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


Структура и основные компоненты учебных курсов

Рис.1. Структура и основные компоненты учебных курсов


Концептуальная схема онтологии Учебная дисциплина

Рис.2. Концептуальная схема онтологии «Учебная дисциплина»

Фрагмент онтологии Учебная дисциплина в среде Protege2000

Рис.3. Фрагмент онтологии «Учебная дисциплина в среде Protege»

16 Responses to Применение web-онтологий в задачах дистанционного обучения

  1. Сергей Титенко:

    А почему нет ссылки на «бумажную» публикацию? Или еще не опубликовали?

  2. Вся информация расположенная на SHCHERBAK.NET взята из предпринтов (одной из версий статей или докладов) и адаптирована для чтения нетехническими специалистами.

    Как у меня это получилось Вам решать :)

    В материалах могут быть ошибки и не точности. Будьте внимательны. Используйте информацию только для ознакомления.

    Все материалы сайта опубликованы в том или ином виде. Соавторство где необходимо сохранено.

    В связи с необходимостью публикования материалов сайта в журналах происходит некоторая задержка в обновлении ресурса.

    Страничку со списком публикаций в печатных журналах сделаю, как только будет свободная минута :)

  3. mellon:

    Зачем стрелять из пушки по воробьям?! Пример не очень-то практичный — вкладывать столько труда на лекции, если на них студенты не ходят и неизвестно чем занимаются. Но Это лирическое отступление 😛 А что касается самой статьи, то в целом неплохо. 😀

  4. В ДО студенты не ходят на лекции. они изучают лекции в приятной атмосфере,например, дома. А если не изучают, это уже их проблема. Зачем тогда вообще получать образование?

    А насчет пушки с воробьями — трудозатраты на создание лекции в том же Protege, при готовой онтологии, сравнимы с временем, которое тратиться на подготовку «обычной» печатной версии лекции.

    при чем, при готовых XSLT-шаблонах мы можем осуществлять вывод содержимого лекции в различных форматах, что весьма удобно. Хочешь RTF — пожалуйста, HTML — пожалуйста, и т.д.
    Все внешнее мультимедия подключается через URL, что тоже удобно.

  5. a_l_e_x:

    Возникло несколько вопросов. Извиняюсь что они совсем нубские, я только знакомлюсь с понятием онтологий 😳

    1. Ну да, ясно, что с помощью онтологии можно описать структуру учебного курса, понятно что имея структуру можно делать различные поисковые запросы, имея программы для перевода можно представлять данные в различной форме и т. д. Но все это можно сделать и с помощью например, реляционной базы данных. В чем тогда преимущество онтологии?

    2. Также неясно с интероперабельностью. Понятно, что две системы, использующие одну структуру представления данных могут общатся между собой (тот же эффект достигается и с распределенными БД). Но как обеспечить интероперабельность для систем, которые используют различные структуры для представления данных?

    3.
    «возможность строить тестирующие программные системы, которые будут генерировать контрольные задания исходя из семантики описанных онтологий конкретных учебных курсов»
    Хм… неясно как, имея описание структуры данных система может делать какие то логические выводы? Разве что пользователь задает шаблон задания и алгоритм решения а система вместо переменных будет подставлять значения терминов из базы знаний. Но это уже и так есть практически в любой обучающей системе

  6. Структура курса это одна сторона медали — в идеале надо описать каждый объект реального мира являющийся элементом этой структуры.

    в статье был показан фрагмент исследований по представлению семантики учебных курсов.

    логический вывод в онтологиях делается в соответствии с понятием дескриптивной (или описательной) семантики.

    Абсолютно согласен — по структуре данных нельзя сделать логический вывод, но в онтологиях нет проблем с организацией логического вывода. как минимум потому что логический вывод идет по семантическим описаниям объектов.

    вопрос два мне понравился — но в нем нет проблемы, особенно в свете моей статьи {RDF+XSLT}, где одно семантическое описание некоторого объекта соответствует множеству выходящих структур представления данных об этом объекте…

    Почитайте стандарт OWL от w3c (есть даже переводы) и вам все станет ясно )) Смысл онтологии не в структуре данных а в представлении их семантики.

