Interoperabilidade em Ambientes Educacionais Virtuais Modelados por Ontologias. Ontologies-driven Educational Virtual Environments

Transcrição

1 1 Interoperabilidade em Ambientes Educacionais Virtuais Modelados por Ontologias Ontologies-driven Educational Virtual Environments Verlani Timm Hinz 1 Universidade Católica de Pelotas, Rio Grande do Sul - Brasil Luiz Antônio Moro Palazzo 2 Universidade Católica de Pelotas, Rio Grande do Sul - Brasil Resumo Este artigo tem por objetivo demonstrar como vários colaboradores podem trocar informações através de um ambiente educacional virtual, transferindo dados para este ambiente, assim como se beneficiando das informações contidas neste ambiente. A fim de tratar a questão da conciliação de vocabulários, foi criada uma ontologia para o ambiente baseada nos termos do Dublin Core e uma ontologia para os colaboradores baseada no formato do FOAF. A partir disso foi aplicado o mecanismo de integração entre as ontologias, unindo-se as duas ontologias e, posteriormente, identificando-se as informações a serem compartilhadas e reutilizadas. Palavras-chave: Ambientes Virtuais, Ontologias, Interoperabilidade. Abstract This paper aims to show how several agents can exchange information through an virtual teaching environment, transferring data to the environment, and is benefiting from the information contained in this environment. In order to address the issue of reconciliation of vocabularies, two ontology schemes were created: the first using Dublin Core for the environment and the other for people, with terms based on the FOAF. Then the mechanism of integration between the ontologies was applied, uniting the two ontologies and after for the identification of resources that could be shared and reused. Key words:virtual Environment, Ontologies, Interoperability. 1 vertimm@ucpel.tche.br 2 lpalazzo@ucpel.tche.br

2 2 1. INTRODUÇÃO É notável que o avanço tecnológico possibilitou uma nova realidade educacional: o ensino mediado por computador. A inserção do computador na educação provoca uma mudança de comportamento dos participantes do processo ensino - aprendizagem. Um de seus efeitos é o aumento crescente da quantidade de informação disponível e acessível aos alunos e professores. Paralelamente, surge a possibilidade de contato remoto entre os participantes do processo através da comunicação pela Internet. Diante disso, o uso de ontologias tem um papel importante, pois permitem a organização do conteúdo e compartilhamento de conhecimento, sendo que as mesmas têm como objetivo promover um entendimento comum e compartilhado sobre um domínio, que pode ser comunicado entre pessoas e sistemas de aplicação. [1] Uma ontologia define um vocabulário específico usado para descrever certa realidade, mais um conjunto de decisões explícitas fixando de forma rigorosa o significado pretendido para o vocabulário. Uma ontologia envolve, então, um vocabulário de representação que captura os conceitos e relações em algum domínio e um conjunto de axiomas, que restringem a sua interpretação. [3] O estabelecimento de padrões para definição dos vocabulários são essências ao intercâmbio de informações. O Dublin Core e o FOAF são padrões de metadados muito utilizados atualmente, são considerados padrões de consenso internacional e que incluem os aspectos de precisão, fidelidade, critérios de seleção, generalizações, consistência dos dados, definições utilizadas e metadados sobre as fontes de dados. Deste cenário decorre a principal motivação para este trabalho, o qual pretende demonstrar como vários colaboradores (agentes) podem trocar informações através de um ambiente educacional com o objetivo de transferir dados, contidos em sua ontologia, para este ambiente, assim como, beneficiar-se das informações contidas na ontologia do ambiente. Para isso foram criadas ontologias para os colaboradores baseados nos termos do FOAF e para o ambiente baseados nos termos do Dublin Core. 2. COINCILIAÇÃO DE VOCABULÁRIO A fim de estabelecer um padrão para definição de vocabulários no intercâmbio de informações, neste trabalho foram utilizados os padrões Dublin Core e o FOAF por serem considerados padrões de metadados muito utilizados atualmente, de consenso internacional, estudados pela W3C (W3C, 2008) e que incluem os aspectos de precisão, fidelidade, critérios de seleção, generalizações, consistência dos dados, definições utilizadas e metadados sobre as fontes de dados. 2.1 Dublin Core O DC [5] é um padrão da organização DCMI (Dublin Core Metadata Initiative) para representação de metadados que especializados em representar informações dos dados (dados sobre dados), possui um formato simples e muito útil para identificar o conteúdo dos documentos eletrônicos, tornandoos mais fáceis de serem pesquisados pelos mecanismos de buscas, a fim de recuperar as informações solicitadas.

