第17卷第3期 重庆科技学院学报(自然科学版) 2015年6月 E.Learning环境下基于知识点偏好的 学习社区组建 赵海燕王传安 葛华 (安徽科技学院数理与信息工程学院,安徽凤阳233100) 摘要:在对在线学习者的个性化信息进行抽象、合理描述及分析的基础上,提出描述学习者在学习过程中的本体 模型及本体推理规则;在结合虚拟学习社区和知识导航的服务下,借助Prot6g6、JSP和Jena编程技术,实现基于本体 并具有组建虚拟学习社区和知识导航功能的E—Learning原型系统。实验表明,所提出的建模方法有利于进一步建 立基于知识偏好的学习社区。 关键词:E。Learning环境;本体模型;推理规则;虚拟学习社区 中图分类号:G434 文献标识码:A 文章编号:1673—1980(2015)03—0098—05 数字化学习(E—Learning)是通过计算机互联网 或手机无线网络进行网络教学与学习的一种方式。 况的实时收集,没有考虑学习者之间协作帮助的问 题,导致学习者在网络课程中感到“孤独”,学 习效率的进一步提高。 在E—Learning学习环境下,学习者在学习时可以根 据自己的学习目标,选择学习内容和学习方式。但 是E.Learning环境下的学习者数量众多,每个学习 者的学习能力、个人兴趣与习惯、个人学习基础、努 力程度都存在较大的差异 ,不可避免地产生了很 本次研究首先对在线学习者的个性化信息进行 抽象,并进行合理描述及分析基础上,提出描述学习 者在学习过程中的E—Learning模型,进一步建立基 于知识偏好的学习社区,使得学习者之间的交流更 有针对性,从而提高学习者的学习积极性、学习效果 和效率。 多“孤独”的学习者。在此情况下,一些学者认为建 立合适的学习社区,不仅可消除学习者的孤独感,还 可提高学生的学习效率。文献[2]采用技术维度、 社会交互维度和教学维度创建虚拟学习社区的三角 形理论模型。Carabajal等人在建立虚拟学习社区模 1 本体模型及推理规则 学习者在学习过程中的知识偏好信息是组建学 习社区的依据。因此首先给出学习者的知识偏好信 型时也采用了技术要素、社会交互要素和学习任务 3个要素 。王云等人采用内容分析法对构建的学 习社区模型进行实证研究,验证学习者的学习动机、 息,并利用本体论合理、有效、清楚地描述出概念、逻 辑之间的内部关系,从而建立E—learning环境中的 学习方式和自我效能感等与其知识建构水平具有一 定的相关性 。文献[5]从理论支撑、系统管理等 方面解析如何构建个性化的成人虚拟学习社区。学 习社区在一定程度上可以解决在线学习者之间的交 知识偏好的本体模型并制定相关本体推理规则。 1.1 基于知识点偏好的本体模型 学习者学习过程中主要建模要素有学习、提问、 测试和交流。E—Learning学习环境中知识本体模型 框架包括知识偏好信息12元组,PS={S,KD,KP, QA,KPQA,IA,KPI,TA,PT,TEST,TM,TS}。式中 互问题,但在学习社区的数字资源的组织及管理上 还存在一些问题。 本体论具有概念和关系定义明确的特性,许多 分别对应12个概念:Student,KnowledgeDomain, KPoint,QAActive,KPointQA,InhabitActive,KPointIn— habi,TalkActive,KP0intTalk,Test,TestMark,TestStan— 学习者利用本体对E—Learning进行研究 』。这些 方法通过对本体的使用,在知识组织、相关关系提取 等方面取得了明显的进步,但忽略了学习者学习情 收稿日期:2014—12—25 dard。这些概念间的关系如图1所示。 基金项目:安徽省自然科学基金项目(KJ2013Z044,KJ2013Z050) 作者简介:赵海燕(1977一),女,安徽砀山人,讲师,研究方向为E—Learning的在线学习和情境感知。 ・98・ 赵海燕,等:E—Learning环境下基于知识点偏好的学习社区组建 图1基于知识偏好的本体模型 为更好地描述建立的本体模型,首先引入以下 概念和相互间的关系。 (1)学习者学习活动概念及关系 Student表示E—learning环境中的学习者。 