institute for program structures and data organization universität karlsruhe germany

Institute for Program Structures and Data OrganizationUniversität Karlsruhe

Germany

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Entwicklung eines Suchsystems und einer Ontologie für Lernmaterialien im SCORE-Projekt

Jordi NavasBetreuer: Kaldoun Ateyeh

Entwicklung eines Suchsystems und einer Ontologie für Lernmaterialien im SCORE-Projekt 2/31

Überblick

• SCORE• DIPLOMARBEIT

- Problemstellung und Ziele- Lösungsansatz- Implementierung

• ZUSAMMENFASSUNG• AUSBLICK


SCORE: Motivation

• Die Entwicklung von multimedialen Lernmaterialien ist sehr zeit und kostenintensiv

Wiederverwendung

• Verschiedene Zielgruppen mit verschiedenen Bedürfnissen

Anpassungsfähigkeit

SCORE

Ziele

PROBLEM/LÖSUNG

ZUSAMMENFASSUNG

Lösungsansatzt

AUSBLICK

Knonzepte

Repository

Entwicklung eines Kurses

Motivation

Metadaten


SCORE: Ziele

• Die Erhebung der Qualität und das Reduzieren der Kosten der Entwicklung der Lernmaterialien.

• Die Entwicklung von anpassungsfähigen Lernmaterialien, um die Anforderungen von verschiedenen Autoren, Dozenten und Studenten zu unterstützen.

• Unterstützung der kooperativen Entwicklung und Austausch der Lernmaterialien.

SCORE

PROBLEM/LÖSUNG

ZUSAMMENFASSUNG

Lösungsansatzt

AUSBLICK

Knonzepte

Repository


Motivation

Metadaten

Ziele


SCORE: Lösungsansatz

• Aufteilung der Kursunterlagen in semantisch abgeschlossene Lernmodule

• Trennung Verschiedener Aspekte: Inhalt, Struktur und Präsentation

• Verwendung von standardisierten Metadaten

• Entwicklung und Verwendung von Gruppen- und domainspezifische Ontologien

SCORE

Ziele

PROBLEM/LÖSUNG

ZUSAMMENFASSUNG

AUSBLICK

Knonzepte

Repository


Motivation

Metadaten

Lösungsansatzt


SCORE: Modularisierungskonzept

Views of single authors

Group of authors

Learning Subject

Integration Module

Learning unitLearning unit Learning unit

Structural module Structural module Structural module

Atome

Atome

Atome

Presentational modulePrint view

Presentational modulePrint view

Presentational moduleFace-to-face view

SCORE

Ziele

PROBLEM/LÖSUNG

ZUSAMMENFASSUNG

Lösungsansatzt

AUSBLICK

Repository


Motivation

Metadaten

Knonzepte

Presentational moduleDistance learning view


SCORE: Learning Repository

Module

Atome

Metadaten

Module:

• Integration Module

• Structural Module

• Presentation Module

Atome: Lerninhalt

Metadaten: Beschreibt die verschiedene Aspeke der Lernobjekte

Kurse Kurse: Zusammenstellung von Präsentation Module

TAMINO

Ontologie: Eine Menge von Konzeptdefinitionen und ihre Beziehungen

Ontologie

SCORE

Ziele

PROBLEM/LÖSUNG

ZUSAMMENFASSUNG

Lösungsansatzt

AUSBLICK

Knonzepte


Motivation

Metadaten

Repository


SCORE

Ziele

PROBLEM/LÖSUNG

ZUSAMMENFASSUNG

Lösungsansatzt

AUSBLICK

Knonzepte

Repository


Motivation

Metadaten

Nr Gruppe Name Bemerkung Vielfältigkeit Typ Domäne

1 General Allgemeine Eigenschaften des Lernobjekts1_1 General Identifier Eindeutiger Schlüssel des Zielobjekts einfach String1_2 General Title Titel des Lernobjekts einfach LangString1_4 General Language Sprache des Lernobjekts Liste, max 10 Eintr. String ISO639/ISO31661_5 General Description Inhaltsbeschreibung des Lernobjekts Liste, max 10 Eintr. LangString1_6 General Keyword Keyword-Beschreibung der Ressource Liste, max 10 Eintr. LangString1_9 General Aggregationlevel Funktionelle Größe des Objekts einfach Vocabulary 1=Atom, 2=Modul, 4=Kurs

2 Lifecycle Lebenszyklus der Ressource2_1 Lifecycle Version Versionsnummer des LO einfach LangString2_2 Lifecycle Status Bearbeitungsstatus des LO einfach Vocabulary Draft, Final, Revised, Unavailable2_3 Lifecycle Contribute Person oder Org. die zu LO in Bezug steht Liste, max 30 Eintr.

