基于本体的CSCL学习行为模式研究

□黄海

基于本体的CSCL学习行为模式研究

□黄海

本文将本体思想引入CSCL系统，分析了基于本体的计算机支持的协同学习环境下各种角色的行为模式。通过对协同学习模式进行分析，提出了基于本体的计算机支持的概念，建立了相应的模型。该模型描述了基于本体的协作过程，对系统的实现具有指导意义。

本体；计算机支持的协同学习

引言

计算机支持的协同学习（Computer Support for Collaborative Learning，CSCL） 是探讨如何利用计算机实现对协作学习过程的支持，已成为当前学习科学、教育技术学的一个热点研究领域。Koschmann指出CSCL与其前身CAI、ITS和Logo—as—Latin相比，在学习、教育、研究方法和研究问题等方面有非常大的不同[1]。Lipponen提出“CSCL所关注的是如何通过技术促进协作学习。以增强伙伴之间的交互和小组工作，促进知识和专门技能在社区成员间的共享及分布”。[2]

目前对协同学习的相关技术研究，如：Web技术、协同技术、人工智能、知识库和数据库技术等，已经取得了一定的成果。但也还存在着一些不足和缺陷，其中以下几个问题比较突出：

（1）无法描述和处理跨学科知识问题。

（2）知识获取与共享问题。在协同学习系统中，其知识库中所包含的知识点数量巨大，知识源可以是Web、其他知识库和数据库。 Ashok Patel[3]、Yujian Zhou[4]等人设计的系统在知识库的构造中采用人工输入知识的方法，耗费的工作量非常大。当前，如何从上述知识源中自动或半自动地协同获取知识以构建CSCL系统，并解决知识共享问题，已成为研究的热点。

（3）协同对象互操作语义视图。在协同学习环境里,用户在合作期间经常要访问多个信息源（站点）获得所需信息。由于这些信息源是异构的，分布在不同地方甚至是不同国家，因此这些不同信息源之间就存在着语义差别，使得不同信息源之间的互操作更加困难。目前的研究大都是对多信息源采用统一的对象描述[5]及视图来处理互操作的问题，但却没有解决协同互操作的语义问题。

上述问题存在的原因，主要是对知识、方法和信息源的描述缺乏有效的手段。本文引入本体（ontology）思想，为解决这些问题提供了一个思路：

（1）本体作为知识和概念描述[6]的重要工具，具有领域对象描述手段和描述方法，因此可以解决跨学科的知识描述问题；

（2）语义网络中本体构造和描述机制，为用户多信息源之间资源对象基于语义的知识获取奠定了基础。

本体描述为网络学习相关部门提供了一个统一的语义框架或规范模型，使来自不同背景、不同观点、不同目的组织部门之间的理解和信息交流成为可能，并保持语义上的一致性。本体表示的是由关系和概念组成的语义网络。在网络学习行为信息处理中引入本体的主要目的是从信息处理的角度，建立网络学习行为术语集及其关系，建立多角度的本体体系，和用于表示网络学习行为的基本理论体系。这样我们可以将该体系用于网络学习行为信息的共享交换、知识的映射以及分析不同国家的网络学习行为经验与学术思想的异同。网络学习行为本体是指应用本体论的基本方法，通过基于网络学习行为数据元来进行领域概念提取、关系分析，以减少概念和术语上的歧义，把网络学习行为知识体系中的名词术语抽象为一组概念与概念之间关系的理论和方法。网络学习行为本体已经成为网络学习行为信息处理的重要基础，在网络学习行为智能系统以及网络学习行为知识共享等多个方面得到广泛的应用。

一、利用本体描述CSCL学习行为

目前，一般把本体划分为通用本体、常识本体、领域本体、语言学本体、任务本体等不同类型。其中，领域本体(Domain Ontology)是对具体领域中概念和关系的抽象描述，其功用和关系模式相似，是相关领域信息资源的组织框架[7]。

领域本体给出了领域实体概念及相互关系、领域活动以及该领域所具有的特性和规律的一种形式化描述。CSCL行为的领域本体是专业性的本体，由属性、对象、关系和子领域本体组成，这类本体中被表示的知识是针对CSCL行为领域的。它们提供了CSCL领域的重要理论和基本原理。

基于本体的协作交流模型：

定义1：（基本成员）假设在交流过程中有一个老师（teacher）和若干学生(student)

定义2：（基本角色）在基于本体的协作交流中，存在三种角色，知识点触发者、知识解释者和知识接受者。

知识点触发者（interpellator） 是在协作学习中对当前共同关注的某段文字中的某些词汇或句子提出疑问的人，可能是学生不理解、也可能是教师故意提出。知识点触发者必须对提出疑问的部分作标记。

