Применение web-онтологий в задачах дистанционного обучения
Применение web-онтологий в задачах дистанционного обучения
Е.А. Жыжырий, С.С. Щербак
В статье рассмотрены проблемы дистанционного образования связанные с организацией эффективного распределенного доступа к учебным ресурсам в Интранет/Интернет - средах и предложено решение на основе онтологического подхода и технологий Semantic Web.
1. Введение
Увеличение объема профессиональных знаний и высокая динамика развития информационных технологий порождает большое количество сетевых образовательных средств и продуктов. в последнее время наибольший интерес представляет Интернет-обучение. Многие учебные заведения занимаются разработкой сетевых образовательных средств, в том числе, дистанционных курсов, ориентированных на использование в Интернет. Основным препятствием в процессе создания интернет-ориентированных дистанционных курсов является недостаточная стандартизация сетевых учебных средств, технологических образовательных систем, отсутствие методик адаптации к международным стандартам в сфере технологий обучающих информационных систем [1].
На сегодняшний день для решения вышеперечисленных проблем представляется целесообразным использование технологий Semantic Web, потому что Semantic Web предполагает наличие у любой информации, находящейся в сети, связанный с этой информацией точный смысл, который нельзя было бы перепутать даже в случае совпадения фраз или слов, встреченных в разных контекстах. Фактически это означает, что любая информация связывается с некоторым неотделимым от нее контекстом.
2. Интероперабельные образовательные сетевые системы
Одним из главных требований к образовательным сетевым системам является обеспечение высокого уровня интероперабельности (interoperable), то есть возможности взаимодействия с другими различными системами, что крайне важно при создании распределенных учебных сред в Intranet/Internet сетях. Большинство из них реализует это требование за счет открытости интерфейсов доступа к своим сервисам и/или путем использования единого формата для обмена данными, а именно XML и связанной с ним объектной модели представления документов DOM (Document Object Model), осуществляя, если необходимо, XSL-преобразования. Такой подход позволяет решить задачу синтаксической интероперабельности. К сожаленью, для организации взаимодействия между различными образовательными системами в Интранет/Интернет сетях в большинстве случаев недостаточно обеспечения только синтаксической интероперабельности. Это обусловлено прежде всего, тем что одну и ту же информацию можно синтаксически по-разному представить, и, как следствие может возникнуть естественный барьер между системами. На сегодняшний день практически не существует образовательных систем решающих эту задачу за счет использования единого представления данных предметной области, а именно, используя единый словарь (таксономию) с описаниями используемых данных (онтологию). Именно проблема отсутствия четких семантических определений мешает объединению образовательных систем различных производителей. После составления такого словаря для представления данных предметной области можно с легкостью использовать язык web-онтологий OWL (Ontology Web Language), который является одним из самых последних разработок консорциума W3C в направлении Semantic Web для организации высокого уровня синтаксической и семантической способности приложений к взаимодействию.
3. Web-онтологии в учебном процессе
В основе web-онтологий лежат свойства, классы, объекты и ограничения, реализующие представление об объектах, как о множестве сущностей, характеризуемых некоторым набором свойств. Эти сущности состоят между собой в определенных отношениях и объединяются по определенным признакам (свойствам и ограничениям) в группы (классы). В результате полного описания объектов и их свойств предметная область будет представлена как сложная иерархическая база знаний, над которой можно будет осуществлять «интеллектуальные» операции, такие как семантический поиск и определения целостности и достоверности данных.
В рамках учебных процессов применение web - онтологий позволит специфицировать основные компоненты учебных дисциплин - лекции, практики, лабораторные работы, используемые учебные материалы, а также обеспечит возможность организации эффективного распределенного доступа к учебным ресурсам, путем создания единой базы знаний, которая будет сочетать в себе множество учебных дисциплин и будет фактически распределенной по сети Интернет, что позволит сделать ее независимой от интерпретации конкретного учебного процесса. Роль обучающих систем в таком случае будет сведена к роли интеллектуальных агентов, которые будут производить выборки из баз знаний в зависимости от контекста обучения (также возможно построения агентов для автоматического дополнения или изменения такой базы знаний новой информацией). Другой немаловажной особенностью такой системы – это возможность строить тестирующие программные системы, которые будут генерировать контрольные задания исходя из семантики описанных онтологий конкретных учебных курсов. Очевидно, что такие системы построения контроля знаний намного превосходят существующие на данный момент тесты, ориентированные на выборку одного из нескольких вариантов ответов.
