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基于领域本体的跨学科智能教学系统的研究

作　者: 唐素勤
导　师: 严小卫；张师超；曹存根
学　校: 广西师范大学
专　业: 计算机软件与理论
关键词: 智能教学系统系统模型领域本体学生模型教学策略
分类号: TP399
类　型: 硕士论文
年　份: 2002年
下　载: 269次
引　用: 5次
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内容摘要

国家知识基础设施(National Knowledge Infrastructure，简称NKI)是曹存根研究员于1995年在国家科委召开的一次学术会议上正式提出的一个构想。在国外4年多的工作中，曹存根研究员对国家知识基础设施这一概念进行了进一步的思考，并且与许多专家讨论了NKI的意义和有关的研究课题，并在1998年《计算机世界报》“专家视点”栏目发表文章《NKI——21世纪的科技热点》，此文得到国内许多学者的积极反映。2000年2月17日，《科学时报》报道了NKI的意义。2000年3月NKI的研制工作在中科院计算所启动，启动资金200万，同时获得计算所每年70万元的资助。NKI的研究目的是建立国家的知识基础设施，为基础研究和应用开发提供必要而广泛的知识基础和可共享的知识群体。NKI首期任务(5年)是获取《中国大百科全书》的全部专业知识(现已获取16个学科共100多万条专业知识)和研究知识形式本体理论，同时研制面向应用的自然语言查询系统和NKI网络智能教学系统等。 2000年4月至2002年2月本人在参与NKI研制中，负责并完成《中国大百科全书．教育卷》的教育知识获取，中国大学信息和体育运动项目(“北京科技奥运项目”之一)知识获取等工作，并且主要负责NKI智能教学系统的前期研究。NKI智能教学系统研究是一个刚刚起步的工作，因此，本人在NKI智能教学系统研究中首先完成了NKI智能教学系统的系统模型(NKI-Tutor)的设计和NKI-Tutor中的教学策略、学生模型和习题模块的研究，并实现教学策略在NKI-Tutor中的应用。智能教学系统(Intelligent Tutoring System，简称ITS)研究历经多年的发展，取得很大成就，如SCHOLAR系统、GUIDON系统、QUIZ系统、SQL-Tutor系统、CIRCSIM—Tutor、Sherlock Ⅱ和基于WEB的自适应学习系统等都是一些比较好的系统。但是，通过分析，现有的一些系统还存在一些不足：(1)教学内容是单一学科知识，教学策略很少考虑跨学科的教学。(2)学生模型主要刻画了学生的知识水平，对学生的认知能力、学习风格、学习兴趣关注不够。(3)系统很少考虑让学习自己动手模拟知识以及系统如何自动生成习题。 NKI智能教学系统的研究将实现NKI的网络教学，给学习者提供从网上学习知识的途径，同时也为远程教育提供一种辅助手段，可以使更多的学习者实现“活到老学到老”的愿望。本文着手从NKI智能教学系统的系统模型和系统模型中的三个模块(即教学策略、学生模型和习题模块)展开研究与探索： (1)首先设计了NKI智能教学系统的系统模型。NKI-Tutor系统模型包括七个模块：教学模型、学生模型、知识库、交互模块、专家模型、习题模型和模拟垠十领域小w的跨学科智能教学系统的I叮穴：搁奖工具，是在传统的5个部分，即学生模型、教学模块、教学内容、交互模块以及午家模Z （neck，Stern＆！la＊；s＊aa，1996）丁＊”’基矗上增力了习题模汪和模f工具两个模块。在毗的交互学习环境中，我们认为学生除了自主学习，还可以通过模拟实验来学习知识或验证知识。此外，系统通常采用考试和提问或根据教学内容的不同来了解学生，因此，习题模块（Exercise Module）也应该是 NK＊Tuto。的一部分。在设计NK工Tu上or系统模型时本文更多地考虑了如何将NKI丰富的知识史加牛动形象地传授给学习者，同时系统如何在教学过程中能自动生成习题，以及在教学方而如何实现跨学科的教学和更好地实现个别化。 NK工Tutor系统模型在2001年北京中国人工智能会议上介绍后得到北大林建祥教授、软件所薛锦云教授等与会的计算机辅助教育专家的赞同。（2）设计基于领域本体的抽象层的学生认知能力的评估。本文采用简洁的知识模型一概念关系模型（Concept－Relation Model）对不同的学科进行抽象获得领域本体的抽象层，在领域本体的抽象层．I：设计了学生知识水平和认知能力等特征的测试和提问题型，然后通过教学过程中的测试和提问以及分析相关知识纠构来获得学生对知识的掌握情况和学生的认知能力。该方法包括三个部分：l）领域本体的仙象层中属性和关系：2）各具体的认知能力的定义；3）能力评估规则。（3）建立基于领域本体的抽象层的教学策略。NKI的教学策略需要考虑如何实现不依赖具体学科知识而实现跨学科的教学，同时考虑设计的教学策略是灭实观教学目标。本文设计了两个层次的教学策略，一个层次是对领域本体抽象层中的属性和关系的教学（称为微教学策略），另一个层次是对一个知识点（或一个本体、一节课）的教学（称为宏教学策略）。微教学策略是宏教学策略的基石。同时设计了用于实现具体的教学事件的教学事件操作符和教学事件操作符的类型：概

