基于本體的教學(xué)力量公平配置方法研究

方葉祥+陳曉猛+劉碧云

摘 要：教學(xué)起點的公平在教學(xué)公平上具有顯著意義，本科畢業(yè)設(shè)計教學(xué)力量的配置屬于畢業(yè)設(shè)計的教學(xué)起

點。文章針對目前本科畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)師生雙選無法公平這一現(xiàn)象，給出了基于本體的解決方案，方案以本體庫為師生互選的媒介，將師生的意愿轉(zhuǎn)化為知識之間的語義匹配問題，用人機(jī)交互代理引導(dǎo)學(xué)生表達(dá)真實的意愿，設(shè)計師生交互作業(yè)模型。這種基于個性化考慮的匹配本體知識庫結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)師生公平雙選。

關(guān)鍵詞：教學(xué)公平；畢業(yè)設(shè)計；本體；公平配置

中圖分類號：G640 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1002-4107（2014）01-0058-03

教學(xué)公平是指教學(xué)主體在教學(xué)態(tài)度、教學(xué)參與機(jī)會、教學(xué)資源配置、教學(xué)方法選用、教學(xué)評價等方面所采取的比較合理性行為。教學(xué)公平作為教育公平的要求與體現(xiàn)，是教學(xué)發(fā)展的必然要求，也是教學(xué)有效性的客觀要求。它具有以下四種屬性：（1）協(xié)同性；（2）差異性；（3）整體性；（4）共益性[1]。教育社會學(xué)家認(rèn)為， 教學(xué)平等（ 公平） 可以從三個層面加以考察： 即教育起點、教育過程和教育結(jié)果， 這三個層面既相互區(qū)別又相互聯(lián)系。起點公平是教育公平權(quán)益的前提， 是宏觀的和顯性的[2]。過程的任何一個環(huán)節(jié)的不公平都會影響整體教學(xué)有效性。教育結(jié)果的評價合理性是教育公平的又一顯性指標(biāo)。因而，一個公平的教學(xué)方式應(yīng)該在各個環(huán)節(jié)都予以公平性設(shè)計。

畢業(yè)設(shè)計（論文）是實現(xiàn)本科階段培養(yǎng)目標(biāo)的重要教學(xué)環(huán)節(jié)。畢業(yè)設(shè)計（論文）在培養(yǎng)學(xué)生探索真理、增強(qiáng)社會意識、訓(xùn)練科學(xué)素質(zhì)、提高綜合實踐能力與素質(zhì)等方面具有不可替代的作用，是教學(xué)與生產(chǎn)勞動和社會實踐相結(jié)合的重要形式，對培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新能力、實踐能力和創(chuàng)業(yè)精神具有重要作用。師生雙選是開展這項教學(xué)活動的第一步。由于學(xué)生之間的學(xué)習(xí)態(tài)度、學(xué)習(xí)成績存在差異，同時教師本人的繁忙程度、教學(xué)態(tài)度和水平也存在差異，從而導(dǎo)致不同的師生組合對結(jié)果具有重大的影響，這個影響直接關(guān)系到對學(xué)生成績評價和教師工作評價，因而，師生雙方都愿意選擇優(yōu)秀的一方作為自己的組合。如果將師生看作知識創(chuàng)造的服務(wù)資源，那么，這個教學(xué)管理問題可以抽象為知識創(chuàng)造過程中服務(wù)資源配置的公平性研究。

為了實現(xiàn)雙選的客觀性，目前有很多做法：（1）教師匿名給出選題，學(xué)生選題。由于一人一題，題目有難有易，簡單的題目可能很快被選掉，剩余的較難的題目可能對那些本來綜合能力就不是很強(qiáng)的學(xué)生來說難度太大，后選的人沒有實現(xiàn)自己的愿望。這個方法非常欠缺公平性。（2）也有的研究者采用隨機(jī)篩選法[3]，即將教師編號，學(xué)生隨機(jī)抽簽選擇教師，之后再由教師確立課題，缺點是不確定性太大。學(xué)生抽到的教師可能與他所選的專業(yè)發(fā)展方向相關(guān)聯(lián)度不大、學(xué)生與教師之間關(guān)系不是很融洽。（3）學(xué)生自由申報課題方向，學(xué)校為學(xué)生指定相關(guān)方向的教師。缺點是學(xué)生根據(jù)自己的興趣及未來的工作或者學(xué)習(xí)方向來申報自己喜歡的又能掌握的課題，但對綜合能力不是很強(qiáng)的學(xué)生來說，自己獨立申報課題本身就是個難題，如果再在此基礎(chǔ)上做畢業(yè)設(shè)計，很可能這些學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計成績會比較低。因而，尋找一個能兼顧師生意愿和公平的師生配置的方法是非常重要的，也是困難的。這也是本文需要解決的問題。

