更新該學(xué)習(xí)者的該興趣概念所在的那條記錄；若學(xué)習(xí)者興趣庫(kù)中不存在該核心概念，則直接給value值賦為1，并將對(duì)應(yīng)的興趣核心概念直接添加入庫(kù)。

2.2課程知識(shí)本體

課程知識(shí)本體（CKO-Curricular Knowledge Ontology）是用來(lái)描述某個(gè)課程內(nèi)的一些核心概念及概念之間關(guān)系的本體，這些概念是該課程中被人們所共同認(rèn)可的要重點(diǎn)掌握的知識(shí)。根據(jù)課程的知識(shí)組織特性，基于本體的六個(gè)基本元素，其中概念和關(guān)系是最基本的兩個(gè)元素，因此從知識(shí)領(lǐng)域中提取出概念、對(duì)概念進(jìn)行層次劃分，是構(gòu)建本體最重要的工作。本研究中的課程知識(shí)本體的總體描述為如下的三元組：

其中，CKO表示課程知識(shí)本體；C表示從課程知識(shí)點(diǎn)中抽象或概括出的核心概念元數(shù)據(jù)，并包含有多個(gè)屬性描述，如概念名稱、創(chuàng)建時(shí)間、概念描述等；R表示核心概念之間的各種二元關(guān)系；K_R表示核心概念與知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)系，即掌握一個(gè)核心概念需要學(xué)習(xí)的知識(shí)點(diǎn)及相應(yīng)的學(xué)習(xí)資源。

在e-learning系統(tǒng)中，課程知識(shí)的樹形結(jié)構(gòu)是一種比較通用的知識(shí)組織形式，這種形式既有優(yōu)點(diǎn)也有缺點(diǎn)，優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在：具有明確的一條學(xué)習(xí)路徑，比較系統(tǒng)化，學(xué)習(xí)者按照自上而下的結(jié)構(gòu)逐漸掌握知識(shí)，并將各章節(jié)的知識(shí)系統(tǒng)的建構(gòu)起來(lái)。缺點(diǎn)是，這種結(jié)構(gòu)在具體的學(xué)習(xí)中，缺乏靈活度，因?yàn)樗髮W(xué)習(xí)者按照固定的模式或順序進(jìn)行學(xué)習(xí)。那么如何才能既保持知識(shí)的客觀邏輯關(guān)系，又能根據(jù)學(xué)習(xí)者的不同需求進(jìn)行知識(shí)的靈活提供呢？本體就可以解決這個(gè)問題。本文參考了本課題組原有的研究基礎(chǔ)，并在此基礎(chǔ)上擴(kuò)展和豐富了核心概念間的關(guān)系種類，利用了本體思想構(gòu)建了包括樹形層次組織和關(guān)系組織的課程知識(shí)組織結(jié)構(gòu)。如圖4所示［8］。

樹形層次結(jié)構(gòu)由課程由章、節(jié)、知識(shí)點(diǎn)組成，學(xué)習(xí)資源由問題庫(kù)和試題庫(kù)以及多媒體資源庫(kù)組成；關(guān)系組織，是從每個(gè)知識(shí)點(diǎn)中抽象概括出核心概念，所謂核心概念即學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)某門課程內(nèi)容所必須掌握的核心知識(shí)對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵詞，不僅包括理論知識(shí)，還可包括實(shí)踐基礎(chǔ)、思維方法等，并且核心概念之間有嚴(yán)密的邏輯關(guān)系，所組成的關(guān)系圖可以代表本課程內(nèi)容的知識(shí)體系結(jié)構(gòu)［4，8］。本文在課題組的原有研究基礎(chǔ)上將核心概念之間的關(guān)系豐富為以下五組關(guān)系：父子關(guān)系、前驅(qū)后繼關(guān)系、整體部分關(guān)系、相關(guān)關(guān)系和相似關(guān)系。由核心概念及其語(yǔ)義關(guān)系以及與知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)系就構(gòu)成了課程知識(shí)本體。

圖4　課程組織結(jié)構(gòu)

3　個(gè)性化學(xué)習(xí)服務(wù)模塊的設(shè)計(jì)

