Nghiên ứu, ứng dụng ontology trong các hệ thống hỗ trợ giáo dục cộng đồng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - PHẠM HUY GIANG NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG ONTOLOGY TRONG CÁC HỆ THỐNG HỖ TRỢ GIÁO DỤC CỘNG ĐỒNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Hà Nội - 2008 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17057204817051000000 MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG WEB CÓ NGỮ NGHĨA VÀ ONTOLOGY 1.1 Các hệ Web 1.1.1 Web 1.0 1.1.2 Web 2.0 1.1.3 Web có ngữ nghĩa (Semantic Web) 1.1.4 Web 3.0 – Web xã hội có ngữ nghĩa 1.2 Web có ngữ nghĩa (Semantic Web) 1.2.1 Kiến trúc Semantic Web 1.2.2 Siêu liệu 11 1.2.3 Các môi trường phát triển Semantic Web 12 1.2.4 Semantic Web Portal 14 1.3 Ontology 14 1.3.1 Định nghĩa 14 1.3.2 Vai trò ontology Web có ngữ nghĩa 16 1.3.3 Các thành phần ontology 16 1.3.4 Phân loại ontology 17 1.3.5 Các công cụ xây dựng ontology 19 1.3.6 Các ngôn ngữ xây dựng ontology 20 1.3.7 Phương pháp xây dựng ontology 23 1.3.8 Một số ontology phổ biến 26 1.3.9 Tạo siêu liệu ngữ nghĩa dựa Ontology 29 1.4 Kết chương 30 CHƯƠNG 2: CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN GIÁO DỤC ỨNG DỤNG ONTOLOGY 31 2.1 Giới thiệu 31 2.2 GEM 31 2.2.1 Giới thiệu 31 2.2.2 Cấu trúc ontology GEM 32 2.3 Connexions 35 2.3.1 Giới thiệu 35 2.3.2 Cấu trúc ontology Connexions 36 2.4 POOL 36 2.4.1 Giới thiệu 36 2.4.2 Cấu trúc giao thức CanCore 37 2.5 Edutella 39 2.5.1 Giới thiệu 39 2.5.2 Cấu trúc ontology Edutella 40 2.6 PIP 40 2.6.1 Giới thiệu 40 2.6.2 Cấu trúc Ontology PIP 41 2.7 TANGRAM 42 2.7.1 Giới thiệu 42 2.7.2 Cấu trúc Ontology TANGRAM 44 2.8 Áp dụng kỹ thuật xử lý ontology từ hệ thống 47 2.8.1 Kỹ thuật tích hợp truy vấn nhiều ontology từ PIP 47 2.8.2 Kỹ thuật tạo siêu liệu TANGRAM 50 2.9 Kết chương 52 CHƯƠNG 3: KIẾN TRÚC ONTOLOGY TỔNG QUÁT CHO CÁC HỆ THỐNG HỖ TRỢ GIÁO DỤC CỘNG ĐỒNG 53 3.1 Giới thiệu 53 3.2 Cổng thông tin giáo dục cộng đồng BKEduPortal 53 3.2.1 Kiến trúc cổng thông tin BKEduPortal 54 3.2.2 Hệ quản trị nội dung 55 3.2.3 Chia sẻ tài liệu học tập tri thức 56 3.2.4 Thông tin giáo dục đào tạo 60 3.2.5 Phân hệ ứng dụng Tư vấn giáo dục 62 3.2.6 Mạng cộng đồng giáo dục 63 3.2.7 Đặc điểm phân hệ ứng dụng BKEduPortal 65 3.3 Kiến trúc ontology cho cổng thông tin giáo dục cộng đồng 66 3.3.1 Vai trò ontology cổng thông tin giáo dục cộng đồng 66 3.3.2 Thiết kế kiến trúc ontology tổng quát 68 3.4 Kết chương 74 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ ONTOLOGY CHO CỔNG THÔNG TIN GIÁO DỤC BKEDUPORTAL 75 4.1 Mơ hình biểu diễn ontology 75 4.1.1 Mơ hình biểu diễn 75 4.1.2 Các kỹ thuật biểu diễn ứng dụng mơ hình 78 4.2 Ontology tổng quát - BKOnto 83 4.2.1 Lớp Person 85 4.2.2 Lớp Documentation 86 4.2.3 Lớp Topic 87 4.3 Các ontology cho ứng dụng chia sẻ tài liệu học tập 88 4.3.1 Xây dựng ontology cho ứng dụng chia sẻ tài liệu học tập 88 4.3.2 Ontology ứng dụng – BKDoc 89 4.3.3 Ontology lĩnh vực BKICT 91 4.3.4 Một kịch ứng dụng tìm kiếm tài liệu học tập 92 4.4 Kết chương 94 CHƯƠNG GIAO DIỆN LẬP TRÌNH (API) DỰA TRÊN JENA 95 5.1 Mục tiêu 95 5.2 Jena API Framework 95 5.2.1 