（计算机应用技术专业论文）elearning建构和导航系统.pdf

摘要 学习是学习者获取知识和建构自己新的认知结构过程。论文研 究的问题是：如何利用网络上丰富的电子学习资源，为学习者建构 个性化的学习模式，并为其进行有效学习提供自适应导航服务。研 究工作的技术路径是：采用学习内容与学习建构系统分离，学习内 容的结构与内容的媒体形式相分离，内容与知识表示相分离方法， 按课程建立领域知识系统，将学习建构与导航系统建立在知识表示 和知识组织基础上。 论文阐述的领域知识系统采用本体论概念网络、知识点框架、 元知识素材库三层结构。本体论概念网是领域中基本概念和关系的 精确表示，表示知识的分类以及相互之间较复杂的依存关系，为学 习建构和学习导航提供了“联想的脉络，推理的依据”；知识点框架 模型表示了知识点的复合结构，它可以按照不同的学习模式组成不 同的组合式的框架结构；元知识素材采用是s c o r d 标准，网络上所 有遵循s c o i v i 标准的内容对象为知识点内容合成的多样性，提供了 充足的数据源泉。 用户模型是研究个性化的学习建构和导航的基础。论文论述了 用户的静态信息和动态信息模型。静态信息表示用户的个人信息、 学习任务和学习习惯，是初始化学习内容结构的参考，并决定素材 的选择顺序；动态信息记录用户的学习行为，它的内容在用户的学 习过程中自动更新，其值决定动态学习内容调整和学习导航。 研究工作的另一个要点是建立在知识领域模型和用户模型之上 的学习导航系统。系统设计并实现了知识点链接导航、知识点学习 状态提示导航和用户学习路线导航等多种导航策略。这些导航主要 根据了知识之间的关系、用户的学习特征以及用户对知识点掌握情 况，具有对用户行为分析和智能推导的功能，从而使导航具有自适 应的特征。 论文给出了实现导航策略的关键技术和详细算法设计，并以c 程序设计为实例作了系统实现。 关键词：本体，概念网，智能导航，自适应学习 a b s t r a c t s t u d y i n gi sap r o c e s s i o no fo b t a i n i n gk n o w l e d g ea n db u i l d i n gn e w s e l f - c o g n i t i o ns t r u c t u r ef o rl e a r n e r sa c c o r d i n g t oe d u c a t i o n a lp s y c h o l o g y t h em a j o rt a s ko ft h i sp a p e ri sr e s e a r c h i n go i lh o wt ou s et h ea f f l u e n t e l e a r n i n gr e s o u r c e so i lt h ei n t e m e tt ob u i l dp e r s o n a ll e a r n i n gs t y l e sf o r l e a r n e r sa n dg i v et h e ma d a p t i v et u t o r i n gs e r v i c ei no r d e rt om a k et h e m s t u d ye f f i c i e n t l y t h et e c h n i c a lm e t h o d so fr e s e a r c hh a sa d o p t e dt h e f o l l o w i n gp a r t s ：b u i l d i n gac o u r s ed o m a i nk n o w l e d g es y s t e mw h i c h h a s t h ef o l l o w i n gf e a t u r e s ：l e a r n i n gc o n t e n ta n dl e a r n i n gb u i l d i n gs y s t e m r e p r e s e n t e dr e s p e c t i v e l y ： c o n t e n ts t r u c t u r ea n di t sm e d i af o n l l r e p r e s e n t e dr e s p e c t i v e l y ；l e a r n i n gc o n t e n ta n dk n o w l e d g er e p r e s e n t e d r e s p e c t i v e l y ；d o m a i nk n o w l e d g es y s t e mb u i l to nt h eb a s i so ft h er e l a t e d c o u r s e a n da l s o ，l e a r n i n gb u i l d i n ga n dn a v i g a t i o ns y s t