2_3_1 Lifecycle Role Art der Beteiligung einfach Vocabulary Author, Editor, Graphical Designer, ...2_3_2 Lifecycle Entity Beteiligte Entitäten Liste, max 40 Eintr. String vCard2_3_3 Lifecycle Date Datum der Beteiligung einfach DateType

4 Technical4_1 Technical Format Datentyp der Ressource Liste, max 40 Eintr. String MIME4_2 Technical Size Größe der Ressource einfach Number4_3 Technical Location Zugriffspfad für Ressource Liste, max 10 Eintr. String

5 Educational Bildungsrelevante Eigenschaften5_1 Educational Interactivitytype Art der Interaktivität einfach Vocabulary Active, Expositive, Mixed, Undefined5_2 Educational Learningresourcetype Art der Ressource, dominanteste zuerst Liste, max 10 Eintr. Vocabulary Excercise, Simulation, Diagram, ...5_3 Educational Interactivitylevel Ebene der Interaktivität einfach very low, low, medium, high, very high5_5 Educational Intendedenduserrole Benutzerrolle Liste, max 10 Eintr. Vocabulary Teacher, Author, Learner, Manager5_6 Educational Context Zielgruppe Liste, max 4 Eintr. Vocabulary University First Cycle, ...5_9 Educational Typicallearningtime Zeit zum Bearbeiten der Ressource einfach DateType ISO8601

5_10 Educational Description Beschreibung, wie Ressource genutzt werden solleinfach LangString7 Relation rein strukt. Bez. zu anderen Ressourcen Liste, max 100 Eintr.

7_1 Relation Kind Art der Beziehung einfach Vocabulary IsPartOf, IsBasedOn, Requires, ...7_2 Relation Resource Zielobjekt einfach

7_2_1 Relation Identifier Eindeutiger Schlüssel des Zielobjekts einfach String8 Annotation Kommentare zum Wert der Ressource Liste, max 30 Eintr.

8_1 Annotation Person Person einfach String vCard8_2 Annotation Date Datum einfach DateType8_3 Annotation Description Anmerkung einfach LangString

9 Classification Klassifizierung der Ressource Liste, max 40 Eintr.9_4 Classification Keyword Keyword-Beschreibung der Ressource Liste, max 40 Eintr. LangString

Extensions Moduletype Typ eines Lernmoduls einfach String 0-3(0 = Virtual, 1 = Integration, 2 = Structural, 3 = Presentational)

SCORE: MetadatenAllgemeine MerkmaleAllgemeine Merkmale

Lifecycle des LernobjektenLifecycle des Lernobjekten

Technische AspekteTechnische Aspekte

Pädagogische AspektePädagogische Aspekte

Beziehungen mit anderen Lehr-/Lernmaterialien

Beziehungen mit anderen Lehr-/Lernmaterialien

KommentierungenKommentierungen

Klassifizierung in der Ontologie

Klassifizierung in der Ontologie

Art der ModuleArt der Module


SCORE: Entwicklung eines Kurses

Gespeicherte Module

Suche der

Module

Passende Module

Kurs mit

Metadaten

Definierung der Struktur des Kurses

Aufbau des

Kurses

Search

Metadata Editor

Presentation Generator

Release des

Kurses

Uploader Structuring Tool

Module Builder Ontology Browser Export

SCORE.SearchSCORE.Search SCORE.ModuleBuilder

SCORE.ModuleBuilder SCORE.ExportSCORE.ExportSCORE.CourseBuilderSCORE.CourseBuilder


MOTIVATION DER DIPLOMARBEIT

• Um passende Inhalte in einer Lernmaterialsammlung zu finden, müssen dem Benutzer effektive Zugriffs- und Suchmechanismen zur Verfügung gestellt werden

• Student: Moderne Lerntheorien „Konstruktivismus“ - Exploratives Lernen.

