ELEARNING-ONT: ONTOLOGÍA PARA SERVICIOS DE INTERMEDIACIÓN EN EL DOMINIO DEL E-LEARNING

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1 ELEARNING-ONT: ONTOLOGÍA PARA SERVICIOS DE INTERMEDIACIÓN EN EL DOMINIO DEL E-LEARNING Juan M. Santos, Martín Llamas, Luis Anido, Alberto Freire, César Lojo Departamento de Enxeñería Telemática ETSE Telecomunicación, Universidade de Vigo (España) {Juan.Santos, Martin.Llamas, Luis.Anido, Alberto.Freire, ELEARNING-ONT es una ontología para el ámbito del aprendizaje electrónico, e-learning, que integra los modelos de datos procedentes del proceso de estandarización de las tecnologías educativas con las técnicas de Web Semántica. ELEARNING-ONT facilita el tratamiento automático de la semántica implícita en las especificaciones y estándares de e-learning, al mismo tiempo que posibilita el intercambio de datos y la compartición de servicios entre sistemas heterogéneos. 1. Introducción Durante los últimos años, varias organizaciones e instituciones internacionales (tales como IMS, ADL, AICC, IEEE LTSC, CEN/ISSS/LT o ARIADNE, entre otros) han llevado a cabo grandes esfuerzos para la obtención de estándares y recomendaciones orientadas a solventar los problemas de interoperabilidad existentes en el dominio del e-learning [1]. La adopción de estas propuestas por parte de los desarrolladores de plataformas de aprendizaje electrónico garantizará, en un futuro próximo, el desarrollo de recursos educativos que podrán ser utilizados en una amplia variedad de plataformas compatibles. La mayoría de estos estándares consisten en modelos de datos conceptuales que pueden ser utilizados para describir y representar muchas de las diferentes entidades involucradas en el dominio del e-learning (recursos educativos, estructuras estáticas y dinámicas de cursos, diseños de actividades pedagógicas, características y preferencias de los alumnos, etc.) utilizando formatos de representación comunes. Estas representaciones de las entidades presentes en los sistemas de e-learning pueden ser utilizadas por aplicaciones software, los denominados sistemas de intermediación, para realizar tareas de búsqueda de los recursos educativos más apropiados para un usuario determinado. En este artículo se describe ELEARNING-ONT, una ontología [2], desarrollada en OWL [3], que integra elementos o términos definidos en varios de los distintos modelos de datos estandarizados existentes en el dominio del e-learning en un marco común. Esta ontología, VII Congresso Iberoamericano de Informática Educativa 284

2 desarrollada utilizando las novedosas técnicas de la naciente Web Semántica [4], proporciona un vocabulario común para expresar información relacionada con servicios de intermediación en el campo del e-learning. La ontología incluye, además, términos extraídos de otros vocabularios y taxonomías de uso común definidos fundamentalmente para el dominio del comercio electrónico. Las instancias de las clases y propiedades definidas en ELEARNING- ONT pueden ser utilizadas para formular consultas complejas y recuperar exactamente la información en la que estamos interesados. 2. Metodología empleada en la construcción de la ontología Actualmente, la Web puede verse como una extensa base de conocimiento que almacena documentos destinados principalmente al consumo humano. La naciente Web Semántica [4] es una extensión de la actual Web en la que información procesable por herramientas software puede coexistir y complementar a la información tratable únicamente por un humano, facilitando de este modo la cooperación entre los agentes software y las personas. La Web Semántica proporcionará un entorno donde los agentes software pueden llevar a cabo sofisticadas tareas para los usuarios, haciendo la Web más útil para los humanos. Para llevar a la realidad la Web Semántica son necesarias técnicas y mecanismos que permitan expresar información de un modo tratable por los agentes software. Las ontologías se vislumbran como el mecanismo canónico en la Web Semántica (cf. Figura 1) para representar la semántica de los recursos Web de tal forma que esta semántica pueda ser procesada por aplicaciones inteligentes. Una ontología define los términos utilizados para describir y representar un área de conocimiento (como podría ser el dominio de la medicina, manufacturación de herramientas, reparación de automóviles, gestión financiera, etc.), incluyendo definiciones interpretables por máquinas de los conceptos básicos en el dominio y las relaciones existentes entre los mismos. Aunque durante los últimos años se han propuesto varios lenguajes para la definición de ontologías (ver [5]), en Febrero del 2004 el W3C ha estandarizado OWL [3] como lenguaje para la descripción semántica de recursos en la Web Semántica. De este modo, OWL es el lenguaje utilizado para desarrollar nuestra ontología. VII Congresso Iberoamericano de Informática Educativa 285