3 É um padrão de metadados, composto por 15 elementos, planejado para facilitar a descrição de recursos eletrônicos. Conforme [13][13], destacam que as principais características deste padrão são a simplicidade na descrição dos recursos, o entendimento semântico universal (dos elementos), o escopo internacional e a extensibilidade (o que permite adaptações às necessidades adicionais de descrição). O DC pode ser inserido em uma página HTML (Hypertext Markup Language) e utiliza a linguagem XML (extensible Markup Language). Adota a sintaxe do RDF (Resource Description Framework), possui um conjunto de 15 elementos básicos, apresentados na tabela 1, que podem ser implementados livremente para atender as necessidades de cada colaborador [5], e, ainda é um formato padrão adotado para efetuar a interoperabilidade entre outros formatos. 3 Elementos Tabela 1: Elementos do Dublin Core. Fonte: adaptado de Dublin Core (2009) Descrição 1. Título Título será o nome pelo qual o recurso é formalmente conhecido. 2. Criador Criador inclui uma pessoa, uma organização, ou um serviço. Tipicamente, o nome de um Creator deve ser usado para indicar uma entidade responsável pela existência do recurso. 3. Assunto Assunto deverá ser expresso por palavras chave, frases, ou códigos de classificação que descrevem o conteúdo do recurso. 4. Descrição Descrições podem incluir, sem estarem limitadas a um conteúdo do recurso: um resumo, um índice, uma referência a uma representação gráfica do conteúdo, ou uma descrição textual. 5. Publicador Editor pode ser uma pessoa, uma organização ou um serviço. Tipicamente, o nome de um Editor deve ser usado para indicar a entidade. 6. Contribuidor Contribuinte inclui uma pessoa, organização ou serviço. Tipicamente, o nome de um outro Contribuinte deve ser usado para indicar a entidade. 7. Data Uma Data deve ser associada à criação ou disponibilidade do recurso. Como boa prática recomenda-se o formato AAAA-MM-DD. 8. Tipo Tipos incluem termos descrevendo categorias genéricas, funções, gêneros, ou níveis de agregação para o conteúdo. Ex: vocabulários. 9. Formato Formato deve incluir o tipo de meio do recurso, ou as suas dimensões. Este elemento deve ser usado para determinar as aplicações informáticas ou qualquer tipo de equipamento necessário para reproduzir ou operar com o recurso. 10. Identificador Identificação do recurso por meio de uma cadeia de caracteres ou por um número de acordo com um sistema de identificação formal. 11. Origem O presente recurso pode ter derivado do recurso Fonte na sua totalidade ou apenas em parte. Como boa prática recomenda-se a referência ao recurso fonte através de um identificador em conformidade com um sistema de identificação formal. 12. Linguagem A língua do conteúdo intelectual do recurso. Por exemplo, 'en' para Inglês, 'fr' Francês, ou 'en-uk' para o Inglês do Reino Unido. 13. Relação Uma referência a um recurso relacionado. 14. Abrangência Cobertura inclui tipicamente uma localização espacial (o nome de um lugar ou coordenadas geográficas), um período no tempo (a sua designação, data, ou intervalo de tempo), ou jurisdição (o nome de uma entidade administrativa). 15. Direitos Direitos sobre o recurso, ou uma referência a um serviço que fornecerá essa informação.