一、解決方案的特征分析

教學(xué)實踐表明，本科生由于自身的知識水平所限，對自己大學(xué)四年下來的知識體系還未建立有機(jī)的聯(lián)系，還不能夠自己尋找一個科學(xué)問題展開研究（這是博士階段的任務(wù)）。尤其是文科方面，由于問題的邊界界定比較困難，學(xué)生更感到研究的茫然，對自己內(nèi)心到底需要研究什么樣科學(xué)問題是模糊的，所以，需要一個工具幫助學(xué)生明確自己的需求。此外，教師本人由于受過專業(yè)研究訓(xùn)練，明確地知道自己要研究的內(nèi)容，迫切希望能夠帶到優(yōu)秀學(xué)生，為了避免由于教師身份等知識外差異帶來的干擾，要有一個工具能夠屏蔽教師的個人信息而只保留教師的知識信息。

因而，一個理想的解決方案是在師生之間有一個真實傳遞彼此意愿并且能夠自動找到彼此意愿的工具，這個工具具備這樣的智能，這樣工具本身的客觀性可以提高師生滿意度。

綜上，解決方案中的工具應(yīng)該具備如下特征：（1）須能夠體現(xiàn)師生的真實意愿；（2）須能夠幫助師生找到自己的真實意愿；（3）須具有客觀性、智能性，便于計算機(jī)計算；（4）能夠有效減少權(quán)力等因素對教學(xué)力量配置的影響。

二、基于領(lǐng)域本體匹配的公平資源配置模型

本體（Ontology）是哲學(xué)上的一個概念，是對客觀存在的事物的一個系統(tǒng)解釋或說明，關(guān)注客觀事物的本質(zhì)抽象和聯(lián)系。后來，人們將本體的概念引入計算機(jī)的人工智能領(lǐng)域，Neches等將其定義為：“給出構(gòu)成相關(guān)領(lǐng)域詞匯的基本術(shù)語和關(guān)系，并對利用基本術(shù)語和關(guān)系構(gòu)建的詞匯的外延進(jìn)行規(guī)則化定義?！盵4]Studer認(rèn)為本體是一個“共享概念模型的明確的形式化規(guī)范說明”[5]，通過對某個領(lǐng)域內(nèi)的概念以及概念之間的關(guān)系描述，提供一個共同認(rèn)可的、明確和唯一的定義，便于人機(jī)之間交流、機(jī)器之間交流和推理。Fensel對這個定義進(jìn)行分析后認(rèn)為Ontology的概念包括四個主要方面：（1）概念化（conceptualization）：客觀世界的現(xiàn)象的抽象模型；（2）明確（explicit）：概念及它們之間聯(lián)系都被精確定義；（3）形式化（formal）：精確的數(shù)學(xué)描述；（4）共享（share）：本體中反映的知識是其使用者共同認(rèn)可的。本體的目標(biāo)是捕獲相關(guān)領(lǐng)域的知識，提供對該領(lǐng)域知識的共同理解，確定該領(lǐng)域內(nèi)共同認(rèn)可的詞匯，并從不同層次的形式化模式上給出這些詞匯（術(shù)語）和詞匯間相互關(guān)系的明確定義?？偟膩碚f，構(gòu)造本體可以實現(xiàn)某種程度的知識共享和重用，以及提高系統(tǒng)通信、互操作、可靠性的能力。

所以，本體為不同對象之間交流提供了媒介。

正是本體的明確化和唯一性以及媒介特征讓我們可以充分地表達(dá)自己的意愿，并被準(zhǔn)確地推理和傳遞。讓我們聯(lián)想到，若在師生之間建立一個基于知識的意思表達(dá)，則更能表達(dá)教學(xué)的本質(zhì)（教學(xué)應(yīng)該是知識的傳遞和創(chuàng)新），師生將自己的意愿通過結(jié)構(gòu)化的知識表達(dá)，則更能體現(xiàn)心聲，那么資源的配置就可以轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)化知識之間的匹配問題。因此，我們構(gòu)建如下的資源配置模型，如圖1所示。endprint

該模型的運作流程是：首先由專業(yè)教師組成本領(lǐng)域的專家，構(gòu)建領(lǐng)域本體知識庫，然后，學(xué)生閱讀該庫，同時，在自己的工作桌面有一個按照本體庫的結(jié)構(gòu)需求表單，學(xué)生填寫，完畢提交給系統(tǒng)，由系統(tǒng)自己去匹配計算。教師群體在充分討論協(xié)商后，確定本體庫，給出本體庫修改的開放接口，以便未來對本體庫維護(hù)、更新。之后，教師個人提交自己的題目并給出按照本體庫結(jié)構(gòu)建立的知識結(jié)構(gòu)向量，提交給系統(tǒng)，由系統(tǒng)匹配計算。

圖1 兼顧公平的服務(wù)資源配置模型

三、本體及本體庫結(jié)構(gòu)設(shè)計

出于對各自問題域和具體工程的考慮，構(gòu)造本體的過程各不相同。目前沒有一個標(biāo)準(zhǔn)的本體的構(gòu)造方法。不過在構(gòu)造特定領(lǐng)域本體的過程中，有一點是得到大家公認(rèn)的，那就是需要該領(lǐng)域?qū)＜业膮⑴c。最有影響的是Gruber（Toward Principles for the Design of Ontologies Used for Knowledge Sharing）在1995年提出的5條規(guī)則：（1）清晰（Clarity）：本體必須有效地說明所定義術(shù)語的意思。定義應(yīng)該是客觀的，與背景獨立的。（2）一致（Coherence）：本體應(yīng)該是一致的，也就是說，它應(yīng)該支持與其定義相一致的推理。（3）可擴(kuò)展性（Extendibility）：本體應(yīng)該為可預(yù)料到的任務(wù)提供概念基礎(chǔ)。（4）編碼偏好程度最?。∕inimal encoding bias）：概念的描述不應(yīng)該依賴于某一種特殊的符號層的表示方法。（5）本體約定最?。∕inimal ontological Commitment）：本體約定應(yīng)該最小，只要能夠滿足特定的知識共享需求即可。

本體的構(gòu)建方法有很多種，常見的有：Tove、Methontology、骨架法、kactus法、IDEF、Sensus和七步法。本體庫的特征應(yīng)該是一個智能學(xué)習(xí)庫，任何一個領(lǐng)域的概念可以在領(lǐng)域本體內(nèi)找到，并有它與其他概念之間關(guān)系的網(wǎng)絡(luò)圖。

就本課題來說，本體的結(jié)構(gòu)樹可以按照專業(yè)領(lǐng)域、學(xué)科方向、應(yīng)用、知識點這樣四元組來構(gòu)建， 如圖2所示。本體庫采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)來開發(fā)，建立基于繼承的類結(jié)構(gòu)，用類的屬性表達(dá)其特征以及它與其他概念（也是一個類）之間親緣關(guān)系，用行為來表達(dá)其判斷、推理、學(xué)習(xí)等行為。本體庫功能包括：瀏覽、重構(gòu)、自學(xué)習(xí)、用戶意思翻譯等。

四、人機(jī)交互的知識匹配結(jié)構(gòu)及其算法設(shè)計

（一）人機(jī)交互的知識匹配結(jié)構(gòu)

如果在工作時，無論學(xué)生還是教師的工作桌面就是一個人按照本體結(jié)構(gòu)設(shè)計的人機(jī)交互代理的話，那么，知識之間的匹配比關(guān)鍵詞搜索匹配還要簡單。但是，現(xiàn)在的教育越來越強(qiáng)調(diào)個性化。因此，完全基于領(lǐng)域本體的人機(jī)交互還不能完全表達(dá)學(xué)生甚至教師的意愿，譬如交叉學(xué)科的選題就無法在領(lǐng)域本體內(nèi)實現(xiàn)，即便教師設(shè)計了交叉學(xué)科，學(xué)生由于搜索不到而傾向于無交叉學(xué)科，因而，本體只是其核心，實際的交互應(yīng)能適應(yīng)更自然的表達(dá)。尤其是現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展的一個基本特征是學(xué)科交叉，如何表達(dá)不同學(xué)科之間的聯(lián)系是對領(lǐng)域本體的擴(kuò)展。

