基于語義建模的個性化學習服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計

陳恒岳（中山市中等專業(yè)學校，中山　528458）

基于語義建模的個性化學習服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計

陳恒岳
（中山市中等專業(yè)學校，中山528458）

1　語義Web概念

在XML2000年會上，互聯(lián)網(wǎng)的創(chuàng)始人Tim Berners-Lee推出了一個新的網(wǎng)絡(luò)——語義網(wǎng)。并對語義網(wǎng)做了如下解釋：“語義Web不是脫離現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的孤立網(wǎng)絡(luò)，而是當前網(wǎng)絡(luò)的一個拓展，該網(wǎng)絡(luò)中的信息被標記為機器可理解的意義，使得計算機和人類能夠更好地合作。語義Web描述了事物間的明顯關(guān)系，且包含語義信息，有利于機器的理解并進行自動處理”［1］。

語義Web的出現(xiàn)使得這些難題的解決成為可能，它使得計算機上的文本信息具有計算機可理解的語義，計算機通過判斷語義來建立資源之間的聯(lián)系，這使得互聯(lián)網(wǎng)成為了能夠理解人類語言的智能網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)資源實現(xiàn)了語義級共享。將語義Web技術(shù)應用于個性化學習服務(wù)系統(tǒng)的構(gòu)建中，主要是應用其結(jié)構(gòu)體系中的XML、RDF以及Ontology層技術(shù)構(gòu)建用戶模型和課程知識本體，進而實現(xiàn)個性化服務(wù)功能。

2　模型基礎(chǔ)

在語義Web思想的指導下，運用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)開發(fā)技術(shù)，本文構(gòu)建了兩個主要的模型：學習者模型和課程知識本體。

2.1學習者模型

學習者建模，實際上就是通過對學習者的信息進行分析，得出系統(tǒng)可理解、可計算的過程。本文中，主要收集的學習者信息有：①學習者的一般信息（如姓名、年齡、聯(lián)系方式、地址、生日，專業(yè)等）；②學習者在學習論壇中搜索或查詢的關(guān)鍵詞；③學習者在知識學習模塊中的瀏覽行為，記錄其瀏覽的章、節(jié)、知識點及停留時間；④學習者的學習風格或偏好；學習者提出的問題、發(fā)表的帖子或日志、回復的帖子或日志；⑤學習者的原有知識背景及學習過程中的知識狀態(tài)。

在構(gòu)建學習者模型的過程中，首先通過學前測試了解學習者的原有知識背景，從而確定學習者的學習起點；同時對學習者的學習風格依照所羅門學習風格量表進行測試，并存入到學習者的靜態(tài)特征庫中；在學習者的學習過程中對學習者的各種學習行為（練習、提問題、發(fā)表的帖子日志、在各章節(jié)知識點的停留時間等）進行數(shù)據(jù)挖掘，獲得學習者的特征信息并存入學習者信息的動態(tài)庫中。最后，通過一定的推理機制將個性化的內(nèi)容推薦給學習者。在整個過程中，系統(tǒng)會自動根據(jù)學習者的學習行為更新學習者的學習進度以及學習者興趣子模型。

本模型中，提取學習者的興趣點是難點部分，本文中提出的學習者興趣點主要指的是學習者在學習過程存在難點問題，信息的來源主要是學習者提出的問題，發(fā)表的帖子、日志，回復的帖子、日志，練習測試中做錯的題目等，通過分析學習者的這些信息，從而得到學習者學習過程中可能存在困難的知識點及對應的核心概念，并以此為基礎(chǔ)為學習者在交流討論和個人空間中提供個性化推薦服務(wù)，幫助學習者進一步學習相應的知識點，并最終獲得知識。學習者興趣概念的提取過程如圖2所示。

圖1　學習者模型

圖2　學習者興趣概念提取過程

（1）學習者信息收集階段：對學習者的各種學習行為記錄（提出的問題、發(fā)表的帖子、日志、回復的帖子、日志、練習測試中做錯的題目、瀏覽的章節(jié)知識點時間）進行收集，并做一些預處理，采用一定的措施，去除一些無用的信息，如瀏覽時間較短的數(shù)據(jù)可以丟棄，對信息的合法性檢查，多余字符的檢查等。

