孔艺权

（湛江师范学院 教育技术研究所，广东 湛江 524048）

根据教育部《教育信息化十年发展规划（2011—2020）》［1］，高等教育信息化的主要任务是：“进一步加强基础设施和信息资源建设。重点推进信息技术与高等教育的深度融合，促进教育内容，教学手段和方法现代化，促进高等教育质量全面提高［2］。”

为了推进信息技术与实验教学的深度融合，3G移动模式下［3］远程实验教学平台底层数据是各种常规、传统和创新实验的资源，可利用当前知识工程、虚拟仿真技术、云计算和移动学习等技术［4］建立多维度立体化的高效的教学空间。远程实验教学平台在传统实验室的基础上，利用先进的网络通信技术、计算机技术、多媒体技术等相关的信息加工处理传播技术，将现实实验室中丰富的实验资源数字化，通过计算机构建实验教学管理的综合性、开放型的实验教学环境，使得实验教学在时间、空间、内容及方式等方面得到多维化延伸和融合。

3G移动模式下远程实验教学平台利用了3G移动网络、知识工程、云计算和移动学习等技术，具有时空自由、资源共享、平台开放、便于协作等优点，进一步扩展了基于B／S传统实验网站系统。3G移动模式下远程实验教学平台项目提供了概念模型和规则建构的指导方法，对实验教学领域切实开展知识管理和数字化实验有促进意义，进一步满足了实验教学信息化的需要。

1 3G移动模式下远程实验教学平台开发原理

目前的网络实验教学实际上还在沿用传统的、被动式或灌输式的教学模式，缺乏主动性及智能化。为了解决实验平台网络教学中的存在人机之间缺乏交互性、计算机不能智能化解决学生主观情况的等问题，3G移动模式下远程实验教学平台提供了语义查询［5］、人机交互、意义建构、知识的获取和共享、协作学习等技术支持，发挥了知识工程、云计算和互动学习等技术优势。

3G移动模式下远程实验教学平台利用知识处理系统和专家系统，在数字化实验领域中发挥了重要作用，为智能实验模式的实现提供技术支撑。实验平台包含知识库系统和知识处理功能模块，学生在资源库中能获得大量的实验知识；数字通信系统协助学生同他人或小组之间进行实验信息交流，共享实验相关信息；知识工程中的智能专家系统为学生提供了实验解决问题的不同思路和具体方法，培养学生的科学实验思维能力和解决问题的能力。同时，3G移动模式下远程实验教学平台建立存有不同学科实验数据的海量数据库，有利于学生对实验知识的检索、提取和应用，提供了海量资源共享。

3G移动模式下远程实验教学平台利用知识工程进行的多模式实验知识处理、知识传输与知识可视化、可动画及可操作性的研究及应用，结合3D技术建立了可对过程进行操作和干预的虚拟实验环境［6］。实验者置身于3D仿真实验空间里，同时创建游戏式实验更容易激发学生对实验的兴趣，激活其创新潜能，对创新意识起到强烈的激发作用，为实验创新提供动力。平台包含交互式实验，实现教学互动，通过最新知识——云计算可以进行知识交换，使不同实验、交叉学科相互渗透，相互融合，相互补充，从而产生出具有多样化和创新性的知识，实现知识共享，为提高学生实验技术和促进创新活动提供便捷平台。

2 3G移动模式下远程实验教学平台设计

3G移动模式下远程实验教学平台通过云计算客户端为用户提供Web访问界面，具备自适应个性化学习、智能虚拟实验、引领式实验教学等特色，实现了网络教学环境下的智能推理平台，提供了多学科知识实验平台。3G移动模式下远程实验教学平台的功能包括3G网络支撑、移动实验学习、3D虚拟实验、实验体会游戏、网真实验交流、海量资源共享、互动实验设计、云计算服务体和知识专家系统［7］等，全方位满足语义Web下的云计算支持的协作学习和移动实验功能。

根据需求分析以及数字化实验学习项目的一些规定要求，3G移动模式下远程实验教学平台设计包括前台和后台两大模块，前台供实验者采用普通PC机、智能手机和IPad等移动学习工具浏览使用平台资源；后台则是由系统管理员对平台进行实验资源更新维护。平台开发采用了开源EGL程序语言开发工具、开源MySQL数据库和OWL本体等技术及云计算开源软件，3G移动模式下远程实验教学平台功能模块如图1所示。