當(dāng)學(xué)習(xí)者登錄到學(xué)習(xí)系統(tǒng)中，系統(tǒng)提示學(xué)習(xí)者進(jìn)行學(xué)習(xí)風(fēng)格測(cè)試和學(xué)前測(cè)試，得到學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)風(fēng)格和原有知識(shí)背景，從而初始化學(xué)習(xí)者模型，知識(shí)學(xué)習(xí)模塊中學(xué)習(xí)資源的提供就是根據(jù)初始化模型中學(xué)習(xí)風(fēng)格測(cè)試結(jié)果進(jìn)行；通過(guò)學(xué)前測(cè)試獲得學(xué)習(xí)者的原有知識(shí)背景，確定學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)課程的起點(diǎn)知識(shí)并推薦學(xué)習(xí)者從此起點(diǎn)開始學(xué)習(xí)。隨著學(xué)習(xí)者不斷的學(xué)習(xí)，系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)行為，并根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)修改和更新學(xué)習(xí)者模型。個(gè)性化學(xué)習(xí)服務(wù)模塊的過(guò)程詳細(xì)設(shè)計(jì)如圖5所示。

系統(tǒng)根據(jù)學(xué)習(xí)者興趣概念提取的算法流程分析學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)行為記錄，提取學(xué)習(xí)者的興趣概念并存入學(xué)習(xí)者興趣庫(kù)，然后根據(jù)用戶名查詢學(xué)習(xí)者模型，找到學(xué)習(xí)者的興趣概念，再根據(jù)課程知識(shí)本題庫(kù)中的各種語(yǔ)義關(guān)系，獲得學(xué)習(xí)者感興趣的各種學(xué)習(xí)資源。

圖5　個(gè)性化學(xué)習(xí)服務(wù)模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì)圖

4　基于語(yǔ)義建模的個(gè)性化學(xué)習(xí)服務(wù)系統(tǒng)的功能架構(gòu)

本系統(tǒng)的功能架構(gòu)如圖6所示。

主要功能有：

（1）注冊(cè)登錄模塊：學(xué)習(xí)者首先要進(jìn)行注冊(cè)，輸入一些基本的信息，學(xué)習(xí)者只有注冊(cè)成功后，才可以進(jìn)入學(xué)習(xí)系統(tǒng)進(jìn)行學(xué)習(xí)及相關(guān)功能的使用。

（2）課程學(xué)習(xí)模塊：該模塊主要是為學(xué)習(xí)者提供學(xué)習(xí)課程知識(shí)的地方，系統(tǒng)提供了大量學(xué)習(xí)資源，在這里學(xué)習(xí)者可以根據(jù)自己的需要進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。

（3）交流互動(dòng)模塊：該模塊為學(xué)習(xí)者提供了一個(gè)討論區(qū)，學(xué)習(xí)者可以到此發(fā)表學(xué)習(xí)過(guò)程存在的疑問，與其他學(xué)習(xí)者進(jìn)行討論，根據(jù)合作學(xué)習(xí)的特點(diǎn)，通過(guò)激烈的討論，學(xué)習(xí)者更能夠理解知識(shí)，從而獲得知識(shí)。交流討論區(qū)、是教師組織學(xué)生在線討論的有效工具，讓學(xué)生在討論中快樂地獲得知識(shí)。針對(duì)不同的主題或者問題，師生、生生之間展開討論，有利于知識(shí)的獲取，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

（4）智能答疑模塊：該模塊是沿用本課題組的已有研究成果，不是本研究的重點(diǎn)內(nèi)容，這里簡(jiǎn)單介紹其功能。由于教師不可能實(shí)時(shí)在線，故而設(shè)計(jì)了一個(gè)智能答疑的模塊，將課程學(xué)習(xí)中學(xué)習(xí)者可能會(huì)遇到的問題構(gòu)成一個(gè)經(jīng)典問題庫(kù)，當(dāng)學(xué)生提出問題時(shí)，系統(tǒng)檢查經(jīng)典問題庫(kù)，如果經(jīng)典問題庫(kù)中有相關(guān)的問題，則系統(tǒng)自動(dòng)將答案顯示出來(lái)；若經(jīng)典問題庫(kù)中也不存在，則返回與該核心概念相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的資源，從而幫助學(xué)習(xí)者解決疑難問題。