SCORE

PROBLEM/LÖSUNG

ZUSAMMENFASSUNG

Lösungansatzt

AUSBLICK

Suche in Metadaten

Ontologie Browsing

Implementierung

Entwicklung der Ontologie

Motivation


LÖSUNGANSATZT

• Suche über SCORE-Metadaten- Verschiedne Aspekte des Lernobjekts sind

spezifizierbar- Unterscheidung zwischen einfache und

Komplexe Suche

• Ontologien- Domainspezifische Ontologien stellen eine

gemeinsame Basis für die Kooperation und Austausch von Lerninhalten

- Ontologie-Browser

SCORE

Motivation

PROBLEM/LÖSUNG

ZUSAMMENFASSUNG

AUSBLICK

Suche in Metadaten

Ontologie Browsing

Implementierung


Lösungansatzt


LÖSUNGSANSATZ: Globale Aspekte

TaminoTamino

Datenbankzugriff Datenbankzugriff

Suche in MetadatenSuche in Metadaten Ontologie BrowsingOntologie Browsing

MetadatenMetadatenModuleModule AtomeAtome OntologieOntologie

XML ServerXML Server

Ontologie Browsing API

Ontologie Browsing API

KurseKurse

infoAssetinfoAsset

SCORE

Motivation

PROBLEM/LÖSUNG

ZUSAMMENFASSUNG

AUSBLICK

Suche in Metadaten

Ontologie Browsing

Implementierung


Lösungansatzt


SUCHE: Term/Document frequencies

Anfrage:Anfrage:Term Term

Term Term

Term

Term

Term TermTerm

Term

Term

Term

Information retrieval

index

Information retrieval

indexDocument frequencyDocument frequency

Term frequencyTerm frequency

Metadaten

Anzahl von Dokumenten die den

Term beinhalten

Anzahl von Dokumenten die den

Term beinhalten

Anzahl der Vorkommnisse des

Terms in den Metadaten

Anzahl der Vorkommnisse des

Terms in den Metadaten

Terms der Anfrage (Natural language)Terms der Anfrage (Natural language)SCORE

Motivation

PROBLEM/LÖSUNG

ZUSAMMENFASSUNG

Lösungansatzt

AUSBLICK

Ontologie Browsing

Implementierung


Suche in Metadaten


RANKING(1/2): VECTOR SPACE MODEL

AnfrageAnfrage DokumentDokument

• Jeder Term der Anfrage ist eine Dimension

• Die Anfrage ist für das System auch ein Dokument

• Die Dokumentenvektoren mit dem kleinsten Kosinus sind für das System relevanter/wichtiger

D2

D1 Vektordimension: log(tf) x log(idf)tf: term frequencyidf: inverse document frequency (1/df)

Vektordimension: log(tf) x log(idf)tf: term frequencyidf: inverse document frequency (1/df)

COS(Q,D) = (D x Q) / (|D|)(|Q|)COS(Q,D) = (D x Q) / (|D|)(|Q|)

SCORE

Motivation

PROBLEM/LÖSUNG

ZUSAMMENFASSUNG

Lösungansatzt

AUSBLICK

Ontologie Browsing

Implementierung


Suche in Metadaten


RANKING(2/2): Struktur der Metadaten

• Die Metadaten sind strukturierte Dokumenten

• Einige Felder werden „Term Frequency“ höher bewertet

FeldFeld BewertungBewertung• Keywords• Keywords• Title• Title• Description• Description

