基于Jena推理的SCORM個(gè)性化測(cè)試系統(tǒng)

張波，韋永林，申發(fā)海

（1.賀州學(xué)院數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)學(xué)院，賀州542899；2.重慶郵電大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，重慶400065）

基于Jena推理的SCORM個(gè)性化測(cè)試系統(tǒng)

張波1，韋永林1，申發(fā)海2

（1.賀州學(xué)院數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)學(xué)院，賀州542899；2.重慶郵電大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，重慶400065）

針對(duì)目前在線測(cè)試系統(tǒng)普遍存在的試題彼此孤立、不能根據(jù)測(cè)試狀態(tài)動(dòng)態(tài)調(diào)整測(cè)試、測(cè)試評(píng)價(jià)機(jī)械單一、測(cè)試結(jié)果不能反映學(xué)生知識(shí)體系等方面的不足，將本體技術(shù)和Jena推理機(jī)制引入到SCORM在線測(cè)試系統(tǒng)中。根據(jù)SCORM測(cè)試資源對(duì)象構(gòu)建本體知識(shí)體系，并根據(jù)知識(shí)體系動(dòng)態(tài)構(gòu)建測(cè)試策略。并在測(cè)試過程中，使用Jena推理引擎實(shí)時(shí)提供測(cè)試決策，測(cè)試結(jié)果以知識(shí)體系的形式展現(xiàn)，以滿足學(xué)習(xí)者個(gè)性化測(cè)試的需求。

0 引言

在線測(cè)試系統(tǒng)是遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)的重要子系統(tǒng)，擔(dān)負(fù)著激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、跟蹤學(xué)習(xí)過程、反饋學(xué)習(xí)狀態(tài)、檢測(cè)學(xué)習(xí)效果等作用。目前國(guó)內(nèi)外著名的測(cè)試系統(tǒng)包括CUE、ASSYST、WebMCQ、WebCT等，這些測(cè)試系統(tǒng)大部分均具備在線評(píng)測(cè)、組卷閱卷、試題維護(hù)、成績(jī)分析等功能[1]。雖然目前的在線測(cè)試系統(tǒng)具備了隨機(jī)出題等功能，但依然是根據(jù)事先設(shè)計(jì)完成的試卷進(jìn)行評(píng)測(cè)，沒有根據(jù)學(xué)生測(cè)試過程決策測(cè)試過程，缺乏個(gè)性化測(cè)試。同時(shí)，目前的測(cè)試結(jié)果依然是以測(cè)試分?jǐn)?shù)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，不能反映出學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)，缺乏對(duì)學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)提供準(zhǔn)確的指導(dǎo)。

本文結(jié)合本體技術(shù)中的知識(shí)推理引入在線測(cè)試系統(tǒng)中，使用語義Web技術(shù)和OWL語言構(gòu)建測(cè)試題庫(kù)的學(xué)科知識(shí)體系本體，該知識(shí)體系包括知識(shí)點(diǎn)以及知識(shí)點(diǎn)之間的相互結(jié)構(gòu)關(guān)系。使用Jena架構(gòu)工具包的推理系統(tǒng)構(gòu)建測(cè)試推理引擎，該引擎負(fù)責(zé)根據(jù)學(xué)科知識(shí)體系對(duì)學(xué)習(xí)者的測(cè)試狀態(tài)進(jìn)行更新和推理，并實(shí)時(shí)提供下一步測(cè)試的決策。測(cè)試中，首先由測(cè)試推理引擎根據(jù)學(xué)科知識(shí)體系本體生成一個(gè)測(cè)試知識(shí)體系本體，該測(cè)試知識(shí)體系本體用于存儲(chǔ)和更新學(xué)生的測(cè)試狀態(tài)；在測(cè)試過程中，測(cè)試推理引擎根據(jù)該學(xué)生的知識(shí)體系本體選擇一個(gè)未測(cè)試、且所有的依賴節(jié)點(diǎn)都通過的知識(shí)點(diǎn)作為當(dāng)前測(cè)試知識(shí)點(diǎn)，并在題庫(kù)中選擇試題對(duì)當(dāng)前測(cè)試知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，并把測(cè)試結(jié)果反饋給測(cè)試推理引擎，由測(cè)試推理引擎更新測(cè)試知識(shí)本體，并作為下一步測(cè)試知識(shí)點(diǎn)選擇的依據(jù)。直到所有的測(cè)試知識(shí)體系中不存在測(cè)試知識(shí)點(diǎn)為止，完成本次測(cè)試。測(cè)試完成后，測(cè)試知識(shí)體系本體將作為測(cè)試最終結(jié)果，該本體中包括所有被測(cè)知識(shí)點(diǎn)的測(cè)試情況，以圖的形式反映了測(cè)試者對(duì)該知識(shí)體系的掌握程度，并作為進(jìn)一步學(xué)習(xí)指導(dǎo)的依據(jù)。