  7. a_l_e_x:

    Спасибо за ответы! Еще парочку вопросов, если можно.
    1. К примеру, для создания обучающей системы например по химии мне необходимо будет описать онтологию химии? Т.е ввести класс «хим элемент» наделить его такими характеристиками как валентность, номер группы, номер подгруппы и т. д. Определить подкласс например инертных газов как элементов 8 группы и т. д.
    Имея такую онтологию (следует отметить что ее построение — очень сложная задача, которая под силу только экпертам в ПО) действительно можно создавать довольно интеллектуальные задачи, например система будет в состоянии ответить на вопрос, будет ли идти реакция, проверять правильность расстановки коеффициентов и т. д. (хотя для создания шаблонов задач ведь все равно потребуется человек, просто эти шаблоны будут более «интеллектуальные»).
    Но как построенная онтология может быть использована при построении лекций (тоесть самого учебного материала)?
    2. Существуют ли вообще реально реализованные обучающие системы, в которых бы применялись онтологии? Мне так и не удалось найти ни одного ресурса, где бы можно было посмотреть демо-ролик или хотя бы скриншоты реально существующей системы.

  8. правильно мыслите. Лекция представляет собой такой же объект как и другие объекты Химии, просто Лекция связана с этими объектами не химическими отношениями. Секрет прост — его просто нет.

    Все что может быть в реальном или виртуальном мире, может быть описано в онтологии. А каждый объект онтологии может быть связан с другими через отношения, возможный список которых вы, например, можете создавать в OWL!

    Существовали такие системы, я когда-то одну такию делал… Это реально сделать. Главное не забыть — чем сложнее отношения между объектами — тем сложнее написать запрос на вывод( правило визуализации(отображения), например).
    Даже в гугле я встречал статьи с примерами таких систем — единственно почти все забывают, что онтологии самодостаточны — и не нужно привлекать средства субд для установления связи между объектами разных предметных областей, например, между лекциями и химическими объектами. субд можно использовать как физический носитель онтологии и не более того.

    В лекции вы указываете структуру химического объекта или какой-то его вид, значит вы легко можете это получить через написание правила отображения для объекта такого типа. А учитывая то, что объекты относятся к одной предметной области существует большая вероятность того, что вы повторно сможете использовать созданное вами правило отображения для других химических объектов.

  9. a_l_e_x:

    хм.. хорошо, допустим с помощью языка XSLT можно преобразовать онтологию в виде хтмл документа. Но это имхо слишком нефункционально. А что если система должна быть активной, т.е поддерживать все время диалог с пользователем?
    Также неясно например построение конструктора для создания задач, самой тестирующей подсистемы. Видимо ее нужно разрабатывать на языке высокого уровня, а онтологию использовать как базу знаний, к которой обращается приложение клиента. Тогда нужны специальные компоненты, которые умеют обращаться с такой базой, выполнять запросы к ней, кроме того нужен некий программный продукт — интерпретатор, который способен выполнять логический вывод. Еще неясно как например пользователь будет общаться с такой системой, например как ему вводить ответы на вопросы так чтобы интерпретатор мог их понять…

  10. Я не говорил об XSLT (хотя не вижу проблемы сделать систему на основе XSLT, причем активную систему) Правило вывода (отображения, т.д) можно делать на SPARQL. а в качестве хранилища онтологии можно использовать triple store …
    Интерфейс доступа к онтологии можно сделать как я в одной из своих статей …

    машины логического вывода существуют в виде программных компонент на JAVA …

    обращение к онтологии можно скрыть в интерфейсе пользователя — пользователь и не заметит что его система работает с онтологией

  11. manager:

    По моему все уже продвинулось намного вперед. Вот я нашел отличную статью об использованию онтологий в дистанционном обучении -«An application of intelligent techniques and semantic web technologies in e-learning environments» написана авторами с Украины (в том числе), но правда, на английском языке. Как я понял эта технология уже начала бурно использоваться в вузах? Болонская система позволяет пересдавать модуль в любое время ( даже дома)

  12. Elen:

    Вы пишите:

    Скажите пожалуйста, как была создана онтология конкретной дисциплины: по шаблону данной онтологии или как-то иначе??? И каким образом мы их объединили?

  13. Elen:

    Вы пишите: 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.

    Скажите пожалуйста, как была создана онтология конкретной дисциплины: по шаблону данной онтологии или как-то иначе??? И каким образом мы их объединили?

  14. Oleg:

    Здравствуйте!

    Нахожусь в начале пути 💡 !!!
    Изучил некоторый материал по онтологиям и надеюсь применить их как инструмент для изучения эффективности знаний студентов. Как вы думаете это возможно и насколько может быть эффективно. С чего посоветуете наать? Не встречались ли вам уже наработки именно такого применения онтологий.

  15. начать надо с соответствующего раздела http://semanticfuture.net, а потом с форума http://forum.semanticfuture.net

  16. Buderus:

    Применяем для обучения систему Moodle 1.9 уже второй год. Настроить было тяжело, но сейчас работает без проблем. Очень мощная система и кто муже бесплатная.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *


Ответить с помощью ВКонтакте: