開發語意網查詢系統支援國民小學數位學習歷程平台之研究-以資訊課程作品展示功能為例

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國

立

交

通

大

學

理學院科技與數位學習學程

碩

士

論

文

開發語意網查詢系統支援國民小學數位學習歷程平

台之研究-以資訊課程作品展示功能為例

A Study on Developing a Semantic Search Service for Supporting the

e-Portfolio System of the Elementary School:

Facilitating the Demonstration of the Students’ Works at the

Information Courses

研 究 生：楊家蒼

指導教授：陳昌盛 博士

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開發語意網查詢系統支援國民小學數位學習歷程平台之研究

以資訊課程作品展示功能為例

A Study on Developing a Semantic Search Service for Supporting the

e-Portfolio System of the Elementary School:

Facilitating the Demonstration of the Students’ Works at the Information

Courses

研 究 生：楊家蒼 Student：Gu-Tsang Yang

指導教授：陳昌盛 博士 Advisor：Dr. Chang-Sheng Chen

國 立 交 通 大 學

理學院 科技與數位學習學程

碩 士 論 文

A Thesis

Submitted to Degree Program of E-Learning College of Science

National Chiao Tung University in partial Fulfillment of the Requirements

for the Degree of Master

in

Degree Program of E-Learning July 2012

Hsinchu, Taiwan, Republic of China

i

開發語意網查詢系統支援國民小學數位學習歷程平台之研究

以資訊課程作品展示功能為例

學生：楊家蒼 指導教授：陳昌盛博士

國立交通大學理學院科技與數位學習學程

摘 要

近年來，台灣在推廣數位學習(e-Learning)不遺餘力，在校園數位學習環境中建置 多元化的數位學習管理系統(Learning Management System or LMS），其中包含數位教材 編輯及數位學習歷程 (e-Portfolio)平台等。然而，在國民小學的教學現場，我們常常可 以觀察到師生不擅長利用數位學習管理系統擷取有關資訊課程的相關內容。其次，雖然 可以利用傳統的網路搜尋引擎或相關電腦書籍找資訊，但目前中小學的學生使用學習管 理系統常遭遇電腦課的資訊太多、太過分散而必須耗費大量時間在過濾不適合的知識， 資訊的不正確性也導致諸如作品上傳至數位學習平台，卻不知道自己作品的教育內涵及 所達成的核心能力，也無法將資訊作品作有效的展示、即時分享與教學再利用。

為了解決上述的問題，本論文應用語意網技術（Semantic Web Technology）來開發 一個語意查詢系統支援 e-Portfolios (Mahara、臉書)管理平台的作品展示功能，提昇教 師、學生在教學活動中的知識管理與擷取能力。我們首先建構以九年一貫課程重大議題 之資訊教育為基礎的「國小數位學習資源知識本體（Ontology）」，並結合 SPARQL 查 詢語言和 Fuseki 套件來設計友善的操作介面，協助教學者（教師）、學習者（學生）來 提昇教學效果。其次，在本研究中，為了評估本系統的實施成效，我們以深澳國小 5、6 年級的班級(106 位學生,每個年級各有實驗組和對照組)來進行語意查詢系統支援 Mahara 和 Facebook 在資訊課程作品展示應用上的創新教學實驗，並蒐集相關使用統計 數據，加以分析比較。透過這項研究，我們印證了「結合語意查詢系統與數位學習歷程 平台」兩種技術，確實可以幫助中小學教師與學生更能掌握數位學習歷程，藉此提升學 生的資訊能力與素養，並進一步改善前述的狀況。 關鍵詞：資訊教育、數位學習、數位學習歷程、知識本體、語意網技術

ii

A Study on Dveloping a Semantic Search Service for Supporting the

e-Portfolio System of the Elementary School:

Facilitating the Demonstration of the Students’ Works at the Information

Courses

Student：Gu-Tsang Yang Advisor：Dr. Chang-Sheng Chen

Degree Program of E-Learning

College of Science

National Chiao Tung University

ABSTRACT

In recent years, Taiwan has spared no effort in expanding the applications of e-Learning systems. One of the steps is to build a variety of Learning Management Systems (LMS), including the teaching material compilation systems and the e-Portfolio systems, in E-learning environment of campuses. However, in the teaching scenes in elementary schools, we could often find that many teachers and students are not good at using LMS to retrieve the needed information related to the courses. Although the primary and secondary school students can do the assignments by using the traditional computer search engine(s) or by reading the affiliated textbooks (and/or reference books), they are still suffering from losing in the searching results which are too massive and scattered all over the Internet, and students need to spend lots of time to filter irrelevant data. It comes to the end that after uploading the fruitage of their learning to the e-Portfolio, they still do not know the educational content or the core competencies of their works. What’s worse, the fruitage can neither be demonstrated effectively and shared instantly, nor be reused to teach others.

In this thesis paper, in order to deal with the above problems, we would like to develop a semantic searching system to facilitate the demonstrations of the students’ works, to enhance the knowledge management and information retrieval capability in teaching activities in the e-portfolio system. Firstly, we build the Information-Course Ontology based on major issues in grade 1-9 curriculum of the information courses in primary & secondary schools. Secondly, we boost the semantic searching system with the SPARQL search language and Fuseki API to assist educators (teachers) and learners (students) in enhancing the effectiveness of teaching and learning. Moreover, to evaluate the performance of the study, we invited 5th and 6th graders (totally 106 students), from the Shen-Ao elementary school to participate the experiments and then divided them into both the experimental and the control groups (i.e., each grade with two classes). While they were conducting the series of assignments on the e-Portfolio, we observed the process. After those activities, we analyzed the statistics. From the statistics, we could find that the experimental e-Portfolio system, enhanced with the semantic searching system, can help both the participated teachers and students get a better grasp of the e-Learning progress. In this way, it indeed help solve the problems as previous mentioned.

Key words: Information Courses, e-Portfolio,Ontology, SPARQL, Fuseki, Semantic Web Technology

iii

誌謝

歷經兩年的研究所生活，碩士論文能順利的完成，首先衷心感恩與感謝非常費心指 導及鼓勵我的指導教授-陳昌盛教授，在每個禮拜論文研究的指導過程中，提供許多的 建議與方向引導。更學習到教授對於研究的審慎週延、認真及有計劃的執行，讓我循序 漸進的多方思考，在辛苦的腦力激盪過程，找到了明確的指標，在研究的過程中，享受 著做研究的愉悅與感動，不僅解決了工作上長久以來面臨的難題，更提昇了個人的視 野，完成碩士論文更是充滿成就感。另外誠摯感謝彰化師大丁德榮教授及本校李榮耀教 授的指導與建議，使我的論文更加完整。 此外，感謝所有任課教授們的指導，奠定我做研究的基礎。在求學過程中承蒙世易、 秀瑜、昆哥、立安、智傑、承恩、俊博、冠岑、長壽、玫琪 …等所有交大 99 級的同學 們的互相勉勵與扶持（感謝大家的問卷）。再感謝畢業典禮共襄盛舉的易儒、國寧、Sue Su、淑媛、惠菁、宜昌、如芳、敏惠、哲凱、孟柔、世彥、駿碩、秀美、建巖、柯達、 依萍等好同學們，有你們真好！ 還有感謝我任職學校的校長及好兄弟毓捷主任的包容與體諒，謝謝同事宗霖、志 彥、冠銘的教學實驗協助、昭蓉的英語指導、亦勳的教育統計教學及錫鴻在班級事務的 協助，讓我在作論文研究時，減輕許多負擔，工作上更無後顧之憂。而參與本教學實驗 的深澳國小 61 屆全體畢業生與 62 屆的學生，你們的作品是最棒的。另外感謝基隆市教 育網路中心及基隆市中小學的資訊組長們與交大 100 級學弟妹們的幫忙，讓論文的問卷 調查更具公信力。特別感謝湖口高中的辛文義老師對於本校建置 Mahara 平台的中文化 協助，讓學生們能更容易操作、使用 Mahara。 最後，我要感謝家人跟女友的支持。感謝爸、媽在生活上的包容與精神上的鼓勵， 長期在外地工作，無法克盡孝道，希望研究所畢業後，能多照顧你們。感謝弟弟汶涼（文 良）在程式設計與系統測試方面給予的協助；感謝和烈（家松）能幫忙照顧、看護父母 。最後感謝我未來的另一半，能在我水深火熱的日子裡，默默付出關心。感謝所有協助 我的人，因為有你們的勉勵與支持，才能完成心中所期待的成果，圓滿了個人的心願。 在此滿心歡喜的將這份喜悅與我的父母親、家人、教授、同學、同事、學生及好朋友們 一起分享。