就目前交叉學(xué)科的基本特征來看，學(xué)科交叉的特征是一個領(lǐng)域采用另外一個領(lǐng)域的思想或方法來解決本領(lǐng)域的問題，所以，“方法”應(yīng)作為一個共有屬性，包含到知識點中，這樣就解決了不同學(xué)科之間的聯(lián)系問題。

最后一個是興趣的知識表達(dá)問題，學(xué)生對自己的興趣通常是包含兩個部分：本專業(yè)的和其他領(lǐng)域的或是一個現(xiàn)象。對于本專業(yè)學(xué)生可以進(jìn)行知識的表達(dá)，對其他領(lǐng)域的或一個現(xiàn)象它所蘊涵的知識學(xué)生不能明確表達(dá)，因而，若要在學(xué)生工作桌面允許學(xué)生填寫興趣這樣的匹配項，則系統(tǒng)應(yīng)該能夠幫助學(xué)生找到相關(guān)領(lǐng)域。這就要求系統(tǒng)支持對自然語言的語義識別。由于是畢業(yè)設(shè)計，所以，教師的出題不可能天馬行空，就選題性質(zhì)來說，無外乎理論性、應(yīng)用性還有生產(chǎn)實踐課題，即教師能夠從事的科研活動決定選題的范圍是有限的。

綜上，我們設(shè)計如下的二進(jìn)制匹配結(jié)構(gòu)。

圖3 支持人機(jī)交互的匹配結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖3中學(xué)科編碼為三位表達(dá)了可以涵蓋8個學(xué)科，目前高校一般的學(xué)科包括：理、工、文、史、哲、醫(yī)、農(nóng)等幾大學(xué)科，專業(yè)方向設(shè)置為8個方向，也夠用了；32個大的知識點，如果一門課有8章的話，則一個專業(yè)方向可涵蓋4門課，8個方向可以涵蓋32門專業(yè)課，這已經(jīng)超越一般本科的教學(xué)計劃，已經(jīng)足夠適應(yīng)各個高校了。選題性質(zhì)就兩類，即設(shè)計和論文，興趣此處用以表達(dá)課題來源，即理論、應(yīng)用、生產(chǎn)實踐、卓越工程師計劃、大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃等。此處采用三位編碼可以表達(dá)8種情形，也夠用了。

（二）算法設(shè)計

這樣我們將師生的匹配轉(zhuǎn)換為師生各自獨立給出的結(jié)構(gòu)相似度計算，利用本體來計算兩個概念之間的相似度，其前提條件是：兩個概念間具有一定的語義相關(guān)性，在概念結(jié)構(gòu)樹上存在相似的路徑。Resnik 根據(jù) 2 個詞的公共祖先節(jié)點的最大信息量來衡量 2 個詞的語義相似度[6]；Agirre 在利用 WordNe計算詞語的相似度時，考慮了語義距離、概念層次樹的深度和概念層次樹的區(qū)域密度[7]。文獻(xiàn)提出基于距離的語義相似度計算模型，這種模型簡單直觀，但它非常依賴預(yù)先建立好的本體層次網(wǎng)絡(luò)[8]。

為了保證系統(tǒng)運行的健壯性，本文在上文建立的結(jié)構(gòu)樹基礎(chǔ)上，采用如下算法：

R=w1*d1+w2*d2+w3*d3+w4*d4………………………（1）

式（1）中di（i=1，2，3，4）分別表示圖3中各種編碼與學(xué)生所填的距離，wi（i=1，2，3，4）分別表示各種編碼的權(quán)重， ，其中，

最后，將所有匹配按照R值的大小排序，最大者顯示給學(xué)生，由學(xué)生確定，完成匹配。

教學(xué)起點的公平在教學(xué)公平上具有顯著意義，本科畢業(yè)設(shè)計教學(xué)力量的配置屬于畢業(yè)設(shè)計教學(xué)起點。本文采用本體作為師生雙選的媒介，將師生的意愿轉(zhuǎn)化為知識之間的語義匹配問題，設(shè)計了師生交互作業(yè)模式，建立了本體的知識結(jié)構(gòu)，給出了語義相似度算法，實現(xiàn)了師生的公平選擇，有利于學(xué)生明確自己的意愿。通過對本體的擴(kuò)展構(gòu)成人機(jī)交互代理，更能實現(xiàn)個性化培養(yǎng)，最終實現(xiàn)公平、個性化教學(xué)管理任務(wù)。

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