e mi sb u i l tu p o n t h ef o u n d a t i o no f t h ek n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o na n do r g a n i z a t i o n t h ed o m a i n k n o w l e d g es y s t e m h a s a d o p t e d a t h r e e l a y e r e d s t r u c t u r eo fo n t o l o g yc o n c e p t u a ln e t w o r k ，k n o w l e d g ef r a m e w o r ka n d d a t am a t e r i a l o n t o l o g yc o n c e p t u a ln e t w o r kc o u l dr e p r e s e n tt h eb a s i c c o n c e p t sa n dt h e i rr e l a t i o n si nd e t a i l t h ec a t e g o r i e sa n dc o m p l i c a t e d d e p e n d i n g r e l a t i o n s a m o n gk n o w l e d g e c a n g i v e a s s o c i a t i o n sa n d i n f e r e n c e sf o rb u i l d i n g l e a r n i n gc o n t e n ta n dn a v i g a t i o n ；k n o w l e d g e f r a m e w o r km o d e lr e p r e s e n t sc o m p o u n ds t r u c t u r ew h i c hc o u l dr e u n i t e d i f f e r e n t l ya c c o r d i n gt od i f f e r e n tl e a m i n gm o d e s ；d a t am a t e r i a la d o p t s s c o r ms t a n d a r d a l it h o s em a t e r i a l sw h i c ha r ei na c c o r d a n c ew i t ht h i s s t a n d a r do ni n t e r n e th a v eg i v e na f f l u e n tr e s o u r c e sf o rc o m p o s i n gt h e c o n t e n to fk n o w l e d g en o d e u s e rm o d e li st h eb a s i cf o u n d a t i o nf o r r e s e a r c h i n gp e r s o n a l l e a r n i n g a n d n a v i g a t i o n t h e m o d e li n c l u d e st w o p a r t s ：s t a t i c i n f o r m a t i o na n dd y n a m i ci n f o r m a t i o n s t a t i ci n f o r m a t i o nr e c o r d su s e r s p e r s o n a li n f o r m a t i o n ，l e a r n i n gt a s k sa n ds t u d y i n gh a b i t sw h i c hc o u l d b e c o m et h er e f e r e n c ef o ri n i t i a t i n gl e a r n i n gc o n t e n ta n dd e c i d e st h e p r i o r i t yo fm a t e r i a l s ；d y n a m i ci n f o n n a t i o nr e c o r d sb e h a v i o r s o fu s e ra n d i i i tu p d a t e sd u r i n gt h ep r o c e s s i o no f l e a r n i n g ，i td e c i d e st h ea d j u s t m e n to f l e a r n i n gc o n t e n ta n da d a p t i v en a v i g a t i o n a n o t h e re s s e n c ei s s u eo fr e s