ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОМПЬЮТЕРНЫХ ОНТОЛОГИЙ В ПОСТРОЕНИИ ОТКРЫТЫХ СИСТЕМ ОБРАЗОВАНИЯ ВЗРОСЛЫХ

Сергей Прийма, доцент, кандидат педагогических наук, доцент

Мелитопольский государственный педагогический университет имени Богдана Хмельницкого, Украина

В публикации выполнена попытка сформировать целостное представление о компьютерных онтологиях, процесс их разработки и потенциал при создании открытых образовательных систем взрослых. Показано, что компьютерные онтологии является эффективным средством обеспечения семантической интерпорабельности открытых образовательных систем взрослых.

Ключевые слова: открытая образовательная система, программный агент, веб-сервис, агентный онтологический поход, компьютерные онтологии.

In publication, an attempt was made to form a coherent picture of computer ontology, the process of developing and capacity when creating a public adult education systems. It is shown that computer ontology is an effective means of achieving semantic interoperable open adult education systems.

Keywords: open educational system, software agent, web - service, agent ontological approach, computer ontology.

Актуальность и постановка проблемы в общем виде и ее связь с важными научными или практическими заданиями.

Преодоление кризисных явлений, повсеместно возникающих в современном социуме, возможно благодаря построению системы непрерывного образования взрослых. Детерминантом становления и развития системы образования взрослых является принцип открытости, который связан с идеей и феноменом свободы, и способствует построению открытого образовательного пространства.

Первоочередным заданием при создании открытого образовательного пространства, по мнению исследователя В. Тарасова, есть построение открытой, гибкой, децентрализующей образовательной системы, которая способна успешно функционировать и развиваться в сложной и плохо структурированной среде. В отличие от закрытых систем, которые мало взаимодействуют с внешней средой, открытые системы характеризуются периодическим и интенсивным обменом с внешней средой. Здесь границы между системой и окружающей средой являются достаточно размытыми и неясным. У открытой системы большие возможности и средства адаптации к изменениям в окружающей среде, в том числе путем изменения ее структуры и параметров. Другими словами, открытая образовательная система способна к саморазвитию за счет устранения старых и создания новых структур внутри себя [1].

Функциональной основой открытой образовательной системы могут стать интеллектуальные программные системы, которые базируются на использовании программных агентов и веб-сервисов. Именно программные агенты и веб-сервисы, которые будут способны сообща взаимодействовать с другими агентами и веб-сервисами для достижения цели, смогут выполнять задание пользователя, к примеру, по поиску информации или выбора оптимальных вариантов решений.

Следует отметить, что использование таких интеллектуальных программных систем возможно при условии единого подхода к представлению знаний предметной отрасли, четкого семантического ее определения, когда любая информация связана с некоторым неотъемлемым от нее контекстом. Как отмечают исследователи  А. Кучер, В. Сокол, Н. Лесная и А. Бочаров, в результате такого семантического описания предметной отрасли последняя будет представлена как сложная иерархическая база знаний, над которой можно будет осуществлять "интеллектуальные" операции, такие как семантический поиск и определение целостности и достоверности данных [2, с.473]. Такое описание называется онтологией.

Современное представление об онтологии позволяет сделать вывод о том, что разработка онтологии будет способствовать построению так называемого Семантического Веба (Semantic Web), ведущая концепция которого заключается в переходе от документов, которые "могут быть прочитаны компьютерами" к документам, которые "могут быть понятыми компьютерами" [3, с.422]. Онтология содержания веб-страниц необходима для улучшения качества поиска в Интернет. Формальная спецификация содержания веб-документа дает возможность поисковой системе делать вывод о соответствии поискового запроса веб-документа не только на основании синтаксической информации, но и основываясь на семантике содержания данного документа [4]. Полностью соглашаемся с мнением авторов работы [3] относительно того, что онтология определяется как ключевая технология для развития Семантического Веба, которая способна сыграть критически важную роль в организации обработки знаний на базе Web [3, с.422].

Таким образом, освещение основных этапов разработки компьютерной онтологии для функционирования открытой образовательной системы видится актуальным и своевременным заданием.

Анализ последних исследований и публикаций, в которых основано решение данной проблемы. Проблема проектирования и функционирования открытой образовательной системы на основе агентной онтологической модели уже стала предметом исследования педагогов, разработчиков дистанционных курсов, специалистов по информационным технологиям и искусственному интеллекту. В частности, использованию онтологической модели ученика, курса и образовательного стандарта с целью построения индивидуальной траектории обучения посвящена работа [2]. Проблема разработки онтологической модели дистанционного курса стала предметом исследования А.Данченко [5]. Применение мультиагетного онтологического подхода к созданию распределенных систем дистанционного обучения рассматривалось в исследовании И.Келеберды, Н.Лесной, В.Репки [6]. Описание базовых концепций и архитектуры Семантического Веба как основы для функционирования открытых образовательных систем осуществлены в работе [3]. Проблема онтологии и использования их в компьютерных системах рассматривалась В.Лапшиным [4]. Детально процесс разработки онтологии в общем виде рассмотрен в работе исследователей Н.Ной и Д.МакГиннеса [7].

Однако, указанные работы, хотя и являются завершенными исследованиями отдельных аспектов применения агентного онтологического подхода, все-таки не дают целостного представления о разработке компьютерной онтологии как важной составляющей открытых образовательных систем. Таким образом, научное задание данной публикации заключается в формировании целостного представления о значении компьютерных онтологий, процессе их разработки и потенциале при построении открытых систем образования взрослых.

Изложение основного материала исследования.  Одним из требований к открытым системам образования взрослых является обеспечение высокого уровня интерперабельности (interoperable), что предусматривает возможность взаимодействия с разными системами в условиях создания распределенных учебных систем в Интернет. Большинство из существующих обучающих систем реализуют это требование за счет открытости интерфейса доступа к своим сервисам путем использования единой формы для обмена данными, а именно XML и объектной модели представления документов DOM (Document Object Model). Такой подход, по мнению исследователей А.Кучер, В.Сокол, Н.Лесной и В.Бочарова, позволяет разрешать проблему синтаксической интероперабельности [2, с.472]. Однако для открытых систем образования взрослых самой лишь синтаксической интероперабельности недостаточно. Объясняется это тем, что одну и ту же информацию можно синтаксически по-разному подать, и потому на данный момент накопилось значительное количество материала в разных форматах, иногда совсем несовместимых.

Для обеспечения семантической интерперабельности открытых систем образования взрослых необходимо разрабатывать такой способ представления знаний, который позволил бы автоматически прорабатывать их программными агентами и веб-сервисами. Такой способ базируется на использовании агентного онтологического подхода.

Рассмотрим основные положения агентного онтологического подхода к проектированию и функционированию открытых систем образования взрослых. Как отмечают исследователи Ф. Андон, И. Гришанова и В. Резниченко, программный агент - это программная сущность, которая функционирует автономно в конкретной среде, часто - вместе с другими агентами. Агенты могут быть специализированными, должны общаться с другими агентами с целью нахождения веб-сервисов, продуктов, информации или других агентов [3, c.426]. Для достижения поставленных заданий программные агенты должны иметь возможность пользоваться стандартным перечнем услуг, которые представлены в Semantic Web в качестве веб-сервисов. Веб-сервис - это программная система, которая оказывает определенную услугу и характеризуется абстрактным набором функциональных возможностей. Во многих случаях реализация запроса пользователя требует комбинирования обращений к больше чем одного веб-сервиса. Вот почему веб-сервисы должны иметь возможность поддерживать взаимодействие с другими веб-сервисами в добавление к стандартным процедурам обработки данных. Больше того, процесс представления агрегированной распределительной информации может включать у себя разбитие на набор взаимоувязанных этапов обработки данных, взаимодействия нескольких веб-сервисов, вмешательства человека в процесс обработки запросов пользователя. Для решения таких сложных распределенных задач наиболее пригодные мультиагентные технологии.

Как было отмечено ранее, семантическая интерперабельности открытых образовательных систем обеспечивается за счет представления знаний в виде онтологии. Онтология, за Т.Грубером, представляет собой описание декларативных знаний в виде классов и отношениями между ними. Составление описания декларативных знаний обычно требует большой работы и определенных навыков. Для обозначения этой работы, а также ее результата, Т. Груббер ввел специальный термин "концептуализация". Описание он назвал "спецификацией". Таким образом, онтология за Т.Грубером, определяется как спецификация концептуализации [8].