3 La creación de una ontología es un proceso y, como tal, está compuesta de una serie de actividades que se realizan en orden, con un determinado fin. El desarrollo de una ontología es un proceso necesariamente iterativo: se realizará un primer esbozo de lo que puede ser la ontología, que posteriormente se irá refinando. Figura 1: Capas de la Web Semántica (cf. [4]) No existe una única metodología para la construcción de ontologías, pero la empleada en este caso se puede estructurar en los siguientes pasos: A. Determinación del propósito y el ámbito de aplicación de la ontología: Es necesario responder a una serie de preguntas: a. Cuál será el ámbito de aplicación de la ontología? b. Para qué utilizaremos la ontología? c. Quién utilizará y mantendrá la ontología? En nuestro caso, la ontología se ha elaborado con el fin de posibilitar la construcción de sistemas de intermediación semánticos que faciliten a sus usuarios la búsqueda y localización automática de cursos on-line adecuados a sus necesidades, preferencias y nivel de conocimiento. B. Consideración sobre la reutilización de ontologías existentes: Es importante considerar aquello que otras personas han hecho e intentar refinarlo y extenderlo para el caso particular que se esté tratando. La reutilización de las ontologías existentes es un requisito inexorable ya que nuestro sistema necesita interactuar con otras aplicaciones (básicamente proveedores de servicios educativos) que ya se han comprometido con VII Congresso Iberoamericano de Informática Educativa 286

4 determinados esquemas y vocabularios, en este caso, los modelos de datos estandarizados en el dominio del e-learning. C. Enumeración de los términos más importantes en la ontología: Resulta muy útil poner por escrito una lista de los conceptos más fundamentales que debieran aparecer en la ontología. En nuestro caso, estos conceptos son los Recursos Educativos, s, Preferencias de, Cursos, Calendarios Escolares, Proveedores de Servicios Educativos y Plataformas de E-learning. Para estos conceptos es necesario establecer las propiedades que permitan caracterizarlos y, por tanto, describirlos. D. Definición de las clases y las jerarquía de éstas: Existen varias posibilidades para el desarrollo de la jerarquía de clases: top-down, bottom-up y una combinación de ambas. En nuestro caso, debido a que ya existen modelos de datos de uso común con los que la ontología debe ser compatible y de la que se extraen la mayoría de las clases y propiedades que conforman ELEARNING-ONT, se ha optado por una técnica que combina ambas metodologías. E. Definición de las propiedades de las clases: Las clases por sí solas no proporcionan suficiente información para responder a las preguntas que se planteaban en el primer paso de la construcción de ontologías. Una vez que se han definido las clases es necesario establecer la estructura interna de los conceptos. F. Definición de las características de las propiedades: Las propiedades pueden tener diferentes características, tales como el rango de valores permitidos o la cardinalidad. Algunas de estas características son altamente dependientes de la aplicación final que va a hacer uso de la ontología. G. Creación de instancias: El último paso consiste en crear instancias de las clases en la jerarquía. La definición de una instancia individual de una clase requiere elegir la clase, crear la instancia de esa clase y rellenar los valores de las propiedades. En nuestro caso, será fundamentalmente el propio sistema de intermediación el encargado de crear estas instancias a partir de un proceso de transformación de los datos VII Congresso Iberoamericano de Informática Educativa 287