e a r c ht a s ki sb u i l d i n ga ni n t e l l i g e n t n a v i g a t i o ns y s t e mb a s e do nt h ek n o w l e d g em o d e la n du s e rm o d e l s y s t e mh a sd e s i g n e da n dr e a l i z e dd i f f e r e n tn a v i g a t i o ns t r a t e g i e ss u c ha s p e r s o n a ll e a n i n gc o n t e n tc r e a t i n gn a v i g a t i o n ，k n o w l e d g eh y p e r t e x tl i n k s n a v i g a t i o n ，l e a r n i n gs t a t eh i n t i n ga n du s e rl e a r n i n gr o u t i n en a v i g a t i o n s t h e s es t r a t e g i e sa r em a i n l yb a s e do nt h er e l a t i o n sa m o n g k n o w l e d g e ， u s e rf e a t u r e sa n du s e r sc u r r e n tm a s t e r i n gs t a t e ，s ot h a tt h e yh a v e f u n c t i o n so fu s e r s b e h a v i o ra n a l y s e sa n di n t e l l i g e n c ei n f e r r i n ga n dt h e n h a v ea d a p t i v ef e a t u r e s t h ep a p e rh a sg i v e nk e yt e c h n o l o g i e sa n dd e t a i l e da l g o r i t h m s d e s i g n ，a l s o ，t h es y s t e m i sr e a l i z e do nt h ec o u r s e “cp r o g r a m m i n g l a n g u a g e ” k e y w o r d s o n t o l o g y , c o n c e p t u a ln e t w o r k ，i n t e l l i g e n tn a v i g a t i o n ， a d a p t i v el e a r n i n g i i i 图表索弓 图1 1 积件系统结构， 图l 2 课件系统概念网模型 图2 1 系统主要组成部分 图2 2 学习建构和导航系统相关概念之间的关系 图2 3 知识领域模型 图2 - 4 本体概念网模型 图2 - 5 角色概念模型 图2 - 6 知识点结构图 图2 7 知识点示意图 图2 - 8 素材库组成， 图2 - 9 用户模型 图2 一1 0 教学模型，。 图3 一l 系统导航界面图 图3 2 知识点的组织与显示结构 图4 l 系统工作原理图， 图4 - 2 学习建构和导航系统控制环路 图4 - 3 系统数据库的关键表关系图 图4 4 知识点学习状态改变数据流程图 图4 - 5 下一步学习推荐算法流程图 图j l 系统框架图 图5 2 新用户注册窗口。 图5 3 用户个人信息管理图 图5 - 4 用户学习记录管理图 图5 - 5 知识点测试页面 图5 - 6 系统扩展资源参考学习图 表2 1 知识点教学策略与构件对应关系表 表5 1 部分角色概念表 表5 - 2 部分知识点框架 表5 - 3 课程评价标准格式示例 巧“m抱m坫坞均加孙四n虬鹕们鸲的弘弘弱弱耵拍盯弛的 ， ， ， ， ， 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名： 至玺日期：二竺兰年月_ 二妇 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：羔翠一导师签名j ：牡日期：蛑旦月盟日 中南大学硕士：学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 随着i n t e r n e e 的普及与发展，世界各国对远程教育与网络学习给予了前所 未有的关注，我国教育部于1 9 9 8 年1 2 月2 4 日制定、国务院1 9 9 9 年1 月13 日 批转的面向2 1 世纪教育振兴行动计划对远程教育尤其是网络教育的发展作 了宏观上的规划，并给予了政策上的支持“1 。而利用各种电子学习资源进行学习 则成为远程教育的一个重要方式，网络学习资源质量的好坏直接影响网络学习 的结果，所以如何很好地组织资源并引导学生进行有效的学习就成为一个备受 关注的问题。