По мнению исследователей Н. Ной и Д. МакГиннеса, онтология - формальное явное описание понятий предметной отрасли (классов), свойств каждого понятия, которые описывают разные свойства и атрибуты понятий (свойства, роли, слоты), ограничений, которые представляются к свойствам (фацеты). Онтология вместе с набором индивидуальных экземпляров классов образует базу знаний [7].

Отметим, что основными причинами разработки онтологии являются:

• · необходимость анализа предметной отрасли;
• · необходимость общего использования людьми и программными агентами;
• · необходимость повторного использования знаний в предметной отрасли.

Часто онтология предметной отрасли сама по себе не является целью. Как отмечают исследователи Н. Ной и Д. МакГиннес, разработка онтологии подобна определению набора данных и их структуры для использования другими программами.  Методы решения задач, предметно-независимые программные агенты используют в качестве данных онтологии и базы знаний, которые построены на базе этой онтологии.

Разработка онтологии предусматривает несколько этапов:

• · определение отрасли и масштаба онтологии;
• · рассмотрение вариантов повторного использования существующей онтологии;
• · перечисление важных терминов в онтологии;
• · определение классов и иерархии классов;
• · определения свойств классов - слотов;
• · определение фацетов свойств;
• · создание экземпляров [7].

Среди наиболее известных языков проектирование онтологии называют KIF(Knowledge Interchange Format), DAML+OIL(DARPA Agent Markup Language) и OWL(Ontology Web Language). Однако, как отмечает исследователи Ф.Андон, И.Гришанова и В. Резненко, наиболее развитым на сегодня языком представления онтологии  является OWL (Web Ontology Language). Онтология, построенная на OWL, является последовательностью аксиом и фактов  с добавлением ссылок на другую онтологию, которая считается включенной в онтологию.

Для создания и редактирования онтологии разработан ряд специализированных сред разработки, редакторов, парсеров и средств объединения онтологии, наиболее эффективными из которых является: KAON [http://kaon.semanticweb.org/],  OntoStudio [http://www.ontoprise.de/en/products/ontostudio/], Ontosaurus [http://www.isi.edu/isd/ ontosaurus.html], OpenCyc [http://www.opencyc.org/].

Среди этих инструментов для построения предметно-ориентированной онтологии выделим редактор Protege - OWL [http://protege.stanford.edu/ overview/protege - owl.html]. Редактор Protege - OWL - это гибкая, независимая от платформы среда со своими особенностями и преимуществами, которая обеспечивает наглядный и удобный в использовании графический интерфейс пользователю, реализует масштабируемость, то есть модульное наращивание системы в рамках унифицированной архитектуры. Также Protege - OWL дает возможность описывать классы с использованием новых возможностей. В частности, язык OWL (Ontology Web Language) имеет большой набор операторов и базируется на логической модели, которая позволяет давать определение понятиям так, как они описаны, поэтому сложные комплексные понятия в определениях могут быть созданы из более простых. К тому же логическая модель дает возможность использовать механизм рассуждений (Reasoner), который в свою очередь дает возможность проверить являются ли утверждения и определения в онтологии взаимно непротиворечивыми, а также распознать соответствие определений указанным понятиям. Благодаря этому механизму поддерживается правильность иерархии онтологии [9, с.71].

Описав все классы, свойства, ограничения и объекты предметной отрасли, получаем базу знаний, которые являются основой для функционирования агентных онтологических систем, способных осуществлять операции над информацией.

Следует отметить, что компьютерные онтологии имеют значительный потенциал в сфере неформального и информального образования. Все эти виды образования, в том числе и образования взрослых, слабо подвержены систематизации как с точки зрения форм обучения, так и содержания. Использование компьютерных онтологий позволит взрослому обучающемуся самостоятельно построить стратегию собственного обучения, оценить объем знаний той или иной предметной области, получить необходимые компетенции, который в конечном счете будут способствовать улучшению качества жизни человека.