5 recogidos de los proveedores de servicios educativos y de los propios usuarios del sistema. 3. Descripción de ELEARNING-ONT La ontología construida, que se describe en este apartado, incluye la definición de los conceptos, y sus relaciones, necesarios para desarrollar servicios de intermediación en el dominio del e-learning. Debido a la gran cantidad de términos identificados, la ontología se organiza en varios espacios de nombres (o sub-ontologías). Existe un espacio de nombres base, donde se definen los conceptos fundamentales tales como Recurso Educativo, Curso o Proveedor de Servicios Educativos, y una serie de sub-ontologías que incluyen las propiedades, con sus vocabularios correspondientes, que pueden ser utilizadas para describir en detalle las instancias de las clases más básicas Ontología de usuarios En esta sub-ontología se incluyen las propiedades y clases relacionadas directamente con la caracterización de los usuarios del sistema de intermediación. Los términos recogidos en este espacio de nombres se han extraído fundamentalmente de los modelos de datos Learning Information Package [6] y Accessibility [7], ambos desarrollados por el consorcio IMS. El primero de estos modelos identifica los elementos necesarios para describir las características de un (potencial) estudiante, mientras que el segundo extiende al anterior con elementos que permiten especificar determinadas preferencias de usuario. Utilizando las clases y propiedades incluidas en esta ontología es posible realizar declaraciones OWL que especifican la siguiente información del usuario: los datos identificativos (propiedad hasidentification), sus objetivos pedagógicos (hasgoal), calificaciones (hasqcl), afiliaciones (hasaffiliation), intereses (isinterestedin), claves de seguridad (hassecuritykey), competencias (hascompetency) y las actividades educativas (realizedactivity) realizadas por el estudiante. La existencia de una ontología sobre usuarios en ELEARNING-ONT posibilita al sistema de intermediación la realización de búsquedas adaptadas a las necesidades y preferencias de los usuarios, obteniéndose de este modo resultados más relevantes para el mismo. VII Congresso Iberoamericano de Informática Educativa 288

6 3.2. Ontología de Cursos y Recursos Educativos La obtención de esquemas de metadatos que permitan describir y caracterizar recursos educativos (y por extensión cursos) ha sido, durante los últimos años, una de las actividades más prolíficas en el proceso de estandarización de las tecnologías de la educación. Actualmente, el modelo Learning Object Metadata (LOM) [8], desarrollado conjuntamente por varias de las instituciones involucradas en este proceso, es ya un estándar oficial del IEEE. Este estándar, y más en concreto su binding RDF, desarrollado por Nilsson et al [9], ha sido utilizado como base para la sub-ontología de ELEARNING-ONT que incluye las clases y propiedades destinadas a caracterizar los cursos académicos. Esta ontología está formada por 10 espacios de nombres que agrupan las clases y propiedades relativas a un determinado aspecto de los cursos: lom-base (que incluye únicamente clases de carácter muy general utilizadas en los demás espacios de nombres), lom-general (con propiedades que permiten especificar el nivel de agregación y el tipo de estructura de los recursos educativos), lom-lifecycle (con propiedades y clases orientadas a la descripción del ciclo de vida del recurso/curso), lom-metametadata (que contiene clases y propiedades para describir el esquema de metadatos utilizado), lom-technical (que hace referencia a los requisitos técnicos necesarios para la existencia del recurso educativo), lom-educational (que es el espacio de nombres más importante y en el que se definen clases y propiedades que describen aspectos pedagógicos de los recursos/cursos), lom-rights (centrado principalmente en los costes y las restricciones de tipo legal existentes sobre el recurso educativo), lomrelation (que consta simplemente de una propiedad, isbasisfor), lom-annotation (que se utilizará principalmente para hacer comentarios sobre los recursos/cursos) y por último lomclassification (cuyo principal objetivo es indicar el sistema de clasificación en el que se puede encuadrar el recurso) Ontología de Proveedores de Servicios Educativos En esta sub-ontología se reúnen los términos que permiten realizar descripciones sobre los proveedores de servicios educativos. Estos son las entidades u organizaciones que imparten los cursos on-line a través de una plataforma de e-learning determinada. Debido a que no existen en el campo del e-learning modelos conceptuales estandarizados en este sentido, se ha recurrido al dominio del comercio electrónico para localizar esquemas de uso común que permitan la descripción de empresas. En nuestro caso nos hemos basado fundamentalmente VII Congresso Iberoamericano de Informática Educativa 289