iv

目 錄

摘 要 ... i ABSTRACT ... ii 誌 謝 ... iii 目 錄 ... iv 表 目 錄 ... vii 圖 目 錄 ... ix 第一章 緒論 ... 1 1.1 研究背景與動機 ... 1 1.2 研究目的 ... 4 1.3 研究方法與限制 ... 4 1.4 章節介紹 ... 6 第二章 文獻探討 ... 9 2.1 九年一貫課程綱要之重大議題-資訊教育 ... 9 2.1.1 中小學資訊教育實施概況 ... 10 2.1.2 中小學數位學習（e-Learning）的未來 ... 11 2.2 多元化學習歷程的未來（e-Portfolio） ... 13 2.2.1 學習歷程檔案的類型 ... 13 2.2.2 傳統學習歷程與數位學習歷程的比較 ... 14 2.3 校園數位學習管理系統（Mahoodle） ... 15 2.3.1 Mahara 數位學習歷程平台 ... 16 2.3.2 Moodle 數位學習課程編輯平台 ... 17 2.4 語意網概說 ... 17 2.4.1 語意網階層架構與技術 ... 19 2.4.2 知識本體（Ontology）、工程方法論 ... 21 2.4.3 資源描述框架（RDF/RDF Schema） ... 22 2.4.4 OWL 網路本體語言 ... 23 2.4.5 SPARQL 查詢語言 ... 23 第三章 系統分析與設計 ... 24 3.1 校園數位資訊管理系統架構 ... 24

v 3.1.1 學生帳號、獎勵、活動各系統資料互動案例 ... 25 3.1.2 Mahara、Moodle 系統與 Google 雲端服務的單點登錄 ... 26 3.2 語意查詢系統架構 ... 27 3.2.1 語意查詢系統的分析與設計 ... 27 3.2.2 語意查詢系統結合數位學習系統的情境說明 ... 29 3.3 國小資訊教育議題-數位學習資源知識本體架構 ... 32 第四章 系統架構及實作 ... 41 4.1 系統開發工具與環境的建置 ... 41 4.2 建置國小資訊教育-數位學習資源知識本體 ... 44 4.2.1 建立類別（OWL Classes） ... 47 4.2.2 建立屬性（Properties） ... 48 4.2.3 建立實例（Individuals） ... 49 4.3 數位學習資源語意查詢服務建置 ... 51 4.4 查詢系統使用者介面建置 ... 56 4.4.1 一般查詢 ... 57 4.4.2 各面向的進階查詢 ... 58 4.4.3 系統應用實例說明 ... 61 第五章 語意查詢系統結合數位學習歷程之教學實驗 ... 64 5.1 教學實驗概述 ... 64 5.2 教學實驗結果與心得 ... 72 第六章 相關問題與討論 ... 80 第七章 結論與未來展望 ... 82 7.1 創新教學與語意網的結合 ... 82 7.2 未來展望 ... 83 參考文獻 ... 84 附錄 A 中小學數位學習推廣工作說明 ... 88 附錄 B 語意網階層架構 ... 89 附錄 C 語意網技術規範 ... 92 附錄 D 資訊教育能力指標與學習內容 ... 96 附錄 E1 中小學數位學習歷程調查問卷 ... 99

vi

附錄 E2 科技接受度問卷 ... 102 附錄 F Mahara 建置操作步驟（建置於 XAMPP） ... 110

vii

表 目 錄

表 1-1：教學現場常見重大問題 ... 3 表 1-2：論文架構資訊 ... 7 表 2-1：台灣校園數位學習常用方式一覽表 ... 12 表 2-2：學習檔案類型 ... 13 表 2-3：傳統學習歷程與數位學習歷程建構類別與建置方式之比較 ... 15 表 2-4：Mahara(e-Portfolio 系統)功能簡介 ... 16 表 2-5：國內外關於教育方面的語意網應用研究 ... 20 表 3-1：研究者服務學校資訊管理系統涵蓋範圍 ... 27 表 3-2：教師進行能力指標的查詢 ... 30 表 3-3：教師進行教學軟體資源的查詢 ... 30 表 3-4：教師進行電腦工具書的查詢 ... 31 表 3-5：學生進行電腦工具書的查詢 ... 31 表 3-6：學生進行教學軟體資源的查詢 ... 32 表 3-7：資訊教育議題-數位學習重要詞彙 ... 33 表 3-8：國小階段核心能力類別與所屬能力指標實例 ... 34 表 3-9：中高年級能力指標與對應之學習內容範例說明 ... 36 表 4-1：語意查詢系統開發工具涵蓋範圍 ... 42 表 4-2：物件屬性的 Domain 和 Range ... 48 表 4-3：核心能力一般查詢指令（以核心能力分段能力指標為例） ... 57 表 4-4：核心能力進階查詢指令（以學習年段為例） ... 58 表 4-5：電腦用書進階查詢指令（以學習年段為例） ... 59 表 4-6：教學軟體以進階查詢指令（以學習年段為例） ... 60 表 4-7：核心能力案例進階查詢指令（以六年級為例） ... 62 表 4-8：教學軟體案例進階查詢指令（以授權方式為例） ... 63 表 5-1：100 年度本校高年級資訊課程規劃 ... 66 表 5-2：中小學數位學習現況調查研究樣本人數分配表 ... 67 表 5-3：教學實驗研究樣本人數分配表 ... 67 表 5-4：本校資訊課程、ePortfolio、語意系統及數位學習歷程檔案一覽 ... 70

viii 表 5-5：教學實驗 A 類別（實驗組 501/對照組 502）組別統計量 ... 73 表 5-6：教學實驗 A 類別(實驗組 501/對照組 502)獨立樣本 T 檢定量 ... 74 表 5-7：教學實驗 B 類別(實驗組 601/對照組 602）組別統計量 ... 76 表 5-8：教學實驗 B 類別(實驗組 601/對照組 602)獨立樣本 T 檢定量 ... 77 附錄 表 D-1：國小三年級資訊教育能力指標與學習內容 ... 96 表 D-2：國小四年級資訊教育能力指標與學習內容 ... 96 表 D-3：國小五年級資訊教育能力指標與學習內容 ... 97 表 D-4：國小六年級資訊教育能力指標與學習內容 ... 98

ix

圖 目 錄

圖 1-1：論文研究流程及架構 ... 5 圖 2-1：九年一貫課程綱要重大議題-資訊教育階層圖 ... 9 圖 2-2：中小學推廣 e-Learning 工作圖 ... 10 圖 2-3：中小學數位機會指標架構 ... 11 圖 2-4：學習歷程發展示意圖 ... 13 圖 2-5：傳統網路與語意網資源鏈結比較圖 ... 18 圖 2-6：語意網階層架構圖 ... 19 圖 2-7：RDF 三元組資源描述圖 ... 22 圖 3-1：校園數位資訊管理系統流程圖 ... 24 圖 3-2：校園數位資訊管理系統 UML 案例圖 ... 25 圖 3-3：校園數位資訊管理系統 UML 活動圖 ... 26 圖 3-4：數位學習資源語意查詢系統架構及流程圖 ... 28 圖 3-5：教師使用語意查詢系統支援校務行政、教學情境圖 ... 30 圖 3-6：學生使用語意查詢系統支援 Mahara 平台情境圖 ... 31 圖 3-7：數位學習與核心能力、工具書、教學資源的聚合關係圖 ... 34 圖 3-8：能力指標與學習年段的三元組關係 ... 35 圖 3-9：核心能力與學習內涵的三元組關係 ... 36 圖 3-10：能力指標與學習內容說明的三元組關係 ... 36 圖 3-11：核心能力、指標類別及實例的階層關係圖 ... 37 圖 3-12：出版社與電腦用書的三元組關係 ... 38 圖 3-13：電腦工具書與出版社的類別階層關係圖 ... 38 圖 3-14：學習內涵與教學軟體的三元組關係 ... 39 圖 3-15：教學軟體與授權方式的三元組關係 ... 39 圖 3-16：教學軟體資源與學習年段、授權方式的階層關係圖 ... 39 圖 3-17：國民小學數位學習資源類別、階層關係圖 ... 40 圖 4-1：系統實作流程圖 ... 41 圖 4-2：知識本體扁平化架構圖 ... 44 圖 4-3：開啟 Protégé新專案 ... 45

x 圖 4-4：選擇 OWL/RDF Files 圖 ... 45 圖 4-5：本體命名(URI) ... 46 圖 4-6：選擇 OWL 語言 ... 46 圖 4-7：Protégé 3.48 預設工作視窗 ... 46 圖 4-8：操作 Protégé建立超類別與次類別 ... 47 圖 4-9：使用 Protégé建置屬性 ... 48 圖 4-10：使用 Protégé建置實例屬性關係 ... 49

圖 4-11：SPARQL Query panel 功能視窗圖 ... 49

圖 4-12：SPARQL 語法測試本體資料 ... 50 圖 4-13：SPARQL 語法查詢本體資料的輸出結果 ... 50 圖 4-14：Fuseki 下載目錄設定 ... 52 圖 4-15：使用命令提示字元視窗進行 Fuseki 設定 ... 52 圖 4-16：完成 Fuseki 設定的 Server 運作畫面 ... 52 圖 4-17：以瀏覽器檢視 Fuseki 伺服器運行成功畫面 ... 53 圖 4-18：Fuseki 預設資料庫設定 ... 53 圖 4-19：Fuseki Query 查詢介面 ... 53 圖 4-20：本體輸出 OWL 格式 ... 54 圖 4-21：查詢介面上傳本體文件（OWL） ... 54 圖 4-22：Fuseki Query 上傳成功的本體編碼畫面 ... 54

圖 4-23：P Fuseki Query 介面輸入 SPARQL 指令查詢 ... 55

圖 4-24：Fuseki Query 介面查詢結果畫面 ... 55 圖 4-25：使用者介面開發設計 ... 56 圖 4-26：數位學習資源語意查詢系統畫面 ... 56 圖 4-27：查詢系統基本查詢功能 ... 57 圖 4-28：基本功能範例查詢輸出結果 ... 58 圖 4-29：核心能力功能範例查詢畫面 ... 58 圖 4-30：核心能力與學習年段-範例查詢結果 ... 59 圖 4-31：電腦工具書進階功能範例查詢 ... 59 圖 4-32：電腦用書、出版商與學習年段-範例查詢結果 ... 60 圖 4-33：教學軟體進階查詢畫面 ... 60

xi 圖 4-34：教學軟體進階查詢結果 ... 61 圖 4-35：核心能力案例-案例查詢 ... 62 圖 4-36：教學軟體案例-進階查詢 ... 63 圖 5-1：中小學樣本學校-數位學習歷程系統建置統計圖 ... 64 圖 5-2：教學實驗-系統實例驗證流程圖 ... 65 圖 5-3：A 類實驗組(501)上課情形 ... 70 圖 5-4：A 類對照組(502)上課情形 ... 70 圖 5-5：B 類實驗組(601)上課情形 ... 71 圖 5-6：B 類對照組(602)上課情形 ... 71 附錄 圖 A-1：中小學推廣 e-Learning 工作圖 ... 88 圖 B-1：語意網階層架構圖（資料來源：W3C 版,2007） ... 89 圖 C-1：RDF 三元組資源描述圖（資料來源：W3C，2004） ... 92 圖 C-2：RDF 三元組多個資源描述圖（資料來源：W3C，2004） ... 93 圖 C-3：SPARQL 多重匹配（配對）查詢範例圖（資料來源：W3C,2012） ... 95 圖 F-1：XAMPP 伺服器啟動畫面 ... 110 圖 F-2：XAMPP 伺服器首頁 ... 110 圖 F-3：外部登入 XAMPP 錯誤訊息畫面 ... 111 圖 F-4：XAMPP 的 httpd.xampp.conf 修改畫面 ... 111 圖 F-5：Mahara 預設檔案目錄路徑 ... 112 圖 F-6：Mahara 網頁預設根目錄 ... 112 圖 F-7：Mahara 安裝錯誤畫面 ... 112 圖 F-8：Mahara 新增 Config 檔 ... 113 圖 F-9：pgsql 錯誤訊息畫面 ... 113 圖 F-10：登入 phpMyadmin 畫面 ... 113 圖 F-11：建立 Mahara 資料庫 ... 114 圖 F-12：Mahara 資料庫已建立畫面 ... 114 圖 F-13：Mahara 的 Config 檔設定 ... 114 圖 F-14：Mahara 的 wwwroot 設定畫面 ... 115 圖 F-15：設定 Mahara 的 wwwroot 的 IP ... 115

xii 圖 F-16：設定 Mahara 的 dataroot 的路徑 ... 116 圖 F-17：Mahara 的 Config 檔設定完成畫面 ... 116 圖 F-18：Mahara 安裝畫面 ... 117 圖 F-19：Mahara 安裝過程 ... 117 圖 F-20：Mahara 資料庫寫入畫面 ... 118 圖 F-21：Mahara 新密碼設定畫面 ... 118 圖 F-22：使用者登入畫面 ... 119

1

第一章 緒論

本論文以提昇國民小學資訊課程的教學成效為目的，本章分為四個部份加以陳 述，首先呈現本研究的背景與動機，第二部份描述本研究的目的，第三部份是本研究 的方法與限制，第四部份則是論文後面章節的介紹。 基於這幾年教育部實施九年一貫課程，推動資訊科技融入教學，加上雲端世代來 臨，包含電腦、通訊、資料存取與教學的整合，將書包、教材、測驗、作品等教學資 訊、成果放在全球資訊網（World Wide Web,簡稱 WWW），建構成資訊共享的教育平 台。但相關的數位學習系統眾多，資訊教育的課程資訊繁雜，希望藉由知識管理及教 育雲分享的概念，使教師善用校園數位學習管理系統進行多元化的教學活動及解決在 教學現場所遇到的問題。 另一方面，中小學師生使用數位學習管理系統，常遭遇課程相關資訊太多、太過 分散而耗費大量時間在過濾不適合的知識，為了減少師生資訊擷取不佳的學習負荷， 以增加個人學習興趣，我們希望讓師生能透過電腦搜尋，利用網站機制能自動替用戶 端配對，加速課程資訊的查詢。本研究建置國民小學數位學習的教學資源知識本體， 以減少資訊的含糊性，透過語意網的技術為增加搜尋可用項目，來協助教師備課和學 生學習。另外結合校園內的數位學習平台，讓學生的學習不受時空限制，並經由資訊 整合、加速資訊交流分享。此外，我們也鼓勵學生學習自主，增加師生、同儕互動， 進而組織學習社群，提昇數位學習的成效。

1.1 研究背景與動機

在面對全球大環境的激烈變化，各國經濟成長與國家競爭力有賴於教育的發展與 改革。教育部頒布的九年一貫課程綱要[教育部，民 97]在語文、數學、社會…等七大學 習領域之外，特別設置七個重大議題以因應社會潮流。其中資訊教育議題希望中小學 能將資訊科技融入教學，並與世界各國的教育環境接軌，其理念期許現代國民應具備 各種資訊科技的能力與資訊素養，能夠善用便利、快速的資訊科技工具，廣泛且有效 率的獲取知識，提昇個人學習效能，增進與他人合作學習，並主動自我學習管理，藉 此探索個人興趣、發現個人專長，希望養成終身學習的習慣。而全球資訊網提供「教學 者」、「學習者」更多元的學習互動模式。甚至學習者不用再侷限於傳統由教師授課的 程序，只要選取適合的教材組合成個人的課程，進行遠距教學，都能達到學習的效果。

2 在中小學校園的數位學習（e-Learning）主要仍是由教師來主導。教師在教學時， 會參考九年一貫課程綱要、教師手冊（教學指引），內容涵蓋教學主題、教學目標、對 應能力指標等眾多課程資訊以供教學活動的設計與實施。可是因為資訊教育僅屬於議 題，而非學習領域，在教學現場面臨到授課教材不盡相同，在電腦課使用的教材，多是 民間電腦書出版商所提供的書籍。這類工具書的內容、 品質參差不齊，而且不需要經 過教育部機構（國家教育研究院）之審定。因此教材內容是否符合課綱要求，僅能自由 心證。這造成學生在授課之後，是否擁有課綱內所羅列學習能力的問題。所以提供教師 快速查詢資訊教育議題的核心能力與分段能力指標，有其必要性。 此外，因資訊科技變化快速，軟體不斷推陳出新，電腦工具書的版本也令人眼花撩 亂，所以在每個年度的學期末，國民小學授課選書的行政會議上，教師常常陷於迷惘， 因為不是每個教師都熟悉這些軟體資源，光是選擇文書處理的軟體，例如在 Office 2003、2007、2010 及自由軟體不同版本之間，就難以抉擇。加上出版商出版的書籍會隨 著每年需求不同，視市場供需停止出版等問題。因此提供師生一個電腦課工具書版本的 查詢，可以在選擇教學教材時，解決師生所面臨的資訊混亂情況。 再來，學校在建置數位學習環境時，規劃電腦課授課的內容，多以軟體當作教學工 具來製作數位學習歷程檔案。但軟體種類眾多，授權方式也各有不同。學校所擁有的授 權軟體多以縣市區域網路中心統一採購授權，少部份學校自行編列預算採購所需軟體。 學校單位屬於公家機關，軟體資源的使用需多注意是否符合智慧財產權的規範。另外， 教師的資訊素養程度也有個別差異，對於學校授權軟體的熟悉度可能多以資訊組長或資 訊教師較為瞭解。故提供學校師生關於校內合理合法可使用的授權軟體資訊，也是極為 重要。 另一方面，教師為了因應將來的教學評鑑需要，常常要蒐集學生的作業及各項評量 成績，師生在傳統教學的過程中，仍常使用測驗卷、學習單等傳統評量方式，造成紙本 的學習檔案常常佔用龐大的空間與整理的時間。為了響應政府推動校務 e 化無紙化來節 能減碳、做環保，目前中小學努力建置各校的數位學習環境，希望落實數位學習，達到 無紙化的教與學和愛護地球的願景。同時也嘗試推廣各種數位學習歷程平台，希望讓學 習者的個人文字、影像、作品等學習過程一一紀錄，製作成電子化學習歷程檔案，以便 增加行政、教學效率。對師生而言，留下學習的足跡，展現個人特色，在教學運用上更 加具有彈性及便利性。但在中小學的數位學習環境中，會因為學校年級的轉換與授課教