4 4 2.2 FOAF (Friend Of A Friend) O projeto do FOAF tem por objetivo descrever as pessoas, as relações entre eles e as coisas que elas criam e fazem. Os termos do FOAF [6] são agrupados em várias categorias, dentre elas: FOAF Basics, Personal Info, Online Accounts / IM, Projects and Groups, Documents and Images. O FOAF Basics se subdivide: Agent, Person, name, nick, title, homepage, mbox, mbox_sha1sum, img, depiction (depicts), surname, family_name, givenname, firstname A classe Person representa pessoas e é uma subclasse de Agent, sendo que todas as pessoas são consideradas colaboradores em FOAF. A tabela 2 contém as classes que estão relacionadas a classe Person, definidas em FOAF. Tabela 2: Termos do FOAF. Fonte: adaptado de FOAF (2009) Geekcode Nome Sobrenome Nome_completo Histórico Imagem Características Homepage_comercial Info_homepage_comercial Homepage_escolar Conhecimento Interesses Tópicos de interesse Publicações Projetos_recentes Projetos_anteriores Um geekcode textual para essa pessoa, ver O primeiro nome de uma pessoa. Sobrenome de uma pessoa. Nome completo de uma pessoa. Um plano de arquivo pode conter qualquer coisa. Os usos típicos dele incluiu breves comentários, pensamentos ou observações sobre o que uma pessoa tinha sido feito ultimamente Uma imagem que pode ser usada para representar alguma coisa como uma foto, homepage, etc. Abordagem à personalidade taxonômica. A homepage do local de trabalho de uma pessoa (página principal) Uma homepage contendo informações do local de trabalho de uma pessoa. A página principal de uma instituição de aprendizagem atendida por uma pessoa. Uma pessoa conhecida desta pessoa, (indicando algum nível de reciprocidade interação entre as partes). Uma página sobre tópicos de interesses de uma pessoa. Representa um interesse de uma pessoa, cujo tópico que caracteriza interesse geral. O link de publicações de uma pessoa O projeto atual que esta pessoa trabalha. Algum projeto que esta pessoa já trabalhou. 3. A Interoperabilidade no Ambiente Virtual Proposto O ambiente educacional virtual proposto neste trabalho pressupõe que o mesmo será utilizado através da Web. Ao acessar o seu ambiente, a partir da Web, o colaborador é atendido por um

5 5 agente inteligente, contendo em sua ontologia dados personalizados de acordo com o seu perfil, da mesma forma o ambiente contém seus dados definidos em uma ontologia. Para que essas ontologias possam trabalhar em conjunto, trocando automaticamente suas informações, são necessários mecanismos que garantam a sua interoperabilidade. Dentre os mecanismos, que podem ser usados para propiciar a compatibilidade de ontologias, destacam-se: combinação [9], integração [11], alinhamento [9] e mapeamento [9] de ontologias. Neste trabalho foi realizada uma integração de ontologias, pois neste mecanismo, tem-se como resultado a versão das ontologias originais combinadas em uma ontologia única com todos seus termos juntos. Além disso, foram utilizados os operadores relacionais de união, intersecção, diferença e relacionado-com [8]. Onde: - a união consiste em juntar os conjuntos de conceitos e relacionamentos das duas ontologias; - na intersecção a ontologia resultante é concebida da união dos conjuntos de conceitos e da intersecção dos conjuntos de relacionamentos; - a diferença é o resultado da união dos conjuntos de conceitos e da diferença dos conjuntos de relacionamentos; - no relacionado-com são destacados os conjuntos de relacionamentos das ontologias transformados em conjuntos de duplas através da remoção do 3º componente (o relacionamento). A figura 3.1 ilustra um exemplo utilizando-se o mecanismo de integração de ontologias, aplicandose os operadores relacionais, onde os colaboradores trocam informações com outros colaboradores através do ambiente, que serve de suporte para esta interação.

6 6 Ambiente DC: Assunto: Web Semântica, Ontologias, Ambientes Virtuais,... Foaf: Interesses: Ontologias, BD,... Colaborador A Colaborador B Colaborador N... Colaborador C Figura 3.1: Exemplo de utilização dos mecanismos de interoperabilidade em um ambiente de educacional. Neste exemplo, no momento que um colaborador entra neste ambiente pervasivo, os dados da sua ontologia são unidos com os dados da ontologia do contexto, tornando-as disponíveis para que outro colaborador possa acessá-los. A figura 3.2, visualiza a união das ontologias do ambiente (O1), representadas na cor azul marinho e dos colaboradores (O2, O3, O4, O5), representadas nas outras cores (laranja, amarelo, azul turquesa, roxo). O2, O3, O4, O5,... - Colaboradores Figura 3.2: Exemplo de união e intersecção das ontologias O1 e O2. A partir disso, todos os nodos que possuem informações comuns às duas ontologias, no caso informações com dados sinônimos, serão integrados em um único nodo, no exemplo da figura 3.2, representado pelo nodo X. Por exemplo:

7 O ambiente possui em sua ontologia a classe Assunto, onde serão cadastrados todos os assuntos abordados em um minicurso como Web Semântica, Ontologias, etc. O colaborador possui em sua ontologia a classe Tópicos de Interesse, como Ontologias, Banco de Dados, etc. Unindo-se estas duas ontologias, teremos, então, uma intersecção entre esses termos, que mesmo tendo rótulos diferentes, o conteúdo possui a mesma finalidade, mostrar as áreas de interesse de uma pessoa ou ambiente. Essa identificação dos termos sinônimos é possível através da conciliação de vocabulários, demonstrados na figura Assunto Assunto deverá ser expresso por palavras chave, frases, ou códigos de classificação que descrevem o conteúdo do recurso. 13. Tópicos de interesse Representa um interesse de uma pessoa, cujo tópico que caracteriza interesse geral. Figura 3.3: Exemplo de conciliação de vocabulários utilizados na intersecção. Serão analisadas, também, as informações que constam na ontologia do ambiente e não estão necessariamente na ontologia do colaborador, gerando uma diferença entre elas, conforme figura 3.4. C C - Colaborador Figura 3.4: Exemplo de união e intersecção das ontologias O1 e O2. A figura 3.4 demonstra um exemplo onde os nodos A1, A2 e A3 não estão na área de intersecção, mas estão conectados com os nodos P1, P2 e A4 das ontologias do colaborador e do ambiente que possuem conexão com estes.

8 8 Além disto, observa-se a relação que existe entre os nodos das ontologias, pois nodos que estejam ligados através de outros nodos podem contribuir para gerar novos conhecimentos. Por exemplo, o nodo X possui relação com o nodo Y, que possui relação com o nodo Z, desta forma podemos dizer que as informações constantes no nodo X podem ser interessantes para o nodo Z, por possuírem uma interligação indireta. Da mesma forma, podemos dizer que a ligação existente entre o nodo Z e W, pode ser interessante, pois ambos pertencem a ontologias diferentes e através da sua relação podem contribuir para gerar novas informações. A partir da definição dos operadores relacionais, podem ser utilizados algoritmos que permitem a interoperabilidade entre ontologias, onde a entrada é uma lista de ontologias em OWL e a saída uma ontologia resultante, também em OWL. Neste caso, todos os operandos são ontologias e a ontologia resultante poderá ser a união, intersecção ou diferença de todas as ontologias presentes na lista de ontologias de entrada. 3.1 Modelagem das Ontologias do Ambiente e dos Colaboradores A fase final no desenvolvimento de uma ontologia é realizada por meio de uma representação específica que permite o processamento e a abrangência do conhecimento pela máquina. Isso é possível através de uma linguagem específica para a criação de ontologias e de uma ferramenta que permita sistematizar e integrar as especificações definidas à linguagem utilizada. No desenvolvimento das ontologias do ambiente e dos colaboradores, foi utilizada a linguagem OWL e na implementação utilizou-se o editor Protegé. O Protegé [12]Erro! Fonte de referência não encontrada. possui uma interface de fácil utilização para a criação de instâncias e uma quantidade considerável de plugins que aumentam o número de funcionalidades do Protegé. Para a modelagem da ontologia do ambiente foi possível identificar as correspondências existentes entre os elementos do Dublin Core e os dados de um ambiente de educacional, apresentados de na tabela 3.

9 9 Tabela 3: Correspondência entre os termos do Dublin Core e os dados de ambiente de educacional. Elementos Dublin Core Dados de um ambiente de aprendizagem 1. Título Minicurso de Introdução à Web Semântica 2. Criador Grupo de Web Semântica da Universidade da Maria 3. Assunto 4. Descrição Web Semântica O objetivo deste minicurso é oferecer aos participantes uma ampla visão, ao mesmo tempo prática e objetiva, dos principais modelos, mecanismos e ferramentas para o projeto e desenvolvimento de aplicações para a Web Semântica. 5. Publicador Editora da Universidade 6. Contribuidor Programa de Pós-Graduação da Universidade da Maria 7. Data 8. Tipo Minicurso 9. Formato 10. Identificador IWS 11. Origem RS, Brasil 12. Linguagem Português Início: 2009/03/25 Término: 2009/05/28 Para realização do minicurso o participante necessitará de um computador com acesso à internet, além de um conhecimento prévio de informática e web. 13. Relação Abrangência Local 15. Direitos Não há direitos autorais registrados A figura 4.1, mostra a modelagem da ontologia do ambiente feita no ambiente do Protegé, utilizando os elementos do Dublin Core. Figura 4.1: Ontologia do ambiente, utilizando termos do DC modelada no Protegé.

10 10 O quadro 4.1 apresenta a geração de um trecho de código OWL da ontologia do ambiente, onde foram utilizados os 15 elementos do Dublin Core. Quadro 4.1: Código OWL gerado da ontologia do ambiente, utilizando termos do DC. <Termos_Dublin_Core rdf:id="termos_dc"> <dc:creator rdf:datatype=" da Maria</dc:creator> <dc:format rdf:datatype=" Para realização do minicurso o participante necessitará de um computador com acesso à internet, além de um conhecimento prévio de informática e web.</dc:format> <dc:coverage rdf:datatype=" <dc:type rdf:datatype=" <dc:relation rdf:datatype=" <dc:subject rdf:datatype=" Semântica</dc:subject> E para a modelagem da ontologia dos colaboradores foi possível identificar as correspondências existentes entre os elementos do FOAF e de um aluno, apresentados de na tabela 4. Tabela 4: Exemplo utilizando os termos do FOAF. Elementos do FOAF Geekcode Nome Sobrenome Nome_completo Histórico Imagem Dados de um colaborador Um geekcode textual para essa pessoa, ver Maria Silva Maria da Silva Integrante do Grupo de Pesquisa em Web Semântica da Universidade da Maria. Características Homepage_comercial Info_homepage_comercial Homepage_escolar Conhecimento Professor João da Silva Duarte Interesses Tópicos de interesse Ontologias, Web Semântica, Banco de Dados,... Publicações Projetos_recentes Criação de Ontologias Educacionais. Projetos_anteriores Estudo sobre os tipos de Ontologias Educacionais.

11 A figura 4.2 visualiza a modelagem da ontologia do colaborador (agente), que também foi feita no ambiente Protege, sendo, neste caso, utilizados os elementos do FOAF, que estão identificados na tabela Figura 4.2: Ontologia do agente, utilizando termos do FOAF, modelada no Protege. O quadro 4.2 mostra um trecho do código OWL gerado na ontologia do colaborador (agente), onde foram utilizados os termos do FOAF. Quadro 4.2: Trecho de código OWL da ontologia do agente, utilizando termos FOAF. <owl:ontology rdf:about=""/> <owl:class rdf:id="publicações"> <rdfs:subclassof> <owl:class rdf:id="termos_foaf"/> </rdfs:subclassof> </owl:class> <owl:class rdf:id="nome"> <rdfs:subclassof> <owl:class rdf:about="#termos_foaf"/> </rdfs:subclassof> </owl:class> <owl:class rdf:id="sobrenome"> <rdfs:subclassof> <owl:class rdf:about="#termos_foaf"/> </rdfs:subclassof> </owl:class> Cabe ressaltar que, além destes termos poderiam ser explorados outros relacionados à um colaborador, o que não foi abordado neste trabalho.

12 12 4. CONSIDERAÇÕES FINAIS Diante da necessidade de reuso e compartilhamento de informações existente atualmente, as ontologias tem desempenhado um papel muito importante, pois permitem além da organização da informação, sua padronização, através de um vocabulário comum. No entanto para que possam se comunicar de forma eficiente é necessário a utilização de mecanismos que permitam esta interação. Neste trabalho foi priorizado o mecanismo de integração de ontologias, no entanto, os limites desta proposta podem ser expandidos com utilização de outros mecanismos, assim como implementação de outros operadores relacionais. Vale ressaltar que, o emprego das ontologias, assim como o uso de mecanismos de interoperabilidade se tornam viáveis em um ambiente virtual de aprendizagem, visto que os colaboradores podem interagir com rapidez, proporcionado uma troca e geração de novos conhecimentos, devido aos recursos que a Internet disponibiliza, abrindo-se, assim novas propostas, assim como novos desafios ao contexto educacional. 5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] ANTONIOU, G.; VAN HARMELEN, F.. A Semantic Web Prime Massachusetts Institute of Technology, [2] BISHR, Y. Semantic Aspect of Interoperable GIS. Ph.D. Thesis, Wageningen Agricultural University, The Netherlands, [3] CORAZZON, R. What is ontology? [S. l. : s. n.], Disponível em: < section_4.htm>. Acesso em: 20 jul [4] BORST, W. N. Construction of engineering ontologies Tese (Doutorado). Disponível em: < /inf/1/t pdf>. Acesso em: 21 maio [5] DUBLIN CORE METADADA INITIATIVE. Dublin Core metadada element set, version 1.1: reference description. Disponível em: < Acesso em: 10/07/2009. [6] FOAF VOCABULARY SPECIFICATION. Disponível em < Acesso em 10/07/2009. [7] FELICÍSSIMO, C. H. Interoperabilidade Semântica na Web: Uma Estratégia para o Alinhamento Taxonômico de Ontologias. Dissertação de Mestrado. Rio de Janeiro: PUC, Departamento de Informática, [8] HINZ, V.T. Algoritmos para Interoperabilidade entre Ontologias. Dissertação de Mestrado. Pelotas: UCPel, Programa de Pós-Graduação em Informática, [9] NOY, N.; MUSEN, M. SMART: Automated Support for Ontology Merging and Alignment. Banff Workshop on Knowledge Acquisition, Modeling, and Management, Banff, Alberta, Canada, [10] NOY, N.; MUSEN, M. The PROMPT Suite: Interactive Tools For Ontology Merging And Mapping. International Journal of Human-Computer Studies, 2003.

13 [11] PINTO, S.; GOMEZ-PEREZ, A.; MARTINS, J. Some Issues on Ontology Integration. Workshop on Ontologies and Problem Solving Methods: Lessons Learned and Future Trends, [12] PROTEGE. Protégé Project. Disponível em: < Acesso em junho de [13] SOUZA, M. I. F., VENDRUSCULO, L. G., MELO, G. C. Metadados para a descrição de recursos de informação eletrônica: utilização do padrão Dublin Core. Ciência da Informação, v. 29, n. 1, p , abr