Cổng thông tin giáo dục cộng đồng dựa trên Ontology

Xin phép được post lại bài này của tập thể tác giả: Phạm Huy Giang, Tạ Tuấn Anh, Đặng Văn Chuyết (ĐHBK Hà Nội).

Tóm tắt

Nội dung của bài báo đề cập đến một cách tiếp cận mới trong việc xây dựng một cổng thông tin giáo dục dựa trên nguyên tắc của một mạng xã hội. Trong đó cộng đồng người sử dụng đóng vai trò hạt nhân, cung cấp các nguồn tài nguyên cũng như tri thức được chia sẻ. Nhằm tăng khả năng suy diễn ngữ nghĩa và tính mở rộng, hệ thống được xây dựng dựa trên nền tảng của công nghệ Web ngữ nghĩa với ontology với 3 mục tiêu: (i) mô hình hóa tri thức để chia sẻ trong cộng đồng; (ii) hỗ trợ tìm kiếm theo ngữ nghĩa các tài nguyên học tập; (iii) mô hình hóa một mạng xã hội người sử dụng trong cộng đồng.

I. Đặt vấn đề

Trong những năm qua, công nghệ thông tin, đặc biệt là Internet, đã góp phần rất lớn vào việc xây dựng và đổi mới các hệ thống giáo dục với các khóa học trực tuyến, các kho chứa tài liệu học tập, đáp ứng được những tiêu chí giáo dục mới: học mọi nơi, mọi lúc, học theo sở thích, … Tuy nhiên, các hệ thống giáo dục đang gặp phải một số khó khăn như: (i) thiết kế, phát triển, quản lý, chia sẻ các tài nguyên giáo dục; (ii) phân phối các dịch vụ giáo dục và tài liệu học tập cá nhân [1, 2].

Web ngữ nghĩa là sự mở rộng của World Wide Web bằng cách thêm vào các mô tả ngữ nghĩa của thông tin dưới dạng mà chương trình máy tính có thể “hiểu” và do vậy cho phép xử lý thông tin hiệu quả hơn [3]. Cơ chế cho phép chia sẻ và trao đổi ngữ nghĩa của thông tin là ontology. Theo [1, 2, 4], trong các hệ thống giáo dục, ontology được sử dụng chủ yếu cho 3 mục đích: (i) xây dựng cấu trúc, diễn giải ngữ nghĩa, đánh chỉ mục, tìm kiếm tài nguyên học tập. (ii) biểu diễn và lưu trữ tri thức, và (iii) tạo các phương pháp giảng dạy, các hoạt động học tập ứng với mục tiêu, sở thích, năng lực của từng cá nhân. 

Nội dung của bài báo đề cập đến một cách tiếp cận mới trong xây dựng một cổng thông tin giáo dục dựa trên nguyên tắc của một mạng xã hội. Ontology được áp dụng trong hệ thống này với 3 mục đích sau: (i) mô hình hóa tri thức chia sẻ trong cộng đồng về một lĩnh vực; (ii) tổ chức đánh chỉ mục hỗ trợ tìm kiếm theo ngữ nghĩa các tài nguyên học tập; (iii) mô hình hóa một mạng xã hội thể hiện sự đóng góp chia sẻ của các cá nhân trong cộng đồng.

II. Các hệ thống thông tin giáo dục dựa trên Ontology

Hiện nay đã có nhiều hệ thống giáo dục được xây dựng theo cách tiếp cận sử dụng ontology. Dựa trên các tính năng của hệ thống mà ta có thể phân loại chúng thành 3 nhóm chủ yếu sau: (i) các hệ thống chia sẻ tài nguyên giáo dục trực tuyến: GEM [5], Connexions [6]; (ii) các mạng chia sẻ ngang hàng về tài nguyên giáo dục: POOL [7], Edutella [8]; và (iii) các hệ thống Elearning dựa trên ontology: PIP [1, 9], TANGRAM [2, 10].

