本體在智能導(dǎo)師系統(tǒng)開發(fā)中的應(yīng)用研究

鄧文新

摘要: 智能導(dǎo)師系統(tǒng)(ITS)是教育技術(shù)領(lǐng)域的研究前沿和熱點之一。然而,ITS的開發(fā)研究仍然存在著諸如理論基礎(chǔ)、系統(tǒng)建模、關(guān)鍵開發(fā)技術(shù)和教學應(yīng)用等許多問題與困難。本文通過對ITS開發(fā)中的自然語言交互、領(lǐng)域知識表示、教學策略運用、學生模型建造等問題的分析,提出了基于本體的解決方法,以期對智能教學系統(tǒng)開發(fā)的深入研究有所裨益。

關(guān)鍵詞:本體;智能導(dǎo)師系統(tǒng)

一、智能導(dǎo)師系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

智能導(dǎo)師系統(tǒng),是指具有某一領(lǐng)域?qū)W科知識和相關(guān)的教學知識,能對學生進行個別化教學,在一定程度上模擬人類教學專家或有經(jīng)驗的教學導(dǎo)師進行教學活動的計算機軟件系統(tǒng)。較為著名的智能導(dǎo)師系統(tǒng)有SCHOLAR、TUTOR、WHY、WEST、BUGGY、LMS、ACTP、SIERRA和SHERLOCK等。智能導(dǎo)師系統(tǒng)由人機智能接口模塊、領(lǐng)域?qū)＜抑R模塊、教學策略模塊和學生模型模塊四部分組成。

國外ITS研究集中在美國、歐洲和日本,研究主體是高校。特別是美國,一些著名大學紛紛加入ITS的研究和開發(fā)行列,開發(fā)出了學科范圍覆蓋廣、智能化程度較高的ITS應(yīng)用系統(tǒng)。國內(nèi)ITS的研究起步較晚,只有少量的研究工作在大學和研究機構(gòu)中進行,研制的多數(shù)是供研究和演示用的概念系統(tǒng)。2000年以后,ITS的發(fā)展加快,隨著一些著名的IT教育公司的加入和國家對教育信息化的政策性推動,出現(xiàn)了一些實用的智能教學系統(tǒng)。

二、智能導(dǎo)師系統(tǒng)開發(fā)中的困境

1.自然語言的理解與交互。目前的ITS系統(tǒng)主要通過語音識別技術(shù)、模糊查詢技術(shù)和機器翻譯技術(shù)來實現(xiàn)自然語言理解和交互,造成智能導(dǎo)師系統(tǒng)的交互智能化程度低。

2.領(lǐng)域知識的建造與重用?，F(xiàn)有的ITS系統(tǒng)均能夠建立自身的領(lǐng)域知識庫,但是這些知識庫只能在本系統(tǒng)內(nèi)使用,系統(tǒng)之間的知識共享和重用基本無法實現(xiàn),加大了ITS系統(tǒng)的封閉性。

3.教學策略的智能運用。大部分ITS都采用產(chǎn)生式規(guī)則形成教學策略。由于系統(tǒng)沒有一個對學生實際學習情況進行理解的語義機制,它產(chǎn)生的教學策略往往與學生的實際學習情況和需要并不吻合,從而失去了其導(dǎo)學的智能性。

4.智能化學生模型的建造。覆蓋模型要求學生的思維方式和過程與領(lǐng)域?qū)＜业南嘁恢?這在很大程度上限制了學生思維的個性和創(chuàng)造性,與教學目標明顯相悖。偏差模型雖然允許學生思維有獨創(chuàng)性,但學生思維與專家有較大區(qū)別時,系統(tǒng)往往又難以判斷學生思維的正確性。貝葉斯方法建立在對學生的大量原始數(shù)據(jù)的挖掘基礎(chǔ)上,實際操作中存在很大困難。

簡而言之,這些困境的共同點都在知識的表征、溝通、共享和重用。在AI領(lǐng)域,本體論就是解決知識的表征、溝通、共享和重用問題的有效工具。

三、本體:ITS開發(fā)的方法論

人們發(fā)現(xiàn),計算機系統(tǒng)對信息和知識的處理并不能像人那樣具有靈活性和智能化,人與機器之間、機器與機器之間的溝通與交流也顯得困難重重。究其原因,是計算機軟件應(yīng)用系統(tǒng)中缺少類似人類大腦中的“知識結(jié)構(gòu)”那樣的部分來描述外部客觀世界的本質(zhì),并通過這種描述去解決知識表示問題和實現(xiàn)有意義的交流、溝通。于是,研究人員借用了“本體”這一哲學名詞來表達系統(tǒng)中的“知識結(jié)構(gòu)”,即為計算機系統(tǒng)建立有關(guān)客觀世界的本體。

1.本體的基本概念。

本體,指的是“被共享的概念化的一個形式化的規(guī)格說明”。概念化,是指通過標識某個現(xiàn)象的相關(guān)概念而得到這個現(xiàn)象的抽象模型,它明確了所用到的概念的類型,以及定義概念使用的約束等;形式化是指本體應(yīng)該是機器可讀的;共享則反映了這樣一個觀念,即本體獲取了群體對事物的一致的知識,它不是某個個體私有的,而是被一個群體所接受的。