1 。而该问题的研究关系到计算机信息组织、知识组织，教育心理学 和现代教育技术等多个领域，是一个学科交叉的新课题。现代教育学的建构主 义理论提倡教学要根据学习者的认知结构进行学习，协同学习、问题驱动、资 源性学习等教学策略随之孕育而生。同时，各种网络课件、多媒体教学资源库、 智能学习系统等技术的研究也向个性化、智能化方向发展。1 1 。实现个性化和智 能化的基础是知识的有效组织，以及在建立在这个基础上的个性化学习导航。 而调查显示，现有的网络课程或电子教案无论从质量和数量上，都不能完全适 应网络学习者的需求，在学习者的学习过程中，网络学习系统始终处于非主流 的辅助地位“，所以提出一种有效的知识组织方式来组织课件知识并且结合智 能的导航策略来引导学习已成为当务之急，本文就是在这样的背景下提出网络 学习建构和导航系统的研究与应用。 1 1 1 网络课件系统的发展与现状 课件是指在定的学习理论指导下，根据教学目标设计的，反映某种教学 策略和教学内容的计算机软件”3 。与传统的教学相比，课件具有随时随地、知识 资源共享、交互学习等优点。从以前的单机版发展到现在的网络版，课件无论 从形式上还是内容上都有很大的改进。例如，在形式上，由传统的固定封闭式 的课件到可重组的积件再到现在具有一定智能化的课件；内容组织上，由以前 单纯的线性组织到现在能表现课程知识间联系的网组织；界面表现上，由以前 的演示形式到现在具有交互功能的互动形式：提供的功能上，由以前的课件网 页浏览到现在的浏览、查询、测试、解决问题于一体的多种功能。根据权威调 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 查，目前课件的基本状况如下”1 ： 1 ) 几乎所有的网络课件都非常重视教学内容的呈现，且大部分教学内容皆 按印刷课本章节顺序编排； 2 ) 网页的设计在布局、风格、色彩、链接、超文本等诸方面已相当专业化， 基本不存在什么问题： 3 ) 网络课件基本栏目包括：导航、课程介绍、练习； 4 ) 导航基本上是提供不同程度的课程内容导航，有些会根据用户对知识点 的掌握情况给出学习状态提示； 5 ) 关于教学学习目标，调查显示大部分课件有明确的教学学习目标陈 述，而只有很少课件有为用户达到学习目标提供充分的环境与条件。 1 1 2 存在的问题以及对网络学习系统的新要求 由于计算机技术的进步，计算机为时空自由、资源共享、系统开放、便 于协作提供了支撑。但是，目前大量课件还是处于低水平的共享上，众多资 源都是各成体系，离散独占、杂乱无序、不能相互融合。存在主要的问题主 要有： 1 ) 学习资源不能重用和融合。针对同一学习目的，不同的学习者应该能 够使用网上不同来源的资源；同样，同一学习资源应该能够为多个学习目的 所使用； 2 ) 不能灵活建构学习内容和学习过程。现有课件的内容组织是固定的、 线性的，很难做到高层次的学习个性化，学习模式的多样化： 3 ) 只能表示知识的简单关联。一般而言，课件表现知识的关联方法是通 过定义当前知识描述与其他相关知识的超文本链接实现的，如关键词链接。 这种链接没有考虑知识之间存在什么关系以及关联的权重，如先导知识、类 比知识、可借鉴方法、理论基础、应用实例等等。因此，不可能根据实际需 求进行知识联想，提供有方向的学习线索。而且，不加限制地在网页出现概 念关键词的地方定义对应超链接容易使学生在浏览不同的网页时迷失方向而 忘记学习目的； 4 ) 导航缺乏足够智能性，一般的课件导航只是方便用户浏览内容，而很 少具有用户行为分析、知识联想、学习推荐等智能导航策略。练习也只是简 单的测试和给出正误判断，并没有根据测试结果推断用户对整个课件知识的 掌握情况，从而为智能分析与个性化导航提供依据； 中南大学硕士学位论文第一章绪论 5 ) 缺乏个性化服务，大部分的课件在不同的用户面前呈现的内容是样 的，都是按课程本身的组织方式呈现，没有根据不同用户的学习状况和爱好 展示不同的学习内容，也没有根据个体的不同提供对应的服务； 6 ) 教学学习目标的具体计划与实施策略问题，一般课件只是以文字的形 式给出学习的任务和目标，而没有提供相应的实施任务所需要的环境。 针对以上存在的问题，本文认为需要在以下儿方面开展研究： 1 ) 领域知识表示模型。建构智能化、个性化e 一1 e a r n i n g 系统是一个知识 工程，需要研究面向e 一 e a r n i n g 的领域知识表示模型； 2 ) 个性化学习内容的结构的建构方法。个性化的学习内容结构不仅仅是具 有传统的目录结构，而且应该能够根据领域知识结构和学生的认知结构灵活建 构； 3 ) 多种教学资源的重用与融合。能够将丰富的学习资源作为学习构件，研 究学习构件与学习内容结构的关系，根据知识模型和内容结构对学习资源进行 融合、呈现； 4 ) 有效的智能导航策略，它不只提供学习单元的状态提示与内容的漫游功 能，还具有用户行为分析、知识联想、学习推荐等多种功能： 5 ) 教学学习目标的具体化，系统能为每一个需要用户达到的学习目标设 计一定的任务和实施环境并给出相应的测试与评价。 