2.1. Hệ thống chia sẻ tài liệu GEM

GEM - The Gateway to Educational Materials (http://thegateway.org) là hệ thống được xây dựng bởi NLE (National Library of Education), liên kết nhiều tổ chức giáo dục, thư viện nhằm mục đích lưu trữ và chia sẻ tài nguyên giáo dục mở. GEM hỗ trợ 2 kiểu thành viên: (1) thành viên GEM là các nhà giáo dục; (2) thành viên GEM Consortium là các tổ chức và cá nhân muốn góp phần xây dựng kho chứa tài nguyên giáo dục của Gateway. Ontology trong GEM được chia thành nhiều khối, mỗi khối là một từ vựng điều khiển (controlled vocabulary), và được ghép lại thành một lược đồ thống nhất.

2.2. Dự án Connexions

Dự án Connexions (http://cnx.rice.edu) thuộc trường Rice University có mục đích xây dựng kho chứa tài liệu học tập mở và các công cụ hỗ trợ tạo bài giảng cũng như chia sẻ và khai thác tri thức. Connexions khuyến khích cộng đồng gồm giáo viên, sinh viên khai thác liên kết giữa các khái niệm, khóa học và môn học, tham gia đóng góp tri thức để xây dựng và chia sẻ tài liệu học tập. Kiến trúc Connexions được thiết kế tập trung, gồm 2 thành phần chính: (1) Kho chứa nội dung phục vụ cộng đồng gồm tài liệu học tập mở và các khối tri thức; (2) các công cụ phần mềm nguồn mở hỗ trợ việc tạo, quản lý, sử dụng và chia sẻ các module thông tin.

2.3. Hệ thống lưu trữ và chia sẻ POOL

POOL - Portal for Online Objects in Learning (http://www.edusplash.net) là một dự án của tập đoàn TeleLearning NCE, Canada, nhằm xây dựng cơ sở hạ tầng theo mô hình peer-to-peer, kết nối nhiều kho chứa tài nguyên giáo dục không đồng nhất thành một mạng lưới [7]. POOL tập trung phát triển 2 công nghệ: (1) “POOL, POND và SPLASH” là kiến trúc phân tán cho mạng peer-to-peer gồm các kho chứa; và (2) CanCore, giao thức siêu dữ liệu mô tả tài nguyên giáo dục. Giao thức CanCore gồm một tập các thành phần mô tả tài liệu, được chọn lựa từ các thành phần của các chuẩn Dublin Core, IMS và hoàn toàn tương thích với chuẩn IEEE LOM 1484.

2.4. Mạng chia sẻ ngang hàng Edutella

Edutella (http://www.edutella.org/edutella.shtml) là một mạng peer-to-peer kết nối các site giáo dục không đồng nhất về hiệu năng, kích thước lưu trữ, số người sử dụng, … với nhiều kiểu kho chứa tài nguyên, ngôn ngữ truy vấn, và kiểu lược đồ siêu dữ liệu khác nhau, nhằm mục đích trao đổi thông tin về tài nguyên giáo dục. Các dịch vụ của Edutella gồm: (1) Dịch vụ truy vấn:truy lục vào siêu dữ liệu RDF được lưu trong các kho chứa phân tán, sử dụng các ngôn ngữ truy vấn RQL, TRIPPLE; (2) Dịch vụ nhân bản: hỗ trợ tính sẵn dùng và cân bằng tải để đảm bảo tính nhất quán và toàn vẹn; (3) Dịch vụ ánh xạ (biên dịch các từ vựng siêu dữ liệu khác nhau, cho phép kết hợp giữa nhiều bên); (4) Dịch vụ Mediation (xác định các khung nhìn kết hợp dữ liệu từ nhiều nguồn siêu dữ liệu và điều hòa xung đột và chồng chéo thông tin).