Kn0wledgeDomain表示知识域,包含下面几种关 系:包含关系(haslncluded),前序关系(hasSe- quence)以及相关关系(hasRelativity);hasIncluded 具有传递性, haslncluded Y表示知识域Y包含知识 域 ,表示为: {< ,Y>I戈∈Kn0w1edgeD0main八Y∈KnowledgeDo— main八 c Y};hasSequence具有传递性, hasSe— quence Y表示知识域 是学习知识域Y的前提,可 表示为: {< ,Y>l ∈KnowledgeDomain^Y∈KnowledgeDo- main A学习 是学习Y的前提条件};hasRelativity 具有自反性, hasRelativity Y表示知识域Y和知识 点 相关,可以表示为: {< .Y>I ∈KnowledgeDomain八Y∈KnowledgeDo— main A 和Y是相关的}。 KPoint表示知识点。知识点与知识域之间具有 被包含的关系(hasIncluedBy)。 hasIncluedBy Y表 示知识点 包含于知识域Y,可以表示为: {< ,Y>I ∈KPointAy∈KnowledgeDomainAx∈Y}。 (2)学习者测试活动概念及关系 Test一某个知识域的相关测试; TestStandard一测试要求学习者要达到的标准; TestMark一测试成绩; hasGoodMark一取得较好的学习成绩; hasNormalMark一取得达标成绩; hasBadMark一学习者没有达到测试标准。 (3)学习者知识偏好概念及关系 QAActive一针对知识域提问行为; KPointQA一关于某个知识点提问行为; InhabitActive一浏览知识域的行为; KPointInhabit一针对某个知识点的浏览行为; TalkActive一针对知识域的交流行为; KPointTalk一针对知识点的交流行为; hasMoreTime一实际驻留某知识点的时间大于 平均驻留时间; haslnTime一实际驻留某知识点时间近似平均 驻留时间; hasLessTime一实际驻留某知识点时间少于平 均驻留时间; hasMoreFrequency一对某知识点的实际交流次 数大于平均交流次数; hasInFrequency一对某知识点实际交流次数近 似平均交流次数; hasLessFrequency一对某知识点的实际交流次 数少于平均交流次数; hasMoreNumber一对某知识点的实际提问次数 大于平均提问次数; hasInNumber一对某知识点的实际提问次数近 似平均提问次数; hasLessNumber一对某知识点的实际提问次数 少于平均提问次数。 1.2学习偏好的推理 根据上述提出的概念及相互间的关系,对学习 者针对某个知识点的偏好程度进行推理,并进行动 态调整,进而获得学习者对某个知识域的偏好情况。 具体推理规则如下。 为方便表述,记Student个体为S,KnowledgeDo— main个体为kd,KPoint个体为kp,KPointlnhabit个 体为kpi,InhabitActive个体为ia,KPointTalk个体为 kpt,TalkActive个体为ta,KPointQA个体为kpq, QAActive个体为qa,k相应的Test个体为t,s对应 于t的TestMark个体为tm,t相应的TestStandard个 体为ts。 (1)初始学习的知识偏好推理 知识偏好较大的推理规则: <kpi,ia>∈hasMoreTime八<kpt,ta> ∈hasMoreFrequency A<kpq.qa> ∈hasMoreNumber s对知识点kp偏好程度较大 该条规则表示的含义是,如果学习者S访问某 知识点kp的实际访问时间、实际交流次数以及提问 次数均高出平均水平,则推理出学习者S对知识点 kp具有较大的偏好程度。 ・99・ 赵海燕,等:E-Learning环境下基于知识点偏好的学习社区组建 知识偏好中等的推理规则: (<kpi,ia>∈hasInTime八<kpt,ta> ∈hasMoreFrequency^<kpq,qa> ife hasMoreNumber)V(<kpi,ia>∈ hasMoreTime八<kpt.ta>∈ hasInFrequency八<kpq.qa> ∈hasMoreNumber)V<kpi.ia> ∈hasMoreTime^<kpt.ta>∈ hasMoreFrequency八<kpq.qa> ∈hasInNumber) s对知识点kp偏好程度中等 该条规则表示的含义是,如果学习者s访问某 知识点kp的实际访问时间、实际交流次数以及提问 次数,有两者超出平均水平,且另一者在平均水平范 围之内,则推理出学习者s对知识点kp的偏好程度 为中等。 