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摘要: 智能导师系统(ITS)是教育技术领域的研究前沿和热点之一。然而,ITS的开发研究仍然存在着诸如理论基础、系统建模、关键开发技术和教学应用等许多问题与困难。本文通过对ITS开发中的自然语言交互、领域知识表示、教学策略运用、学生模型建造等问题的分析,提出了基于本体的解决方法,以期对智能教学系统开发的深入研究有所裨益。
关键词:本体;智能导师系统
一、智能导师系统的研究现状
智能导师系统,是指具有某一领域学科知识和相关的教学知识,能对学生进行个别化教学,在一定程度上模拟人类教学专家或有经验的教学导师进行教学活动的计算机软件系统。较为著名的智能导师系统有SCHOLAR、TUTOR、WHY、WEST、BUGGY、LMS、ACTP、SIERRA和SHERLOCK等。智能导师系统由人机智能接口模块、领域专家知识模块、教学策略模块和学生模型模块四部分组成。
国外ITS研究集中在美国、欧洲和日本,研究主体是高校。特别是美国,一些著名大学纷纷加入ITS的研究和开发行列,开发出了学科范围覆盖广、智能化程度较高的ITS应用系统。国内ITS的研究起步较晚,只有少量的研究工作在大学和研究机构中进行,研制的多数是供研究和演示用的概念系统。2000年以后,ITS的发展加快,随着一些著名的IT教育公司的加入和国家对教育信息化的政策性推动,出现了一些实用的智能教学系统。
二、智能导师系统开发中的困境
1.自然语言的理解与交互。目前的ITS系统主要通过语音识别技术、模糊查询技术和机器翻译技术来实现自然语言理解和交互,造成智能导师系统的交互智能化程度低。
2.领域知识的建造与重用。现有的ITS系统均能够建立自身的领域知识库,但是这些知识库只能在本系统内使用,系统之间的知识共享和重用基本无法实现,加大了ITS系统的封闭性。
3.教学策略的智能运用。大部分ITS都采用产生式规则形成教学策略。由于系统没有一个对学生实际学习情况进行理解的语义机制,它产生的教学策略往往与学生的实际学习情况和需要并不吻合,从而失去了其导学的智能性。
4.智能化学生模型的建造。覆盖模型要求学生的思维方式和过程与领域专家的相一致,这在很大程度上限制了学生思维的个性和创造性,与教学目标明显相悖。偏差模型虽然允许学生思维有独创性,但学生思维与专家有较大区别时,系统往往又难以判断学生思维的正确性。贝叶斯方法建立在对学生的大量原始数据的挖掘基础上,实际操作中存在很大困难。
简而言之,这些困境的共同点都在知识的表征、沟通、共享和重用。在AI领域,本体论就是解决知识的表征、沟通、共享和重用问题的有效工具。
三、本体:ITS开发的方法论
人们发现,计算机系统对信息和知识的处理并不能像人那样具有灵活性和智能化,人与机器之间、机器与机器之间的沟通与交流也显得困难重重。究其原因,是计算机软件应用系统中缺少类似人类大脑中的“知识结构”那样的部分来描述外部客观世界的本质,并通过这种描述去解决知识表示问题和实现有意义的交流、沟通。于是,研究人员借用了“本体”这一哲学名词来表达系统中的“知识结构”,即为计算机系统建立有关客观世界的本体。
1.本体的基本概念。
本体,指的是“被共享的概念化的一个形式化的规格说明”。概念化,是指通过标识某个现象的相关概念而得到这个现象的抽象模型,它明确了所用到的概念的类型,以及定义概念使用的约束等;形式化是指本体应该是机器可读的;共享则反映了这样一个观念,即本体获取了群体对事物的一致的知识,它不是某个个体私有的,而是被一个群体所接受的。
2.本体的作用。
总的来说,构造本体的目的都是为了实现某种程度的知识共享和重用。所以,本体的作用主要有以下两方面:第一、本体的分析澄清了领域知识的结构,从而为知识表示打好基础。本体可以重用,从而避免重复的领域知识分析;第二、统一的术语和概念使知识共享成为可能。Uschold等人总结了本体在通讯、互操作和系统工程中的作用,值得我们借鉴。
