Онтологические модели в системе информатизации образования

УДК 004.822

ОНТОЛОГИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ В СИСТЕМЕ ИНФОРМАТИЗАЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ

И. Ю. Балашова

ONTOLOGIC MODELS IN SYSTEM OF INFORMATIZATION

OF EDUCATION

I. Yu. Balashova

Аннотация. Актуальность и цели. Рассмотрена проблема интеграции и анализа знаний в едином информационно-образовательном пространстве. Показано, что повысить результативность функционирования образовательной системы позволит семантическое описание средств информатизации. Цель исследования состоит в анализе существующих моделей компонентов системы информатизации образования и построении динамически развивающейся единой модели знаний о предметной области. Материалы и методы. Для решения поставленных задач используются методы системного анализа и онтологического инжиниринга. Результаты. Проведен анализ существующих онтологических моделей компонентов системы информатизации обучения. Выделены ключевые классы онтологии электронного обучения, составляющие общий словарь терминов для представления знаний о предметной области. Построена и обоснована таксономия классов онтологии, представляющая иерархию терминов по отношению вложения. Установлено множество межклассовых отношений (объектных свойств), определяющих смысловую структуру рассматриваемой предметной области. Предложены пути практического применения построенной предметной онтологии. Сформулированы направления дальнейших исследований. Выводы. Построенная онтология может использоваться как в качестве руководства для разработчиков информационных систем в сфере образования, так и в качестве общего языка для экспертов предметной области и специалистов по информационным технологиям.

Ключевые слова: система информатизации образования, онтология, электронное обучение.

Abstract. Background. The problem of integration and the analysis of knowledge in uniform information and education space is considered. It is shown that the semantic description of means of informatization will allow to increase productivity of functioning of educational system. The objective of this research consists research of the existing models of components of system of informatization of education and creation of dynamically developing uniform model of knowledge of subject domain. Materials and methods. For the solution of objectives methods of the system analysis and ontologic engineering are used. Results. The analysis of the existing ontologic models of components of system of informatization of training is carried out. The key classes of ontology of electronic training making the general dictionary of terms for representation of knowledge of subject domain are allocated. The taxonomy of classes of ontology representing hierarchy of terms on the investment relation is constructed and proved. The set of the interclass relations (object properties) defining semantic structure of the considered subject domain is established. Ways of practical application of the constructed subject ontology are offered. The directions of further researches are formulated. Conclusions. The constructed ontology can be used as as the management for developers of information systems in education, and common language for experts of subject domain and information technology specialists.

Key words: system of informatization of education, ontology, e-learning.

Введение

Одним из главных направлений модернизации отечественного образования является его информатизация, что определяет как развитие инфраструктуры единого образовательного информационного пространства, так и внедрение инструментов электронного обучения в образовательный процесс. Однако в связи с отсутствием единого представления знаний о предметной области информационные системы электронного обучения зачастую несовместимы, обладают низкой семантической интероперабельностью, также наблюдается низкая возможность интеграции разнородных электронных образовательных ресурсов.

Повышение качества электронного обучения может быть достигнуто за счет семантического описания знаний о предметной области с использованием методов онтологического инжиниринга.

1. Обзор существующих онтологических моделей в системе информатизации обучения

Методика онтологического инжиниринга подразумевает формирование трехуровневой модели исследуемой области. Онтологии верхнего уровня (ме-таонтологии) описывают наиболее общие понятия и отношения, которые не зависят от предметных областей. Предметная онтология описывает словарь, связанный с предметной областью за счет специализации терминов, введенных в метаонтологии. Прикладные онтологии описывают концепты, зависящие как от конкретной предметной области, так и от задач, которые в них решаются. В данный момент в мировой практике уже сложилось некоторое количество стандартизованных верхнеуровневых онтологических моделей.

DC (Dublin Core) - метаонтология, представляющая собой словарь, используемый для описания предметных областей и ресурсов в целом. Этот словарь содержит общие свойства, которые обычно используются для элементов метаданных на различных типах ресурсов, включая названия, авторов, издателей, даты, события и т.д.

BIBO (The Bibliographic Ontology) используется в качестве онтологии цитирования, онтологии классификации документов или просто как способ для описания любого вида документов в RDF. При разработке онтологии были использованы многие существующие форматы описания метаданных документа, поэтому BIBO может быть использована в качестве общей основы для преобразования произвольных источников библиографических данных к общему формату.

AIISO (the Academic Institution Internal Structure Ontology) - онтология внутренней структуры академических институтов, используется для представления структуры научных организаций в терминах подразделений и учебных программ. Она содержит классы для представления таких объектов, как факультеты, кафедры, а также учебные модули. AIISO используется в качестве основной схемы для описания организационных диаграмм образовательных учреждений и курсов, преподаваемых в конкретном учреждении.

