基于领域本体的协同式网络课件制作系统ppt课件课件制作步骤

基于领域本体的协同式网络课件制作系统ppt课件课件制作步骤 摘要网络教育在给学习者带来跨时空、共享信息、平等沟通、互动开放的教学空间的同时，无形中也以崭新的手段、方式、理念的形成，影响着学习者的学习绩效。以学生学习为基本出发点，以学生学习的需求来设计系统功能，应用领域本体技术、人工智能技术和Web等技术具体实现的协同式网络课件制作系统，实现了网络学习平台的智能性，使得学习系统的可适应性更强，从而实现个性化学习，提高学生的学习兴趣、学习质量和学习效率，这无疑对网络教育的开展具有一定的促进意义。 关键词领域本体；网络课件；制作系统；自主学习；协作学习 TP391 A 16720008(xx)01008505 一、引言 近年来，基于网络的智能学习系统研究已经成为了一个热点问题。现有的学习系统存在一些智能性，但个性化欠缺，教学模式单一。如何搭建一个好的系统平台，为学习者提供一个好的学习环境，提高学习质量，是关系着远程教育和网络教育能否更好发展的前提。研究网络智能学习系统，实现网络学习平台的智能性，使得学习系统的可适应性更强，从而实现个性化学习，提高学生的学习兴趣、学习质量和学习效率，这无疑对网络教育的开展具有一定的促进意义。 现代远程教育中的网络课件是网络技术、信息技术和现代教育技术三大技术运用的结晶。目前全国各所高校，尤其是以远程教学为主的成教学院，都在以不同的方式组建各门学科的网络课件。由于基于Inter的网络课件与一般的多媒体教学软件的使用环境、教学功能和教学作用不同，开发网络课件，不但要掌握好开发技术，还要对应用中所遇到的问题作仔细的分析，不断地寻找最简洁、高效的方法完成课件的设计与开发。因此，探索和研究网络课件的设计原则与开发流程具有重要的意义。 二、文章用到的几个关键技术 (一)面向对象的领域本体建模 1.面向对象的领域本体建模概念 领域本体是对具体领域概念、关系等知识的描述。开发领域本体就是构建领域概念体系，此概念体系构成了领域相关应用共享和重用的基础，它由一组领域概念、各概念的明确语义、概念间的关系及适用于这组概念的公理规则等组成。面向对象的思想和方法给计算机许多领域的发展产生了巨大的推动作用，在本体建模中引入面向对象的思想和方法，必将对现有的本体开发过程带来革命性变化，UML是OMC发布的面向对象的标准建模语言，在信息和概念的工程化建模方面取得了很好的应用效果，成为软件开发的工业标准，拥有强大的数据库和成熟的开发环境支持。同时，存在大量熟悉UML语言和UML建模工具的软件开发人员。 因此，将UML应用于本体建模是实现面向对象的本体建模的有效途径，具有一定的优势。面向对象本体在UML中的具体表示方法如下。 (1)本体。本体是某一领域范围内所建模实体的容器，包含文档、其他本体以及与其他本体的关系、概念、实例个体、公理等。本体用包表示，通过本体名或标识符指定某一确切的本体。本体这个概念起源于人工智能领域，它被用来表达知识。Gruber曾将本体定义成“概念模型的显式表示”，某个领域的本体是该领域的一个公共的概念集，其中的概念含有该领域公认的语义，并通过概念之间的各种关系来体现。目前，本体的应用热点集中在语义Web中，传统Web内容只是供人阅读和进行数据共享，本体实现对Web内容的形式化与结构化描述，使得计算机也能够在“理解”的前提下更好地处理、利用Web上的信息和知识。因此，本体是语义Web的基石。(2)概念。概念是应用领域内一组具有相似特征对象(实例)的抽象，可以是现实世界中具体事物的抽象，也可以是抽象事物的抽象。概念用UML的类来表示，使用Concept扩展型。(3)关系。