知识解释者（interpretor）对知识触发者标记的部分进行基于本体的解释，建立标记部分和对应的本体之间的关联。

知识接收者(embracer)通过知识解释者提供的关联，在本体库中执行知识导航，掌握知识和能力。

知识的交流分为三个步骤：即知识点触发者标记问题、知识解释者建立标记部分和对应的本体之间的关联、知识接收者在本体库中执行知识导航。

在协作知识交流过程中，参加讨论的成员的角色是动态变化的。例如：教师开始时可能是知识触发者，然后又变为知识解释者。在现实世界中，教师可能认为某一部分学生会产生疑惑，所以故意提问，然后自己再向学生提供解释帮助。成员角色的变化具体有四种情况。如图1所示。

定义3：本体O是三元组＜C,R,S＞，其中C表示概念的集合；R表示概念之间的关系；S表示约束其本身是二元组＜ConS,RolS＞，ConS是对C中概念的约束，RolS是对关系的约束。

本体是领域范围内的概念及相互之间关系的一种形式化表示，它使人们了对所描述的概念有统一的、一致的理解。

定义4：知识点κ

知识点κ是在当前讨论空间V中具有一定含义的一段文字，它具有原子性，不可分割。

定义5：知识点触发ρ

知识点触发操作是由当前讨论空间V中知识点触发者执行的，它对知识点作标记。

例如，在某个词汇或某段文字下加下划线。

定义6：信息段Si

信息段可用三元组Si=＜T,K,E＞表示，其中T是当前讨论的主题，K是满足所有知识点触发者潜在标识意图的知识点κ的集合，E是K所处的上下文，也就是K的语境。

定义7：知识点解释μ操作μ(κ)：M(κ)→C

其中：

C是知识点对应的本体O中的概念，O是受限于主题T的具体领域本体。

M是知识点κ和本体C之间的关系，也就是κ的概念化

定义8：知识导航操作β：c Х r→2c

其中c，r表示本体中的一概念和关系，c∈C，r∈R，此操作表示从一个概念沿着关联的关系导航到另一个概念，一个概念可能有多个关系存在，因此导航的结果是多样的。

二、基于本体的CSCL行为层次模型

基于本体的CSCL行为模式的研究核心是要确定为各CSCL参与者提供哪些具体的应用功能和服务。可划分为“前／后台”两大类。前台是基于后台本体库的应用界面，它可以将本体库中的各种本体实例化，并以能被用户所理解的方式推送给用户。后台的核心是实现信息资源的共享，即通过对协同学习参与者的行为进行跟踪采集、统计分析，从中挖掘出该用户网络学习特征，并通过将其本体化后存入本体知识库，同时，对由教师发布的知识点和学习资源进行归类，提取知识点特征属性并本体化，保存入知识点属性本体库；根据用户的学习行为特征，应用两个本体库定制出适合不同学习者的学习资源清单。后台部分包括以下几种单元。

（1）数据源集合——具体包括原始数据、原始知识、数据采集传递的通道等。基于本体的CSCL行为建立的基础是已经出现的并能被采集的各种数据，包括各种WEB日志、原始文档、表单数据、分组记录、下载记录及能被计算机发现的各种隐性数据。这些数据能以数据库的形式保持到计算机中并能被其他用户和程序所访问。原始数据在采集后需要进行预处理，然后被基于本体之上的规则层的各种处理规则所访问。

（2）本体库集合——基于本体的CSCL行为中保持各种处理后数据的库。基于本体的CSCL行为最大特点在于对于各种数据的处理都是基于本体来完成的。利用本体和OWL，基于本体的CSCL行为框架能保存各种不能被其他方法抽象化的各种行为数据、属性数据及数据之间的关系。在基于本体的CSCL行为中，本体库集合包括4种本体库：对现有的实体语言通过抽象化后，产生Wordnet／Hownet知识库；通过对CSCL用户的学习行为实行本体化后产生学习行为本体库；在Wordnet／Hownet知识库的索引下，利用本体和OWL可以对知识点本体化；由其他隐性知识本体化后产生的本体库。

（3）规则集合——各种本体库的产生规则和使用规则。具体包括：数据源数据的预处理规则；本体库的建模规则；由源数据生成本体的规则；各种实体与本体库间的映射规则；各种访问本体库内本体的应用规则等。

（4）本体应用集合——利用本体实行CSCL需求与个性化服务应用。由上述几项基于本体的CSCL行为组成单元及它们间的相互关系，共同构成了如图2所示的基于本体的CSCL行为的层次模型。

在基于本体的CSCL行为层次模型中，各层的主要功能及内容如下：

（1）资源层：提供基于本体的CSCL行为的原始数据封装，在这一层中，不仅包括各种数据资源，还包括提供数据流动支撑的物理平台、网络环境、数据格式等。

（2）本体库层：基于本体的CSCL行为框架内所访问的所有本体的集合。在基于本体的CSCL行为框架中，主要的本体库有4种：领域知识Word-Net／HowNet知识库、CSCL行为本体库、知识点属性本体库、其他知识本体库。

（3）规则层：基于本体的CSCL行为本体抽取规则、映射规则和应用规则的集合。在基于本体的CSCL行为框架中，由原始数据(知识点属性、协作痕迹、网页、日志等)基于抽取规则产生本体模型，而协作学习行为等物理活动和网页、相关学习资源等通过本体映射规则构成本体库，本体库在应用规则的约束下最终产生以网络推荐等能被用户所接受的形式返还回用户。由这些规则共同构成基于本体的CSCL行为的规则层。