SKOS (Simple Knowledge Organization System) - модель связывания научных данных, адаптированная для компьютерной обработки. В частности, SKOS включает контролируемые структурные словари семантических значений для связывания научных данных.

MLO (Metadata for Learning Opportunities) - метаданные для образовательных возможностей. Данная онтология является стандартной европейской моделью метаданных для рекламы и продвижения возможностей обучения (модули и программы курсов). Она разработана в целях единообразного представления информации об образовании в различных учреждениях и странах.

W3C - онтология для медиаресурсов, представляет расширенные метаданные для медиаресурсов в Интернет.

К числу наиболее разработанных прикладных онтологий в области информатизации образования относятся модели содержания учебных дисциплин. Например, содержание математики с различной степенью детализации описывают несколько онтологий, в частности онтология проекта ScienceWISE [1], онтология по естественным наукам и технологиям (ОЕНТ) [2]. В [3] предлагается подход к построению концептуальной модели содержания дисциплины в виде педагогического тезауруса, использование которого позволяет обеспечить адаптивный подбор и упорядочение учебной информации. В [4] описана онтология содержания учебного курса, используемая для анализа знаний обучающегося.

Другое направление исследований - онтологический анализ структуры образовательного контента. А. Л. Данченко [5] предложена онтология дистанционного курса, основанная на семантических связях между знаниями. В [6] приведен пример иерархии классов онтологии произвольного учебного курса, а также фрагменты предметных онтологий на языке OWL. Н. В. Лу-тошкиной, Л. М. Мурашовой [7] описан способ систематизации мультимедийного контента электронного курса на основе онтологического подхода. С. Э. Грегером [8] построена онтология, отображающая семантическую структуру учебной информации, и разработано прикладное приложение, поддерживающее визуализацию данной онтологии. Общая цель рассмотренных исследований состоит в унифицикации структуры образовательного контента, что позволяет более эффективно осуществлять интеграцию электронных учебных курсов, созданных в сторонних средствах разработки. Вместе с тем в данных работах отсутствует упоминание о полноте такого представления структуры образовательного контента.

Достаточное число работ посвящено онтологическому анализу характеристик обучающихся. Например, в [9] описана онтологическая модель обучающегося, на основе которой строится индивидуальная траектория обучения. Предложенная О. М. Топорковой [10] онтологическая модель обучающегося отражает структуру и динамику формирования профессиональных знаний. В [11] представлена онтология обучающихся, которую предлагается использовать для классификации обучающихся и моделирования их поведения в системе управления обучением. В [12] описаны онтологические модели студентов и учебных материалов. Однако эти публикации имеют один общий недостаток - они не отражают специфики современной российской системы образования.

Применение онтологического подхода к созданию систем управления обучением описано в работе [13]. Описание концепций и архитектуры «семантической паутины» как основы для функционирования онтологически ориентированной системы управления обучением представлено в [14]. В работе Прийма С. Н. [15] выполнено теоретическое обоснование и описание практического использования агенто-онтологического подхода для обеспечения семантической интероперабельности открытых систем образования взрослых. В [16] описано использование онтологической модели процесса электронного обучения при проектировании средств представления, хранения и обработки в информационной системе экспертных знаний.

Рассмотренные онтологии характеризуются концептуальной локальностью и локальностью в использовании. Их фрагментарный характер не позволяет составить целостное представление об электронном обучении. Для интеграции знаний об электронном обучении в единую модель необходимо объединение существующих онтологий на основе некоторой базисной. Отсутствие базисной онтологии затрудняет процесс объединения существующих онтологий, зачастую несовместимых между собой.

Онтология «Электронное обучение», представленная в данной работе, в отличие от известных онтологических моделей фиксирует и структурирует знания, общие для предметной области электронного обучения. Это позволяет многократно использовать ее внутри предметной области в качестве основы единой модели знаний, благодаря чему обеспечивается логическая согласованность между отдельными онтологиями при объединении.

2. Иерархия классов онтологии «Электронное обучение»

Онтология «Электронное обучение» должна интегрироваться с уже созданными онтологиями или создаваемыми в перспективе. С целью единой интерпретации знаний о предметной области проведен онтологический анализ нормативной базы, регламентирующей сферу электронного обучения. Выделены ключевые классы онтологии, составляющие общий словарь терминов предметной области. Установлена иерархия классов онтологии «Электронное обучение», фрагмент которой представлен на рис. 1.