3 師的資訊能力差異，造成教學現場的教學效果不彰。而這些在教學現場的問題，本文整 理如表 1-1： 表 1-1 教學現場常見重大問題 實務面向 問題探討 對象 備註說明 1.課綱（97） 重大議題 資訊教育 a.重大議題能力指 標查詢不易 教師 九年一貫重大議題的核心能 力與分段指標鮮少有相關的 查詢系統 2.授課教材 工具書 a.資訊教育非學習 領域 b.選書的版本、品質 問題 教師 學習領域教科書經過審定， 電腦工具書則無。 學生 學生沒有關於工具書的資訊 提 供 參 考 或 購 買 來 自 主 學 習。 3 軟 體 教 學 資源 a：校園軟體明細 不清 b：軟體授權方式 教師 學生 校園軟體明細及授權對一般 師生來講，資訊不夠明確。 4 教學評鑑 a.教師專業發展 評鑑 b.學生學習檔案 教師 學生 教師進行師生的教學歷程建 檔以供教師評鑑使用，但作 品蒐集、保存不易。 國 小 缺 乏 數 位 學 習 歷 程 系 統，提供師生建置數位學習 歷程檔案。 從學生的角度來看，雖然有關資訊教育課程的相關資訊，還是可以利用傳統網路搜 尋引擎或相關電腦書籍上找到，但中小學的學生使用數位學習管理系統，常遭遇課程的 相關資訊太多、太過分散而耗費大量時間在過濾不適合的知識，同時資訊的不正確性會 導致資訊課程結束後，繳交完個人作品，卻常常不知道自己作品的教育意涵及內容資 訊，也無法將資訊作品作有效的展示、即時分享與教學再利用。另外學生和學生之間互 相學習的同儕學習模式，則沒有良好的輔助工具或平台提供授課學習資訊來讓學生使 用。因此，我們希望師生能透過良好的校園數位學習管理系統，從建置的教學資訊、教 材、書目，查詢到跟電腦課相關訊息及參考資料，經由學習社群的討論、溝通、觀摩來 豐富個人的學習歷程。我們將利用問卷調查來瞭解中小學師生對於「資訊科技融入教學」 與「數位學習系統應用」的情形及教師在教學現場解決問題的方法與實務經驗。

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1.2 研究目的

資訊教育議題在校園所面臨的各項問題，中小學嘗試建置數位學習管理系統來改 善，並希望將資訊科技融入教學應用來進行創新教學。但多數中小學受限於經費不足、 資訊人才缺乏，導致在系統開發、系統導入及師生使用習慣的建立各層面遇到相當大的 困難。因此，本研究目的有二，敘述如下： ● 目的一：建置語意查詢系統協助師生知識管理、智慧搜尋 為了解決上述師生在教學現場所面臨的電腦課相關的知識、資訊搜尋不易的問題， 本論文擬應用語意網技術（Semantic Web Technology）來開發一個語意查詢系統，所 提供的資訊是利用知識管理的機制來建立共同知識與分享。利用本體論來建構「數位學 習資源知識本體」，區別出適當的語意來當作知識管理與查詢。希望利用語意網技術所 開發的語意網查詢系統，能提昇教師、學生在校務行政、教學活動中的知識管理與擷取， 解決使用者在數位學習環境所遭遇到的問題。 ● 目的二：國小階段導入數位學習歷程系統的創新教學 其次，資訊教育是培養學生具備資訊科技應用能力的主要議題，包括使用數位學 習管理平台、製作電子化數位學習歷程檔案等，都仰賴教師在電腦課引導學生學習資 訊科技、資訊素養及操作習慣的養成。但在國民小學階段，數位學習歷程的推動成效 卻不佳。所以本研究嘗試導入開放原始碼的數位學習歷程系統（Mahara），並希望所開 發之語意網查詢系統能支援數位學習歷程管理平台的作品展示，並安排資訊課程的創 新教學實驗，藉此探討師生使用數位學習管理平台所面臨的問題與學生間的同儕學習 是否能提昇學習成效，作為中小學進行數位學習歷程評量的一個重要參考。

1.3 研究方法與限制

本論文之研究流程如圖 1-1 所示，我們首先說明本文研究動機與目的，其次，探討 有關於九年一貫課程綱要重大議題之資訊教育的核心知識、數位學習、數位學習歷程 （ePortfolios）、知識本體(Ontology)與語意網技術的相關文獻。接著我們開始進行本研 究之系統分析與設計，此部份分為兩部份，第一部分是利用校園資訊管理系統提供數 位學習歷程平台的數位學習環境，配合各年級的資訊課程內容來進行數位學習歷程平 台的創新教學。第二部份我們運用語意網技術實作一個國民小學資訊教育議題的知識 本體配合 Web2.0 網頁程式，開發一個數位學習資源語意查詢系統，並以實際教學案例

5 的操作與問卷調查的統計分析來驗證語意查詢系統是否能提昇教學成效。最後，總結 本文的研究結論，並探討數位學習歷程系統及語意網技術的應用對教育領域未來的影 響、研究與發展方向。 圖 1-1 論文研究流程及架構 本研究在研究工具與實驗處理等方面，受到一些研究限制，陳述如下： 一、本系統建置主要以九年一貫課程綱要之重大議題為基礎，來查詢關於資訊教育的 相關教學資源資訊，目前無法提供其他議題的知識本體，這有賴於在各議題具專業 知識的專家往後來協助建構。 二、在整合本校的校園資訊管理系統時，基隆市教育網路中心僅提供教師 Google apps(含 Gmail)的服務，並無提供給學生教育版的 Gmail 信箱。但為了讓學生能在 升上國中後，仍能使用自己的信箱服務，建議學生自行申請 Gmail 信箱、臉書帳 號，但需克服年齡限制及信箱手機號碼認證的不便。

三 、 在 實 施 數 位 學 習 歷 程 檔 案 評 量 時 ， 本 研 究 所 導 入 的 數 位 學 習 歷 程 系 統 （Mahara），目前並無評量分數的評鑑機制，僅利用該系統讓學生蒐集個人資訊作

6 四、本研究透過課程設計，將數位學習的理念與學習模式轉化為教學活動，引導學生 建置個人學習歷程，並利用語意網查詢系統輔助學生進行教學資源的查詢。但參 與本研究教學實驗的班級，僅選取同一所學校的高年級作為實驗對象。結果可能 因課程不同、受測對象年級不同、師生對語意網查詢系統及 Mahara 平台熟悉度等 因素而有所影響。

1.4 章節介紹

本論文提出的語意查詢系統，希望協助數位學習歷程平台的使用者能以共通的語 意邏輯來跟電腦進行溝通，進行知識擷取、搜尋的動作。並驗證 Apache 基金會提供的 一套語意開發架構（Jena 工具庫），將國民小學資訊課程教學資源相關資訊轉換為程式 的語意邏輯，其中牽涉到許多的本體概念與內容定義及實作步驟，本節將語意查詢系 統的建構與數位學習管理系統的結合，所涉及的相關資訊整理如表 1-2，語意網的系統 開發和數位學習系統發展的主要內容，我們將於論文第二章至第五章，依序加以陳述 及說明。 本文共分為七個章節，其內容簡要說明如下 ● 第一章 緒論：說明本文之研究背景與動機及開發本系統之主要目的，並說明研究 方法與限制。 ● 第二章 文獻探討：介紹中小學資訊教育之相關背景知識，包括資訊教育議題、數 位學習、數位學習歷程、知識本體、語意網技術等。 ● 第三章 系統分析與設計：依據九年一貫課程綱要的資訊教育議題來建構一個國小 數位學習資源的知識本體，並利用語意網技術提出一個完整的語意網查詢 系統架構。 ● 第四章 系統實作：結合知識本體架構圖示，說明本論文所建置的語意查詢系統之 系統架構及實作環境。 ● 第五章 以資訊課的教學實驗，驗證本文語意查詢系統結合 Mahara 平台在中小學電 腦課的教學成效，並進行問卷調查與使用者經驗分析。 ● 第六章 相關問題與討論：歸納本研究之發現與建議。 ● 第七章 結論與未來展望：總結本研究之重點與貢獻及簡述未來研究方向與發展。

7 表 1-2：論文架構資訊 主題 項次 子項 1. 重 大 議 題 - 資 訊 教 育 的 背景知識 A.中小學資訊教育議題 的實施概況 （1）九年一貫課綱、重大議題的理念 （2）中小學資訊教育白皮書的願景 （3）中小學的數位學習機會 （4）數位學習的未來發展 2. 數 位 學 習 歷 程的演進 A.學習檔案的介紹 （1）學習檔案的定義 （2）學習檔案的應用 B.數位學習歷程的發展 （1）傳統、電子化、網路化數位學習歷程的 演進與差異 C.校園數位學習歷程的 推廣 （1）國內大學、高中、國中、國小的數位學 習推廣 （2）數位學習歷程平台的應用現況 3. 校 園 數 位 學 習 管 理 系 統 （LMS） A. Mahara 的介紹 （1）Mahara 的發展 （2）Mahara 的 Leap2A 交換格式 B. Moodle 的介紹 （1）Moodle 的發展 （2）Moodle 的 SCORM 交換格式 C.Mahoodle 的整合 （1）OpenID 的帳號整合 4.語意網概說 A.本體論 （1）本體論的發展 （2）本體論工程方法論 B.語意網 （1）語意網的歷史 （2）語意網的目的 C. RDF/RDFSchma （1）資源描述框架概念（RDF） （2）三元組的圖表徵 D.OWL （1）本體論語言介紹 E. SPARQL （1）SPARQL 查詢語言簡介 6. 系 統 架 構 及 語 意 查 詢 系 統實作 A.知識本體建置 （1）建立類別、屬性、實例 （2）利用 Protégé 工具建置本體 B.語意查詢系統 （1）設計查詢介面 （2）使用 Fuseki 提供 SPARQL 查詢 7. 資 訊 課 程 教 A.高年級資訊課程設計 （1）六年級：畢業光碟製作

8 學實驗 （2）五年級：非常好色應用 B.實驗對象 深澳國小五、六年級 （皆有社群網站使用經 驗） 五年級實驗/對照組 （1）使用 Mahara、語意查詢系統 （實驗組 501） （2）使用臉書和語意查詢系統 （對照組 502） 六年級實驗/對照組 （3）使用 Mahara、語意查詢系統 （實驗組 601） （4）使用臉書和語意查詢系統 （對照組 602）

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第二章 文獻探討

在本章，我們探討本文所使用的相關理論、技術與現今台灣國民小學推動數位學 習的現況，包括:九年一貫課程綱要的重大議題之資訊教育、數位學習歷程的發展、知 識本體與語意網技術。

2.1 九年一貫課程綱要之重大議題-資訊教育

教育部為了提升國家的競爭力與我國人民素質，致力於教育改革。針對台灣中小 學所頒布之 97 年國民中小學九年一貫課程綱要（以下簡稱 97 課綱），將國民教育課程 分成三個面向及七大學習領域。而實施的課程又涵蓋豐富的政治、經濟、社會、文 化、資訊等各種領域的教學內容。因此在語文、社會、自然與生活科技、數學…等七 大領域的學科之外另外設立了七個重大議題：「資訊教育」、「環境教育」、「性別平 等教育」、「人權教育」、「生涯發展教育」、「家政教育與海洋教育」，如圖 2-1 所 示，以作為課程改革及發展課程評鑑之參考。 圖 2-1：九年一貫課程綱要重大議題-資訊教育階層圖

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2.1.1 中小學資訊教育實施概況

根據教育部中小學資訊教育白皮書（2008-2011）[教育部，民 97]揭櫫的願景，「多 元學習」、「資源共享」和「創意提升」是目前資訊化社會培育人才的重要目標。為了 豐富多元的教育發展，提供師生均等的數位學習機會，教育部希望提昇師生的資訊科技 能力、達到建置完善資訊通訊基礎設施、數位教學資源的共享，並推動國際資訊教育的 合作與交流，及資訊教育制度的改善。研究者將目前在中小學推廣數位學習的模式整理 如圖 2-2。 圖 2-2: 中小學推廣 e-Learning 工作圖 在圖 2-2 當中，教育部於 2008-2011 在各級學校努力推動各面向的工作，以 1-4 項 成果較為顯著，詳細說明如附錄 A。在 2008-2011 之間，中小學在前面四項工作的執行 成效上，成果豐碩。但在「數位學習管理平台」、「同儕學習(Peer Interaction)」這兩個 面向上，成效仍有待提昇。此兩面向所面臨的問題，在稍後小節會詳加探討。 教育部為了提昇中小學推廣數位學習的成效，在全國遴選出各縣市的資訊典範學 校，並積極推動各校建置具備完善軟硬體工具、數位學習平台及良好師資的未來教室， 希望藉此提昇中小學的數位學習。但由於各校的客觀條件不同，例如城鄉差距、班級學 生人數的規模、經費的多寡等因素，都會造成校園的數位落差。 圖 2-3 是本研究探討中小學常見的數位機會（數位落差）指標架構，教育部近幾年 加強了校園的資訊基礎建設及雲端的數位服務。師生資訊素養也隨著教育訓練提昇。但 是數位學習管理平台的使用普及率不足，仍需仰賴學校師生不斷研習、進修、自我成長。

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圖 2-3: 中小學數位機會指標架構-改編自[莊雅茹,民 97]

2.1.2 中小學數位學習（e-Learning）的未來

隨著資訊科技日益進步，數位學習（e-Learning）已經成為教育型態融合資訊科技 的一種普遍學習方式。根據學者賴阿福[民 94]以學校觀點、線上學習、合作學習策 略、專題導向學習（Project-Based Learning,簡稱 PBL）、數位卷宗評量（e-Portfolio） 等數位化學習與教學常用方式、策略的探討，現在透過數位學習不僅可以進行遠距教 學、電腦輔助教學、數位學習歷程檔案的建置，甚至直接跟教師、同儕進行互動、溝 通與學習，並反思個人學習過程與個人自我評鑑。中小學自九年一貫課程的推動，就 積極推廣資訊科技融入創新教學，努力營造數位學習的環境，也建置相關的教學平 台。此外，高中、一般大學、社區大學更是投入許多資源建置教學系統。 行政院通過的 I-Taiwan 智慧台灣計畫[行政院，民 97]，由教育部負責的公平數位 機會面向，其中強調中小學數位教育環境優質化。但是從圖 2-2 與圖 2-3，我們發現目 前造成各級學校提供數位機會不均的原因，其中之一就是「數位學習管理系統的建置」 普及程度仍然不足。針對此現象，研究者透過文獻、專家訪談、問卷調查（附錄 E1）， 從第一線教學現場的教育工作者的教學實務經驗，來瞭解建置數位學習管理系統、提 供公平數位機會所面臨的困境。從調查的結果來分析，目前多數中小學面臨的問題是 「資訊人才的不足」、「缺乏適合的數位學習管理系統」。由於中小學教學領域眾多，

12 多數教師並非資工、資管背景，校園的資訊、網管專業人才十分缺乏。另一方面，多 數中小學受限於經費問題，有建置數位學習管理系統的學校，目前多以免費的系統平 台為主，研究者整理校園數位學習相關方式資訊，如表 2-1： 表 2-1：台灣校園數位學習常用方式一覽表 傳統數位學習模式/平台 教材編輯製作方式 學習歷程應用平台 備 註 傳統數位學習 常用模式 Word 文件、PPT 簡報檔、 魅力四射（商業軟體） ODF 文件、eXe（自由軟體） 無名 Blog、Xuite Google blogger Lifetype、 * 備 註 1 開放原始碼系統 Moodle（大學、高中、中小 學都常用） Wordpress 、Mahara（推 廣中，中小學剛起步） * 備 註 2 交大數位學習 e-Campus (e3 平台) 建構中 學習社群 Wiki 維基百科 Facebook（社交為主） *備註 1：從表 2-1 來看，中小學的「數位學習模式」在教材編輯方面，多以校園授 權的商業軟體為主，學習歷程應用方面則是以現有網路廠商（例如：Google）提供的免 費服務或其他部落格平台。但是這些傳統數位學習模式慢慢無法跟上最新的網路科技 發展腳步，它們還需要大幅擴展功能，才能符合教師教學需求。 *備註 2：目前台灣各級學校常用的方式多以免費的開放原始碼系統來建置數位學習 平台，也有學校自行發展使用多年的數位學習平台，例如交大的 e-Campus。但隨著學 習社群的蓬勃發展，維基百科與臉書（Facebook）的興起，讓人與人的溝通、知識分享 更容易、方便。數位學習模式也因為學習社群能提供知識管理、(文件分類、整理、權 限設定、搜尋…)，並兼顧學習需求與同儕之間的互動、溝通、分享、回饋（塗鴉牆、 相簿、討論…）而有所改變。因此，為了利用數位學習社群的「同儕學習」效應來提昇 數位學習的成效，一個適合校園知識社群的網站工具是很重要的關鍵。 數位學習是未來的趨勢，研究者希望在國民小學階段導入資訊技術（語意網）和數 位學習管理平台（例如：Mahara、Moodle），利用網路多媒體互動學習特性、建置學生 個人化的數位學習歷程檔案，進而達到以學生為中心的學習模式，以因應最新的網路 學習模式，達到知識共享的目標