关系表征概念之间的联系，本身也可以看作是概念，是表征抽象事物的概念。把关系当作概念。一方面用概念可以表示关系，另一方面是出于关系表示的需要，关系也有自己的解释。在UML中，对关系表示法进行扩展，以适应于本体描述。(4)规则。规则是一种特殊的关系类型，它通常不是表征概念或概念实体间的关系，而是关于概念表达式之间的关系。规则由规则前件和后件组成。前件用逻辑表达式表示，是一个断言，后件可以是一组动作或新断言。规则用规则类型描述，它是特殊的关系类型，用UML的类表示，使用规则类型构造型。(5)约束。约束是附加于模型的限制条件，通过约束限制模型的语义，减少歧义。在面向对象的本体模型中，可以采用如下方法表示约束：增加模型信息，使其描述的信息明确界定概念的范周；利用规则类型表达概念属性之间约束关系，它能描述涉及多个概念的复杂约束；使用OCL或自然语言等辅助手段描述一些模型本身难以表达的信息。(6)公理。是提出的面向对象本体模型，把UML中的关系当成概念处理，这对既有UML建模方法改变较大，因此需明确给出这种关系隐含的公理。 2.面向对象建模与本体建模比较 OWL是用于本体描述的语言，UML是用于面向对象(OO，ObjectOriented)建模的语言。人们常常把本体模型和OO模型看作不同的模型，因此用不同的语言来刻画它们。其实，这两者之间既有不同点，也有共同的部分。本体模型和OO模型之间的不同点在于： (1)两者的建模目的不同，OO模型是抽象的，用于消除和简化不必要的概念与关系，只遴选必要的知识来解决某个特定的问题。本体模型在于知识表达，往往需要囊括一个领域中所有的知识，强调知识的完备性。由于知识总在发展变化，因此本体建模是个不断完善的过程，这要求本体的开发工具能支持本体的持续更新和相互引用。 (2)OO模型用于在软件系统开发时，创建精确、具体的实例。本体模型关注的是概念层的问题，虽然能说明某个事实，但是却不具体指导软件开发中元素的建立。本体的“实例”可能仅仅是一种观点，并且关于某个“实例”的多种观点可能共存于该本体之中，虽然多种观点相互并不矛盾。 本体模型和OO模型之间的相同点在于：两者都是表达现实世界中可以用来处理的概念；两者都建立在类、概念和关系之上，比如子类和聚合关系。无论是本体还是面向对象思想，都是为了得到在某个领域上的可重用的模型。同一个领域的本体模型和OO模型的相似性是UML有效开发本体的基础，但本体模型和OO模型的差异导致UML在一些方面不适于进行本体建模，比如本体中的属性是第一级的建模元素，而在UML中属性和关联都不是第一级的，因此即使是OMG发布的2.0规范，也不能够解决本体建模需要解决的所有问题。为了解决这些问题，就必须扩展UML，以实现面向对象的本体建模。 图1描述了面向对象的本体建模过程：领域专家利用本体建模的方法，如基本顶级本体、本体驱动的建模规则、可用属性类型，形式化的本体属性或关系等等，对某个领域的经验 与认识加以本体化的改造，得到符合要求的本体模型。但是从一个高层次的抽象本体模型很难转换成一个在工业应用中用得到的模型，所以必须由面向对象建模专家对领域专家建立的本体模型用面向对象的语言重新构造后，实现本体到OO模型的转换。 (二)网络环境下的协作学习 如今的协作学习是离不开网络的，对于网络环境下的协作学习不同人给它下的定义也各不相同。其中有代表性的有两个：利用计算机网络以及多媒体等相关技术，多个学习者针对同一学习内容彼此交互、合作，以达到对教学内容比较深刻理解和掌握。利用计算机网络建立协作学习环境，以小组或者团队的形式进行学习，使教师与学生、学生与学生在讨论、协作与交流的基础上进行协作学习。前者强调了基于网络协作学习的目的，后者强调的是环境建设。