（4）应用层：在应用规则约束下，通过UI界面最终将本体库中的本体通过某种特定算法返还用户。

三、基于本体的CSCL行为过程模型

在基于本体的CSCL行为框架内，数据处理流程大致如下，如图3所示。

（1）教师找出当前信息段里学生可能不太理解的知识点，也就是知识点触发；

（2）教师通过工具软件找出对应该主题的本体库，并在本体库中找到目前知识点对应的本体，也就是执行μ操作；

（3）学生根据知识点对应的本体库中的概念，执行操作。

基于本体的CSCL行为系统框架主要包括5个处理过程。

（1）CSCL痕迹抽取——利用知识挖掘方法，分析学习者的学习痕迹，为构造CSCL本体库提供数据基础；

（2）CSCL行为本体构建——在挖掘CSCL数据的基础上，构筑基于本体的CSCL行为本体库；

（3）CSCL知识属性本体构建——通过知识标注，将各科知识点本体化；

（4）CSCL行为本体映射——通过知识挖掘扩展到全体CSCL行为；

（5）CSCL行为本体应用——利用已产生的各种CSCL本体，建立应用机制，将知识库内容推介给用户。

基于本体的CSCL行为层次模型和过程模型是本体理论在组织行为学领域应用的初步研究成果，可以有效提高CSCL的效率和效益。

四、基于本体的CSCL的实现

在我们开发的计算机支持的协同学习平台中综合了WebCT和Learning Space,BSCW等已有系统的优势,并注重了语义的清晰表示，这是前者所不具备的。系统使用涉及领域专家和学生两个角色。系统包含两个本体库，行为本体库和知识属性本体库。行为本体库提供精确语义，知识属性本体库提供知识导航，其中行为本体库由领域专家由UI界面通过本体编辑工具Protégé输入，知识属性本体库由本文的概念分类算法对其中的术语分类形成术语网络并由框架生成模块形成。UI是用户使用系统的接口，知识导航界面通过将本体概念以网页上超链接形式呈现。在知识属性本体库支持下，学生可以通过知识导航界面的导航条查找在学习过程中有疑问知识点对应的概念以及该概念和其它概念的关系；学习与该概念相关的材料，如该概念的解释和以该概念为关键词由网上信息抓取模块从网站上抓来的经过必要信息过滤的网页快照等；学生还可以通过导航系统在概念之间浏览。通过这种方式，学生可以较好地掌握给出的概念及其相互关系，形成比较完整的领域概念体系。知识导航模块工作的基础是一个知识属性本体库，当学习者对导航到的某个知识点及上下文关系模糊时，可通过系统中的本体解释工具来将由描述逻辑表示的本体转换为适合人类理解的表达方式，如自然语言和图形方式。

结束语

本文通过对和协同学习相关的教学理论和模式进行分析，得出了协同学习系统的需求模型。进而讨论了在计算机支持下，学生对新知识的获取方式，认为人与人的交流以及人与资源的交互是 CSCL中两种主要的知识来源。通过对协同学习模式进行分析，提出了基于本体的计算机支持的概念，建立了相应的模型，该模型描述了基于本体的协作过程，对系统的实现具有指导意义。

[1]Koschmann，T.Paradigm shifts and instructional technology：An instruction [A]，T.Koschmann.CSCL：Theory and practice of an emerging paradigm[C].Mahwah，NJ：Lawrence Erlbaum Associates，1996.1-23.

[2] Lipponen，L.Exploring foundations for computer-supposed collaborative learning [A]. Stahl，Computer Supported for Collaborative Learning：Foundations for a CSCL Community，the Proceedings of the Computer-supported Collaborative Learning 2002 Conference[C].Hillsdale，NJ：Eflbamn,2002.72-81.

[3]Ashok Patel,Kinshuk，A Conceptual Framework for Internet based Intelligent Tutoring Systems，Knowledge Transfer(Volume II)(Ed.A.Behrooz),1997,Pace,London,UK,pp117-124.

[4]Yujian Zhou，Martha W.Evens，A Practical Student Model in an Intelligent Tutoring System，Proceedings of the 11th IEEE International Conference on Tools with Artificial Intelligence，1999,pp.13-18.

[5]G.Aslan,D.Mcleod,SemanticHeterogeneity Resolution in Federated DatabasesbyMetadataImplantation and Step_wise Evolution,The VLDB Journal,Vol.8,Issue 2,1999,pp.120-132.

[6]T.R.Gruber,"Toward Principles for the Design of Ontologies Used for Knowledge Sharing".Formal Ontology in Conceptual Analysis and Knowledge Representation,edited by Nicola Guarino and Roberto Poli,Kluwer Academic Publishers,1993.

2010－05－30

黄海，硕士，盐城卫生职业技术学院信息中心计算机技术教研室主任（221009）。

责任编辑 柯 南

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