本体在网络学习主客体构建和交互中的应用
本体在网络学习主客体构建和交互中的应用□袁昱明施建华陶培根
近来，思维导图、概念图等的研究应用更多开教学之花，而教育本体则更多结信息技术之果。其实她推动教育Web网、远程教育系统智能化、资源组织变革，特别是对学习主体建立和学习交互沟通的贡献尤为突出。
一、教育本体发展概述
（一）概念
本体有很多定义，简单的有“术语集”说（可理解为知识点群），较迟有Studer给出的“共享概念模型的明确的形式化规范说明”之定义和概念模型（现象）、明确（规则和定义）、形式化（计算机理解）、共享（群体公认概念集）四特征说[1]。其作用在于：把资源配置在高度结构化和规范化的概念模型下，该分类组织计算机能够读懂和操作，以便充当代理，来解决人、机器、资源、软件之间的互操作，提供结构化的资源和产品（如个性化的教学流程、教案、完整的疾病治疗方案和资料等）。教育本体把领域（domain）确定在学科（专业本体）、教育、学习者、交互等方面。
本体处于语义网体系结构第4层[2]。由于PDF（S）缺乏属性等关系描述，需本体提供形式化语言。本体关系的限制表现在本体的三元组中的R、S元功能，本体O是一个三元组
元组形式定义中，分别包括概念、概念的属性、关系、关系的属性、层次、实例、公理[4]。语义网能“探索、推理，解决大量无序信息所带来的问题”[5]。
（二）教育领域应用的活动和背景
本体原为哲学范畴，现在又是信息科学的重要范畴。2001年，德国洪堡基金会将保罗奖（Wolfgang Paul Award）及200万美元奖金颁给美国布法罗大学哲学家史密斯（Barry Smith）的形式本体论（formal ontology）应用研究[6]，标志着信息哲学真正形成并获用武之地[7]。哲学一直孜孜以求其基本命题：认识和知识的本质、功能和形式。今天，哲学理论至少在物化和人化两条路上得到发展。在物化方面，信息哲学（量子信息哲学、信息本体论等[8]和信息技术为抽象哲学提供某种具体科学平台和极其精密的操作、技术系统）。在人化平台，教育（与技术结合）则把哲学的逻辑问题伸展为个体成长发展的演进历程，并把人的发展放到技术、信息资源和社会交互的环境中。上述三者获得突破性进展的背景是信息哲学和科学的革命性变革。这个变革的概括体现在斯洛曼（Aaron Sloman）1978年宣称的基于人工智能的哲学范式的出现，以及计算机革命和信息转向[9]。本体的研发和应用是上述背景的一个缩影。
信息科学学科联合体为该领域的探索和发展提供联合平台：国际大学和科研机构致力于收集、传播、交流本体在教育中应用的信息、经验，如美国三所州立大学，温斯顿·塞伦州立大学（Winston-Salem State University）、匹兹堡大学和州立圣匹兹堡工艺大学（Saint-Petersburg State Polytechnic Univer-
*
sity）联建的O4E（Ontologies for Education）项目就极具国际代表性，它包括六个专题区和三大期刊出版，还召开国际会议、链接网站（如雅典经贸大学http://www.eltrun.aueb.gr/content/publications/），展示交流论文和专著，建立该领域本体，提供专用软件、专家列表等。平台收集了来自英、美、法、德、日、中等21个国家和地区的成果；这支“教育本体联合国大军”包括大学、国家实验室和国家研究机构的专家、工程人员、教师等，具有国家、地区、专业
队伍的代表性，对本体、语义网、主题图等的研究和实践非常广泛[10]。
各色本体在政府网站（如美国劳工部）、医药界、大学课程教学、数字图书馆、虚拟校园中纷纷呈现。信息技术、数字图书馆等领域的研究也理性地展开。
（三）教育应用趋势
在CIKM'95Workshop on Intelligent Informa-tion Agents中，Cheikes定义了四种本体：系统本体、教育本体、领域本体和学习本体。
——
—研究多个本体和分布式系统的协调和互用，如出现“本体联合”（ontologies alignment，OA）或本体让多个智能系统达到“知识一致”（knowl-edge-consistent），具备知识社会建构的色彩。
——
—把学科教学和教育学干预综合起来。后者由“具有本体意识的教育代理”（Pedagogical A-gent）来实施。它使用计划书来为学生选择、准备和整理领域知识。美国州立Winston-Salem大学建立本体支持教育主题图构建，以克服教育主题图问题（分类次序主观，学习者找不到，层级结构不稳定，教师按照教材内容来构建主题图，