只有达到了这些要求，学习系统才能真正担负起“教”与“学”的双重功 能，为用户通过电子课件学习提供一个良好的环境。 1 2 相关工作 1 2 1 目前流行的课件系统形式及其特点 目前我国的课件系统从制作到应用，都已经有很成熟的技术和市场”3 ，它们 的表现形式及应用特点大致可分为以下三大类： 1 ) 流行软件所制作的课件：它们是由目前流行的一些专业工具所制作，如 p o w e r p o i n t 、f r o n t p a g e 、d r e a m w e a v e r 等。其特点是制作方便，有很多成熟的 模板、按钮或其他一些功能可供使用，在课件页面排版上有着无可替代的优势。 但另一方面，对于如何有效地组织并表示知识却并没有提供相应的有用的引导 或提示，另外，这些工具本身并没有提供互动内容的实现方法，如要使课件真 正“动”起来，用户还需通过编程实现。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 2 ) 专业公司所开发的课件制作平台所制作的课件：如方正奥思多媒体创作 工具( f o u n d e ra u t h o rt 0 0 1 ) 是北大方正技术研究院精心研制的一个可视化、 交互式的多媒体创作工具；上海思创网络有限公司所创建的思创课件；济南金 成众实业有限公司开发的成众多媒体远程教育与课件制作系统等。 3 ) 利用网络编程语言创建适合本校或本课程特色的课件，如株洲工学院的 计算机信息基础学习系统”3 、大连理工大学的c 语言课件等，这些课什 大都是采用目录结构进行组织，基本上是课程内容的重现。 以上几种形式虽然在排版、播放、统一规范化等方面已日趋成熟，但在知 识的表示和组织、智能导航以及个性化服务上还存在明显不足，而这些不足也 是我们本论文课题所研究的重点。 1 2 2 常见课件知识组织和表示方法 知识表示是人工智能一个很重要的方面，它主要用于刻画和表示某一专家 领域的知识“”“。同样，课件知识组织和表示方法是课件所能够提供功能的基础， 因为课件知识内容的呈现以及导航策略的实施都需要通过课件的组织知识来实 现“2 ”1 。归纳起来大致有以下几种方法： 1 ) 按章节目录结构组织知识 目前大部分课件基本上都采用了类似与教材目录的方式来组织课件知识， 有些课件的内容就如同教材内容的再现，且素材与知识表示连为一体。这种方 式相当于把教材搬到网上，唯一不同的是用户可以通过超文本链接定位到任意 一个章节知识点。它的特点是表示的课程知识层次结构清晰，但没有挖掘并表 示课程内部各个知识点以及概念之间的联系，自然也没有基于各种联系之上的 导航与个性化服务。另外，由于素材与知识表示没有分开，所以不能达到教学 资源共享、修改困难、灵活性差等缺点。 2 ) 概念图 概念图1 9 7 6 年由美国人j o h n f s o w a 在文章“c o n c e p tg r a p hf o ra d a t a b a s ei n t e r f a c e ”中首先提出，1 9 8 4 处在他出版的“c o n c e p ts t r u c t u r e ” 一书中形成了完整的概念结构理论“。它是一种知识表示，其目的是向用户提 供一种最接近于自然语言的方式向系统表达并传递知识，同时将知识转换为机 器容易操作的统一代码形式。在表现形式上，它是一种用节点代表概念、连线 表示概念间关系的图示法。世界上许多的学者和教师在后来研究概念图技术， 并使之成为一种教学的工具“5 。1 “。作为一种创作和学习工具，在表示有明确概念 ! 塑查堂堡圭堂垡笙壅兰三! 已! 查鱼 结构关系局部知识领域时，或用于刻画某一个问题所涉及的概念及其关系时是 有它的优越性的，所以概念图被广泛用于课堂教学中对某一知识点所涉及的概 念讲解或作业中。作者本人也曾在一篇论文中就阐述了关于概念图在网络课件 中的应用m ，。但如果用它来表示有着复杂关系的课件知识时，则会出现表示难 以规范、关系过于复杂、自动化处理难等缺点。 3 ) 积件 积件是为了解决传统课件组织固定单一、缺乏灵活性而把课件的部分内容 做成“积木，式的散课件“”。”。积件具有可积可散、可分可聚、可插可构等特 点，如将积件科学组合，动态应用，则可使课件在整体安排和系统设计上更具 灵活性和实用性。网络积件的系统结构如图l 一1 所示意。 图卜l 积件系统结构 由以上可以得知，积件有着它的优越性，但目前的研究对于积件的可积性、 积件的标准化以及积件资源的管理问题还存在没有成熟的理论支持，而且，它 主要解决的是课件内容的可拆分性而达到资源共享的目的，但对于知识之间的 关系却没有足够的表示，所以还是没有为课件智能化提供充分的条件。 4 ) 概念网 概念网是由概念和概念之间的联系组成，各概念根据它们在某一领域知识 中的位置和角色决定它们之间不同联系的涵义啪2 “。