3.建立本体的方法。
比较成熟的本体开发模式是Uschold的本体建立模式。该模式提出,建立本体的4个主要步骤是:第一步,明确建立本体的目的和所建立的本体的范围;第二步,建立本体;第三步,对所建立的本体进行评价;第四步,形成文档。
四、本体在ITS开发中的应用
基于本体的智能导师系统建模,关键是在原有模型的基础上建立学科领域本体、教学策略本体和学习者本体,以这些本体为支撑建立领域知识库、教学策略库和学生模型,实现智能教学系统中领域知识模块、教学策略模块和学生模型的语义沟通、知识共享和重用。同时,使得建立在相同本体基础之上的不同系统之间也能够实现资源共享和互相操作。
1.基于本体的智能教学系统框架。
建立基于本体的智能教学系统框架模型,如图所示。
2.基于本体的领域知识库的建造。
首先,按照Uschold的本体建立模式建立相关学科领域的本体,如:教育技术学科本体。它包含教育技术学科的基本概念、概念之间的关系、本体的约束和实例。然后,在此基础上对领域本体进行形式化描述,形式化描述可采用RDF或XML来进行。最后,形成领域本体库。
其次,基于领域本体建立领域知识库(即具体的领域知识内容)。基于领域本体的学科知识库为学科知识的表示、理解和共享提供统一的词汇术语表,解决智能教学系统中人—人交流、人—机交互和Agent之间通讯的语义歧义和沟通效率低下的问题。基于本体的领域知识库的可重用性也大大提高,在系统建构中较好地解决领域知识库重复开发的问题。
3.基于本体的教学策略库。
教学策略是对完成教学目标而采取的教学活动程序、方法、形式和媒体等因素的总体考虑,由此可见教学策略最终体现在教学活动上。建立教学活动的本体将在很大程度上便利教学策略的跨学科、跨系统和智能化运用。以活动理论为指导,教学活动主要由参与角色(学生、教师等)、教学目标、媒体工具、教学行为和教学评价等要素构成。在分析这些要素及其关系的基础上,我们可以建立起一些具体的教学活动的本体,如:问题解决活动、讲授活动、讨论活动、辩论活动、协商学习活动等。基于教学活动本体,可以建立跨学科、跨系统和智能化的教学策略库。
4.基于本体的学生模型建造。
学习者本体是关于学生的更高层次的知识,这种知识的获取将有利于建造更加灵活和个性化的学生模型。学习者本体主要由以下因素构成:知识水平、认知能力、认知风格、学习习惯、情感气质、个人信息等。其本体建立的方法与领域本体基本相同。
在学习者本体的基础上,可应用贝叶斯方法在本体层次上对学生的数据进行挖掘,提高学生模型建立的效率。
5.基于本体的自然语言交互。
智能教学系统实现自然语言交互的关键在于计算机对自然语言的理解和自然语言的生成。领域本体为计算机的自然语言理解和自然语言生成提供了一个明确的词汇术语表,再结合语音识别技术、模糊推理技术和人工神经网络,将有效解决自然语言交互的问题。
随着ITS研究的深入,本体论方法成为了解决ITS相关问题的重要方法,ITS中的本体论这一研究方向将受到更多的关注。但是,本体在ITS研发过程中仍然存在许多问题,如理论研究滞后于实践、本体的建立和评价方法仍不完善、本体自身的可重用性问题等,这些问题都需要解决。
(作者单位:广东外语艺术职业学院)
参考文献:
[1]陆汝衿主编.金芝:知识工程中的本体论研究·世纪之交的知识工程与知识科学[M].北京:清华大学出版社,2001.
[2]邓志鸿等.Ontology研究综述[J].北京大学学报(自然科学版). 2002,9(5).
[3]Mike Uschold,Martin King Stuart Moralee,Yannis Zorgios.The enterprise ontology[J].[OL].
http://mis.uoa.gr/Portals/57ad7180-c5e7-49f5-b282-c6475cdb7ee7/Temp/98-ker-ent-ontology.pdf,2009-05-26.
[4]Guarino.Understanding,building and using ontologies.International journal of human and computer studies[J].Vol.46(3/4).
[5]莫赞等.智能教学系统的发展与前瞻[J].计算机工程与应用,2002,(6).
见习编辑赖俊辰
关键词:本体;智能导师系统
一、智能导师系统的研究现状
智能导师系统,是指具有某一领域学科知识和相关的教学知识,能对学生进行个别化教学,在一定程度上模拟人类教学专家或有经验的教学导师进行教学活动的计算机软件系统。较为著名的智能导师系统有SCHOLAR、TUTOR、WHY、WEST、BUGGY、LMS、ACTP、SIERRA和SHERLOCK等。智能导师系统由人机智能接口模块、领域专家知识模块、教学策略模块和学生模型模块四部分组成。
国外ITS研究集中在美国、欧洲和日本,研究主体是高校。特别是美国,一些著名大学纷纷加入ITS的研究和开发行列,开发出了学科范围覆盖广、智能化程度较高的ITS应用系统。国内ITS的研究起步较晚,只有少量的研究工作在大学和研究机构中进行,研制的多数是供研究和演示用的概念系统。2000年以后,ITS的发展加快,随着一些著名的IT教育公司的加入和国家对教育信息化的政策性推动,出现了一些实用的智能教学系统。
二、智能导师系统开发中的困境
1.自然语言的理解与交互。目前的ITS系统主要通过语音识别技术、模糊查询技术和机器翻译技术来实现自然语言理解和交互,造成智能导师系统的交互智能化程度低。
2.领域知识的建造与重用。现有的ITS系统均能够建立自身的领域知识库,但是这些知识库只能在本系统内使用,系统之间的知识共享和重用基本无法实现,加大了ITS系统的封闭性。
3.教学策略的智能运用。大部分ITS都采用产生式规则形成教学策略。由于系统没有一个对学生实际学习情况进行理解的语义机制,它产生的教学策略往往与学生的实际学习情况和需要并不吻合,从而失去了其导学的智能性。
4.智能化学生模型的建造。覆盖模型要求学生的思维方式和过程与领域专家的相一致,这在很大程度上限制了学生思维的个性和创造性,与教学目标明显相悖。偏差模型虽然允许学生思维有独创性,但学生思维与专家有较大区别时,系统往往又难以判断学生思维的正确性。贝叶斯方法建立在对学生的大量原始数据的挖掘基础上,实际操作中存在很大困难。
简而言之,这些困境的共同点都在知识的表征、沟通、共享和重用。在AI领域,本体论就是解决知识的表征、沟通、共享和重用问题的有效工具。
三、本体:ITS开发的方法论
人们发现,计算机系统对信息和知识的处理并不能像人那样具有灵活性和智能化,人与机器之间、机器与机器之间的沟通与交流也显得困难重重。究其原因,是计算机软件应用系统中缺少类似人类大脑中的“知识结构”那样的部分来描述外部客观世界的本质,并通过这种描述去解决知识表示问题和实现有意义的交流、沟通。于是,研究人员借用了“本体”这一哲学名词来表达系统中的“知识结构”,即为计算机系统建立有关客观世界的本体。
1.本体的基本概念。
本体,指的是“被共享的概念化的一个形式化的规格说明”。概念化,是指通过标识某个现象的相关概念而得到这个现象的抽象模型,它明确了所用到的概念的类型,以及定义概念使用的约束等;形式化是指本体应该是机器可读的;共享则反映了这样一个观念,即本体获取了群体对事物的一致的知识,它不是某个个体私有的,而是被一个群体所接受的。
2.本体的作用。
总的来说,构造本体的目的都是为了实现某种程度的知识共享和重用。所以,本体的作用主要有以下两方面:第一、本体的分析澄清了领域知识的结构,从而为知识表示打好基础。本体可以重用,从而避免重复的领域知识分析;第二、统一的术语和概念使知识共享成为可能。Uschold等人总结了本体在通讯、互操作和系统工程中的作用,值得我们借鉴。
3.建立本体的方法。
比较成熟的本体开发模式是Uschold的本体建立模式。该模式提出,建立本体的4个主要步骤是:第一步,明确建立本体的目的和所建立的本体的范围;第二步,建立本体;第三步,对所建立的本体进行评价;第四步,形成文档。