7 en la Enterprise Ontology [10], desarrollada por el Artificial Intelligence Applications Institute de la Universidad de Edimburgo para definir las clases y propiedades de nuestra subontología. Estas propiedades y clases permiten especificar los datos pertinentes de un proveedor de servicios educativos, como puedan ser el tipo de proveedor que es, sus datos identificativos, la estructura de la organización, los recursos que ofrece o sus objetivos Ontología de Plataformas Educativas Los contenidos de los cursos on-line son ofrecidos a los estudiante a través de plataformas de e-learning. Una plataforma de e-learning es una aplicación Web que aglutina herramientas y servicios propios de Internet en un espacio acotado específicamente configurado y organizado para soportar el aprendizaje de forma conveniente y satisfactoria. Figura 2: Vocabulario para la descripción de herramientas de comunicación Para la elaboración de la sub-ontología que permite caracterizar estas aplicaciones se han utilizado diversas comparativas de las que se han tomado los términos que se han considerado más convenientes. La experiencia de los autores en la construcción de plataformas de e- learning ha sido fundamental a este respecto. Estos términos permiten definir VII Congresso Iberoamericano de Informática Educativa 290

8 fundamentalmente las herramientas disponibles en una plataforma. A modo de ejemplo, en la Figura 2 se representan las clases relacionadas con las herramientas de comunicación Otras ontologías y Taxonomías Además de las sub-ontologías mencionadas, se han utilizado como soporte otros vocabularios y taxonomías de uso común. Entre ellos, se ha empleado un subconjunto del esquema de clasificación del conocimiento Universal Decimal Classification [11] para su utilización como vocabulario de varias de las propiedades definidas en ELEARNING-ONT. También se ha importado la ontología DAML-Time [12] para representar conceptos temporales (los términos definidos en esta ontología permiten definir calendarios de impartición de cursos). Asimismo, se está considerando la posible utilización de ontologías que permitan describir los dispositivos de acceso de los usuarios. 4. Arquitectura de un Sistema de Intermediación Como se ha mencionado a lo largo del artículo, el objetivo fundamental de ELEARNING- ONT es servir como soporte a un sistema de intermediación en el campo de e-learning. La Figura 3 presenta la arquitectura de un sistema de este tipo. Interfaz de Acceso Proveedor Agente Software Interfaz de Interfaz de Interfaz de Interfaz de Proveedor Intefaz de Agente Servicios Consultas Personalizadas Anotaciones Notificaciones Cálculo Relevancia Administración Autenticación FEDERACIÓN Broker B MOTOR BUSQUEDAS MOTOR INFERENCIAS GESTIÓN Base de Conocimiento Ontologías Reglas RECOLECTOR Proveedor de Servicios Educativos Metadatos Recursos Educativos Metadatos Proveedores Metadatos Plataformas Metadatos s Figura 3: Arquitectura de un Sistema de Intermediación para el dominio del e-learning VII Congresso Iberoamericano de Informática Educativa 291