（2）語義處理階段：對各個類型的信息內(nèi)容進行語義分析，并與課程知識本體庫進行匹配，通過多次循環(huán)和關(guān)鍵詞匹配機制提取出所包含的核心概念，形成核心概念集。

（3）入庫階段：最后，將獲得的核心概念集存入到學習者興趣庫中，以備后續(xù)的個性化學習推薦服務(wù)提供基礎(chǔ)。

在學習者興趣概念的提取過程中，最關(guān)鍵的就是語義處理階段，該階段核心內(nèi)容是，如何分析學習者的信息內(nèi)容并獲得核心概念。其核心算法流程如圖3所示。

圖3　學習者興趣概念提取的算法流程圖

（1）首先對學習者的文本內(nèi)容進行處理，如去除無效的字符、空格等。

（2）對文本內(nèi)容做了處理后，循環(huán)核心概念本體庫，判斷文檔中是否存在核心概念Ci，若存在，則統(tǒng)計該核心概念的個數(shù)，統(tǒng)計方法是把目標內(nèi)容賦給一個字符串，然后把源目標字符串替換成空值，如果源字符串總長度減去賦值后的字符的總長度除以目標字符串的總長度小于等于1，則目標內(nèi)容中不存在重復字符串，如果大于1則存在重復字符串，進而統(tǒng)計重復字符串個數(shù)即核心概念個數(shù)；若不存在，則退出循環(huán)。

（3）通過比較統(tǒng)計文檔中存在的核心概念的個數(shù)，確定個數(shù)最多的核心概念為用戶最為感興趣的概念，至此，就確定了學習者在某一個學習行為記錄中最為感興趣或存在學習困難的核心概念。

（4）判斷學習者興趣庫中該核心概念是否存在，若存在，則學習者興趣庫中的該核心概念對應的value值自動加1，并更新該學習者的該興趣概念所在的那條記錄；若學習者興趣庫中不存在該核心概念，則直接給value值賦為1，并將對應的興趣核心概念直接添加入庫。

2.2課程知識本體

課程知識本體（CKO-Curricular Knowledge Ontology）是用來描述某個課程內(nèi)的一些核心概念及概念之間關(guān)系的本體，這些概念是該課程中被人們所共同認可的要重點掌握的知識。根據(jù)課程的知識組織特性，基于本體的六個基本元素，其中概念和關(guān)系是最基本的兩個元素，因此從知識領(lǐng)域中提取出概念、對概念進行層次劃分，是構(gòu)建本體最重要的工作。本研究中的課程知識本體的總體描述為如下的三元組：

其中，CKO表示課程知識本體；C表示從課程知識點中抽象或概括出的核心概念元數(shù)據(jù)，并包含有多個屬性描述，如概念名稱、創(chuàng)建時間、概念描述等；R表示核心概念之間的各種二元關(guān)系；K_R表示核心概念與知識點之間的關(guān)系，即掌握一個核心概念需要學習的知識點及相應的學習資源。

在e-learning系統(tǒng)中，課程知識的樹形結(jié)構(gòu)是一種比較通用的知識組織形式，這種形式既有優(yōu)點也有缺點，優(yōu)點表現(xiàn)在：具有明確的一條學習路徑，比較系統(tǒng)化，學習者按照自上而下的結(jié)構(gòu)逐漸掌握知識，并將各章節(jié)的知識系統(tǒng)的建構(gòu)起來。缺點是，這種結(jié)構(gòu)在具體的學習中，缺乏靈活度，因為它要求學習者按照固定的模式或順序進行學習。那么如何才能既保持知識的客觀邏輯關(guān)系，又能根據(jù)學習者的不同需求進行知識的靈活提供呢？本體就可以解決這個問題。本文參考了本課題組原有的研究基礎(chǔ)，并在此基礎(chǔ)上擴展和豐富了核心概念間的關(guān)系種類，利用了本體思想構(gòu)建了包括樹形層次組織和關(guān)系組織的課程知識組織結(jié)構(gòu)。如圖4所示［8］。