四、本体在ITS开发中的应用
基于本体的智能导师系统建模,关键是在原有模型的基础上建立学科领域本体、教学策略本体和学习者本体,以这些本体为支撑建立领域知识库、教学策略库和学生模型,实现智能教学系统中领域知识模块、教学策略模块和学生模型的语义沟通、知识共享和重用。同时,使得建立在相同本体基础之上的不同系统之间也能够实现资源共享和互相操作。
1.基于本体的智能教学系统框架。
建立基于本体的智能教学系统框架模型,如图所示。
2.基于本体的领域知识库的建造。
首先,按照Uschold的本体建立模式建立相关学科领域的本体,如:教育技术学科本体。它包含教育技术学科的基本概念、概念之间的关系、本体的约束和实例。然后,在此基础上对领域本体进行形式化描述,形式化描述可采用RDF或XML来进行。最后,形成领域本体库。
其次,基于领域本体建立领域知识库(即具体的领域知识内容)。基于领域本体的学科知识库为学科知识的表示、理解和共享提供统一的词汇术语表,解决智能教学系统中人—人交流、人—机交互和Agent之间通讯的语义歧义和沟通效率低下的问题。基于本体的领域知识库的可重用性也大大提高,在系统建构中较好地解决领域知识库重复开发的问题。
3.基于本体的教学策略库。
教学策略是对完成教学目标而采取的教学活动程序、方法、形式和媒体等因素的总体考虑,由此可见教学策略最终体现在教学活动上。建立教学活动的本体将在很大程度上便利教学策略的跨学科、跨系统和智能化运用。以活动理论为指导,教学活动主要由参与角色(学生、教师等)、教学目标、媒体工具、教学行为和教学评价等要素构成。在分析这些要素及其关系的基础上,我们可以建立起一些具体的教学活动的本体,如:问题解决活动、讲授活动、讨论活动、辩论活动、协商学习活动等。基于教学活动本体,可以建立跨学科、跨系统和智能化的教学策略库。
4.基于本体的学生模型建造。
学习者本体是关于学生的更高层次的知识,这种知识的获取将有利于建造更加灵活和个性化的学生模型。学习者本体主要由以下因素构成:知识水平、认知能力、认知风格、学习习惯、情感气质、个人信息等。其本体建立的方法与领域本体基本相同。
在学习者本体的基础上,可应用贝叶斯方法在本体层次上对学生的数据进行挖掘,提高学生模型建立的效率。
5.基于本体的自然语言交互。
智能教学系统实现自然语言交互的关键在于计算机对自然语言的理解和自然语言的生成。领域本体为计算机的自然语言理解和自然语言生成提供了一个明确的词汇术语表,再结合语音识别技术、模糊推理技术和人工神经网络,将有效解决自然语言交互的问题。
随着ITS研究的深入,本体论方法成为了解决ITS相关问题的重要方法,ITS中的本体论这一研究方向将受到更多的关注。但是,本体在ITS研发过程中仍然存在许多问题,如理论研究滞后于实践、本体的建立和评价方法仍不完善、本体自身的可重用性问题等,这些问题都需要解决。
(作者单位:广东外语艺术职业学院)
参考文献:
[1]陆汝衿主编.金芝:知识工程中的本体论研究·世纪之交的知识工程与知识科学[M].北京:清华大学出版社,2001.
[2]邓志鸿等.Ontology研究综述[J].北京大学学报(自然科学版). 2002,9(5).
[3]Mike Uschold,Martin King Stuart Moralee,Yannis Zorgios.The enterprise ontology[J].[OL].
http://mis.uoa.gr/Portals/57ad7180-c5e7-49f5-b282-c6475cdb7ee7/Temp/98-ker-ent-ontology.pdf,2009-05-26.
[4]Guarino.Understanding,building and using ontologies.International journal of human and computer studies[J].Vol.46(3/4).
[5]莫赞等.智能教学系统的发展与前瞻[J].计算机工程与应用,2002,(6).
见习编辑赖俊辰