。

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2.2 多元化學習歷程的未來（e-Portfolio）

所謂學習歷程檔案（portfolio/Learning portfolio ）便是指有系統、有目的紀錄及蒐 集學生求學過程的作業或作品，藉由紀錄學習者的學習經歷來呈現個人的努力、進步與 自我的成長的證明。而學習歷程檔案的內容可以是文字的書面資料、影音、圖像、電子 文件、程式碼等，端看應用在哪一類的課程而定。學習歷程還具有提供老師、 學生、 同儕或其他人的學習分享與回饋，幫助學生進行個人省思與修正。而學歷歷程檔案隨著 資訊科技的演進，如圖2-4所示，不僅可以讓學生能將個人的學習歷程檔案隨身攜帶， 面對不同階段的求學、就職，更可以轉化為電子化生涯歷程檔案展示個人的學經歷或創 意作品集。 圖 2-4: 學習歷程發展示意圖

2.2.1 學習歷程檔案類型

學者們[Ater & Spandel，1992] 指出學習歷程檔案目的是去蒐集和保存學生的作 品（work），呈現出學生在某些領域學習上的努力、進步、和成就。另外的學者們[Danielson & Abrutyn，1997]分析相關文獻，歸納出學習歷程檔案的一些共同特徵，說明如下： 1.收集學生個人的作品樣本。 2.收集是有目的，而非隨意的，也不是收集學生所有的作品檔案。 3.學習歷程檔案可提供學生省思個人作品及提供展現自我的機會。 學習歷程檔案也根據使用目的或評量方式不同，分別有不同的蒐集重點及組織架 構。常見的類型如表2-2。 表 2-2：學習檔案類型[李同立、民 92] 項次 類型簡介 展示檔案(Showcase portfolio) 展示檔案的製作是請學生從自己收集的作品 中挑選出最好、最滿意、最喜愛的作品，並 附上說明和自我省思而成的，主要目的在於 慶祝和分享個人的學習成就。常用於班親 會、學習成果展覽。

14 紀錄檔案(documentation portfolio ) 定期挑選學生在特定技能或學習領域的代表 作品。目的觀察學生不同時期的學習情形， 例如美術、音樂技能的展演。 評鑑檔案（evaluation protfolio） 針對評量或學習目標所設計的檔案內容，學 生必須按照課程目標作內容選擇或作品的準 備。目的透過檔案、學習單的製作幫助學生 更瞭解自己。 歷程檔案（process portfolio） 呈現某個活動單元或專題研究過程中的作品 草稿及最後作品。目的描述學習歷程的努 力、改進和最終成果，或進行學習診斷。例 如：畢業光碟。 綜合檔案（composite portfolio） 兼具上述類型的特點及使用目的，但實施上 需花費更多時間和精力。 隨著資訊科技的不斷進化，學校內的教學方法變得更加多元化，以教師為中心的 教學方式，也轉變成以學生為主。以往表 2-2 的學習歷程檔案建構方式多以傳統紙本、 卷宗為主，在資料的儲存、搜尋及管理方面非常繁瑣。如今利用電腦作為儲存學習歷 程檔案的工具，將大量學生們的學習內容、過程和省思回饋進行儲存、處理，且有效 支持學生製作或引導學生建置成電子化學習歷程電子檔案。甚至藉由網際網路發展出 更多元的學習歷程檔案形式。這種將原本紙本、卷宗的學習歷程檔案數位化的模式， 不僅提供學生作品蒐集與展示的功能，更是學生個人證明專業知識與技能學習的成果 展現[孫志誠，民 99]。因此本研究在導入數位學習歷程系統，除了希望能達成上述表 2-2 綜合檔案的目標，並涵蓋其他類型學習歷程檔案的特點，也讓學生能使用已發展成 熟的數位化學習歷程平台來建置個人的學習歷程檔案。

2.2.2 傳統學習歷程與數位學習歷程的比較

中小學目前多以傳統的紙筆測驗或電腦線上測驗作為知識方面的評量。而在其他 情意、技能方面的學習成效，就不容易呈現。學習歷程檔案評量能充分呈現學生學習 過程，培養學生主動學習的習慣，使評量的方式更加多元化。但是傳統的學習歷程檔 案建置不僅浪費紙張資源、學生個人檔案卷宗也佔用空間；學生也缺乏互相學習的管 道、學習的即時回饋更是不足。為了解決前述的儲存、紀錄的費時、費力及管理工具 的 不 足 問 題 及 減 輕 師 生 在 製 作 檔 案 或 瀏 覽 所 遭 遇 的 困 難 。 電 子 化 數 位 學 習 歷 程 （electronic–based portfolio）便相應而生。傳統電子化建構的學習歷程檔案以各種多媒 體數位資料來建置，但在存取、溝通、展示等方面仍有改進的空間。隨著網際網路的

15 興起，網路版的電子化數位學習歷程檔案（web-based portfolio）使學習的討論、修改、 評量更加便利，而同儕學習、共享、回饋更是激勵學生自我學習成長的最佳激勵[張基 成、童宜慧，民 90]。目前數位化的學習歷程模式非常多元，整理如表 2-3。 目前數位化學習歷程檔案系統功能包括檔案製作、上傳、同儕互評、個人和團體 的學習筆記、作品集展示、留言板等。從表 2-3，我們可以觀察到開放原始碼系統的數 位學習歷程平台具備免費、功能強大的優點，也兼具知識社群的溝通性。讓學習者能 在這個平台上學習、共享、回饋。是目前很適合中小學的數位化學習歷程平台。 表 2-3：傳統學習歷程與數位學習歷程建構類別與建置方式之比較

建構類別

優點

缺點

建置方式

傳統學習歷程 檔案 1. 工具簡易 2. 習慣使用 1. 佔用空間 2. 儲存時效短 紙本書面資料、卷宗檔 案夾 傳統電子化學習 歷程檔案 1.軟體方便操作 2.普遍性高 1.檔案易遺失 2.搜尋不易 3.容易中毒 以軟體編輯為主，例如 Powerpoint、Impress、 魅力四射簡報製作等 網路化學習歷程 檔案 1. 專人維護 2. 系統經過測試 1. 需支付費用 2. 需整套購買 使用商用平台，例如 iLMS（台灣數位） 1. 網站提供免費 服務 2. 版面多樣化 1. 部 份 功 能 需 額 外付費 2. 廣告太多。 使用商業 Blog，例如 Google Blog、 無名小 站、Xuite 1. 有開放原始碼、 自由軟體社群 開發、支援 2.功能多樣化 1.自行架設網站 2. 規格不一 3. 系統維護 人力不足 開源碼系統，例如： Wordpress、Lifetype、 Mahara 等 1.免費社群服務 2.普遍性高 1. 廣告太多 2. 遊戲沈迷 交友社群網站，例如 臉書 Facebook

本研究整理

2.3 校園數位學習管理系統：Mahoodle

為了解決數位機會不均的因素，目前中小學建置數位學習管理系統，以建置開源 碼的數位學習平台，提供師生一個良好的數位學習管理系統環境，最為適當。本研究 採用建置的數位學習管理系統 Mahoodle[Mahoodle，2011]，包含 Mahara 和 Moodle 兩套 系統，詳細內容在後面小節會加以說明。

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2.3.1 Mahara 數位學習歷程平台(Open Source e-Portfolio System)