图1 3G移动模式下远程实验教学平台功能模块

3G移动模式下远程实验教学平台的个性化和自适应学习支持平台为课程实验知识和教学设计提供了知识可操作界面。通过目前海量实验知识提供不同实验领域的知识及其关系图，构建课程实验领域知识本体。实验教学设计者与课程设计者一起，共同设计完成实验学习目标及各种实验的途径与任务，创建实验OWL本体［8］，并据此进行实验教学的设计与封装。结合云计算开源软件和SaaS的优点，在技术上解决了大规模并行计算、数据分布存储、数据实时备份、应用高度集成，以及安全可靠和个性化应用等问题，构建了实验教学管理的综合性的、开放型的实验教学环境。平台通过本体标注，形成了实验学习对象本体库，通过实验目的、实验个性化和实验风格［9］，不同的知识准备情况进行实验者分类，生成实验模型数据库。3G移动模式下远程实验教学平台编辑适应性实验学习策略，生成实验策略库，构建前台测试数据以及相关实验规则数据，从而解决了语义查询、人机交互、意义建构、知识的获取和共享、协作学习等问题。

3 3G移动模式下远程实验教学平台主要技术

3.1 知识组织结构图及核心概念集的构建

3G移动模式下远程实验教学平台为实现OWL本体创建，首先构建实验课程的知识组织结构图和核心概念集，将实验课程内容的概念、属性及概念间的关系定义好之后，利用知识工程开源软件Protégé的OWLviz插件功能实现知识本体结构的结构图预览。实验中以“计算机网络”实验课程为例，进行了实验知识本体概念的层次结构定义。

建构实验知识本体概念，其中以OWL：Thing为知识本体的顶级类，实验知识本体从属于它。实验中建立计算机网络课程实验教学分支平台10个本体类［10］，分别是：概述类、计算机网络协议与体系结构类、物理层类、点对点信道的数据链路层类、局域网类、广域网类、网络互连类、运输层类、应用层类和计算机网络安全类。由于本体类之间安排有些分散，因此，按照其各类内容及其相互关系进行整理合并，作为课程内容的根节点，采用自顶向下的方法分解课程内容，并构建核心概念集。平台实验课程本体及概念集的构建如图2所示。

图2 平台实验课程本体及概念集的构建

3.2 3G移动模式下远程实验教学平台本体描述

3G移动模式下远程实验教学平台中进行了本体描述，其中学生本体组织结构如图3所示，计算机网络的协议与体系结构本体结构如图4所示，定义课程实验知识命名空间［11－12］，并采用OWL表达，实验知识本体的标准的初始模块是包含在ulf：RDF标签中的系列命名空间（Namespace）的声明中。声明用以准确解释实验知识文档中的标志符，使得实验知识本体具有可读性。在3G移动模式下远程实验教学平台的实验知识本体库文件（：esstudy.owl）中，定义了一个命名空间前缀：“pub：”，其余命名空间均使用缺省的命名空间。

图3 学生本体组织结构图

图4 计算机网络协议与体系结构本体结构

在平台中采用缺省的声明方式，rdf：about属性为实验知识本体提供一个名称或引用。根据标准，当rdf：about属性的值为空时，实验知识本体的名称是owl：本体元素的基准u，在使用了xmLbase的上下文中则是一个特殊情况，这时owl：Oniology元素的基准URI也许会被xml：base设为其他URI。

3.3 3G移动模式下远程实验教学平台知识推理实验模块

3G移动模式下远程实验教学平台使用pellet作为平台的推理引擎，pellet是一个开源的、基于Java的OWL推理机，平台结合protege和pellet进行推理，知识推理实验模块中能进行前向推理，支持正向和逆向推理，核心部分由实验规则库、实验事实库、实验推理机三部分组成，并采用产生式规则作为基本的实验知识表达模式。

实验平台允许将一些推理引擎或推理机引入到pellet中，从而获得本体数据中隐含的信息。推理机制支持RDFS和OWL等支持推理的语言，可以执行从实例（instance）到类（class）的推理知识推理，对实验知识模型的查询不仅返回原始数据中包含的陈述（statements），而且有一些通过推理机制从原始数据得到的附加信息。实验平台Rule规则主要由SWRL实现，由Atom和Imp组成。Atom主要是条件判断的限制式的定义，规则的制定主要是通过Imp来定义的。例如根据面向知识工程的数字化实验平台本体中对学生的实验情况的记录，对学生的实验学习内容作出推理。在面向知识工程的数字化实验平台中，例如计算机网络实验课程内容共5个部分，每一部分下面分若干个实验点，某些实验点下面又具有子实验点、二级实验点，或涉及到相关的实验点。所以根据实验知识本体中对学生的学习情况的记录，可以对学生的实验学习内容作出推理，定义的Imp如表1所示。