2.本體的作用。

總的來說,構(gòu)造本體的目的都是為了實現(xiàn)某種程度的知識共享和重用。所以,本體的作用主要有以下兩方面:第一、本體的分析澄清了領(lǐng)域知識的結(jié)構(gòu),從而為知識表示打好基礎(chǔ)。本體可以重用,從而避免重復(fù)的領(lǐng)域知識分析;第二、統(tǒng)一的術(shù)語和概念使知識共享成為可能。Uschold等人總結(jié)了本體在通訊、互操作和系統(tǒng)工程中的作用,值得我們借鑒。

3.建立本體的方法。

比較成熟的本體開發(fā)模式是Uschold的本體建立模式。該模式提出,建立本體的4個主要步驟是:第一步,明確建立本體的目的和所建立的本體的范圍;第二步,建立本體;第三步,對所建立的本體進行評價;第四步,形成文檔。

四、本體在ITS開發(fā)中的應(yīng)用

基于本體的智能導(dǎo)師系統(tǒng)建模,關(guān)鍵是在原有模型的基礎(chǔ)上建立學科領(lǐng)域本體、教學策略本體和學習者本體,以這些本體為支撐建立領(lǐng)域知識庫、教學策略庫和學生模型,實現(xiàn)智能教學系統(tǒng)中領(lǐng)域知識模塊、教學策略模塊和學生模型的語義溝通、知識共享和重用。同時,使得建立在相同本體基礎(chǔ)之上的不同系統(tǒng)之間也能夠?qū)崿F(xiàn)資源共享和互相操作。

1.基于本體的智能教學系統(tǒng)框架。

建立基于本體的智能教學系統(tǒng)框架模型,如圖所示。

2.基于本體的領(lǐng)域知識庫的建造。

首先,按照Uschold的本體建立模式建立相關(guān)學科領(lǐng)域的本體,如:教育技術(shù)學科本體。它包含教育技術(shù)學科的基本概念、概念之間的關(guān)系、本體的約束和實例。然后,在此基礎(chǔ)上對領(lǐng)域本體進行形式化描述,形式化描述可采用RDF或XML來進行。最后,形成領(lǐng)域本體庫。

其次,基于領(lǐng)域本體建立領(lǐng)域知識庫(即具體的領(lǐng)域知識內(nèi)容)。基于領(lǐng)域本體的學科知識庫為學科知識的表示、理解和共享提供統(tǒng)一的詞匯術(shù)語表,解決智能教學系統(tǒng)中人—人交流、人—機交互和Agent之間通訊的語義歧義和溝通效率低下的問題。基于本體的領(lǐng)域知識庫的可重用性也大大提高,在系統(tǒng)建構(gòu)中較好地解決領(lǐng)域知識庫重復(fù)開發(fā)的問題。

3.基于本體的教學策略庫。

教學策略是對完成教學目標而采取的教學活動程序、方法、形式和媒體等因素的總體考慮,由此可見教學策略最終體現(xiàn)在教學活動上。建立教學活動的本體將在很大程度上便利教學策略的跨學科、跨系統(tǒng)和智能化運用。以活動理論為指導(dǎo),教學活動主要由參與角色(學生、教師等)、教學目標、媒體工具、教學行為和教學評價等要素構(gòu)成。在分析這些要素及其關(guān)系的基礎(chǔ)上,我們可以建立起一些具體的教學活動的本體,如:問題解決活動、講授活動、討論活動、辯論活動、協(xié)商學習活動等。基于教學活動本體,可以建立跨學科、跨系統(tǒng)和智能化的教學策略庫。

4.基于本體的學生模型建造。

學習者本體是關(guān)于學生的更高層次的知識,這種知識的獲取將有利于建造更加靈活和個性化的學生模型。學習者本體主要由以下因素構(gòu)成:知識水平、認知能力、認知風格、學習習慣、情感氣質(zhì)、個人信息等。其本體建立的方法與領(lǐng)域本體基本相同。

在學習者本體的基礎(chǔ)上,可應(yīng)用貝葉斯方法在本體層次上對學生的數(shù)據(jù)進行挖掘,提高學生模型建立的效率。

5.基于本體的自然語言交互。

智能教學系統(tǒng)實現(xiàn)自然語言交互的關(guān)鍵在于計算機對自然語言的理解和自然語言的生成。領(lǐng)域本體為計算機的自然語言理解和自然語言生成提供了一個明確的詞匯術(shù)語表,再結(jié)合語音識別技術(shù)、模糊推理技術(shù)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),將有效解決自然語言交互的問題。

隨著ITS研究的深入,本體論方法成為了解決ITS相關(guān)問題的重要方法,ITS中的本體論這一研究方向?qū)⑹艿礁嗟年P(guān)注。但是,本體在ITS研發(fā)過程中仍然存在許多問題,如理論研究滯后于實踐、本體的建立和評價方法仍不完善、本體自身的可重用性問題等,這些問題都需要解決。

(作者單位:廣東外語藝術(shù)職業(yè)學院)

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見習編輯賴俊辰