Mahara 這個單字是毛利人語，它的意思是 「思考」 或是 「思索」 的意思。 Mahara 是由紐西蘭的大學共同開發的開放原始碼學習歷程系統, 它是具有數位學習歷 程、學習型部落格(Blog)、電子履歷表及網路社群等功能的一套數位學習歷程平台， 功能說明如表 2-4。Mahara 提供了個人自我學習及成長發展的工具及環境。教師可以 使用一門課程建立一個部落格，在部落格裡記錄學生學習該課程的心得及學習過程， 也可以分享給教師或同學，讓他們了解學生個人學習的狀況及進度。教師也可以在學 期末根據同學的 Mahara 部落格內容來評定同學的學習成果。 表 2-4：Mahara(e-Portfolio 系統)功能簡介 Mahara 功能 功能說明 教學情境應用 學習型部落格(Blog) 個人作品集 作品展示、創意網頁版型 數位學習歷程 檔案管理 專題製作、單元作業呈現 電子履歷表 履歷介紹 配合學校語文能力訓練 網路社群 社交溝通（類似臉書） 同儕學習回饋、自我省思 為了讓學生離開學校時能繼續使用他們的 e-Portfolios，Mahara 提供一個國際支援 e-Portfolio 的 XML 檔案標準格式，稱為 Leap2A。此格式源於英國官方教育組織的 EPICS-2 專案，並與英國大學聯合團隊合作開發此學習專案，從中開發出 Leap2A 這項 檔案交換標準（ePortfolio-XML Format），主要提供教育領域的學習電子資料格式之個 人資料交換標準。 目前台灣的高等教育在 2009 年將 e-Portfolio 的推廣應用成果納入技專校院行政類 與 專業 類的評鑑指標（因此 台灣各大學也積極導入數位學習歷程 ）; 由學校提供 e-Portfolio 系統，將有助於教師教學、學生學習與生涯發展。目前數位學習歷程系統的 開發方式可分為自行開發(中央、逢甲、東海等)、委外經營（智慧精英 IMS，台灣數位 學習科技 iLMS）、區域合作（中國醫藥大學），導入開放原始碼 Mahara 平台(政大、 雲科大、暨南大、崇右技術學院、左營高中、南港高中等) [黃敬堯，民 100]。中小學 的部份則缺乏將學生的學習歷程加以建置的系統，因此本研究在國民小學資訊課程導 入 Mahara 系統，希望推廣數位學習歷程的建置之數位學習方式，提供未來「十二年國 教」多元評量的參考，亦可作為繼續提供後續補救或精進學習的依據。

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2.3.2 Moodle 數位學習課程編輯系統

Moodle 是一個開放原始碼的學習管理系統，全名為物件模組導向動態學習環境 （Modular Object Oriented Dynamic Learning Environment）。原始作者 Martin 是一位澳 洲人。90 年代時，Martin 有鑑於任職學校的教學平臺非常不便，因此便運用建構主義 的結構化教學原理，開始規劃設計一個課程管理系統，使教師能夠在網路上進行教學 活動。Moodle 採用 Open Source 方式來發佈，藉由 GUN 授權，結合自由軟體社群的 力量，共同來開發設計新版本，以因應數位學習未來發展 [吳振遠，民 97]。Moodle 能有效幫助教師、學生透過易學的操作介面和順暢的網路環境，快速提供師生課程管 理和教學活動。Moodle 目前還是一個持續開發和改進中的軟體專案，官方網站讓使用 者可以透過網路下載來獲得原始套件，讓程式設計師、 教師、學生共同參與 Moodle 功能的改進、 研發，以使整個系統更趨完善。

Moodle 以美國國防部成立的 ADL(Advanced Distributed Learning)組織所制定的 SCORM 為主的線上教育標準，它採用“教學元件”的理念。希望透過「教材再用與共 享機制」的建立，來縮短教材開發時程、減少教材開發成本，並促進教材在各學習平台 間流通性。不管在教學模式、學習活動及評量各方面希望能在不同的 LMS 都能達到相同 的教學效果。 從上述兩個數位學習系統的目標來看，e-Learning 希望透過有效的線上學習方式提 高學習效率並降低學習成本，最後達到終生學習的理想。而 Mahra 和 Moodle2.0 的版本 也依循這樣的模式進行整合，希望能提高數位學習的成效。因此，這兩套系統允許彼此 之間的單點登錄，無需密碼共享傳遞，即可漫遊兩個系統之間，並將用戶的個人資料訊 息匯入、匯出。因此 Mahara 和 Moodle 從 2009 年開始嘗試整合成一套的數位學習系統， 目前已被命名“Mahoodle”。

2.4 語意網概說

21 世紀是一個網路資訊發達的雲端世代，而這歸功於 Tim Berners-Lee 於 1984 年設 計出超文件標記語言（Hypertext Markup Language，簡稱 HTML），形成了第一代網際 網路的全球資訊網(World Wide Web,簡稱 WWW)。只要用戶端使用瀏覽器(Browser) 連上網路，透過超文件傳輸協定（Hypertext Transfer Protocal，簡稱 HTTP），就可以執 行程式來存取網路上的文字、圖片、影音多媒體等資料、檔案，這樣的數位環境帶給 使用者極大的方便性。一旦和網際網路連線，如同連結到一個超大型的資料庫，能進

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行搜尋、瀏覽個人所需的知識或資訊。但是隨著網際網路的蓬勃發展，資料越來越 多、資訊越來越複雜、超載，全球資訊網這個讓人們交換文件的載體（Media），在網 站和網站之間並沒有共同的語意規範來讓網站資料更容易互相流通、整合。因此，身 為全球資訊網聯盟（World Wide Web Consortium，簡稱 W3C）主席，Tim Berners-Lee 提出語意網(Semantic Web)這個概念，「語意網是現有網路架構的延伸，將網路資訊的 意義、背景賦予更清楚、明確的定義，並將資源做語意的鏈結，更方便於電腦和人之 間的合作。」[Tim Berners-Lee,2001]，如圖 2-5 所示。語意網希望增加能夠被電腦所 理解的語意，也就是利用在網頁內容加註 Metadata（詮釋資料），讓電腦透過這個詮釋 標記來理解資料內容的網頁模式，電腦之間就可以互相溝通、進行智慧型代理人 （Agent）自動化的處理，為人類提供更方便的服務，讓整個網路成為一個更通用、精 確的資訊交換媒介。 圖圖 圖 2-5: 傳統網路與語意網資源鏈結比較圖（資料來源：W3C,2001） 根據 W3C 對語意網的定義：語意網包涵兩個層面，一個是改變傳統資料交換的方 式，將各種網頁資料互相組合，整合成一種共通呈現的方式；另外一個是利用標記語 言將網路資料與真實世界做關聯，允許人、機器透過資源鏈結、重複使用的資料庫來 理解相同的事物。因此，Miller[2004]認為語意網有以下三點的目標： （1）提供一個共享的資源描述架構，來促進網路系統、資源的整合。 （2）藉由資訊本身的定義與背景的瞭解，增加資訊的鏈結與資源的再利用。 （3）實現電腦自動判斷人類語意，能更有效率的作知識共享、資訊的存取與分析。

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2.4.1 語意網階層架構與技術

實現語意網需要知識、詞彙體系、標記語言配合邏輯語意推理的機制來進行檢 索，比傳統的檢索工具更能連結到資訊本身，進而更有效率存取與分析資訊。而語意 網廣泛使用的技術與協定，目前以 W3C 所發布的標準與技術為主，如圖 2-6 所示。圖 2-6 稱為語意網的階層架構，也可叫做語意網堆疊（The Semantic Web Stack），我們參 照[李嘉振，民 99]來說明語意網階層架構，請參考附錄 B。 圖 2-6: 語意網階層架構圖（資料來源：W3C,2007） 本研究將會以語意網階層中的 RDF/RDFS 與 OWL 為描述本體及本體知識架構的 主要語言，建置本文語意查詢系統的「數位學習教學資源知識本體」，最後再透過 SPARQL 語言結合 Fuseki 套件來設計使用者介面，以對該本體論進行查詢的動作。而針 對 RDF/RDFS、OWL、SPARQL 幾項重要的語意網技術，在稍後小節會詳加介紹。 目前教育領域已經有許多研究是使用語意網技術來加強資訊的擷取效果、提供知 識管理、分享、知識再利用，國內也針對國民小學各學習領域或議題也進行了不少語 意網查詢系統的開發，甚至國外嘗試整合語意網與數位學習歷程系統的教學研究。研 究者整理相關研究資料如表 2-5：

20 表 2-5 國內外關於教育方面的語意網應用研究 國內論文名稱 內容摘要 開發語意查詢系統協助教案之編寫 [吳育賢，2008] 作者建構國小七大學習領域能力指標知識本 體，並建構語意查詢系統，提供教師能根據主 題尋找相關的教學目標及能力指標，並且獲得 所需要的教學資源，增加編寫教案的效率。 建構語意查詢系統協助國小教師專業 發展評鑑規準之編寫 [蔣冠倫，2009] 作者建構出一個語意查詢系統，藉由建立評鑑 指標知識本體，使教師能簡單獲取較適合自己 所需求的資料，以利其進行後續的評鑑工作。 開發國小植物教學語意查詢系統 [陳科富，2010] 作者建構國小自然科教學相關的植物知識本 體，並且建構語意查詢系統，以提供教師、學 生、家長透過查詢介面，掌握不同教科書版本 內容的異同。 開發語意查詢系統支援國小體適能訓 練處方之擬定 [曾國峰，2010] 作者建構國小體育教學相關的體適能知識本 體，並且建構語意查詢系統，以提供師生來擬 定班級或個人體適能訓練處方。 建置遊戲知識本體支援國小綜合活動 學習領域教學 [蔡宜玲，2010] 作者實作語意查詢系統，建構以國小綜合活動 領域的遊戲名稱、方式與場地的遊戲知識本 體，方便教師參考查詢，以利教學活動的進行。 國外論文名稱 內容摘要