（5）練習(xí)測(cè)試模塊：學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)完每章內(nèi)容時(shí)，系統(tǒng)提示其進(jìn)行章練習(xí)測(cè)試，通過(guò)練習(xí)測(cè)試幫助學(xué)習(xí)者鞏固學(xué)習(xí)的知識(shí)。

（6）個(gè)人空間模塊：該模塊主要是給學(xué)習(xí)者一個(gè)學(xué)習(xí)的空間，在這里，學(xué)習(xí)者可以發(fā)表學(xué)習(xí)課程中的疑惑及感悟，同時(shí)可以了解到其他學(xué)生的學(xué)習(xí)感悟，以寫日志（博客）的方式進(jìn)行學(xué)習(xí)，記錄所思所想，不斷總結(jié)反思，完成顯性知識(shí)與隱性知識(shí)的轉(zhuǎn)換，同時(shí)也是一個(gè)和別人交流的平臺(tái)。

個(gè)性化學(xué)習(xí)推薦模塊：主要是根據(jù)學(xué)習(xí)者模型和課程知識(shí)本體，為學(xué)習(xí)者提供個(gè)性化推薦服務(wù)，其個(gè)性化服務(wù)分布在上述六個(gè)模塊中。

5　結(jié)語(yǔ)

圖6　基于語(yǔ)義建模的個(gè)性化學(xué)習(xí)服務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)

本文嘗試運(yùn)用語(yǔ)義Web思想和傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合的方法，構(gòu)建一個(gè)個(gè)性化學(xué)習(xí)推薦系統(tǒng)。該系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是根據(jù)學(xué)習(xí)者的特征為學(xué)習(xí)者提供不同學(xué)習(xí)策略，并通過(guò)分析學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)行為記錄，挖掘出學(xué)習(xí)者感興趣的核心概念，基于學(xué)習(xí)者感興趣的核心概念庫(kù)及課程知識(shí)本體在各個(gè)功能模塊中為學(xué)習(xí)者推薦個(gè)性化的學(xué)習(xí)內(nèi)容，從而解決學(xué)習(xí)者的個(gè)性化需求以及知識(shí)迷航等問題。

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Semantic Modeling；Personalized Service；Learners Model；Individualized Learning Service System

Design of Individualized Learning Service System Based on the Semantic Modeling

CHEN Heng-yue
（Zhongshan Secondary Specialized School，Zhongshan 528458）

1007-1423（2015）21-0058-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.21.015

陳恒岳（1985-），女，廣東中山人，研究生碩士，助理講師，研究方向?yàn)閭€(gè)性化推薦系統(tǒng)的開發(fā)、ASP.NET開發(fā)

2015-05-19

2015-07-09

網(wǎng)絡(luò)的快速普及，各種網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)發(fā)展的如火如荼，提高學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)效率，豐富學(xué)習(xí)者獲得知識(shí)的途徑，但網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)系統(tǒng)普遍存在一些問題，如僅僅是資源的羅列和呈現(xiàn)方式的簡(jiǎn)單化、與學(xué)習(xí)者互動(dòng)性不強(qiáng)，缺乏個(gè)性等，并且出現(xiàn)知識(shí)迷航的現(xiàn)象。因此，一種滿足學(xué)習(xí)者個(gè)性化的學(xué)習(xí)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

語(yǔ)義建模；個(gè)性化學(xué)習(xí)；學(xué)習(xí)者模型；個(gè)性化學(xué)習(xí)服務(wù)系統(tǒng)

With the rapid popularity of the network，a variety of online learning development is in full swing，which improves learning efficiency and enriches the learners'way to acquire knowledge.But the e-learning systems have some common problems，such as simply a list of resources and the presentation of simplification，and learner's interaction is not enough，the lack of personality，etc.，and appears the emergence of knowledge trek phenomenon.Thus，a system which meets the learners'personalized learning comes into being.