而教材的主题关系从概念结构看是
不连贯的，等等）。
——
—主体本体的建立。把用户
主体当作客观对象或客观知识来对
待，采用本体来对用户（行为）现
象做分类、抽象（拎出行为语义
等）、语义分析、术语集合（见图
1）。与“客观知识”本体不同的
是，主体本体的概念（类）是各种
读者行为及它们的关系、约束等。
行为包括单次行为（查询、浏览）、
模式行为（查询模式、浏览模式、
查询浏览模式）、语义行为模式
（相似解决、初步解决、语义相
似）。
根据用户本体对语义行为模式进行统计，得出三种具体语义行为——
—相似解决、初步解决、语义相似的概率为75%、90%、80%。这种结果将在本体系统进行本体进化，改进客观知识的资源模型。也就是说，主观变量是自变量，客观知识将是因变量，最终没有单纯的客观知识[12]。
有人设计了系统GUMS（General User Mod-eling System），通过一个模板来建立包括类型、认知风格在内的通用用户信息，然后根据用户类型匹配资源。用户本体（OntoloUM）的元数据模型包括标识、E-mail、地址、能力、认知风格、偏好和行为等，以及扩展后对用户和系统交互的行为概念（级别、活动类型、知识共享级别等子概念），然后进行标记。德国学者Dominik Hechman等研究了用户建模标记语言（UserML）[13]来建立用户模型（Use Model）。图2中学习者模型叶节点得到充分展开[14]。
——
—学生主体本体的建立。“本体处理机模块”（a module called the ontology processor）[15]，追
图1主体的行为本体概念结构[11]
图2学习者模型本体
注：某些叶节点列表不全，如“情感状态”因素超过“感兴趣”和“聚精会神”[14]。
踪学生的学习行为和学习进度，能在学习过程中逐步“建立学生模型”，发现并纠正学生的错处和误解，如果有必要还能相应调整学生的学习过程。
本体尊重学习主体（又称为“人性化”），把主观知识作为学习进度的自变量，而“客观知识”可能是因变量。
二、教学客体的建设
（一）交互客体的中介化：教育目标本体是组织资源串成教学流的纲领性本体
OA 是本体联合（Ontology Alignment ）的技术和策略，就是把多个以本体为单位的高度结构化资源联结起来。日本冈山大学、大阪大学教育学院和科学与工业学院教师在其开发的教学系统中把多个教育本体联合起来，其中比较新颖的是把教育目标分类学框架引入到本体概念模型的结构化功能中来，建立了“IT 教育目标的本体知识库”（图3），然后利用这个关系网去组织教学资源和教学活动，进而把教与学元素、程序、过程、活动和资源打散了，再重构（re-construction ），更加科学地帮助教师安排教学[16]。
根据布鲁姆教育目标分类学框架把IT 教育目标分类，并且找到概念节点之间的关系（如is-a ），形成概念网络。以OA 为例：从图3可看出在教学设计前，教师有很多教学材料，现要重组（
reconstruc-tion ）成一个高度结构化的知识组织，有效方法是根据布鲁姆的教学目标来组成教学本体：
●
首先是“语义整合”并采用本体形式规范。以
语义关系来整合联合本体（图4）。采用语义描述工具RDF （S ），“对特定应用领域词汇的描述能力比较弱，需要进行扩展，这个RDF/RDFS 之上的扩展层称为ontology 层”
。●
然后建立并使用“两本一表”：“IT 教育目标
本体”
、“基本学术能力本体”和“IT 教育目标列表”。本体和表的整合非常重要。
●
以两个本体为标签，连接的数据库有IT 教育
课程库和IT 教育数字内容库，后者连接到IT 教育问题问答库和IT 教学计划库。
●
图4显示资源库需要元数据组织。在RDF 资
源描述框架写入元数据。
使用合适语言来呈现本体及教育内容和服务，以实现不同教育应用程序间的互操作和知识共享，如
XML ，XML
Schema ，
RDF ，和RDF Schema 。
（二）复合客体的建立———
整合（数字配方对多个本体的调用）
通过RDF Model Layer 源代码，编写出“元数据数字配方描述”和“本体和目标列表两者关系的数字配方描述”。所谓“数字配方（Digital Recipes ）”很形象，就是把多种本体之概念节点及其相关资源整合起来。例如在某教学流程需要资源展示时，把本体和学习