1 基于SCORM的測(cè)試資源對(duì)象

測(cè)試資源是學(xué)習(xí)對(duì)象資源的一種，是測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。學(xué)習(xí)資源的標(biāo)準(zhǔn)化是遠(yuǎn)程教育技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，是學(xué)習(xí)系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)共享和互操作的基礎(chǔ)。目前推進(jìn)教育設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)際組織主要包括美國(guó)IMS全球?qū)W習(xí)委員會(huì)（IMS Global Learning Consortium）、美國(guó)國(guó)防部高級(jí)分布式學(xué)習(xí)組織(Advanced Distributed Learning Initiative，ADL)、IEEE學(xué)習(xí)技術(shù)委員會(huì)（IEEE Learning Technology Standards Committee，LTSC）、都柏林核心元數(shù)據(jù)首倡計(jì)劃（The Dublin Core Metadata Ini?tiative，DCMI）等。其中由于ADL的SCORM（Sharable Content Object Reference Model）標(biāo)準(zhǔn)被認(rèn)為在可訪問性、協(xié)作性、持久性和重用性等方面具有優(yōu)勢(shì)，因而得到了廣泛的應(yīng)用和研究。本文采用SCORM學(xué)習(xí)對(duì)象模型作為測(cè)試資源對(duì)象標(biāo)準(zhǔn)。

本文所采用的測(cè)試資源對(duì)象使用SCORM學(xué)習(xí)對(duì)象作為數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。測(cè)試資源對(duì)象包括一個(gè)學(xué)科知識(shí)體系以及相關(guān)測(cè)試試題資源。其中學(xué)科知識(shí)體系包括一系列知識(shí)點(diǎn)，以及知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)系。知識(shí)點(diǎn)之間包括兩種關(guān)系：組織關(guān)系和依賴關(guān)系。組織關(guān)系又稱為包含關(guān)系，是指父知識(shí)點(diǎn)與子知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)系，通過組織關(guān)系可以把知識(shí)點(diǎn)組織成為樹狀結(jié)構(gòu)，其中葉子知識(shí)點(diǎn)稱為元知識(shí)點(diǎn)，非葉子知識(shí)點(diǎn)稱為復(fù)合知識(shí)點(diǎn)[2]。依賴關(guān)系決定了知識(shí)點(diǎn)之間的測(cè)試先決條件和先后順序，若前序知識(shí)點(diǎn)測(cè)試者未達(dá)到，后序知識(shí)點(diǎn)無需再次測(cè)試。兩種關(guān)系組織為一個(gè)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的知識(shí)體系。在知識(shí)體系中，復(fù)合知識(shí)點(diǎn)的測(cè)試是通過其包含的元知識(shí)點(diǎn)來完成的，故只有元知識(shí)點(diǎn)綁定有一個(gè)到多個(gè)測(cè)試試題資源[3]。

在SCORM學(xué)習(xí)對(duì)象模型中，知識(shí)體系是通過元素中的子元素，以及元素中子元素來進(jìn)行描述定義的。元素用于構(gòu)建知識(shí)體系中的知識(shí)點(diǎn)，元素之間的相互嵌入關(guān)系表示知識(shí)點(diǎn)之間的組織關(guān)系。元素中子元素用于表示知識(shí)點(diǎn)之間的依賴關(guān)系。元素通過identifierref屬性鏈接多個(gè)測(cè)試試題資源[4]。

2 基于Jena的測(cè)試引擎的構(gòu)建

Jena是美國(guó)HP實(shí)驗(yàn)室開發(fā)一個(gè)開放式語義Web工具包，為OWL、RDF、RDFS等本體描述語言提供本體構(gòu)建和推理環(huán)境，其中包括RDF應(yīng)用接口（RDF API）、RDQL查詢語言、Jena推理子系統(tǒng)、存儲(chǔ)模塊、RDF/XML解析器、本體子系統(tǒng)等部分[5]。

本文所使用Jena構(gòu)建的測(cè)試引擎的主要工作流程包括以下步驟：

（1）通過解析SCORM的測(cè)試資源對(duì)象中的ims?manifest.xml內(nèi)容清單文件，提取資源對(duì)象中的所有知識(shí)點(diǎn)，以及知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)系，并把知識(shí)點(diǎn)多關(guān)聯(lián)的測(cè)試試題對(duì)象加載到測(cè)試系統(tǒng)中。