平台建立了可高度共享和重用的实验知识本体，采用了实验概念之间的继承，实现了实验实例多种约束关系表达统一标志。平台主要实现技术是基于实验知识本体概念相似性和相关性搜索流程和算法，并对相似度和相关度进行量化表示。平台通过实验知识本体的推理可以实现知识工程本体的智能性，其主要原理是根据不同语法和规则的定义。推理机帮助学生自定位实验学习知识点，结合当前实验学习状况推理出后续实验学习知识点，帮助学生开展适应性实验学习，也能充分凸显出智能化实验的优势。平台主要是通过义原的概念进行相似度计算。每个本体概念都有自己对应的属性，这些属性可以唯一确定概念，为概念间的映射提供有效的参考。基于实例的概念相似度计算是通过对概念相应的实例集进行相似性评价，进而得出概念之间的相似性。本体中概念的实例从很大程度上反映了概念之间的语义关系，若2个概念具有相同或者相似的实例集，则这2个概念之间一定存在丰富的语义关系，其中这个实例集中的实例越多，则2个概念越相似。假设2个义原在这个层次体系中的路径距离为d，那么这2个义原之间的语义距离如公式（1）所示。其中P1和P2表示2个义原（Primitive），d是P1和P2在义原层次体系中的相同路径长度，是一个正整数及可调节的参数。2个实词概念语义表达式的整体相似度记为公式（2）：

在开发实验知识本体之后，将本体的数据用开源数据库Mysql进行数据存储，然后通过数据库来访问本体数据，进一步实现了3G移动模式下远程实验教学平台资源共享、重用及推理功能，mysql数据库中本体存储如图5所示。实验过程中创建数据库模型或者打开先前创建的模型可通过以下4个步骤完成：加载数据库JDBC驱动、创建数据库连接、为数据库创建一个ModelMaker，最后为本体创建一个模型。

图5 mysql数据库中本体存储

4 系统运行效果及分析

3G移动通信系统是物联网的四大支撑网络之一，物联网的实现提供了无线长距离的高速信息传输通道［13］。3G移动模式下远程实验教学平台充分利用物联网技术，其中网络安全虚拟实验系统运行效果如图6所示，学生可个性化开展不同虚拟实验。系统采用了虚拟机技术仿真网络安全实验中用到的路由器、交换机和防火墙等器材和设备，提供与真实实验相似的实验环境。实验平台可以利用鼠标的点击、拖动，将微机上虚拟的网络设备，按实验要求、过程组装成一个完整的实验系统，同时在系统上完成整个网络实验，包括网络设备的添加、实验条件的改变、网络底层数据采集以及实验结果的模拟、分析。实验教学辅助系统运行结果如图7所示，提供了全方位的实验教学辅助功能，可以进行自主实验学习、实验教学安排、实验过程的指导、实验结果的批改等功能，为实验教学提供环境服务并开展了应用，可满足实验辅助教学环节的需要。

图6 3G移动模式下远程实验平台虚拟实验系统

图7 3G移动模式下远程实验平台实验教学辅助系统

5 结束语

3G移动模式下远程实验教学平台的着眼点在于解决当前传统实验教学应用中所出现的大量问题，致力于通过网络实现实验资源共享和应用协作，将知识工程、虚拟仿真技术、云计算和移动学习等技术应用于实验教学，构造了实验教学本体知识库，实现了网络实验教学环境下的个性化学习，并建立了知识工程下的计算机支持的协作学习［13］。

利用3G移动模式下远程实验教学平台可开展远程互动实验教学、观摩，进行远程实验、实验指导，构建网真实验课堂；可以打破时间空间的限制，支持教师、学生在移动环境内自主、合作、探究式地开展教学，实现教师、学生、教学环境设备之间的自由连接，互动涵盖教育全领域的数字化学习服务。平台以现代教育理念为指导、以现代信息技术为支撑实现“泛在教育”，具有时空自由、资源共享、平台开放、便于协作等优点，满足了教育信息化工程的需要。移动学习通过与移动计算技术有效结合带给学生随时随地学习的全新学习方式［14］，被认为是一种未来的学习模式，移动网络教学系统为学生和教师提供了一个更为方便、快捷的途径，是网络教学系统的很好的补充和完善。

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［1］中华人民共和国教育部.教育部关于印发《教育信息化十年发展规划（2011—2020年）》的通知［EB／OL］.http：／／www.moe.gov.cn／publicfiles／business／htmlfiles／moe／s3342／201203／133322.html.

［2］陈天云，张剑平.智能教学系统的研究现状及其在中围的发展［J］.中国电化教育，2007（2）：95－99.

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