( Нормативная база}

{ Законодательство об образовании)

( Образовательные стандарты ~) ( ФГОС

К ФГТ )

Образовательные программы )

—Нормативные документы по стандартизации )

^ Организации, осуществляющие образовательную деятельность ) [ Педагогические работники)

—

—

—Обучающиеся ) Средства электронного обучения

*—

Информация, содержащаяся в базах данных и используемая при реализации образовательных программ )

—Информация об обучающемся} —

^—Информационные системы )

-К ЬМБ/ЮМБ )

—

Планируемые результаты освоения образовательной программы

( Компетенции ) Другие результаты

Рис 1. Фрагмент иерархии классов предметной онтологии «Электронное обучение»

Выделенные классы являются необходимыми компонентами электронного обучения в системе образования.

3. Описание и исследование объектных свойств онтологии «Электронное обучение»

В результате анализа нормативной базы определен набор значимых для настоящего исследования объектных свойств. Описание некоторых из этих свойств представлено в табл. 1.

Таблица 1

Объектные свойства онтологии «Электронное обучение»

Свойство Домен свойства Диапазон значений свойства Описание свойства

1 2 3 4

Л Законодательство Участники Законодательство

об образовании, образовательных об образовании и нормативные

Нормативные отношений документы, входящие

документы в структуру системы

системы образования, регулируют

образования деятельность и отношения в сфере образования участников образовательных отношений

f2 Нормативные Средства Документы по стандартизации

документы электронного устанавливают для всеобщего

по стандартизации обучения и многократного использования общие принципы и характеристики средств электронного обучения

Лз Организации, Образовательные Организации, осуществляющие

осуществляющие образовательную программы образовательную деятельность, реализуют образовательные

деятельность программы

Л4 Образовательные Планируемые Образовательные программы

программы результаты освоения образовательной программы содержат описание планируемых результатов освоения образовательной программы

Лз Участники Средства Участники образовательных

образовательных электронного отношений используют средства

отношений обучения электронного обучения для организации образовательной деятельности

Лб ЬМ8/ЬСМ8 Обучающиеся ЬМ8/ЬСМ8 поддерживают обучение обучающихся

Л7 ЬМ8/ЬСМ8 Обучающиеся ЬМ8/ЬСМ8 поддерживают аттестацию обучающихся

Л ЬМ8/ЬСМ8 Образовательный контент ЬМ8/ЬСМ8 поддерживают разработку, обновление образовательного контента

Окончание табл. 1

1 2 3 4

/9 Обучающиеся Организации, осуществляющие образовательную деятельность Обучающиеся получают образование в организациях, осуществляющих образовательную деятельность

/10 Обучающиеся Образовательная программа Обучающиеся осваивают образовательную программу

/11 Обучающиеся Планируемые результаты освоения образовательной программы Обучающиеся должны овладеть совокупностью планируемых результатов освоения образовательной программы

/\2 Педагогические работники Обучающиеся Педагогические работники выполняют обязанности по обучению, воспитанию обучающихся и (или) организации образовательной деятельности

/13 Педагогические работники Организации, осуществляющие образовательную деятельность Педагогические работники состоят в трудовых, служебных отношениях с организацией, осуществляющей образовательную деятельность

Свойства /1, /2, ..., /13 обладают обратными свойствами, которые формулируются естественным образом. Ключевыми компонентами системы электронного обучения являются обучающиеся и информационные системы, в частности системы управления обучением и образовательным контентом (ЬМ8/ЬСМ8). Важнейшей задачей ЬМ8/ЬСМ8 является моделирование основных функций педагогического работника (см. рис. 1). Реализация данных функций на настоящем этапе развития системы образования должна соответствовать компетентностному подходу. Однако известно крайне мало ЬМ8/ЬСМ8, удовлетворяющих данному требованию. При этом остаются нерешенными проблемы:

- трудоемкости разработки образовательного контента, ориентированного на развитие компетенций обучающихся;

- определения степени покрытия образовательным контентом компетенций, заявленных в образовательной программе, что негативно сказывается на качестве образовательного контента;

- ограниченности применяемых в ЬМ8/ЬСМ8 процедур аттестации, которые не позволяют объективно оценить уровень сформированности компетенций обучающегося.

Решение выделенных проблем является перспективным направлением исследований в области электронного обучения.

Заключение

Онтология «Электронное обучение» описывает иерархию специальных для данной области терминов и отражает значимые логические взаимосвязи

между введенными терминами. Построенная онтология является прозрачной, связной. Структура онтологии предусматривает возможность ее расширения без необходимости пересмотра существующих определений. Онтология «Электронное обучение» может использоваться в качестве основы динамически развивающейся единой модели знаний о предметной области. Практическая значимость исследования заключается в возможности использования данной онтологии в качестве руководства для разработчиков информационных систем, экспертов предметной области и специалистов по информационным технологиям.

Список литературы

1. ScienceWISE: A Web-based Interactive Semantic Platform for Scientific Collaboration / K. Aberer, A. Boyarsky, P. Cudre-Mauroux, G. Demartini, O. Ruchayskiy // International Semantic Web Conference ISWC 2011 : Proc. of the X International Conf. -Bonn, 2011. - URL: http://iswc2011.semanticweb.org/fileadmin/iswc/Papers/Posters Demos/iswc11pd_submission_72.pdf (accessed 8 November 2011).