目前国外许多流行的课件系 统主要是利用概念网组织课件内容”2 ”，概念包括各个知识单元以及知识单元内 中南大学硕士学位论文第一章绪论 一 图1 - 2 课件系统概念网模型 根据对以上常用的课件知识组织形式的分析，我们可以看出各自的特点以 及存在的问题，本论文在设计知识组织形式的时候就是充分考虑了它们的优缺 点，扬长避短，结合人们对课件的要求设计出合适的领域知识组织模型。 1 2 3 网络课件导航的几种表现方式 网络课件的导航功能是影响系统质量一个很重要的因素。导航可以在用户 学习过程中提供有效的引导，从而提高用户的学习效率。”“。目前流行的课件系 统都在不同程度上具有一定的导航功能，归纳起来大致有以下几种形式： 1 ) 模块导航：模块导航是指由一些标志性短语建立的超链接，如“教学大 纲”、“学习方法”、“讨论区”、“自测园地”等，每个短语连接一个子模块，完 成特定功能，将一系列这样的超链接排列于每个页面的固定位置，以便随时进 中南大学硕：t 学位论文第章绪论 入各个子模块。还可以设置下拉式列表框，学生可以选择列表内所列内容： 2 ) 帮助导航：系统设置有专门学习帮助选项，其中包含对课程特点的介绍、 相关插件的要求以及课件的使用特点等。还有一些课件会在适当的位置给出信 息提示帮助等； 3 ) 线索导航：系统可以在学习者浏览访问系统的链和节点时，把学习者的 学习路径记录下来，可以让学习者按原来的路径返回，并允许回溯。系统也可 以让学习者事先选定一些感兴趣的路径作为线索，然后学生可以根据此线索进 行学习： 4 ) 检索导航：有些课程包含很多的定义和定理，为了使学生能够方便的查 找到想了解某个或某些概念、定理，在网络课程中设计搜索功能，可以设计为 根据关键字检索，还可以设计为根据查内容属于某个知识点检索，或二者兼有。 设计检索导航为学生快速找到相要了解的内容提供了一个简便高效的渠道； 5 ) 图导航：它是指以学生的学习目标或当前激活的知识点为中心，将知识 领域网中的一些相关知识点找出来，并且根据它们在网中的位置和角色以图的 形式展示出来。其特点是可以集中体现与主题密切相关的知识内容。 以上这些导航策略在不同的课件系统中有不同的应用，大部分的呈现形式 是一样的，但具体的内容和依据的原则根据不同的知识组织与导航算法的不同 而不同。 1 3 本课题的研究目标、内容及意义 13 1 研究目标 如同本文在前面的分析，目前课件系统大多存在着知识资源的共享、知识 的分类与联想、有限的信息提示与欠缺智能导航以及个性化服务等问题，而这 些问题又是限制课件智能化的关键原因。本文针对这些问题提出相应的解决方 案，使网络学习系统不仅成为学生学习以及检索的学习资源，同时充分发挥其 “教学”、“引导”、“分析”、“推荐”等功能，以实现学习系统真正的智能化”。 具体而言，它主要涉及到以下几个方面：充分挖掘领域知识之间的内在联 系；教学资源的标准化与共享；教学资源与课程知识点的分离表示；知识点内 容的灵活组合：基于课程知识概念网络与课程知识点的多种智能导航功能的设 计与实现，各导航策略是以表现知识问联系和反映用户需求为宗旨；适应不同 用户的个性化服务，能根据不同用户的学习基础、兴趣以及当前的学习状态给 中南大学硕士学位论文第一章绪论 出有益的提示和提供相适应的学习内容。 1 _ 3 2 研究内容 为实现本课题研究目标，本论文的研究内容主要涉及三个方面： i ) 课程知识领域模型的分析与设计。它主要是指网络课程领域知识的表示 与组织，其中包括以下内容：如何利用奉体概念网的思想表示课程知识：课程 知识点的框架表示；元知识素材的结构与表示；基于本体思想的概念网、素材 与知识点之间的关系与互动等。 2 ) 用户模型的分析与设计。主要包括用户个人信息、用户的学习特征、用 户与学习系统的互动信息、用户的学习记录信息。在设计时以充分体现系统所 能提供的个性化学习服务为指导原则。 3 ) 各种学习导航的策略、关键技术与算法的设计与实现。 学习系统的智能性体现在以下几个方面： 1 ) 有知识的结构化表示和知识之间的多种关联的表示，学习内容不是固定 不变，而是动态合成的。 2 ) 适合用户需求的个性化服务，系统可以根据用户一定的需求自动选取相 适应的素材进行合成。需求包括用户希望掌握的程度、喜好的媒材形式以及学 习方法等。 3 ) 多种智能导航策略，包括超文本知识点链接导航、用户知识点学习状态 注释导航、自适应学习路线回溯和推荐导航等。它们是在对用户当前的学习状 态下所研制的一系列有针对性的导航服务。 1 3 _ 3 研究意义 本论文主要为了解决或改善目前课件系统存在的某些问题，以更好地满足 用户的需求，其研究意义有以下几点： 1 ) 知识表示与教学资源相分离，以实现资源的独立性、重用性与知识共享 的目的。 2 ) 利用本体概念网表示课程内部知识之间的联系符合人们思维的方式，并 为知识的联想、分类和导航提供了基础。 3 ) 用户模型的设计使得根据用户不同特点提供个性化服务成为可能。 4 ) 各种智能导航策略充分考虑了用户学习过程中各种需求，体现以人为本 的思想和服务宗旨。