Mơ hình phân cấp Jena API 95 5.2.2 Xử lý Ontology Model 96 5.2.3 Xử lý lớp 97 5.2.4 Xử lý thuộc tính 97 5.2.5 Xử lý thể 98 5.2.6 Truy vấn với Jena 98 5.2.7 Suy diễn 99 5.2.8 Gắn ontology vào sở liệu 100 5.3 Mở rộng Jena API 100 5.3.1 Lý cần mở rộng Jena API 100 5.3.2 Thiết kế Jena API mở rộng 101 5.4 Kết chương 106 KẾT LUẬN 107 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT STT Từ viết tắt Từ đầy đủ OWL Web Ontology Language RDF Resource Description Language RDFS RDF Schema API Application Programming Interface URL Uniform Resource Locator URI Uniform Resource Identifier RSS Really Simple Syndication XML Extensible Markup Language FOAF Friend of a Friend 10 SOAP Simple Object Access Protocol 11 HTML HyperText Markup Language 12 GEM Gateway to Educational Materials 13 LO 14 CMS Content Management System 15 ICT Information and Communication Technology Learning Object DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Các thuộc tính từ vựng Dublin Core 27 Bảng 1.2: Từ vựng FOAF Các lớp (chữ hoa) thuộc tính (chữ thường) 27 Bảng 2.1: Các thuộc tính mơ tả tài ngun 32 Bảng 2.2: Level Level lĩnh vực Giáo dục công nghệ 34 Bảng 2.3: Các thành phần CanCore(www.cancore.ca/schema.html) 38 Bảng 3.1: Phân nhóm lĩnh vực 56 Bảng 3.2: Các thông tin cần thiết hồ sơ người sử dụng 64 Bảng 4.1: Các Namespace BKOnto 84 Bảng 4.2: Các lớp thuộc tính BKOnto 84 Bảng 4.3: Các thuộc tính lớp Person 85 Bảng 4.4: Các thuộc tính lớp Documentation 87 Bảng 4.5: Các thuộc tính lớp Topic 88 Bảng 4.6: Các namespace phân hệ chia sẻ tài liệu học tập 89 Bảng 4.7: Các ba mô tả tài liệu học tập 92 Bảng 5.1: Các cấu trúc suy diễn Jena 99 Bảng 5.2: Lớp giao tiếp sở liệu 106 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Biểu diễn nội dung web 1.0 .4 Hình 1.2: Sự phát triển Web 2.0 Hình 1.3: Kết tìm theo từ khóa Paris - sử dụng Google Image Search Hình 1.4: Phát triển Web (hình bên phải) có ngữ nghĩa từ Web 1.0 (bên trái) Hình 1.5: Các chủ đề liên quan đến Semantic Web Hình 1.6: Xu hướng phát triển hệ Web Hình 1.7: Kiến trúc phân tầng Semantic Web (Berners_Lee – 2006) Hình 1.8: Các kiểu siêu liệu 12 Hình 1.9: Phân loại ontology theo Guarino 18 Hình 1.10: Phân loại ontology theo Lassila Mc Guiness 19 Hình 1.11: RDF Schema RDF 22 Hình 1.12: Tiến trình xây dựng ontology 23 Hình 1.13: Ví dụ diễn giải nội dung dựa ontology 29 Hình 2.1: Lược đồ ontology GEM 33 Hình 2.2: Phân cấp lớp từ vựng Resource Type 34 Hình 2.3: Các thành phần Level 34 Hình 2.4: Kiến trúc Connexions 35 Hình 2.5: Hoạt động “nhà máy tri thức” 35 Hình 2.6: Kiến trúc POOL 37 Hình 2.7: Tạo lưu trữ siêu liệu dựa CanCore 38 Hình 2.8: Kiến trúc tích hợp nội dung Edutella 39 Hình 2.9: Các Agent PIP 41 Hình 2.10: Cấu trúc Ontology PEOnto 41 Hình 2.11: Kiến trúc TANGRAM 43 Hình 2.12: Các module TANGRAM 43 Hình 2.13: Lược đồ Ontology cấu trúc 45 Hình 2.14: Lược đồ ontology Content Type 45 Hình 2.15: Lược đồ Domain Ontology 46 Hình 2.16: Diễn giải nội dung LO nhiều ontology 50 Hình 2.17: Lược đồ siêu liệu RDF Binding 51 Hình 2.18: File RDF diễn giải trang slide 52 Hình 3.1: Kiến trúc cổng thơng tin BKEduPortal 55 Hình 3.2: Phân cấp chủ đề lĩnh vực Công nghệ thông tin 57 Hình 3.3: Giao diện thư mục phân cấp 61 Hình 3.4: Minh họa khối quan hệ 71 Hình 4.1: Biểu diễn mức khối ontology 75 Hình 4.2: Biểu diễn ontology tổng quát BKOnto 80 Hình 4.3: Ontology cho phân hệ ứng dụng Chia sẻ tài liệu học tập 82 Hình 4.4: Các lớp BKDoc 90 Hình 4.5: Phân cấp lĩnh vực ICT dựa ACM 92 Hình 5.1: Mơ hình phân cấp com.hp.hpl.jena.ontology 96 Hình 5.2: Ontology model 96 Hình 5.3: Mơ hình phân cấp Jena API mở rộng 102 Hình 5.4: Biểu đồ đặc tả ca sử dụng 103 Hình 5.5: Quá trình thêm lớp vào BKOnto 104 Hình 5.6: Xóa lớp Topic khỏi ontology 104 Hình 5.7: Quá trình xóa thuộc tính 105 Hình 5.8: Q trình tạo thuộc tính 105 MỞ ĐẦU Đặt vấn đề Trong năm qua, công nghệ thơng tin, đặc biệt Internet, góp phần lớn vào việc xây dựng đổi hệ thống hỗ trợ giáo dục với khóa học trực tuyến, kho chứa tài liệu học tập, đáp ứng tiêu chí giáo dục mới: học nơi, lúc, học theo sở thích, … Tuy nhiên, hệ thống giáo dục gặp phải số khó khăn như: (i) thiết kế, phát triển, quản lý, chia sẻ tài nguyên giáo dục; (ii) phân phối dịch vụ giáo dục tài liệu học tập cho cá nhân dựa nhu cầu, sở thích, … Do tài nguyên học tập phân tán nhiều nguồn đặc tả theo nhiều dạng thông tin từ vựng khác nhau, việc quản lý tài ngun trở nên vơ khó khăn tốn Để chia sẻ, trao đổi tài liệu học tập, số tiêu chuẩn mô tả tài nguyên đề xuất LOM, IMS, Dublin Core, chuẩn đơn tạo siêu liệu với trường mô tả đơn giản tiêu đề, quyền, tác giả, tập từ vựng riêng biệt hạn chế Do chuẩn chưa đủ khả diễn giải, kết hợp tài nguyên theo ngữ nghĩa nội dung, không cho phép chia sẻ tái sử dụng tài nguyên giáo dục cách dễ dàng Semantic Web mở rộng World Wide Web cách thêm vào mô tả ngữ nghĩa thông tin dạng mà chương trình máy tính “hiểu” cho phép xử lý thông tin hiệu [1] Cơ chế cho phép diễn giải, chia sẻ trao đổi ngữ nghĩa thông tin ontology Theo [2], hệ thống hỗ trợ giáo dục, ontology sử dụng chủ yếu cho mục đích: (i) xây dựng cấu trúc, diễn giải ngữ nghĩa, đánh mục, tìm kiếm tài nguyên học tập; (ii) biểu diễn lưu trữ tri thức lĩnh vực đối tượng cần thiết ứng dụng; (iii) xây dựng phương pháp giảng dạy, hoạt động học tập ứng với mục tiêu, sở thích, lực cá nhân Hiện có nhiều hệ thống hỗ trợ giáo dục xây dựng theo cách tiếp cận sử dụng ontology cơng nghệ Web có ngữ nghĩa Dựa tính hệ thống mà ta phân loại chúng thành nhóm chủ yếu sau: (i) hệ thống chia sẻ tài nguyên giáo dục trực tuyến; (ii) mạng chia sẻ ngang hàng tài nguyên giáo dục; (iii) hệ thống E-Learning dựa ontology Xu hướng phát triển hệ thống tương lai hướng cộng đồng người sử dụng áp dụng kết hợp công nghệ Web xã hội 2.0 cơng nghệ Web có ngữ nghĩa Nội dung luận văn đề cập đến cách tiếp cận việc xây dựng hệ thống hỗ trợ giáo dục cộng đồng dựa nguyên tắc mạng xã hội Trong cộng đồng người sử dụng đóng vai trị hạt nhân, cung cấp nguồn tài nguyên tri thức chia sẻ Người sử dụng không đơn “thụ động” sử dụng tài nguyên mà nguồn cung cấp tài ngun cho hệ thống Có nguồn tài nguyên phong phú đa dạng Ontology áp dụng hệ thống với mục đích sau: (i) mơ hình hóa tri thức chia sẻ cộng đồng lĩnh vực; (ii) tổ chức đánh mục hỗ trợ tìm kiếm theo ngữ nghĩa tài ngun học tập; (iii) mơ hình hóa mạng xã hội thể đóng góp chia sẻ cá nhân cộng đồng Mục tiêu, nhiệm vụ: Mục tiêu luận văn xây dựng kiến trúc ontology tổng quát áp dụng cho hệ thống hỗ trợ giáo dục cộng đồng Trong hệ thống này, cộng đồng người sử dụng đóng vai trị định cho tồn phát triển Qua việc phân tích, đánh giá số hệ thống hỗ trợ giáo dục phổ biến ứng dụng dựa kinh nghiệm phân tích, mơ hình hóa cổng thơng tin giáo dục cộng đồng tên BKEduPortal, xem xét áp dụng công nghệ Web 2.0 cơng nghệ Web có ngữ nghĩa, đặc biệt ontology để đưa kiến trúc ontology tổng quát cho việc xây dựng BKEduPortal nói riêng hệ thống hỗ trợ giáo dục cộng đồng nói chung Các phương pháp giải quyết: Qua việc phân tích, đánh giá phân hệ ứng dụng BKEduPortal số hệ thống hỗ trợ giáo dục khác, luận văn xây dựng kiến trúc ontology tổng quát áp dụng cho hệ thống hỗ trợ giáo dục cộng đồng Kiến trúc ontology tổng quát thiết kế theo nguyên tắc phân tầng phân chia nhiều thành phần (module), gồm ontology thành phần kết hợp với nhau: tầng thứ ontology tổng quát (upper-level ontology) tầng thứ hai gồm số ontology ứng dụng, lĩnh vực phát triển từ ontology tổng quát tùy theo yêu cầu ứng dụng cụ thể Luận văn trình bày số kỹ thuật thiết kế ứng dụng kiến trúc ontology đề xuất tiến trình thiết kế ontology, kỹ thuật tích hợp ontology thành phần, kỹ thuật tạo siêu liệu RDF kỹ thuật truy vấn liệu nhiều ontology Luận văn xây dựng phát triển mơ hình ontology áp dụng cho cổng thơng tin giáo dục cộng đồng BKEduPortal Ngồi ra, luận văn mở rộng lớp giao diện Jena API theo kiến trúc ontology tổng quát để trình ứng dụng Semantic Web người sử dụng giao tiếp dễ dàng với ontology Cấu trúc luận văn: Nội dung luận văn gồm phần mở đầu, năm chương nội dung, phần kết luận, phụ lục tài liệu tham khảo Các bước phân tích giải vấn đề trình bày luận văn theo trình tự sau:  Chương I: Trình bày lý thuyết Web có ngữ nghĩa, ontology hệ phát triển World Wide Web  Chương II: Khảo sát số hệ thống giáo dục có sử dụng ontology cơng nghệ Web có ngữ nghĩa rút số kỹ thuật áp dụng việc thiết kế ontology xây dựng cổng thông tin giáo dục  Chương III: Kiến trúc ontology tổng quát cho hệ thống hỗ trợ giáo dục cộng đồng Qua việc phân tích đánh giá hệ thống giáo dục mơ hình kiến trúc cổng thơng tin giáo dục cộng đồng BKEduPortal, thiết kế kiến trúc ontology tổng quát áp dụng cho hệ thống giáo dục cộng đồng  Chương IV: Xây dựng ontology cho Cổng thông tin BKEduPortal Đề xuất mơ hình biểu diễn ontology dựa ngôn ngữ OWL Full  Chương V: Giao diện lập trình (API) dựa Jena API Framework  Kết luận Tổng kết lại kết thực Đưa hướng phát triển luận văn tương lai  Phụ lục: Một số đoạn mã nguồn OWL ontology tổng quát Tác giả luận văn bày tỏ lịng kính trọng biết ơn sâu sắc tới TS Tạ Tuấn Anh Người thầy tận tình hướng dẫn tạo điều kiện cho tác giả thực tế hội thảo, dự án để tác giả hoàn thành luận văn Tác giả xin chân thành cảm ơn Thầy Cô, bè bạn người thân động viên giúp đỡ trình thực đề tài Do trình độ có hạn nên luận văn khơng tránh khỏi sai sót Tác giả kính mong nhận góp ý để hồn thiện luận văn Hà Nội, tháng 10 năm 2008