图3IT 教育目标的部分本体（is-a 层级结构）
(KASAI,YAMAGUCHI.帮助教师用联合本体设计课程的一套语义网络系统，2004)
图4适合语义网开放的框架
(KASAI,YAMAGUCHI.帮助教师用联合本体设计课程的
一套语义网络系统，
2004)https://www.360docs.net/doc/809410481.html,/xwiki/bin/view/Blog/About
行为资源组合进来。这种组配资源RDF标记具有资源整合的特点，故称为“元数据描述的数字配方”（图6左下方）：
●在学习行为库中规定动作抽取（extraction）相应元数据下的学习活动（动作连接后转换为外部网页层的教学流）。
●写出“目标列表和本体关系”（见图4右下方）中对某一“行为资源—本体概念对应”的描述语句（如ID=[example-code]），遂把相应的概念及其对应的学习行为（如本体中关于“判断信息”和“分析信息”的概念和对应的学习“规定动作”）调用到教学过程中。
也就是说，在没有数字配方时，组织教学流的人员只看见根据IT教育目标列表罗列的教学任务，而在插入调动本体概念和相应的学习行为动作词汇和语句后，教学行为资源就整合进来，并调节到IT教育大学学术标准的框架上（概念）。这样科学的结构化资源有助于教师制定教案和安排教学。
这样的本体整合又叫做OA。通过RDF Schema Layer和RDF Model layer标记语言对平行本体资源描述语句的调用，把本体整合起来。也就是把不同的教育资源整合起来。不过，这个整合和一般的整合不一样，因为这是在概念模型和语义关系水平上的整合。在html网页上可看到如何在教学流中嵌入本体统帅的资源流和对应的教学活动过程。
（三）交互客体的确立——
—学习资源描述
运用本体描述学习资源的语义，通过Web服务支持个性化学习和系统之间的资源共享[17]；或设计基于领域本体的学习资源系统框架，利用本体建立特定领域的语义模型，以实现对学习资源的有效管理和基于语义的搜索[18]。武汉理工大学计算机科学与技术学院的研发即是在本体和RDF模式下确定资源元数据的[19]。
三、学习主体的建设
（一）本体建设中的主体扶持（建模、个性化定位）
用户本体建立：作为代理首先要通过机器学习来建立学习者模型。机器学习的本质是向主体学习：通过测试题和服务请求，挖掘研究者类型、知识发展走向隐性知识结构，然后修正学习者模型，建成个别化学习者的个体模型，由本体处理器（图5）来选择
本地或外部本体，经过语义搜索请求调动针对性强的学习资料。
实例1：新西兰坎特伯雷大学计算机系和南斯拉夫贝尔格莱德大学信息系统和技术系及工商管理学院联合试验的“智能导学”项目中，学习者正在通过解决一个特殊的ER建模问题来学习regular relation-ship Type的概念，而学生建模程序检测到当前答案的错误并对学生模型做相应修改。假设这位学习者不懂得关系型的基数限制，教育模块会从学生模型发觉该生不懂基数限制，不懂共享限制（这两种限制是ER模型在关系型上的约束），也不理解实体型约束，这样教育模型判断出应使用本地本体。鉴于学生在ER数据模型的约束关系方面有很多问题，教育模型还请求本体处理器找出合适的外部本体，以及适应该本体的关于约束关系的简单学习资料。本体处理器在本体的帮助下，收集有关学习资料并请求服务，这样学生就能享受到这些服务了。本体建立的特点，就是实现智能的互操作。调用外部本体的尝试带来了分布式本体、本体处理器根据服务请求操作本体的广大前景，以及本体建设中的标准化问题。
实例2：远程学习者代理向KERMIT网页寻求帮助，询问学习者能否在概念型数据库的建立过程中找出二元关系实例。这种“举例”服务由本体处理器完成，它能在KERMIT的知识库和数据库中进行基于文本的搜索。在这种不精确搜索下得到的结果可能不够相关，本体处理器转而进行语义搜索。它通过识别附带的URL来分析远程本体，找出相关概念层次：二元关系-规则关系-关系型-ER图构造。将它们与ER模型的KERMIT本地本体进行比较，并与数据模型中常用的（外部）本体进行比较，本体处理器（a module called the ontology processor）将指向KERMIT中二元关系实例的知识的精确链接提供给学习者。实例2的特点是将本地本体的语义关系作为参
图5本体处理器[20]
照系，来甄别和精确定位外部本体资源。
（二）个体的扶持