2. Добров, Б. В. Онтология по естественным наукам и технологиям ОЕНТ: структура, состав и современное состояние / Б. В. Добров, Н. В. Лукашевич // Электронные библиотеки. - 2008. - Т. 11, № 1. - URL: http://www.elbib.ru/ index.phtml?page=elbib/rus/journal/2008/part1/DL (дата обращения: 12.03.2008).

3. Шибут, М. С. Концептуальное моделирование предметной области в системе информационного обеспечения процесса обучения / М. С. Шибут // Интеллектуальный анализ информации (ИАИ-2010) : сб. докладов 10-й Междунар. науч. конф. - Киев : Просвгга, 2010. - С. 276-283.

4. Zeng, Q. Course Ontology-based User's Knowledge Requirement Acquisition from Behaviors within E-Learning Systems / Q. Zeng, Z. Zhao, Yo Liang // Bulletin of advanced technology research. - 2010. - Vol. 4, № 4. - P. 21-29.

5. Данченко, А. Л. Разработка онтологической модели представления знаний дистанционных курсов / А. Л. Данченко // Вюник Схщноукрашського нацюналь-ного ушверситету iменi Володимира Даля. - 2009. - № 12. - С. 165-170.

6. Жыжырий, Е. А. Применение web-онтологий в задачах дистанционного обучения / Е. А. Жыжырий, С. С. Щербак // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2005. - № 13. - С. 50-54.

7. Лутошкина, Н. В. Систематизация мультимедийного контента электронного курса на основе онтологии предметной области / Н. В. Лутошкина, Л. М. Мурашова // Современные проблемы науки и образования. - 2013. - № 6. - URL: www.science-education.ru/113-11480 (дата обращения: 11.06.2014).

8. Грегер, С. Э. Реализация инструментальной среды семантического моделирования учебного процесса / С. Э. Грегер // Объектные системы - 2011 : сб. докладов 3-й Междунар. науч.-практ. конф. - Ростов н/Д : Шахтинский институт (филиал) Южно-Российского государственного политехнического университета (НПИ) им. М. И. Платова, 2011. - С. 58-61.

9. Кучер, А. В. Архитектура системы построения индивидуальной траектории обучения, базирующейся на образовательном стандарте / А. В. Кучер, В. В. Сокол, Н. С. Лесная, А. В. Бочаров // Проблемы высшей школы. - 2010. - № 2 (38). -С. 472-476.

10. Топоркова, О. М. Семиотико-онтологическая модель обучения как концептуальная основа организации учебного процесса / О. М. Топоркова // Прикладная информатика. - 2009. - № 4. - С. 100-113.

11. Razmerita, L. An Ontology-Based Framework for Modeling User Behavior - A Case Study in Knowledge Management / L. Razmerita // IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics. - 2011. - Vol. 41, № 4. - P. 772-783.

12. Kim, H. A Personalized Recommendation Method Using a Tagging Ontology for a Social E-Learning System / H. Kim // Intelligent Information and Database Systems : Proc. of the 3th International Conf. - Daegu : Springer Berlin Heidelberg Publ., 2014. -P. 357-366.

13. Lo, W.-Sh. A Value-Adding Process Using the Ontological Engineering Approach for an e-Learning System Design / W.-Sh. Lo // Information and Financial Engineering IPEDR : Proc. of the 3th International Conf. - Singapore : IACSIT Press Publ., 2011. -P. 412-416.

14. Malik, H. W. Visual semantic web: ontology based E-learning management system / H. W. Malik. - Blekinge Institute of Technology Publ., 2009. - 53 р.

15. Прийма, С. Н. Обеспечение семантической интероперабельности открытых систем образования взрослых посредством агенто-онтологического подхода / С. Н. Прийма // Перспективы науки и образования. - 2014. - № 1 (7). - С. 79-84.

16. Денисова, И. Ю. Онтологическое исследование процесса электронного обучения и проектирование средств поддержки / И. Ю. Денисова, П. П. Макарычев // Онтология проектирования. - 2012. - № 4 (6). - C. 61-73.

Балашова Ирина Юрьевна

кандидат технических наук, доцент,

кафедра математического обеспечения

и применения ЭВМ,

Пензенский государственный

университет

E-mail: irs-80@mail.ru

Balashova Irina Yur'evna

candidate of technical sciences, associate professor,

sub-department of mathematical provision and application of computers, Penza State University

УДК 004.822 Балашова, И. Ю.

Онтологические модели в системе информатизации образования /

И. Ю. Балашова // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе. -2015. - № 3 (15). - С. 120-127.