樹形層次結(jié)構(gòu)由課程由章、節(jié)、知識點組成，學習資源由問題庫和試題庫以及多媒體資源庫組成；關(guān)系組織，是從每個知識點中抽象概括出核心概念，所謂核心概念即學習者學習某門課程內(nèi)容所必須掌握的核心知識對應的關(guān)鍵詞，不僅包括理論知識，還可包括實踐基礎(chǔ)、思維方法等，并且核心概念之間有嚴密的邏輯關(guān)系，所組成的關(guān)系圖可以代表本課程內(nèi)容的知識體系結(jié)構(gòu)［4，8］。本文在課題組的原有研究基礎(chǔ)上將核心概念之間的關(guān)系豐富為以下五組關(guān)系：父子關(guān)系、前驅(qū)后繼關(guān)系、整體部分關(guān)系、相關(guān)關(guān)系和相似關(guān)系。由核心概念及其語義關(guān)系以及與知識點之間的關(guān)系就構(gòu)成了課程知識本體。

圖4　課程組織結(jié)構(gòu)

3　個性化學習服務(wù)模塊的設(shè)計

當學習者登錄到學習系統(tǒng)中，系統(tǒng)提示學習者進行學習風格測試和學前測試，得到學習者的學習風格和原有知識背景，從而初始化學習者模型，知識學習模塊中學習資源的提供就是根據(jù)初始化模型中學習風格測試結(jié)果進行；通過學前測試獲得學習者的原有知識背景，確定學習者學習課程的起點知識并推薦學習者從此起點開始學習。隨著學習者不斷的學習，系統(tǒng)實時記錄學習者的學習行為，并根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)修改和更新學習者模型。個性化學習服務(wù)模塊的過程詳細設(shè)計如圖5所示。

系統(tǒng)根據(jù)學習者興趣概念提取的算法流程分析學習者的學習行為記錄，提取學習者的興趣概念并存入學習者興趣庫，然后根據(jù)用戶名查詢學習者模型，找到學習者的興趣概念，再根據(jù)課程知識本題庫中的各種語義關(guān)系，獲得學習者感興趣的各種學習資源。

圖5　個性化學習服務(wù)模塊的詳細設(shè)計圖

4　基于語義建模的個性化學習服務(wù)系統(tǒng)的功能架構(gòu)

本系統(tǒng)的功能架構(gòu)如圖6所示。

主要功能有：

（1）注冊登錄模塊：學習者首先要進行注冊，輸入一些基本的信息，學習者只有注冊成功后，才可以進入學習系統(tǒng)進行學習及相關(guān)功能的使用。

（2）課程學習模塊：該模塊主要是為學習者提供學習課程知識的地方，系統(tǒng)提供了大量學習資源，在這里學習者可以根據(jù)自己的需要進行自主學習。

（3）交流互動模塊：該模塊為學習者提供了一個討論區(qū)，學習者可以到此發(fā)表學習過程存在的疑問，與其他學習者進行討論，根據(jù)合作學習的特點，通過激烈的討論，學習者更能夠理解知識，從而獲得知識。交流討論區(qū)、是教師組織學生在線討論的有效工具，讓學生在討論中快樂地獲得知識。針對不同的主題或者問題，師生、生生之間展開討論，有利于知識的獲取，提高學生的學習興趣。

（4）智能答疑模塊：該模塊是沿用本課題組的已有研究成果，不是本研究的重點內(nèi)容，這里簡單介紹其功能。由于教師不可能實時在線，故而設(shè)計了一個智能答疑的模塊，將課程學習中學習者可能會遇到的問題構(gòu)成一個經(jīng)典問題庫，當學生提出問題時，系統(tǒng)檢查經(jīng)典問題庫，如果經(jīng)典問題庫中有相關(guān)的問題，則系統(tǒng)自動將答案顯示出來；若經(jīng)典問題庫中也不存在，則返回與該核心概念相關(guān)的知識點所對應的資源，從而幫助學習者解決疑難問題。