知识偏好较小的推理规则: (<kpi,ia>∈haslnTime八<kpt,ta>∈ hasInFrequency^<kpq.qa>∈ hasMoreNumber)V(<kpi,ia>∈ hasMoreTime^<kpt.ta>∈ hasInFrequency八<kpq.qa>∈ hasInNumber)V<kpi,ia>∈ haslnTime八<kpt.ta>∈ hasMoreFrequency八<kpq.qa> ∈hasInNumber)P+s对知识点kp偏好程度较小 该条规则表示的含义是,若学习者s访问某知 识点kp的实际访问时间、实际交流次数以及提问次 数,有其中两者或两者以上小于平均水平,则推理出 学习者s对知识点kp具有较小的偏好程度。 (2)持续学习中的相关偏好推理规则 在实际的学习过程中,学习者的学习偏好是动 态变化的,因此就需要对其进行动态调整来反映学 习者当前的学习偏好。在做动态调整之前,要综合 考虑到以前的知识偏好程度和最近一段时间内的该 学习者个性化学习行为等情况。 知识偏好调整为较大的推理规则: (<kpi,ia>∈hasMoreTime八<kpt,ta> ∈hasMoreFrequency^<kpq.qa>∈ hasMoreNumber)^(<s,kp>∈haslnPreferV <P,kp>∈hasLessPrefer) I-- ̄s对知识点kp偏好程度调整为较大 该条规则表示的含义是,如果学习者s访问某 知识点kp的实际访问时间、实际交流次数以及提问 次数,三者均高出个人相应的平均水平,若该学习者 之前对知识点kp的偏好程度较小或中等,则将知识 ・10O・ 偏好程度调整为较大。 知识偏好调整为中等的推理规则(1): (<kpi,ia>∈haslnTime^<kpt,ta>∈ hasMoreFrequency八<kpq.qa>∈ hasMoreNumber)V(<kpi,ia>∈ hasMoreTime^<kpt,ta>∈hasInFrequency 八<kpq,qa>g hasMoreNumber)V <kpi,ia>∈hasMoreTime八<kpt,ta> ∈hasMoreFrequency八<kpq,qa>∈hasInNumber) s对知识点kp偏好程度中等 该条规则表示的含义是,如果s访问某知识点 kp的实际访问时间、实际交流次数以及提问次数, 如果有两者高出平均水平,并且另一者相似于平均 水平,则将学习者s对知识点kp的偏好程度调整为 中等。 知识偏好调整为中等的推理规则(2): ((<kpi,ia>∈haslnTime八<kpt,ta>∈ hasMoreFrequency八<kpq,qa>∈ hasMoreNumber)V(<kpi,ia>∈hasMoreTime 八<kpt,ta>∈hasInFrequency^<kpq,qa> ∈hasMoreNumber)V<kpi,ia>∈haslnTime A <kpt,ta>∈hasMoreFrequency^<kpq,qa> E hasInNumber))^<s,kp>∈hasMorePrefer s对知识点kp偏好程度调整为中等 该条规则表示的含义是,如果学习者s访问某 知识点kp的实际访问时间、实际交流次数以及提问 次数,如果有一者高出平均水平,且另两者相似于平 均水平,则将学习者s对知识点kp的偏好程度调整 为中等。 知识偏好调整为较小的推理规则: (<kpi,ia>∈haslnTime八<kpt,ta>∈haslnFre— quency 八<kpq,qa>∈hasInNumber)^(<s,kp>∈ hasMorePreferV<s.kp>∈hasInPrefer) s对知识点kp的偏好程度调整为较小 该条规则表示的含义是,如果学习者s访问某 知识点kp的实际访问时间、实际交流次数以及提问 次数,三者均近似于平均水平范围,而之前该学习者 的知识偏好为中等或较大,则将该知识偏好调整为 较小。 知识偏好删除的推理规则: (<kpi,ia>∈hasLessTimeV<kpt,ta>∈ hasLessFrequency V<kpq,qa>∈hasl_essNumber) 八(<s,kp>∈hasMorePreferV<s,kp>∈ hasInPrefer V<s,kp>∈hasLessPrefer)I--* 赵海燕,等:E-Learning环境下基于知识点偏好的学习社区组建 s对知识点kp不再具有偏好,把kp从s的学习 偏好中删除 }。