为了支持个性化学习，本体研究者研发学习资源个性化组织系统，集成部分语义Web工具，加入知识引擎技术，把资源展现给用户[21]。有的通过本体概念图来揭示学生学习中的错误。Cimolino和Kay 开发出了一种系统，它能在学生创建概念图方面提供支持，目的在于获取学生对某部分领域知识理解程度的信息，然后推导出学生在学习过程中的错误[22]。此地的检测工具不是本体，而是概念图。
（三）交往主体的建立——
—学习模型代理（L ea rning modeling a gent）
交往主体的建立是交互的前提，也是交互的结果。大阪大学工业科学研究学院在“通讯”中，诊断和描述出（建立）学习者的学习模式的模型，然后使用本体来配置出最合适的动态资源模型，推送给学习者，这是一个学习者和学习平台本体的双向互动和双向建立（如果不描述出某个学习者具体的模型，空谈以学习者为中心是没有意义的；描述出学习者模型，相应地有一个学习者建模代理[learner modeling a-gent][23]，就是对主体的建立，而且这是机器认识，可以操作的主体，包括学习者分类和个体建模本体；“双向建立”是双向互动的前提和内涵）的过程，然后是学习者和教师、资源的互动。通讯就是人机交互。
复杂的人之个体的学习风格
和问题要被机器理解，就须建立
个性化学习者模型和可比较的主
体本体（目标和学术标准本体）。
多数研究关注“客观知识”或领
域知识能够本体化，虽然成果形
形色色，但都是量的增加。唯学
习者主体结构得以概念建模，形
成有规则的语义结构，才确实意
味第二种本体的创造性产生。我
思故我在，我学习故我是本体。
技术率先以人为本。
交互代理为学习者的交互提
供基础，交互首先在学习者代理
（学习者模型代理和学习者本
体）、支持服务代理（learn-
ing-support-agent）和资源本
体（学习资料本体）间进行。这些代理模块不是简单的代劳，而是在基于本体的互操作基础上的分析诊断，是在语义定位的基础上进行的，需要主客体代理本体的联合。基于知识组织智能干预教学在很多地方高于人工交互或赤裸裸的人际交互（但不能完全代替）。
（四）主体类本体工具确立
包括学习者模型本体（learner-model-ontolo-gy）或用户本体（Users Ontology），支撑主体的本体类，如基于本体的教育目标列表、大学基础能力知识库[24]、通讯本体等。
四、交互本体——
—桥梁的建设
在建设大型网络学习系统时，要系统化不同系统，这样，本体被用于沟通两个网络教育信息系统。
（一）综合的任务：确立通讯和交互本体、外围资源组织本体（数字图书馆等）
美国州立Winston Salem大学和挪威Eind-hoven University of Technology的研究人员[25]探索一种支持本体-驱动教学信息系统交流的最简法，即“通过强大的信息构架和体系结构来支持网络教育信息系统（EIS）的互动性和综合化”，增强系统之间的信息交换，综合互用。
EIS的任务有两个，一是提供结构化的信息，二是提供与学科领域相关的帮助（domain-related
图6本体联合应用帮助教师编制教案的细节[26]
help）。其中具有代表性的是基于概念和本体驱动（ontology-driven）的EIS，包括主题领域，学习资源知识库，学习任务（learning task）描述，适应性以及个性化功能。典型的是AIMS（包括课程表述和排序）与TM4L（学习主题图，Topic Maps for Learning：“一种数字图书馆，不包括直接的课程表述”），这两个系统的连接通过通讯本体（Communi-cation Ontology）、交互协议本体（IP Ontology，Interaction Protocol Ontology）作为桥梁，第三种本体问世，并且成为立交桥，不仅通向课程资源，也通向数字图书馆等结构化的本体统帅的资源环境。
（二）交互桥梁的架设——
—交往模型和交互本体学习者与资源及学习过程的交互，可分别采取机器代理。这个过程的交互技术实施和探索是本阶段的重大步骤和突破。有研究者指出：协议问题、通信活动问题和本体问题，是用户/学习者建模代理与应用程序代理间的通信的三大问题。可分别使用KQLM和KIF语言解决前两个问题，而本体的概念化和语言定义则要保证用户/学习者建模系统都能共享，此类研究在“通信共识方面走出了重要一步”[27]。
（三）支撑协作学习和答疑系统等支持服务
有学者构造了教学本体知识库，建立基于语义Web的协作学习模型[28]，另有人则建议把领域本体当作语义理解基础，构造问答查询系统，以部分解决目前答疑系统语义理解不足的问题[29]，等等。