虽然侧重点不同，但都揭示了网络环境下协作学习的核心问题：就是计算机网络和多媒体技术在协作学习中具有巨大作用，这也正是大力提倡协作学习方式的一个现实条件。 网络环境下协作学习与一般的班级课堂学习有着很大的不同，主要的不同体现在以下五个显著特征。 1.范围上的突破 传统的班级课堂学习，只局限于在教室内教师对学生的面授。而网络环境下协作学习由于互联阿的参与，实现了时间和空间的延续，教师不再受到教室的束缚。协作的范围从班上的小组扩大到整个班级间、年级和年级之间甚至学校与学校之间。学生的协作伙伴可以是日常生活中朝夕相伴的同班同学，也可以是素昧平生的知识背景相差甚远的另外一个国家的学生，这种突破能使学生获得不同程度、不同形式的多种经验，对学生全面素质的提高大有帮助。 2.多种学习方式的融合 网络环境下协作学习把协作学习和个别化学习融进班级课堂学习中，大大的提高了课堂学习的效果和效率。传统的班级课堂学习存在许多弊端：比如学生的个性受到压制，主动性和积极性都不能充分发挥出来。而个别化学习和协作学习恰恰能对这种不足加以改善，尤其是把协作学习融进班级课堂学习，使教师从面对全班同学改变成面对几个小组。组内的互助活动，减轻了教师的教学负担，从而使教师可以有充分的时间搞好教学。可见，网络环境下协作学习把多种学习方式集于一身，必将对整个教学有极大的促进作用。 3.附属角色的隐藏 传统的教室环境下，协作组的交互大多数是以面对面交流的形式展开的，尽管交互的各种障碍均得以降低到最低限度，但这种交互形式是“稍纵即逝”和“非记录”的。将协作过程中个体或整体的进程、观点等记录下来，进行深一步地学习、研讨、参考是十分必要的。所以传统教室学习环境中产生了“记录员”、“保管员”、“材料管理员”等本来与协作学习无直接关系的角色。另一方面，要共享信息，需要采取一定的物理方式将信息传递出去，常常是通过“朗读者”、“材料分发者”、“黑板抄写员”实现的。而在网络支持的协作环境里，由于电子通信、文件记录保存、信息处理的强大功能，这些附属角色的任务被隐藏在学生协作的过程中。同样，由于阿络的支持，协作学习过程中所遇到的言语信息记忆、资料分类、冗余的数据计算、作图等繁杂的低层工作均得以简化，使学生集中精力用于分析决策、探索、检测和评价等高级认知活动。 4.全面展现问题情景 创设问题情景，进行问题解决学习，能激发学生参与思维、发现探索、促进积极的意义建构，获得高级智力技能和认知策略。基于网络的协作学习环境能够较容易的做到向协作组展示问题的全貌，尤其是说明一些与生活经验、思维想象领域相距甚远的问题，如医学上的复杂病例。而在传统的教室环境下，这一点是无法做到的。另外，要展现全面的问题情景，需要各种各样的学习资源的大力支持，而数据库技术、网络技术、人工智能技术等各种现代化的先进技术手段，使得基于网络的协作学习环境拥有丰富的资源，各种方法和策略的支持，使得协作学习者既因为面临各种挑战而保持着高度的热情和求知欲，又不会因为困难重重而陷入窘境，失去兴趣和信心，这同样在传统的环境下是无法想象的。 5.教师角色的转变 教室、课桌、讲台、黑板以及板书、演示、批改作业等对传统的课堂教学的教师来说都是极为熟悉的，而且相当一部分教师在这种环境下积累了丰富的教学经验。当这一切被网络、屏幕、数字化信息、统一的印刷字体等技术支持的产物代替时，教师的挫败感以及无措感是可想而知的。更重要的是绝对控制的地位已经不复存在。教师成为学生中的一员，其角色也转变为指导者、咨询者、设计者、调节者等。在基于网络的班级课堂协作学习中，教师的作用和地位已经发生了明显的变化。 (三)基于本体的协同学习 计算机支持的协作学习(CSCL)是在一定的教学理论指导下，通过一系列具体的协作步骤来完成某种特定的学习模式。