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 总之，本课题的研究为学习资源的有效组织、知识表示的规范化、学习行 为、学习方法分析、学习导航等各个方面提供了相应的理论指导和实现方法。 1 4 小结 该章从网络课件系统的发展和现状出发，提出了它们普遍存在的问题以及 人们对网络学习系统的新要求，如期望得到个性化的学习内容、自适应的学习 导航服务、学习资源的重用和动态组合等。针对现状和新的需求，论文作者做 了一些相关工作，如了解目前流行的电子课件系统形式及特点、课件知识组织 和表示方法、课件导航的几种方法及特点等。在调查以及相关工作研究的基础 上，提出了本文的研究目标、研究内容和研究意义，旨在充分挖掘知识之间联 系的基础上达到资源共享和动态组合的目的；同时将用户模型和个性化自适应 导航服务结合起来，使同一个课件系统为不同用户提供不同的内容以适应不同 的需求并给出智能的学习导航服务。 中南大学硕士学位论文 第二章系统组成分析与设计 第二章系统组成分析与设计 2 1 系统组成及相关概念 系统分为学习内容、学习模式和用户信息三个部分。三个部分用知识领域 模型、用户模型以及教学模型表示。它们三者互相依存，互相影响，其中各部 分的关系如图2 一l 所示，以下小节中会对每个部分的组成与设计有详细阐述。 图2 1 系统主要组成部分 此外，本系统所牵涉的相关概念解释如下。 学习建构和导航系统：能依据某一领域知识表示和内容的组织，和对应的 教学法，通过分析学生的学习目的、认知结构以及学习行为，自行选择教学策 略，并对应教学策略自行建构学习内容的结构和呈现形式，以w e b 网页的形式 发布于i n t e r n e t 网上，在一定程度上模拟人类教学专家所进行教学活动的软件 系统。 教学专家：有丰富的专业知识并且熟练掌握各种教学方法的教师。 知识领域专家：对某一领域的知识的结构、组成以及其中各个部分之间的 联系有深刻的认识和了解的专家。 知识工程师：精通计算机软、硬件，能将教学专家以及知识领域专家的意 图、知识、经验通过计算机完美体现的工程师。 知识领域模型：为了客观全面地表示和呈现某一领域的知识而建立的知识 模型，它包括反映知识之间联系的知识网、用于内容合成的素材库以及与知识 中南大学硕士学位论文 第二章系统组成分折与i 监汁 呈现有关的知识点树。 用户模型：为了记录用户的个人信息、学习特征、在学习过程中的掌握情 况和个性化导航信息等方面而建立的模型。 教学模型：把教学专家所拥有的教学经验和教学策略以及系统设计者所设 计的导航策略相互融合到一起而建立的模型，它能根据学生不同的学习特征给 出个性化服务，并能根据学生对知识的掌握理解程度给出有益的导航提示和导 航推荐。 以上各个概念之间的关系如图2 2 所示。 知识领域专家、教学专家与知识工程师进行交流，共同建立知识领域模型、 教学模型和学生模型。知识工程师将模型进行处理，变成计算机接受的网络学 习建构和导航系统，学生则通过i n t e r n e ( 登陆系统进行学习。 图2 - 2 学习建构和导航系统相关概念之间的关系 2 2 领域知识模型 建立领域知识模型的目的是表示领域知识、学习内容结构、内容呈现形态。 本论文采用的由本体概念网、知识框架、元知识素材描述组成的三层结构模型 一方面反映了对象域的本质，另一方面也体现了建立领域知识系统的需求。三 者的关系如图2 3 所示。 顶层本体论概念网是领域中基本概念和概念之间关系的精确表示，在概念 的层次上表示了知识最基本的结构和组成；中间层的知识框架表示的是学习内 容的结构，关于同一个知识的学习有不同学习模式和编列策略，因此就有不同 的知识框架；元知识素材描述符合s c o r m 标准，即可共享内容对象参照模型标 准( s h a r a b l ec o n t e n to bi e c tr e f e r e n c em o d e l ) 。学习建构的最终形式就是 中南大学硕士学位论文 第二章系统组成分析与设计 融合呈现学习内容的素材数据，合成面向学习者的内容呈现。 图2 - 3 知识领域模型 2 2 1 本体论思想与课件知识组织的关系 本体o n t o l o g y 是描述概念及概念之间关系的概念模型，通过概念之间的关 系来描述概念的语义。作为一种有效表现概念层次结构和语义的模型，o n t o l o g y 被广泛地应用到计算机科学的众多领域。”1 。 在知识工程界，最早给出本体概念的是n e c h e s 等人，他们将本体定义为“相 关专题的基本术语和关系，以及利用这些术语和关系构成该专题的规则的集合”5 1 。 后来，g r u b e r 在1 9 9 8 年又给出了本体的一个更为流行的定义，即“本体是领域 概念模型的显式表示”。具体而言，某个领域的本体就是关于该领域的一个 公认的概念集，其中的概念含有公认的语义，这些语义通过概念之间的各种关 中南大学硕士学位论文 第二章系统组成分析与设汁 联来体现。本体通过它的概念集及其所处的上下文来刻画概念的内涵。总之， 本体强调相关领域的本质概念，同时也强调这些本质概念之间的关联。 