2.5. Hệ thống tạo kế hoạch giảng dạy PIP

PIP - Personalized Instruction Planner (http://peonto.cityu.edu.hk/index.jsp) là hệ thống hỗ trợ giảng dạy ngôn ngữ tiếng Anh trong các trường trung học ở Hồng Kông. Mục tiêu của PIP là xây dựng kế hoạch học tập cá nhân của từng học sinh dựa trên thông tin về học sinh đó như năng lực, sở thích, ... kết hợp với phương pháp giảng dạy của giáo viên. Có 5 chức năng chính được kết hợp trong PIP: (1) Chức năng quản trị: có thể thay đổi lược đồ ontology; (2) Thiết kế chương trình học cá nhân; (3) Tạo kế hoạch giảng dạy; (4) Quản lý hồ sơ người sử dụng; (5) Tìm kiếm tài nguyên học tập từ Internet (Global Search) hoặc từ PIP (Local Search). Cơ chế tìm kiếm theo từ khóa có kết hợp bộ lọc kết quả. PIP sử dụng ontology framework PEOnto, gồm 5 ontology kết hợp với nhau: (1) People Ontology biểu diễn cá nhân tham gia hệ thống; (2) Subject Domain (Language) Ontology biểu diễn tri thức lĩnh vực; (3) Curriculum Ontology biểu diễn kế hoạch giảng dạy như đường học (learning path), mục tiêu, các hoạt động học tập; (4) Pedagogy Ontology biểu diễn chiến lược/phương thức tổ chức tài nguyên giáo dục; và (5) PEA Ontology mô tả vai trò, chức năng của các Agent.

2.6. Hệ thống tạo bài giảng TANGRAM

TANGRAM (http://iis.fon.bq.ac.yu/TANGRAM/home.html) là ứng dụng xây dựng bài giảng và tài liệu học tập cho giảng viên và sinh viên đại học trong lĩnh vực IIS (Intelligent Information Systems). TANGRAM tập trung diễn giải chi tiết tài liệu theo cấu trúc nhằm mục đích sử dụng lại từng thành phần của tài liệu. Các module chức năng chính của TANGRAM gồm [2]: (1) module quản lý nội dung; (2) module quản lý người sử dụng; (3) module lắp ráp động: tự động ghép các đơn vị nội dung thành tài liệu học tập cá nhân; (4) module giao diện người sử dụng.

TANGRAM xây dựng nhiều ontology kết hợp để diễn giải tài liệu bao gồm: (1)ALOCoM CS(ALOCoM Content Structure) mô tả cấu trúc tài liệu; (2) ALOCoM CT (ALOCoM Content Type) mô tả thể loại tài liệu; (3) Domain IIS, mô tả lĩnh vực IIS, được phát triển dựa trên siêu lược đồ trong SKOS Core Ontology; (4) LP (Learning Path), xác định chuỗi các chủ đề học tập cho từng cá nhân thông qua Domain IIS; (5) User Model (UM) Ontology biểu diễn thông tin về người sử dụng.

III. Cổng thông tin giáo dục cộng đồng BKEDUPORTAL

Từ những khảo sát đã thực hiện, chúng tôi đề xuất xây dựng một hệ thống thông tin giáo dục cộng đồng, hỗ trợ cộng đồng người sử dụng chia sẻ và tìm kiếm tri thức cũng như tài nguyên trong lĩnh vực giáo dục. Một trong những đặc điểm chủ yếu của hệ thống thông tin cộng đồng này là tất cả các nguồn tri thức lĩnh vực, tài nguyên chia sẻ và cộng đồng người sử dụng luôn có sự thay đổi thường xuyên. Người sử dụng không chỉ đóng vai trò của một người “tiêu thụ” mà còn phải đóng cả vai trò của một “nhà cung cấp”. Tùy vào vai trò của từng đối tượng, mà người sử dụng có thể tham gia cập nhật tri thức về lĩnh vực hoặc đóng góp chia sẻ các tài nguyên. Hạt nhân của hệ thống này là một một cổng thông tin giáo dục có tên là BKEduPortal với các chức năng được minh họa trong hình 1.

Hình 1. Kiến trúc cổng thông tin BKEduPortal

Giống như các cổng thông tin được xây dựng trên nền tảng của các hệ quản trị nội dung (CMS), BKEduPortal cung cấp các kênh thông tin khác nhau đã được biên tập về giáo dục và đào tạo. Ví dụ, hệ thống tự động thu thập thông tin về tin tức, sự kiện, bài viết về giáo dục đã được biên tập từ nhiều website giáo dục. BKEduPortal hỗ trợ chia sẻ tài liệu theo hai phương pháp: (1) hệ thống thu thập tự động tạo tài nguyên chia sẻ (vd. sách điện tử, bài giảng từ các hệ thống đào tạo trực tuyến); (2) người sử dụng đóng góp tài liệu cho cộng đồng theo lĩnh vực chủ đề đã được mô hình hóa trong hệ thống. Ngoài ra, BKEduPortal còn có chức năng tư vấn về giáo dục đào tạo, mang sắc thái của một hệ chuyên gia. Ví dụ, có thể trả lời câu hỏi về thi tuyển đại học như quy chế, ngành nghề đào tạo,… Đặc biệt, BKEduPortal có chức năng của một mạng xã hội phục vụ cộng đồng: gắn kết những thành viên có cùng sở thích, lĩnh vực chủ đề quan tâm; cho phép các thành viên liên lạc, trao đổi, giới thiệu thông tin như kinh nghiệm làm việc, thông tin tuyển dụng, đánh giá về tài nguyên như khóa học, tài liệu.