从信息技术角度出发，CSCL网络课件学习平台应提供符合各参与角色协作需求的环境。除此之外，网络上的协同学习有其特殊性。CSCL网络课件学习平台必须满足一定的学习效果才算是成功的，而不同的学习模式满足不同的学习需求，并且导致不同的学习结果。从协同学习中学生的学习状态考虑，无非是在单独学习和协作学习两种状态之间变迁。 以单独学习为主的学习模式比较适合于高级知识的学习，其学习结果往往是“发散”的(学生不易达成共识)，其意义是注重学生在创新能力方面的实际效果；而以协作学习为主的学习模式适合于基础知识的学习，其学习结果是能够“收敛”的(学生很容易达成共识)。以上两种不同的学习效果具有不同的应用场合和用户群体，CSCL应该满足这两种不同的用户群。对于以协作学习为主的学习模式而言，网络上的学习参与者可能不同地区，或者具有不同的领域，不同的文化背景，导致他们对同一问题的理解角度不一样，为保证协作顺利。必须有一种机制保证他们在协作中对问题内涵理解一致。对以单独学习为主的学习模式，学习资源的有效使用显得非常重要。在网络环境下，协同的参与站点在学生学习过程中，保存有许多相关的学习资源，这些资源应该能被本地用户和远程用户重复使用。 但是，由于站点的学习资源是由创建者按照自己的理解组织存放，一方面很难被网络上其他用户查找到，另一方面当资源数量庞大时，自己也很难在需要时再次找到，用户不得不再次花时间下载资料。要提高资料被使用的效率，必须为资源提供语义标注，从而使用户对资源进行基于语义的查询。以上两种学习模式中存在的问题可以用本体来解决，也就是用适当的本体语言显式地将信息源中的概念表示出来。通过本体，协同学习中的资源所添加的语义标注就可以被明确一致地表示，从而使用户发出基于语义的个性化查询成为可能，有利于培养创新能力；而对于追求收敛效果的学习而言，在课程学习的讨论中所涉及的知识点，用本体表达后就容易使学生达到统一的学习效果。 三、系统的体系结构 系统总体设计过程的关键是系统的“整合”过程，它在某 种条件下往往是导致整体成功或失败的关键因素。系统整合可以分为空间、时间及时空联合维的整合。设计再成功的子系统如果整合和整合设计不当，也会导致整体设计的失败。整合不是子系统的简单拼凑和相加，存在子系统之间的相互匹配、相互作用和相互影响，局部或子系统设计成功不等于整体成功，局部设计没有出现的问题隐患，必须在系统整合的步骤中发现和解决，否则可能导致系统整体设计的失败。因此系统整台往往是系统设计成败的最后技术环节。 在课件的过程中，主要涉及三类不同的资源，它们分别是用于课件创作的基本素材资源、所有学习内容形成的知识结构、最终形成的课件资源。由于每类资源的处理任务大相径庭，为此系统构建了不同的工具并形成了相应的资源库，分别是与基本素材资源相对应的学习资源工具和学习资源库、与知识结构相对应的领域本体工具和领域知识本体库以及课件工具和课件库，如图2所示。学习资源工具的主要功能有：(1)搜索原始素材；(2)素材；(3)对于需要入库的素材，加上LOM元数据转换为学习对象之后入库；(4)利用SCORM规范将简单素材打包成复杂的学习对象入库；(5)实现学习资源库中基于元数据的检索，以方便提取恰当的学习对象进行课件的。 领域本体工具和领域知识本体库是系统的核心组件，它们的主要功能在于：将知识体系中的知识点和知识点间的关系，转化为本体库中的概念和概念间的关系。由于本体在领域建模方面的能力，使得知识点概念和概念间的关系不仅能够获得丰富的语义，更能够获得本体语言所提供的语义推理能力，为协同课件过程中“语义冲突”的解决奠定基础。课件工具的主要功能在于，按照课件者的意图，提取学习资源库中的学习对象，根据领域知识本体库所表现的知识结构，进行课件的编排，常见的课件单位有课程、主题、活动。