Однако не следует исключать применения онтологий и в системе формального  образования. В качестве примера предметной области для создания и использования компьютерной онтологии можно привести область знаний, которая определена мировым сообществом как Компьютинг (Computing). В Украине в сфере формального высшего  образования компьютинг представлен областями знаний 0403 Системные науки и кибернетика (направления подготовки 040301 Прикладная математика, 040302 Информатика и 040303 Системный анализ), 0501 Информатика и вычислительная техника (направления подготовки 050101 Компьютерные науки, 050102 Компьютерная инженерия и 050103 Программная инженерия) и 0502 Автоматика и управление (направления подготовки 050201 Системная инженерия и 050202 Автоматизация и компьютерно-интегрированные технологии). Создание и использование онтологии компьютинга позволит обеспечить разработку составляющих системы отраслевых стандартов высшего образования на единой методологической основе, гармонизировать национальные отраслевые стандарты высшего образования в соответствии с мировыми аналогами, выполнять сравнение программ подготовки для выдачи "двойных" дипломов.

Выводы из данного исследования и перспектива дальнейших разведок в данном направлении. Таким образом, в публикации сделанная попытка сформировать целостное представление о значении компьютерных онтологий, процессе их разработки и потенциале при построении открытых образовательных систем взрослых. В дальнейших исследованиях планируется рассмотреть практические аспекты использования онтологии в открытых образовательных системах, в частности, через разработку программных агентов и веб-сервисов.

Литература:

1. Тарасов В.Б. Многоагентные системы поддержки открытого образования в техническом университете [Электронный ресурс] / В.Тарасов //Программные продукты и системы. - 2001. - №2. - Режим доступа к журналу: http://www.swsys.ru/index.php?page=article&id=829.
2. Кучер А.В., Сокол В.В., Лесная Н.С., Бочаров А.В. Архитектура системы построения индивидуальной траектории обучения, базирующейся на образовательном стандарте / А.Кучер, В. Сокол, Н.Лєсна, А.Бочаров // Вестник ХНТУ "Проблемы высшей школы". - 2010. - №2(38). - С. 472-476.
3. Андон Ф.И., Гришанова И.Ю., Резниченко В.А. Semantic Web как новая модель информационного пространства интернет / Ф. Андон, І. Гришанова, В. Резниченко // Проблемы програмуванння. Специальный выпуск. - 2008. - №2-4. - С.417-430.
4. Лапшин В.А. Онтологии в компьютерных системах [Электронный ресурс]. - Режим доступа :     http://www.rsdn.ru/article/philosophy/what-is-onto.xml.
5. Данченко А.Л. Разработка онтологической модели представления известный дистанционных курсов  [Электронный ресурс]. - Режим доступа :   http://semanticfuture.net/index.php/%D0%A0%D0%B0%D0%B7%D1%80%D0%B0%D0%B1%D0%BE%D1%82%D0%BA%D0%B0%D0%BE%D0%BD%D1%82%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D0%B3%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%BE%D0%B9%D0%BC%D0%BE%D0%B4%D0%B5%D0%BB%D0%B8%D0%BF%D1%80%D0%B5%D0%B4%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%B2%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F%D0%B7%D0%BD%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%B9%D0%B4%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BD%D1%86%D0%B8%D0%BE%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D1%85%D0%BA%D1%83%D1%80%D1%81%D0%BE%D0%B2.
6. Келеберда И.Н., Лесная Н.С., Репка В.Б. Использование мультиагентного онтологического подхода к созданию распределенных систем дистанционного обучения / І. Келеберда, Н.Лєсна, В.Рєпка // Educational Technology & Societe. - 2004. - 7(2). - С. 190-205.
7. Noy N., McGuinness D. Ontology Development 101: A Guide to Creating Your First Ontology. Stanford Knowledge Systems Laboratory Technical Report KSL - 01-05 and Stanford Medical Informatics Technical Report SMI - 2001-0880, March 2001 [Электронный ресурс]. - Режим доступа :  http://protege.stanford.edu/publications/ontology  development/ ontology101.pdf.
8. Gruber T.R. The role of common ontology in achieving sharable, reusable knowledge bases [Электронный ресурс]. - Режим доступа :  http://www.cin.ufpe.br/~mtcfa/files/ 10.1.1.35.1743.pdf.
9. Досин  Д.Г., Даревич Р.Р., Шкутяк Н.В. Разробтка онтології матеріалознавства засобами Prot?g?-OWL / Д.Г. Досин, Р.Р. Даревич, Н.В. Шкутяк //Штучний інтелект. - 2008. - №3. - С.70-77.
10. Как создать правильную онтологию [Электронный ресурс].