Mục đích sử dụng ontology trong hệ thống là giúp mô hình hóa dễ dàng các tri thức chung trong từng lĩnh vực (ví dụ các chủ đề học tập, danh mục ngành nghề, chuyên môn học tập,…), các nguồn tài nguyên (ví dụ tài liệu học tập, các câu hỏi thường gặp,…) được chia sẻ trong cộng đồng người sử dụng. Ngoài ra ontology còn được sử dụng để mô hình hóa các loại đối tượng sử dụng khác nhau trong cộng đồng người sử dụng để tạo thành một mạng xã hội, qua đó chúng ta có thể xác định được các chuyên gia và mối quan hệ của họ trong một lĩnh vực. Một nhóm các chuyên gia hay còn gọi là kỹ sư tri thức sẽ chịu trách nhiệm xây dựng và cải tiến lược đồ ontology. Cơ sở tri thức dựa trên ontology của hệ thống có thể được cập nhật theo hai phương thức chính: (i) Người sử dụng đăng nhập và sử dụng trực tiếp các chức năng (giao diện) của cổng thông tin giáo dục để tạo tri thức chia sẻ; (ii) Nguồn tri thức chia sẻ có thể được thu thập tự động từ các hệ phân hệ hỗ trợ mô tả ngữ nghĩa tài nguyên học tập dùng ontology (ví dụ hệ thống hỗ trợ xuất bản tài liệu học, thông tin khóa học sử dụng ontology, ...).

IV. Ontology cho cổng thông tin giáo dục
Theo  kiến  trúc  của  cổng  thông  tin BKEduPortal,  mỗi  chức  năng  hệ  thống  như Chia sẻ tài liệu học tập, Tư vấn giáo dục, … là một  trình  ứng  dụng  được  gắn  vào  cổng  thông tin.  Do  đó  yêu cầu  của  ontology  là  phải  biểu diễn được tri thức cần thiết cho các ứng dụng. Ngoài  các  khái niệm tri  thức  chung,  mỗi  ứng dụng lại có đặc thù riêng. Do đó, yêu cầu thiết kế  đối với  ontology là: (1) phong phú và đúng đắn  về  tri  thức;  (2)  khả  năng  sẵn  sàng  và  dễ dàng áp dụng; (3) khả năng mở rộng và cải tiến; (4)  khả  năng  chia  sẻ  tri  thức  giữa  nhiều  ứng dụng.

Hình 2. Minh họa 3 khối và các quan hệ

Từ  yêu  cầu  thiết  kế  trên, ontology  được thiết kế phân tầng với các khái niệm phân làm ba khối chính (hình 2).

• Một là các khái niệm mô tả tri thức về lĩnh vực  dưới  dạng  các  chủ  đề  và  phân  nhóm của  chúng.  Ví  dụ  các  chủ  đề  về  Windows XP,  Linux  thuộc  về  nhóm  chủ  đề  Hệ  điều hành,  Oracle,  MySQL  thuộc  về  Cơ  sơ  dữ liệu.  Trong  đó  Hệ  điều  hành  và  Cơ  sở  dữ liệu là các nhóm con của Công nghệ thông tin. Các chủ đề được coi là một lớp các đối tượng  tri  thức  trong  chủ  đề  đó.  Với  mỗi nhóm  chủ  đề,  có  thể  thêm  các  thuộc  tính phân loại khác kèm theo chủ đề.
• Hai  là  các  lớp  mô  tả  nhóm  các  loại  tài nguyên được chia sẻ trong hệ thống. Ví dụ đối với các loại tài liệu học tập, có thể có các lớp con là Sách, Bài báo, Sách điện tử, Bài giảng,… Với mỗi nhóm tài nguyên, các thuộc tính siêu dữ liệu (meta-data) được lựa chọn sử dụng để mô tả tài liệu.
• Ba  là  các  nhóm  đối  tượng  người  sử  dụng của  hệ  thống.  Cũng  giống  như tài  nguyên, các  thuộc  tính  cũng  được  gắn  với  từng nhóm người sử dụng để mô tả  các cá nhân và các thông tin liên quan khác. Mối quan hệ giữa người sử dụng với các khối còn lại trong  ontology  thông  qua  các  liên  kết  “là tác  giả”,  “là  người  đóng  góp”,  “là  bạn của”,