9 El elemento básico del intermediario es la Base de Conocimiento, que incluye toda la información recogida e inferida por el sistema tanto de los proveedores de servicios educativos como de los propios clientes (para una descripción más detallada ver [13]). Esta información consiste en declaraciones OWL que utilizan los términos definidos en ELEARNING-ONT. Sobre esta información es posible realizar búsquedas complejas, utilizando un lenguaje de consultas sobre instancias de ontologías como RDQL [14], para recuperar exactamente la información en la que estamos interesados. 5. Conclusiones La aplicación de técnicas de Web Semántica en el ámbito del e-learning está siendo considerada por múltiples autores como una alternativa para la mejora de determinados servicios (e.g. intermediación y localización de objetos educativos, aprendizaje adaptativo, etc.). La utilización de estas técnicas hace necesaria la definición de ontologías que modelen la realidad subyacente al ámbito de aplicación. La especificación de una ontología es un proceso arduo que supone la implicación todos los actores involucrados y la necesidad de contemplar el modelado de la realidad desde una perspectiva que puede resultar extraña. En este artículo hemos presentado los fundamentos de ELEARNING-ONT, una ontología para el campo del aprendizaje electrónico que recoge los principales elementos involucrados en un proceso de formación on-line: estudiantes, objetos educativos y servicios que una plataforma o proveedor puede ofrecer a los estudiantes cuando acceden a los objetos. Se trata de una propuesta innovadora que recoge, además, los modelos de datos fruto del proceso de estandarización de las tecnologías aplicadas al aprendizaje. De esto modo buscamos que el tratamiento automático de la información sea compatible con la tendencia actual de compartición de datos y servicios entre sistemas heterogéneos. ELEARNING-ONT forma parte del trabajo de tesis doctoral del primero de los autores y será presentada para su consideración al Grupo de Trabajo en Tecnologías Educativas del Comité Europeo de Normalización para ser considerada como punto de referencia. En la actualidad, los trabajos de los autores se centran en el empleo de ELEARNING-ONT en aplicaciones de intermediación, con el objeto de mejorar la relevancia de los resultados y los servicios que se VII Congresso Iberoamericano de Informática Educativa 292

10 ofrecen a aquellos que desean localizar recursos educativos adaptados a unas necesidades concretas. 6. Referencias 1. Rodríguez, J., Caeiro, M. & Santos, J.M. (2003). Estandarización en aprendizaje basado en ordenador. Novática, 165, Chandrasekaran, B., Josephson, J.R., Benjamins, V.R. (1999). What Are Ontologies and Why Do We Need Them. IEEE Intelligent Systems, 14, McGuinness, D.L., & van Harmelen, F. (2004). OWL Web Ontology Language Overview. W3C Recommendation, 10 February Berners-Lee, T., Hendler, J. & Lassila, O. (2001). The Semantic Web. Scientific American, May Issue 5. Gómez-Pérez, A. & Corcho, O. (2002). Ontology Languages for the Semantic Web. IEEE Intelligent Systems, 17 (1), Smythe, C., Tansey, F., & Robson, R. (2001). IMS Learner Information Package Information Model Specification. IMS Technical Report 7. Norton, M. & Treviranus, J. (2003). IMS Learner Information Package Accessibility for LIP Information Model. IMS Technical Report 8. Hodgins, W., & Duval, E. (2002). Learning Object Metadata Standard. IEEE Nilsson, M., Palmér, & M., Brase, J. (2003). The LOM RDF binding: principles and implementation. Proc. of the 3rd Annual Ariadne Conference, Leuven, Belgium, November 10. Uschold, M., King, M., Moralee, S., & Zorgios, Y. (1998). The Enterprise Ontology. The Knowledge Engineering Review, Vol. 13, Special Issue on Putting Ontologies to Use 11. Mcilwaine, I.C. (2000). The Universal Decimal Classification: guide to its use. UDC Publication, no P Hobbs, J. (2004). A DAML Ontology of Time. DAML Technical Report 13. Santos, J.M., Anido, L., & Llamas, M. (2004). Hacia un Sistema de Intermediación Semántico en el Campo del E-learning. 6º Simposio Internacional de Informática Educativa. Asociación para el Desarrollo de la Informática Educativa, Cáceres, España 14. Seaborne, A. (2004). RDQL - A Query Language for RDF. W3C Member Submission, 9 January VII Congresso Iberoamericano de Informática Educativa 293

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