SCORE

Motivation

PROBLEM/LÖSUNG

ZUSAMMENFASSUNG

Lösungansatzt

AUSBLICK

Ontologie Browsing

Implementierung


Suche in Metadaten


Ontologie Browsing

infoAssetinfoAsset

Ontologie BrowsingOntologie Browsing

PräsentationsebenePräsentationsebene

TaminoTamino

MetadatenMetadaten

OntologieOntologie

Der Benutzer sucht in der Ontologie

Der Benutzer sucht in der Ontologie

infoAsset Event

infoAsset Event

Information Refresh

Information Refresh

DatenbankzugriffDatenbankzugriff

SCORE

Motivation

PROBLEM/LÖSUNG

ZUSAMMENFASSUNG

Lösungansatzt

AUSBLICK

Suche in Metadaten

Implementierung


Ontologie Browsing


Kenntnis-erfassungund

Kodierung

Kenntnis-erfassungund

Kodierung

ONTOLOGY: Entwicklung

“Kick Off”

Phase

“Kick Off”

PhaseAuswertungAuswertung Wartung Wartung

SCORE

Motivation

PROBLEM/LÖSUNG

ZUSAMMENFASSUNG

Lösungansatzt

AUSBLICK

Suche in Metadaten

Ontologie Browsing

Implementierung



ONTOLOGIE: Prozess der Entwicklung

• Das Prozess ist iterativ• Eine Folge von Prototypen

Glossary of

terms

Glossary of

terms

Classification trees


Binary relations diagrams


SCORE

Motivation

PROBLEM/LÖSUNG

ZUSAMMENFASSUNG

Lösungansatzt

AUSBLICK

Suche in Metadaten

Ontologie Browsing

Implementierung



ONTOLOGY: Akquisition der Kenntnisse

• Vorhanden Lernmaterialien

• Verwandte Bücher

• Technische Wörterbücher

SCORE

Motivation

PROBLEM/LÖSUNG

ZUSAMMENFASSUNG

Lösungansatzt

AUSBLICK

Suche in Metadaten

Ontologie Browsing


Implementierung


ONTOLOGIE: Glossary of Terms

• Glossary of Terms:- Unstrukturierte Liste der Konzepten- Kurze Beschreibung

Quellen derKenntnisse

Quellen derKenntnisse

Hash Index bei Wert zugegriffenIndex bei Wert zugegriffen

Platte Zufällige Zugrifft und permanente Speicherung

Zufällige Zugrifft und permanente Speicherung

SCORE

Motivation

PROBLEM/LÖSUNG

ZUSAMMENFASSUNG

Lösungansatzt

AUSBLICK

Suche in Metadaten

Ontologie Browsing

Implementierung



ONTOLOGIE: Classification trees

• Classification trees:- Verbinden von Termen in Form von Klassen

und Unterklassen- Erzielen einer Taxonomie

HashHash

Static hashStatic hash

Dynamic hashDynamic hash

Linear hashLinear hash

Extensible hashExtensible hash


ONTOLOGIE: Beziehungen

• Die “Binary Relations Diagrams” beinhalten die notwendige Beziehungen zwischen Konzepten der Ontologie

• Die Beziehung für die Strukturierung der Konzepte sind nicht in den “Binary Relations Diagrams”. Sie sind in den “Classification trees”

• Ziele der Beziehungen der Ontologie:

- Verbesserung der Semantik der Ontologie- Diversifizierung der Aufgaben, in der die