（5）練習測試模塊：學習者學習完每章內(nèi)容時，系統(tǒng)提示其進行章練習測試，通過練習測試幫助學習者鞏固學習的知識。

（6）個人空間模塊：該模塊主要是給學習者一個學習的空間，在這里，學習者可以發(fā)表學習課程中的疑惑及感悟，同時可以了解到其他學生的學習感悟，以寫日志（博客）的方式進行學習，記錄所思所想，不斷總結(jié)反思，完成顯性知識與隱性知識的轉(zhuǎn)換，同時也是一個和別人交流的平臺。

個性化學習推薦模塊：主要是根據(jù)學習者模型和課程知識本體，為學習者提供個性化推薦服務(wù)，其個性化服務(wù)分布在上述六個模塊中。

5　結(jié)語

圖6　基于語義建模的個性化學習服務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)

本文嘗試運用語義Web思想和傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合的方法，構(gòu)建一個個性化學習推薦系統(tǒng)。該系統(tǒng)要實現(xiàn)的目標是根據(jù)學習者的特征為學習者提供不同學習策略，并通過分析學習者學習行為記錄，挖掘出學習者感興趣的核心概念，基于學習者感興趣的核心概念庫及課程知識本體在各個功能模塊中為學習者推薦個性化的學習內(nèi)容，從而解決學習者的個性化需求以及知識迷航等問題。

［1］Tim Berners-Lee，James Hendler，Ora Lassila.The Semantic Web［J］.Scientific American，2001，284（5）：34-43.

［2］彭海波，周振東.網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的基礎(chǔ)個性化學習系統(tǒng)［J］.中國信息技術(shù)教育，2014：122-123.

［3］何克抗.教學系統(tǒng)設(shè)計［M］.北京：北京師范大學出版社，2001

［4］邱百爽.語義網(wǎng)環(huán)境下的自適應學習系統(tǒng)中用戶模型的研究［D］.長春：東北師范大學，2008：44.

［5］陳品德.基于Web的適應性學習支持系統(tǒng)研究［D］.廣州：華南師范大學，2003：82.

［6］石磊，樊磊.Web2.0環(huán)境下基于本體的適應性學習系統(tǒng)的設(shè)計［J］.中國電化教育，2009（05）：104-107.

［7］陳伯棟，賈積有，王愛華.基于Ontology及Semantic Web技術(shù)的教育資源庫應用框架［J］.中國電化教育，2007（12）：105-109.

［8］陸爾云.基于語義模型的自適應學習系統(tǒng)的構(gòu)建與應用［D］.深圳：深圳大學，2010：24.

Semantic Modeling；Personalized Service；Learners Model；Individualized Learning Service System

Design of Individualized Learning Service System Based on the Semantic Modeling

CHEN Heng-yue
（Zhongshan Secondary Specialized School，Zhongshan 528458）

1007-1423（2015）21-0058-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.21.015

陳恒岳（1985-），女，廣東中山人，研究生碩士，助理講師，研究方向為個性化推薦系統(tǒng)的開發(fā)、ASP.NET開發(fā)

2015-05-19

2015-07-09

網(wǎng)絡(luò)的快速普及，各種網(wǎng)絡(luò)學習平臺發(fā)展的如火如荼，提高學習者的學習效率，豐富學習者獲得知識的途徑，但網(wǎng)絡(luò)學習系統(tǒng)普遍存在一些問題，如僅僅是資源的羅列和呈現(xiàn)方式的簡單化、與學習者互動性不強，缺乏個性等，并且出現(xiàn)知識迷航的現(xiàn)象。因此，一種滿足學習者個性化的學習系統(tǒng)應運而生。

語義建模；個性化學習；學習者模型；個性化學習服務(wù)系統(tǒng)

With the rapid popularity of the network，a variety of online learning development is in full swing，which improves learning efficiency and enriches the learners'way to acquire knowledge.But the e-learning systems have some common problems，such as simply a list of resources and the presentation of simplification，and learner's interaction is not enough，the lack of personality，etc.，and appears the emergence of knowledge trek phenomenon.Thus，a system which meets the learners'personalized learning comes into being.