4. Web – онтология “Учебная дисциплина” - спецификация компонентов учебных дисциплин и материалов
В основу web–онтологии “Учебная дисциплина” были положены основные принципы, используемые для структуризации лекций, практических занятий и т.п. в “обычном” учебном процессе. В соответствии с этими принципами была сформирована структура и выделены основные компоненты учебных курсов (рис.1).
Согласно принципам Semantic Web, процесс создания электронных документов разбивается на две части: 1. Создание web - онтологии документа, содержащей некоторые термины, понятийные структуры и т.п.
2. Визуализация содержимого онтологии, т.е. получение содержимого онтологии в некотором виде и формате.
Таким образом, в web-онтологии определяется смысл используемых понятий, характерных для конкретной дисциплины, т.е. специфицируется объекты предметной области, а с помощью языков трансформаций и форматирования – XSLT и XSL-Fo получается визуальное представление содержимого онтологии в необходимом формате, например HTML, DOC и т.п.
Язык трансформаций XSLT позволяет выполнять трансформации структурированных документов, написанных на XML-подобных языках, например, OWL. Результатом трансформаций является некоторый набор данных, форматирование которого можно осуществить с помощью XSLT-Fo.
Язык форматирования XSL-Fo позволяет с большой точностью задавать макет и другую стилевую информацию, относящуюся к содержимому документов. Учитывая все вышеперечисленные принципы и возможности, был разработан способ стандартизации элементов образовательного содержимого учебных материалов, так называемого каркаса, для организации электронных материалов учебных курсов с возможностью их последующего вывода как на экран, так и на печать.
Данный способ представляет собой шаблон, описывающий структуру электронных материалов учебного курса. Другими словами, мы создали онтологию, которая специфицирует структуру и понятия характерные для большинства создаваемых учебных курсов.
Предметной областью для нас является вся терминология используемая для организации учебного курса: тема, лекция, практическое занятие, лабораторная работа, контрольные вопросы, примеры, списки дополнительной литературы, а также все более мелкие компоненты каждого из объектов.
В ходе работы над задачею, были выделены основные объекты, представленные на рис. 2. Объекты, представленные на рис. 2 являются базовыми компонентами учебной дисциплины, которые составляют основу нашей онтологии. Фрагмент онтологии учебной дисциплины на языке OWL представлен на рис. 3.
Объединив данную онтологию с онтологией конкретной дисциплины, т.е. конкретными данными, соответствующими учебной дисциплине, мы получили полноценную информационную базу, с которой можно проводить различные действия, например, применив к данной онтологии инструкции визуализации XSL и XSL-FO, мы можем получить на выходе различные представления учебных материалов.
В контексте разработки онтологии мы рассматривали учебные материалы как некоторое упорядоченное множество экземпляров объектов предметной области, отобранных по некоторому критерию, визуализация средствами XSLT которых давала возможность получать разнообразные представления информации в различных форматах, например: гипертекстовая страница или набор таких страниц (HTML); документ XML; документ формата PDF.
Таким образом, разработав онтологию ”Учебная дисциплина” и заполнив ее конкретными данными, соответствующей учебной дисциплине, мы получили эффективное средство для поддержки внедрения дистанционного образования в различные образовательные среды.
Выводы
В данной статье была разработана web-онтология ”Учебная дисциплина” и предложена технология разработки web - ориентированных учебных ресурсов для поддержки дистанционного образовательного процесса.
Литература
1.http://www.webuniver.ru
2.RDF Premier http://www.w3.org/TR/rdf-primer/
3.Спецификация языка XSLT http://www.w3.org/TR/xslt
4.Проект Semantic Web http://www.w3c.org/sw
5.Спецификация языка RDFS http://www.w3c.org/rdfs
6.Кэй М. XSLT. Справочник программиста. – Пер. с англ. – СПб.: Символ-Плюс, 2002. – 1016 с.: ил.
7.Shelley Powers. Practical RDF.- O’Reilly, 2003.- 350 c.
Рисунки
Рис.1. Структура и основные компоненты учебных курсов
Рис.2. Концептуальная схема онтологии “Учебная дисциплина”
Рис.3. Фрагмент онтологии “Учебная дисциплина в среде Protege”
Популярность: 30%