课程知识领域中的知识则有以下一些特点： 1 ) 有公认的显式概念集：无论是说明性知识还是过程性知识都可以用概念 来概括和表示。概念在领域内有公认的语义。概念集是科学技术类知识系统最 基本表示。 2 ) 存在最基本的结构：知识由知识点组成，知识点可以由更小的知识点或 知识元素组成。而总结归纳知识的结构是知识系统的基本组织方法，根据知识 结构学习是学习课程知识的基本方法，掌握知识的结构是学习的最基本的要求。 3 ) 有公认的自顶向下的组织关系：任何一门科学技术类的知识都可以用几 个基本的概念抽象表示。抽象概念不断细化分解，构成知识系统。 4 ) 有规范的概念关联：例如处理和方法关联、处理和对象关联、方法和应 用关联、环境和过程关联等。 由以上可以看出，本体论方法适合构造课程领域知识体系。同样，本体论 方法适合指导课件领域知识概念网的构建。 2 2 2 利用本体概念网描述课程领域知识 概念网是用于描述领域知识中概念以及概念之间关系的网络，在该网络中， 概念是它的基本组成元素。而本体在这里则是指一种指导组建概念网络、定义 概念结构、挖掘和表示各种概念联系的思想和规则。以下便是设计本体概念网 络和概念模型所用到的详细理论基础和设计规则。 1 ) 知识系统的本体论分类 知识的分类体现教科书的章节组织上。教科书的章节不完全表示知识本体 结构，它的分类一个重要根据是学习的顺序。而对于实现个性化的学习，顺序 应该是因人因时而变化的。例如，c 程序设计教材中的“数组”应该属于“数 据类”知识，由于它的操作复杂，引入它的目的是为了解决复杂的问题，所以 它没有放在介绍简单数据的知识一起“”。因此，有多种分类。怎样根据事物的 本质分类，使之即是大家普遍接受统一知识的组织和知识的表达，又能适合个 性化学习的要求。 2 ) 本体概念网模型 根据前面所阐述的概念网与本体特点，我们将本体概念网模型用图2 - 4 表 示。由该图可以看出，本体概念网模型在形式上是由若干个节点以及它们之间 中南大学硕士学位论文 第二章系统组成分析与殴计 的连线组成，而在内容上，每个节点代表一个角色概念，每根连线代表两个概 念间的联系。 概念网络的基本数学模型可以表示为：c n = c n ( o n ，k r ) 。其中，c n 代表 概念网；c n 代表概念网c n 中的所有概念词集；概念间的知识关联k r = ( c n i ， c n j ) lc n i ，c n j c n ；i j ；i ，j = l ，2 n ) ，c n i ，c n j 代表角色概念。 而本体则主要是一种指导思想，指导如何定义概念以及它们之间的各种联 系。本体视图则是指由不同的原因而将对应的一些角色概念以及相适应的联系 组合起来而形成的视图，这些不同的原因包括不同的用户要求、不同的学习目 标或学习重点、不同的知识领域等。 八念 跨 其它本体视图 本体 图2 - 4 本体概念网模型 3 ) 本体概念集和属性集 本体内还有许多有关联的概念，分类仍然是组织这些概念的基本方法。而 分类又多种，而且又互相重叠。例如在c 程序设计中： 数据可按常量和变量分类，变量又可分为全局、局部变量，静态、动态变 量，而局部变量和全局变量都可以是静态变量；数据还可按类型分类，分成整 型、实型、字符型数据；局部变量和全局变量又可以是整型局部变量、实型局 部变量、整型全局变量和实型局部变量等。 对上述实体进行分析，本体的概念分类如下： 角色概念：角色概念是构成的本体的基本实体的抽象。例如数据本体中的 角色概念是常量、变量和数值。它们是数据的基本形式，所有实体都是由三种 基本形式的派生的。 属性概念、属性值概念：属性概念是刻画实体的本质的概念。本体内的实 体具备相同的属性结构，但以属性的值不同而相互区别。数据的属性结构为： 数据类型，存储长度，存取方式，值域，按数据类型的属性值：整型、实 中南大学硕士学位论文 第二章系统组成分析与设计 型、字符型，数据分成了3 类，而且常量、变量和数值都继承了这个分类。所 以数据类型是数据的重要属性和分类属性，本文称之为类属。 4 ) 概念关联 根据概念的应用环境和特点，概念之间存在多种关联。本体描述的是概念 之问最本质、最主要的关联。常见的关联有以下一些： 抽象一具体关联：它是指对象和实体的关系，如c 语言中数据类型和实数、 整数、字符的关系，选择结构与i f 语句、s w i t c h 语句的关系。本文将这种关系 也称为父子关系。 整体一部分关联：它通常是形容两个实体之间的包含关系，如表达式与变量、 常量、运算符的关系。 同级关联：类似于兄弟关系，如常量和变量的关系，它们从属于同一个父 亲或整体。 先导关联：如果在学习某一概念之前需要一些先导知识概念，它们之间便 存在先导关系。如学习i f 语句之前需要学习关系表达式，结构化程序设计，顺 序结构等知识。在定义时一般是本着“就近、必要”的原则，即在整个知识网 络结构中，指在与当前概念最接近的概念中找出很必要掌握的先导概念。 5 ) 角色概念模型 由以上本体的概念集、属性集以及概念之间的关联可以看出，角色概念作 为构成的本体的基本实体的抽象，它是本体概念网的一个基本元