（2）使用Jena的RDF API構(gòu)建OWL領(lǐng)域知識(shí)體系本體。構(gòu)建的類（Class）主要包括Node（表示知識(shí)點(diǎn)）、BranchNode（表示復(fù)合知識(shí)點(diǎn)）、LeafNode（表示元知識(shí)點(diǎn)），其中Node是后者的父類。構(gòu)建的對(duì)象屬性（Object Properties）包括include和depandence，include表示組織關(guān)系，depandence表示依賴關(guān)系。從測(cè)試資源對(duì)象中提取的所有知識(shí)點(diǎn)均是BranchNode或Leaf?Node的實(shí)例，實(shí)例之間通過include和depandence關(guān)系構(gòu)成一個(gè)測(cè)試知識(shí)體系本體。另外還包括一個(gè)state屬性，用于記錄每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)的測(cè)試狀態(tài)。

使用Protégé工具對(duì)Jena所構(gòu)建的本體進(jìn)行查閱，所構(gòu)建的類（Class）結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 知識(shí)體系本體類結(jié)構(gòu)

其中，Node、BranchNode、LeafNode表示知識(shí)結(jié)點(diǎn)，State類用于枚舉知識(shí)點(diǎn)所有的狀態(tài)，包括Untest、Un?pass、Pass、semiPass。

所構(gòu)建的ObjectProperty在Protégé中的顯示如圖2所示。

圖2 知識(shí)體系本體ObjectProperty結(jié)構(gòu)

（3）對(duì)測(cè)試知識(shí)體系本體所有的Node實(shí)例的state屬性賦初值“Untest”，對(duì)測(cè)試知識(shí)體系本體進(jìn)行初始化。具體的算法是便利所有Node實(shí)例，并通過com.hp.hpl.jena.query.QueryExecutionFactory執(zhí)行查詢語句，獲得所有{?object}三元組，對(duì)每一個(gè)三元組重新設(shè)置。

（4）通過Jena的RDQL查詢語言進(jìn)行查詢，查詢本體中第一個(gè)狀態(tài)為“Untest”，且所有的前序知識(shí)點(diǎn)全部通過的元知識(shí)點(diǎn)，作為當(dāng)前測(cè)試知識(shí)點(diǎn)。并調(diào)取測(cè)試知識(shí)點(diǎn)所關(guān)聯(lián)的測(cè)試試題對(duì)象進(jìn)行測(cè)試。若查詢返回空，表示本次測(cè)試可以結(jié)束。

（5）把當(dāng)前測(cè)試知識(shí)點(diǎn)所關(guān)聯(lián)的測(cè)試對(duì)象的測(cè)試結(jié)果（Unpass或Pass），通過Jena更新當(dāng)前測(cè)試知識(shí)點(diǎn)的state屬性，并通過Jena的推理子系統(tǒng)進(jìn)行推理。若測(cè)試知識(shí)點(diǎn)的state為“Unpass”，其所有后序知識(shí)點(diǎn)均設(shè)置為“Unpass”，若某一復(fù)合知識(shí)點(diǎn)的所有直接子節(jié)點(diǎn)均被測(cè)試過，且全部為Pass，則設(shè)置為Pass，若直接子節(jié)點(diǎn)全部為Unpass，則設(shè)置為Unpass，若直接子節(jié)點(diǎn)有Pass也有Unpass，則設(shè)置為semiPass。

（6）繼續(xù)執(zhí)行第4步，直到所有節(jié)點(diǎn)全部測(cè)試過或推理過。最終的測(cè)試知識(shí)體系本體將作為測(cè)試結(jié)果，并以此為依據(jù)提出進(jìn)一步學(xué)習(xí)建議。

在上述過程中，推理規(guī)則的設(shè)置是最核心的部分，具體的推理規(guī)則如下所示：

在上述推理規(guī)則中，Rule1用于規(guī)定當(dāng)前知識(shí)點(diǎn)未通過測(cè)試時(shí)，如果更新其所有后序知識(shí)點(diǎn)；Rule2-5規(guī)定如果根據(jù)子知識(shí)點(diǎn)的狀態(tài)更新父知識(shí)點(diǎn)；Rule6-10用于清除知識(shí)點(diǎn)的多余狀態(tài)信息，降低推理噪聲。