五、综合：宏观系统的建设
（一）交互型客体建立之二——
—有中介的客体的确立（教育目标指导下的交互客体）
根据具体课程、教案及其教学目标和基本学术能力（大学学术水平的要求）来确定知识点、概念群，然后用资源描述框架的词汇集、句法、语法，来排列、重组本体下的资源，达到本体功能的协同（数字配方）。
（二）综合驱动：形成教学流
这里综合了教育本体，包括目标本体、客体本体和通讯本体（在RDF），联合本体提供资源，形成个性化的教学流（图6），根据学生类型，基于本体的目标列表和具体学习行为（concrete learning activities）知识库来调用相应教学行为。本体把知识点、概念、命题等集成起来，还把学的变量和教的变量综合起来，形成教与学的交互和流动。学习者主体本体是一个高度结构化的领域知识或主体认知或主观知识的知识组织。由于本体和数据库连接，形成外部资源的高度结构化知识组织，故可说这也是一个宏观教育系统。
（三）对广义教育资源进行组织
以便提供区别一般导航的“语义查询和直觉导航”，例如辞典等。
六、本体评价
一项两大基金项目的研究成果在归纳国际同类研发经验的基础上总结出本体评价的六原则（整体性、科学性、通用性、可行性、导向性、开放性）、三个类指标（建设机制、组织管理、呈现服务——
—如知识网络语义联系和可视化）和指标体系[30]。教育本体评价则有评价不同用户本体（类）功能范围和元数据关系[31]者。现有评价方法对资源表现、定位、推理、组织管理、可发展性等给出观测点，落点在更好地检索，满足于符合通用细化的Dublin Core和LOM元数据。由于教育本体具有特殊的领域性（本体的教学评价、本体联合落实到具体教学成果如教案[32]中资源组织功能和绩效果等问题），指标体系应有特殊性，有待研究和建设。
七、总结
把传统教与学元素、程序、过程、活动和资源打散了，进行重构，这种重构的框架采用本体“领域知识”的分类体系结构，加上教育分类学的分类结构。按照知识点、能力点来组织教学资源，进行教学。这个过程把传统教学的线性知识驱动，导向“领域知识”网驱动的轨道上来。
本体的出现才真正实现了布鲁姆的梦想。根据教育目标分类列表（类本体）调用教学行为（根据对应ID调用），使得教学过程组织的教育学路线比较清晰，也使教学进程从单纯学科驱动，转入兼顾教育学动力驱动的轨道上来。
学习者本体的建立，成为教育本体的元组织。因为全部过程组织是学习者本体决定的。学习者本体的特点是把学习主观要素揭示出来，这个过程包括学习者特点的知识挖掘、建模和修正，其本身也可结构化为领域知识。这样，使教学模式从教育目标驱动，转入兼顾学习主体要素驱动的轨道上来。
本体在标准化的语义框架上挖掘客观知识和主观知识，进行联合，以此修改教学模式和进程，保证主客体双向交互。否则，交互是不可能的。
教学流的整合需要不同本体的语义整合。这体现了单个本体应用转入多个本体协同的走向，而本体联合是语义网的价值所在。
根据领域知识网络、教育目标本体、学习者本体的框架，来手工组织教学资源，形成教学流，这对教师来说太累了，几乎不可能。因此，教育本体工具和平台将成为教师便捷编写高难度课件的得力助手。
目标本体、行为本体等本体分类体系在教育领域的运用，超过了其他领域的意义，是在于对非知识类资源，包括人的主体、能力结构乃至知意情的分类和建模，对唯知识论是一种突破。
教育本体平台的智能化为学习者提供了支持完全独立自主学习的工具。
本体处理器能联结Web 网上分布的外部分布式本体资源，纳入本地教学，形成学习环境。要求各种教育资源能按语义网标准建设，这样就可以把不同网站、网页的资源联合起来，并由机器完成。
教育语义网-本体把宏观资源网站纳入课件结构，将所有资源结构化，形成第三代教育Web ，它使得社会资源库和网站具备狭义教育功能，让网络成为无处不在的虚拟课堂。
*本文系2007-2009浙江省科技重点项目优先主题项目“‘都读远程’网络教育平台的研究和开发”（计划编号：2007c13069）之阶段成果。
责任编辑池塘
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收稿日期：2008－05－30
作者简介：袁昱明，研究员，浙江广播电视大学图书馆馆长
（310012）。
施建华，实验师，浙江广播电视大学现代教育技术部（310012）。
陶培根，副教授，嘉兴广播电视大学（314000）。