Ontology  được  thiết  kế  phân  tầng  bao gồm  ontology thành phần sau: (i)  một ontology tổng  quát  mô  tả  các  khái  niệm  chung  của  hệ thống;  (ii)  nhiều  ontology  lĩnh  vực  mô  tả  các miền ứng dụng khác nhau như Công nghệ thông tin, Tự động hóa, Cơ khí,… 

Để  xây  dựng  ontology  giáo  dục  theo nguyên  tắc  thiết  kế  ở  trên,  chúng  tôi  sử  dụng mô hình biểu diễn ontology được phát triển dựa trên OWL Full với 3 mức:

(1) Mức siêu lược đồ (meta-schema): gồm các lớp  TopicCls,  DocumentationCls  và PersonCls  ứng với các siêu lớp dùng để tạo ra các lớp mô tả trong các khối tri thức lĩnh vực,  tài  nguyên  và  cộng  đồng  ngưởi  sử dụng.  TopicCls,  DocumentationCls  và PersonCls là các lớp con của owl:Class.

(2) Mức lược đồ  (schema):  gồm  các  lớp  được tạo  từ  các  lớp  ở  mức  meta-schema.  Trong đó Topic, Documentation và Person là các lớp  có  kiểu  tương  ứng  là  TopicCls, DocumentationCls và PersonCls. Tùy thuộc vào mỗi loại hình ứng dụng khác nhau, mà các  lớp  này  có  thể  được  mở  rộng  với  các lớp  con  khác  nhau.  Ví  dụ  trong  ứng  dụng chia sẻ tài liệu học tập về CNTT ta có ICT, Database, OS,… là các lớp chủ đề con của Topic.  Book,  Paper,  Ebook,…  là  các  lớp con  của  Documentation.  Chú  ý  Topic, Documentation, Person luôn là lớp gốc cho các  lĩnh  vực  chủ  đề,  tài  nguyên  và  con người.

(3) Mức  thể  hiện  (Instance):  bao  gồm  các  đối tượng được tạo với các lớp định nghĩa trong mức lược đồ. Các đối tượng thể hiện chính là nguồn thông tin tri thức được chia sẻ và do cộng đồng người sử dụng cập nhật trong quá  trình  sử  dụng.  Số  lượng  các  thể  hiện trong  ontology  thường  là rất lớn  và  không có  sự  hạn  chế.  Bởi  cộng  đồng  người  sử dụng chính là nguồn cung cấp các  thể hiện nên  tính  phong  phú  của  hệ  thống  như  thế này là rất lớn.

V. Ứng dụng chia sẻ tài liệu học tập
Để  minh  họa  khả  năng  ứng  dụng  của ontology  tổng  quát,  chúng  tôi  trình  bày  trong mục này việc xây dựng phân hệ chia sẻ tài liệu học tập của cổng thông tin BKEduPortal. Ứng dụng này tập trung vào việc quản lý tài liệu học tập do người sử dụng tự chia sẻ trong một lĩnh vực cộng đồng cụ thể. Hai ontology ở mức ứng dụng cần được phát triển dùng để : (i) mô tả các chủ đề học tập trong một lĩnh vực ; và (ii) tạo lược  đồ  mô  tả  các  khái  niệm  dùng  trong  ứng dụng  quản  lý  tài  liệu  học  tập.  Mặc  dù  chủ  đề các lĩnh vực không bị hạn chế, trong nội dung bài báo này chỉ minh họa bằng một ví dụ về các chủ đề trong lĩnh vực Công nghệ Thông tin và Truyền thông (ICT).
Để xây dựng ontology chủ đề về CNTT và Truyền thông, chúng tôi sử dụng lại hệ thống phân loại lĩnh vực khoa học máy tính của ACM (ACM Computer Classification System) [4]. Hệ thống  gồm  11  thành  phần  mức  đỉnh,  và  mỗi thành phần được phân cấp thành 4 mức và tổng cộng  có khoảng 1600 chủ đề. Mỗi chủ đề được đánh chỉ mục duy nhất theo phân cấp, ví dụ chỉ mục B.1.1.2 ứng với chủ đề „Microprogrammed logic  array‟,  có  thể  truy  cập  theo  đường  dẫn: Hardware  (B)/Control  Structures  and MicroProgramming  (B.1)/Control  Design Styles  (B.1.1).  Hình  3  minh  họa  ontology  chủ đề  về  ICT  được  xây  dựng  bằng  bộ  công  cụ Protege.

Hình 3. Phân cấp lĩnh vực ICT dựa trên ACM

Hình 4. Các lớp trong ontology ứng dụng

Để  mô  tả  các  khái  niệm  của  ứng  dụng, chúng  tôi  tạo  một  ontology  (hình  4).  Nó  bao gồm  lớp  LO  (Learning  Object)  được  mở  rộng từ  lớp  Documentation,  có  mục  đích  mô  tả  tài liệu  học  tập  theo  ngữ  cảnh  sử  dụng  với  các thuộc  tính  đã  được  định  nghĩa  trong  Dublin Core ontology như nhà xuất bản (dc:publisher), định  dạng  tài  liệu  (dc:format),…  Các  tài  liệu học tập được phân loại theo các lớp con của lớp LO như Book, Articles, Lecture, …

VI. Kết luận

Bài  báo  trình  bày  việc  thiết  kế  và  xây dựng ontology cho một cổng thông tin giáo dục trên cơ sở ba khối tri thức lĩnh vực, tài nguyên và con người. Để có thể đáp ứng các chức năng hệ thống như chia sẻ tài liệu, tư vấn giáo dục, ... và  các  yêu  cầu  thiết  kế  như  có  thể  mở  rộng, chia sẻ và sử dụng lại, ..., Ontology được thiết kế theo nguyên tắc phân module  trên  cơ sở của OWL trong Web ngữ nghĩa. Tuy mục đích thiết kế ontology dành cho ứng dụng cụ thể, nhưng kiến trúc ontology có thể áp dụng cho nhiều hệ thống ứng dụng khác nhau.

Tài liệu tham khảo
1.  A.  W.  P.  Fok and H.  H.  S.  Ip;  Education Ontologies Constructions for Personalized Learning on the Web; Studies in Computational Intelligence (SCI) 62, 47-82, Springer, 2007.
2.  Vladan Devedzic; Semantic Web and Education; Springer, 2006. ISBN:0-387 35417-4.
3.  T. Berners-Lee, J. Hendler, O. Lassila; The Semantic Web; Scientific American, May 2001
4.  The  ACM  Computing  Classification  System  –  1998  Version,  valid  in  2002, http://www.acm.org/class/1998/
5.  http://www.thegateway.org/documents
6.  Geneva Henry, Richard Baraniuk, Christopher Kelty; The Connexions Projects: Promoting Open Sharing of Knowledge for Education; Connexions Projects – http://cnx.rice.edu.
7.  Griff  Richards,  Rory  McGreal,  Marek  Hatala  and  Norm  Friensen;  The  Evolution  of  Learning Object  Repository  Technologies:  Portals for  On-line Objects  for  Learning;  Journal of  Distance Education. Vol.17, No3, 2002.
8.  Semantic  Web  Workshop  2002  Honolulu,  Hawaii,  May  7,  2002.  Edutella:  Searching  and Annotating Resources within an RDF-based P2P Network.
9.  A.  W.  P.  Fok  and  H.  H.  S.  Ip;  Personalized  Search of  Educational  Content  Based  on Multiply Ontologies; IEEE 2006, 1-4244-0367-7/06.
10.  Jelena Jovanovic, Dragan Gasevie, Vladan Devedzie;  Ontology-Based Automatic Annotation of Learning Content; Int‟l Journal on Semantic Web & Information Systems.