Ontologie benutzt werden kann

SCORE

Motivation

PROBLEM/LÖSUNG

ZUSAMMENFASSUNG

Lösungansatzt

AUSBLICK

Suche in Metadaten

Ontologie Browsing

Implementierung



ONTOLOGIE:Beziehungen der Ontologie: is_a

• Ermöglicht die Entwicklung der Taxonomien

• Strukturiert die Kenntnisse in Klassen und Unterklassen

Hash

Linear Hash Extensible Hash

Dynamic HashStatic Hash

SCORE

Motivation

PROBLEM/LÖSUNG

ZUSAMMENFASSUNG

Lösungansatzt

AUSBLICK

Suche in Metadaten

Ontologie Browsing

Implementierung



Entwickelte Ontologie

Index structure

Hash

B Tree

Linear hash

Extensible hash

One-dimensional indexMultidimensional index

Hash-likemultidimensional

index

Tree-like multidimensional

index

Tree

B* Tree

Dynamic hashStatic

hash

B+ Tree

SCORE

Motivation

PROBLEM/LÖSUNG

ZUSAMMENFASSUNG

Lösungansatzt

AUSBLICK

Suche in Metadaten

Ontologie Browsing

Implementierung



ONTOLOGIE: Beziungen der Ontologie: is_prerequisite_of

• Diese Beziehung stellt eine Ordnung zwischen Lernmaterialien auf

• Hilfreich bei der Entwicklung von Structural Moduls


• Manche Konzepten basieren auf anderen Konzepte

One-dimensional index

Multi-dimensional index

SCORE

Motivation

PROBLEM/LÖSUNG

ZUSAMMENFASSUNG

Lösungansatzt

AUSBLICK

Suche in Metadaten

Ontologie Browsing

Implementierung



ONTOLOGIE:Beziungen der Ontologie: are_related

• Manche Konzepte tendieren früher oder später zusammen vorgestellt zu werden

• Es ist oft interessant zu wissen, welche Lernmaterialien verwandt sind:- In Kurse werden oft verwandte Lernmaterialien

vorgestellt - Integration Module sind eine Zusammenstellung von

verwandte Lernmaterialien

Buffer Managemen

t

Recovery

SCORE

Motivation

PROBLEM/LÖSUNG

ZUSAMMENFASSUNG

Lösungansatzt

AUSBLICK

Suche in Metadaten

Ontologie Browsing

Implementierung



ONTOLOGY: BINARY RELATION DIAGRAMS

Ziel:- Festlegung aller notwendigen Beziehungen

außer der „is_a“


One-dimensional index

Multi-dimensional index

Is_prerequisite_of

are_related

Buffer Management

Recovery

SCORE

Motivation

PROBLEM/LÖSUNG

ZUSAMMENFASSUNG

Lösungansatzt

AUSBLICK

Suche in Metadaten

Ontologie Browsing

Implementierung



ONTOLOGY:ITERATIVE DEVELOPMENT PROCESS

• Das Prozess ist iterativ• Eine Folge von Prototypen

Glossary of

terms

Glossary of

terms





SCORE

Motivation

PROBLEM/LÖSUNG

ZUSAMMENFASSUNG

Lösungansatzt

AUSBLICK

Suche in Metadaten

Ontologie Browsing


Implementierung

Unstrukturierte Konzepte


Taxonomien: Klasses/Unterklasses

Taxonomien: Klasses/Unterklasses




IMPLEMENTIERUNG

SCORE

Motivation

PROBLEM/LÖSUNG

ZUSAMMENFASSUNG

Lösungansatzt

AUSBLICK

Suche in Metadaten

Ontologie Browsing


Implementierung


In Arbeit: Raffinierung der Suche mit der Ontologie

• Implementierung der Ontologie mit InfoAsset• Raffinierung der Suche• Dokumente, die in der der Ontologie zu einem

Konzept gehören werden in der Anfrage berücksichtigt

AnfrageAnfrage

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SCORE

PROBLEM/LÖSUNG

ZUSAMMENFASSUNG

AUSBLICK


ZUSAMMENFASSUNG

Motivation:Effektive Suchmechanismen sind wichtig für die Wiederverwendung und Austausch von Lerh-/Lerninhalten aber auch für effektives Lernen

Lösungsansatz:- Suche über Metadaten- Ontologien

Implementierung eines Suchdienstes

SCORE

PROBLEM/LÖSUNG

AUSBLICK

ZUSAMMENFASSUNG


AUSBLICK: Ranking Feedback

• Manueller Feedback:- Sind die Benutzer eines Dokumentes damit zufrieden?

• Automatische Feedback:- Welche Lernobjekte werden am meisten verwendet?

• Berücksichtigung des Feedbacks in das globale Ranking

SCORE

PROBLEM/LÖSUNG

ZUSAMMENFASSUNG

AUSBLICK


Vielen Dank!

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Weitere Informationen vom SCORE:http://www.ipd.uni-karlsruhe.de/SCORE

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Documents

austausch der lernmaterialien

multimedialen lernmaterialien

kooperativen entwicklung

motivationdie entwicklung

verschiedene aspeke

verschiedenen autoren

zieledie erhebung

projektjordi navasbetreuer