3 測(cè)評(píng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本文通過開發(fā)一個(gè)基于SCORM規(guī)范和Jena推理的測(cè)試系統(tǒng)，驗(yàn)證本文提出的技術(shù)的可行性和實(shí)用性。該系統(tǒng)使用Java開發(fā)語言，主要功能包括SCORM知識(shí)庫(kù)的導(dǎo)入、SCORM試題庫(kù)的導(dǎo)入、知識(shí)體系的維護(hù)、試題資源的維護(hù)、Jena推理規(guī)則的設(shè)置、測(cè)試功能，以及對(duì)以往測(cè)試結(jié)果的查詢等功能。主界面如圖3所示。

其中測(cè)試模塊是其核心功能，測(cè)試過程中將根據(jù)測(cè)試者在測(cè)試過程的表現(xiàn)，更新測(cè)試知識(shí)體系本體。測(cè)試知識(shí)本體用于保存用戶對(duì)每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)的掌握程度，也是Jane推理的依據(jù)。最終的測(cè)試知識(shí)體系本體將作為測(cè)試結(jié)果，并以此為依據(jù)提出進(jìn)一步學(xué)習(xí)建議。測(cè)試結(jié)果界面如圖4所示。

圖4 基于Jena的個(gè)性化測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)語

本文針對(duì)目前在線測(cè)試系統(tǒng)普遍存在的試題彼此孤立、測(cè)試評(píng)價(jià)機(jī)械、測(cè)試結(jié)果不能反映學(xué)生知識(shí)體系等方面的不足，將本體技術(shù)和Jena推理機(jī)制引入到在線測(cè)試系統(tǒng)中。本文選擇SCORM遠(yuǎn)程教育技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)作為測(cè)試資源的規(guī)范，并根據(jù)SCORM標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建測(cè)試資源對(duì)象，選擇Jena語義Web工具包構(gòu)建知識(shí)體系本體，設(shè)計(jì)Jena推理規(guī)則進(jìn)行推理為測(cè)試過程提供決策。測(cè)試結(jié)果以網(wǎng)狀知識(shí)體系的形式，為學(xué)習(xí)者提供更為準(zhǔn)確的學(xué)習(xí)狀況和學(xué)習(xí)建議。

[1]Foteini Grivokostopoulou,Isidoros Perikos,Ioannis Hatzilygeroudis.An Educational System for Learning Search Algorithms and Automatically Assessing Student Performance[J].International Journal of Artificial Intelligence in Education,2017,27(1):207–240.

[2]張波,張媛,陳勇銘,朱新華.基于SCORM的學(xué)習(xí)知識(shí)庫(kù)交換模型的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì),2010,04.

[3]耿浩,郭成棟.一種用于學(xué)習(xí)系統(tǒng)的個(gè)性化測(cè)試模型[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2007,13.

[4]ADL.SCORM 2004 4th Edition[EB/OL].2009-8-14,https://www.adlnet.gov/adl-research/scorm/scorm-2004-4th-edition/.

[5]蘇曉浩.基于Jena的高校課程本體的推理及應(yīng)用[D].內(nèi)蒙古大學(xué),2012.

A SCORM Personalization Performance Assessment System Based on the Jena Reasoning

ZHANG Bo1,WEI Yong-lin1,SHEN Fa-hai2

（1.Shcool of Mathematics and Computer Technology,Hezhou University,Hezhou 542899；2.School of Computer Science and Technology,Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065）

Focusing on the assessment lack that testing results do not reflect the student knowledge structure due to pervasive isolation of test ques?tions in on-line testing system,inability of dynamically adjusted process according to test status,introduces the ontology technology and the Jena Reasoning into online SCORM Performance Assessment System.This system builds the ontology knowledge structure based on the SCORM resource object,and then builds testing strategy based on the ontology.In the process of testing,a Jena reasoning engine provides runtime test decisions.The test results are presented in the form of a knowledge structure for personalized testing.

1007-1423（2017）27-0060-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.27.013

SCORM系統(tǒng)；本體；Jena推理；測(cè)試系統(tǒng)

張波（1983-），男，山西長(zhǎng)治人，碩士，講師，研究方向?yàn)檫h(yuǎn)程教育技術(shù)、XML技術(shù)、語義Web、自然語言處理，Email：zbomail@foxmail.com

韋永林（1993-），男，廣西梧州人，本科,研究方向?yàn)檫h(yuǎn)程教育技術(shù)、語義Web、XML技術(shù)

申發(fā)海（1993-），男，四川宜賓人，碩士研究生.研究方向?yàn)槟Ｊ阶R(shí)別、語義Web、圖像處理

2017-07-07

2017-08-30

SCORM LMS;Ontology Technology;Jena Reasoning;Performance Assessment System