“活动”是带有一定学习任务的学习单元，是教学过程展开的基本单位。一个学习活动中往往由若干学习对象构成教学过程中所需资源，它们最终的执行顺序由特定的排序信息控制。“主题”是带有一定教学目标的、基于一次课堂教学所需要的课件内容，它由若干个活动按照一定的顺序组织起来。相关主题构成了一门课程，课程是学习者在一段时间内学习的课件的集合。 文章所述的协同式网络课件制作系统的逻辑结构，如图3所示。这是一种典型的基于BS模式的三层结构体系：浏览器用作用户界面，学生在学习过程中的所需的学习资料的索取、系统管理员对协同式网络课件制作系统的管理和维护通过用户界面进行；WEB服务器用于智能化学习系统的内部逻辑处理和同数据库的连接。 从图3中不难看出，智能化学习平台包括三个主体：学生、学科教师和系统管理员。学生是这个系统的主体，在具体的学习、讨论和考核中，学生都占有主体地位。学科教师和系统管理员都是以管理员的身份出现在系统中，他们的作用是更好的辅助学生的学习和维护系统的运行。学生的主体地位还体现在与学生学习相关的各个界面，诸如基本资料管理、自主学习平台、适应学习平台、个性学习平台、协作学习平台、智能考核系统和学习结果显示等。学科教师逐渐从教学的主体地位上引退下来，和学科教师相关的界面只有解疑、答疑、交流讨论、安排内容和制定计划等。 四、构建领域知识本体 对领域知识建模已经成为众多网络学习平台在建设过程中必须要考虑的问题，原因在于领域知识模型能够更好地控制网页对知识点的表现粒度，从而能够获得系统的自适应能力；另外，个性化学习系统往往将领域知识模型作为学习者知识模型的基本框架，同时还可以作为构建个性化学习目标的基础。能够进行领域建模的工具很多，如向量、概念图、本体等。本系统采用本体语言TRIPLEt31建立领域知识模型，它能够方便地与RDF进行转换，且具有强大的推理能力。建立领域模型的思想在于，利用知识点概念建立学习资源的索引，并实现与课件库的关联。具体模型如图4所示。 从图4中可以看到，领域本体模型中有三个主要类，即知识点概念类(Concept)、学习对象类(LearningObject)和课件文档类(CourewareDooument)。知识点概念之间的关系有两种；知识点间的先修关系(isPrerequisiteFor)和知识点之间的包含关系(subConeeptOf)，并由此建立了Concept连接自身的属性isprerequisiteFor和subConeeptOf。在学习对象之间，由于复杂的学习对象可以由简单学习对象组合而成，故而建立属性dcterms：rcquires，表示学习对象之间的组合关系。由于采用知识点概念对学习资源进行索引，因此，需要建立知识点概念和学习对象之间的关联，即学习对象的主题为某个知识点概念，通过采用属性“dc：SUbject”将Concept和LearningConeept关联起来。知识点概念的详细内容和相应素材是集成在课件文档中进行表现的。不同的知识点概念在同一课件文档中往往会起到不同的作用，比如有的可以作为课程的引子，有的则是课程讲述的核心。由此建立了ConceptRole类，用来描述Concept在课件文档中的不同作用。而Concept类和CoursewareDocument类之间通过CourseRole类和两个属性：isPlayedIn和isPlayedBy关联起来。 五、应用实例 协同式网络课件制作系统系统主要采用TRIPLE言来描述领域本体模型。TRIPLE是一个基于Horn逻辑的分层规则语言，支持RDF三元组的表示、推理和转换。对于其它能够进行推理的本体语言，如DAML+OIL、RDF Schema等，可以直接用TR