全文目录

中文摘要  3-5
英文摘要  5-7
目录  7-9
第一章：引言  9-18
  1．1 课题研究背景  9-10
  1．2 智能教学系统研究的历史  10-13
  1．3 智能教学系统相关的学习理论  13-15
  1．4 智能教学系统需要研究的几个重要问题  15-16
    1．4．1 现有的一些智能教学系统的特点  15-16
    1．4．2 智能教学系统的组成  16
    1．4．3 智能教学系统中的学生模型  16
    1．4．4 智能教学系统中的教学策略  16
  1．5 本文的主要工作  16-18
第二章： NKI领域本体  18-25
  2．1 NKI知识获取  18-19
  2．2 NKI领域本体  19-21
  2．3 NKI领域本体的两个实例  21-25
    2．3．1 体育运动项目的运动起源本体  21-23
    2．3．2 被子植物本体  23-25
第三章： NKI支撑下智能教学系统模型：NKI-TUTOR  25-32
  3．1 NKI支撑下智能教学系统模型：NKI-Tutor  25-26
  3．2 NKI-Tutor的逻辑结构  26-27
  3．3 NKI-Tutor的功能模块  27-32
    3．3．1 NKI-Tutor的学生模型（Student Model）  27-28
    3．3．2 NKI-Tutor的教学模型（Pedagogical Model）  28-30
    3．3．3 NKI知识库（NKI Knowledge）  30
    3．3．4 交互模型（Communication Model）  30-31
    3．3．5 专家模型（Expert Model）  31
    3．3．6 习题模块（Exercise Module）  31
    3．3．7 模拟工具（Simulation Tools）  31-32
第四章： NKI-TUTOR中的学生模型  32-42
  4．1 学生模型  32
  4．2 学生模型建模方法  32-42
    4．2．1 传统的学生模型建模方法  32-33
    4．2．2 基于领域本体的抽象层的学生模型  33-42
      4．2．2．1 领域本体的抽象层  34-36
      4．2．2．2 认知能力  36
      4．2．2．3 能力评估  36-42
第五章： NKI-TUTOR中的习题模块  42-47
  5．1 习题在NKI-Tutor中的作用  42-43
  5．2 NKI-Tutor习题本体  43-45
  5．3 习题实例  45-47
第六章： NKI-TUTOR中的教学策略  47-58
  6．1 教学策略概述  47
  6．2 基于领域本体的抽象层的教学策略  47-54
    6．2．1 教学事件操作符  48-49
    6．2．2 教学目标  49-50
    6．2．3 微教学策略  50-51
    6．2．4 宏教学策略  51-54
  6．3 教案分析  54-55
  6．4 教学策略在NKI-Tutor中的系统实现：蜡梅科教案  55-58
第七章：总结和展望  58-60
  7．1 总结  58
  7．2 展望  58-60
参考文献  60-64
致谢  64-65
附录A：作者简历  65-66
附录B：教学事件操作符集  66-68
附录C：特殊知识函数  68-69

基于领域本体的跨学科智能教学系统的研究

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