因此学习者对该知识域的知识偏好就能量化 成m维的向量。得到学习者对知识域的偏好信息 该条规则表示的含义是,如果学习者s访问某 之后,使用聚类分析方法依据学习者的具体偏好情 况将学习者分类,组成知识点偏好社区。假设当前 有一个学习者的集合S,S中有 个学习者,表示为 S={s ,s ,…,s }。其中 表示当中的一个学习 者对知识域 的知识偏好的m维向量,则我们就得 到了关于这n个学习者对知识域 的知识偏好的 知识点kp的实际访问时间、实际交流次数以及提问 次数,三者中有一者低于平均水平,则将该学习者的 知识偏好情况删除。 (3)认知状态的推理 认知状态较好的推理规则: <s,k>∈hasStudiedA<tm,ts>∈hasGoodMark s对知识域kd认知状态较好 认知状态一般的推理规则: <s,k>∈hasStudied八<tm,ts>∈hasNormalMark s对知识域kd认知状态一般 认知状态较差的推理规则: <s,k>∈hasStudied^<tm,ts>∈hasBadMark t-- ̄s对知识域kd认知状态较差 根据上述推理规则,可对学习者在学习过程中 产生的各种学习情形进行合理、有效地推理和分析, 从而及时获得较为准确的学习偏好和学习状态。 2组建知识偏好的学习社区 根据前面提出的知识偏好模型,就能得到学习 者在学习某个知识域的过程中的偏好情况,进而使 用模糊聚类算法进一步将学习者进行分组,得到知 识偏好的学习社区。 构建基于知识偏好的学习社区的步骤如下: (1)将得到的知识点进行学习偏好推理,并对 推理出的学习偏好进行数字量化; (2)根据量化后的推理偏好数据进行聚类,最 终得到学习者的偏好分组。 2.1 知识偏好的量化 根据学习者学习某个知识域的情况,可以得到 学习者关于该知识点的偏好情况。假如该学习者对 某个知识点的偏好程度较大(hasMorePrefer),则将 该学习者对该知识点的偏好量化为1.0;如果学习 者对某个知识点的偏好程度中等(haslnPrefer),则 将其对该知识点的偏好量化为0.6;如果学习者对 某个知识点的偏好较低(hasLessPrefer),则将其对该 知识点的偏好量化为0.4;如果学习者无任何学习 记录信息或对任何知识点都没有偏好,则将其对该 知识点的偏好量化为0。 根据上面的定义规则,就能得到学习者学习某 个知识域中知识点偏好的向量。例如,有一个知识 域 包含了m个知识点,表示为U= , :,…, 矩阵R= } ,其中r 示学习者s 对知识点 的偏好情况。 学习者知识偏好的聚类算法。 步骤1:计算每个学习者之间的相似度q = s ,s,),其中(0≤g ≤1)从而得到矩阵Q= (q ) ;Q=(r o 步骤2:运用合成运算R = ×R求出最接近相 似关系R的模糊等价关系S=R (或R 等)。 步骤3:若 已是模糊等价关系,则取 = 。 选择适当的阈值A将模糊等价矩阵变换成基于阈 值A的矩阵。具体变换规则如下: (1)如果s ≥A,则将s 值设置成1; (2)如果s <A,则将s 肭值设置成0。 这样就得到学习者之间的相似矩阵。Q=(口 , 口 ,…,0 )。。。如果口 =n ,则表示学习者处于同一 个组,如果口 ≠n ,则表示学习者不在同一个组。 2.2基于分组的学习者推荐 在E.1earning环境中提供个性化推荐服务的依 据是学习者的分组情况和认知状态。 S。对kd的认知状态较差八s:对kd的认知状态 较好八s。与s:处于同一社区 推荐s 与s 进行交 流,表示学习者s 的认知状态比较差,那么推荐s, 与社区中认知状态较好的s,进行交流。 s.对kd的认知状态较差^与s,同社区的学习 者的认知状态都不好l一推荐s,与邻近社区里认知 状态好的学习者进行交流,表示学习者s 的认知状 态比较差,并且与s 同社区的学习者的认知状态都 不好,则推荐s 与邻近社区的认知状态较好的学习 者进行交流。 3社区组建实例 根据对E—learning环境中知识点偏好的模型的 设计,以及基于此模型的聚类分析,利用本体建模工 具对定义的概念、属性及它们之间的相互关系进行 建模处理,最终生成Semantic Web的OWL语言文 .101.