E-portfolio and Semantic web to support informal learning in social network environment[Taibi Davide ,etc，2009]

作者提出一個 FOAF 本體，用來形容個人關係， 並整合學生的數位學習歷程的個人履歷，利用 FOAF 語意網 和數位學習系統，以支持基於知 識社群的非正式學習活動，這種非正式學習知 識社群環境，對學生是有助益的。

When cloud computing meets with Semantic Web: A new design for e-portfolio systems in the social media era [Paul Kim, etc，2010]

本文提出了一種新方法，植基於（PrPl）數據 索引體系，用以設計一個 e-portfolio 系統。它 整合了雲端運算應用和儲存機制和語意網的 架構，使得語意網的可視化和智慧搜尋機制變 得可行。

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2.4.2 知識本體(Ontology)、工程方法論

本體論，又稱為存在論(哲學)，是形上學的一個基本分支，透過推理、邏輯去研究 無法直接透過感知獲得答案的問題[阮明淑，民 91]。在資訊系統開發設計時，常用來定 義某個領域的知識內容。在資訊領域較被廣泛引用的定義：Borst [1997]提出：「本體論 是將事、物化為一個正式的、共享的概念化的明確規範。」Gomez-Perez 等人[2004]主 張「以框架和邏輯為基礎，表達真實世界的知識脈絡」。Allen and March 等人[2006]把 本體定義成「本體使用現實世界所呈現出的現象來定義構念」。 本體為了定義特定領域中的知識、概念，描述彼此之間的關係，須針對這個領域 進行資料抽象化，再以本體分類方式進行分類，本體構成的元素主要有類別(Class)、 屬性(Property)、實例(Individual)、關係（Relationships）等四個元素組成

。

(1)類別指的是描述特定領域(Domain)中的概念（Concept）。 (2)屬性也可稱為 Attribute，即對物件的描述，可透過屬性來提供各概念間的資訊。 (3)實例又可稱為 Instance，是類別中的實體物件，會繼承類別的所有屬性或關聯性。 (4)建構出知識本體架構後，每個類別的物件間的關係，如 is-a 和 part-of 的關係。 建立知識本體的工程方法論不少，各方法都有不同的概念發展與目的。如以企業 知識管理為核心的 TOVE(Toronto Virtual Enterpise)的方法論 [Gruninger，1995]。完整 說明創建本體的步驟[Noy et al.，2001]。以應用為主的本體發展方法 OTKM(On-To Knowledge Methodology)[Sure et al.，2004]。比較各學者方法論，本文知識本體的建置 以 Noy and McGuinness[2001]建立本體的本體論發展方法較為適用，步驟如下： 步驟一：決定知識本體的領域及其範圍 步驟二：考慮重複使用現存的知識本體 步驟三：列舉領域中的詞彙(Term) 步驟四：定義領域類別、決定類別、子類別的階層關係 步驟五：定義類別的屬性和 Axiom 步驟六：建立知識實例(Instance) 由於上述的本體論方法以完整的案例說明發展步驟、考慮本體重複使用的可能 性，並以採用軟體 Portege 來建置本體文件。因此，本文的語意查詢系統利用該本體論 發展方法，結合前一小節的語意網技術來建立一個數位學習資源本體論的專家系統 [Liao,2005]，詳細的建置步驟說明於第三章系統分析、設計時敘述。

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2.4.3 資源描述架構（RDF/RDF Schema）

資源描述架構（Resource Description Framework，簡稱 RDF）是 W3C 建議使用的 一個描述網際網路的訊息、資源的標記語言，主要功能在描述任何資源，促進各種不 同架構的資源、數據合併。RDF 利用資源(Resource)、屬性(Property)和語句(Statement) 來描述物件彼此間的關係，並提供簡單的語意。說明如下： （1）資源(Resource) RDF 是以統一資源識別標誌(URI)來賦予描述資源的唯一識別，凡是用 RDF 的表 達方式來敘述的事物，皆可稱為資源。資源可以是網頁、文件、HTML、XML 元 素。 (2) 屬性(Property) 是用來描述資源之間的特定關係，如「關聯」關係。每一個屬性也規定了它取值 的領域與範圍。 (3) 陳述(Statement) Statement 是由特定的資源、屬性(Property)及屬性值(Value)所組成的敘述，又稱 為三元組（Triple），其語句結構分別稱為：主詞(Subject)、述詞(Predicate)、受 詞(Object)，用來描述資源及資源之間的關係。 圖 2-7: RDF 三元組資源描述圖（資料來源：W3C,2004） 圖 2-7 是一個簡單的 RDF 三元組的案例圖，RDF 圖形是透過節點（Nodes）與弧線(arcs) 來描述的資源、屬性、值之間的關係。節點代表資源，弧線表示屬性。說明如下： ●主詞：http://www.example.org/index.html，就是一個資源，又可以代表一個物件 ●述詞：http://purl.org/dc/elements/1.1/creator，就是一個資源的屬性。 ●受詞：http://www.example.org/staffid/85740，是一個值，這裡指的是某個對象（約翰· 史密斯），利用 URI 來表示。 另外，RDFS(RDF Schema)是用來描述 RDF 的屬性與類別的語彙，避免 RDF 做出沒 有意義的敘述，它提供了著各領域屬性與類別普遍的規範。

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2.4.4 網路本體語言（Web Ontology Language，簡稱 OWL）

語意網將知識本體（Ontology）建構在 XML、RDF/RDFS 的基礎上，希望經由電 腦或軟體代理人（Software Agent）進行知識本體的判讀。知識本體的語意架構包括更 多語意的詞彙與資源彼此之間的關係，OWL 本體語言則被設計用於那些處理資訊的內 容 ， 添 加 更 多 描 述 屬 性 和 類 別 的 詞 彙 ， 例 如 不 相 交 性 （ disjointness ） 、 基 數 （cardinality）。

2.4.5 SPARQL 查詢語言（SPARQL Protocol and RDF Query Language）

W3C 在 2008 年一月已將 SPARQL 標準化，SPAQRL 是從 RDF 架構中獲得資訊的 一種查詢語言，查詢語法類似關聯式資料庫使用 SQL 來進行查詢。語意網使用 SPARQL 查詢語言來查知識本體論（RDF/OWL）的知識。SPARQL 利用三元組（Triples）的和 匹配（match）的概念來進行查詢。如

Select ?subject ?object

Where { ?subject rdfs:subClassOf ?object }

這一個查詢語法範例，Select 來取得查詢的變數內容，用 Where 來限制查詢條件， Where {}裡面的敘述就是一個三元组（物件-屬性-值）， 表示找到符合這個三元组的 所有資訊。 由於語意網技術的規範眾多，本研究參考屠名正(民 83)所譯之「語意網技術導論」 ，在此僅說明實際使用之相關規範，RDF/RDFS、OWL、SPARQL 等規範的範例，詳細 說明詳見附錄 C。

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第三章 系統分析與設計

中小學校園的數位學習管理系統希望提供師生們一個數位課程編輯及數位學習歷 程的功能 (課程規劃、文件分類、權限設定、語意搜尋 ...)，並能兼顧同儕學習需求 (討論、回饋、問卷 ...) 的數位學習網站，本論文第二章已針對中小學數位學習的背 景、知識與語意網的技術，提出相關性的介紹與探討。第三章將進一步針對本校的數 位學習環境做完整的主要系統架構說明。本章將開發設計一套語意網查詢系統來支援 數位學習歷程平台，讓學生呈現個人的數位學習履歷及作品集時，更能利用此語意查 詢系統有效降低師生知識擷取的負荷，幫助師生解決校務行政、數位學習的問題。

3.1 校園數位資訊管理系統架構

本校的主要系統架構如圖 3-1 所示。 圖 3-1：校園數位資訊管理系統流程圖

25 在圖 3-1 中，包含了本校目前架設的校務行政、課程管理、數位學習歷程系統等。 各系統使用對象權限的說明與系統間的資訊交換流程，以下各小節將分別以案例圖、 活動圖作更詳細的說明。

3.1.1 學生帳號、獎勵、活動各系統資料互動案例

本論文開發語意查詢系統支援數位學習歷程平台之研究中，如圖 3-2 所示，將輸入 校務行政系統所提供學生的學籍、獲獎、工讀資料，另外架設開放原始碼的課程管理 平台 Moodle 和數位學習歷程平台 Mahara 搭配 Google 雲端服務，導入師生的資訊課程 教學活動當中。 圖 3-2：校園數位資訊管理系統-UML 案例圖 而為了提昇資訊課程教學的成效，本研究將開發一個利用語意網技術所建構的資 訊教育知識本體語意查詢系統。這個系統主要提供師生能在數位環境學習時，倘若遇 到課程內容問題，能夠快速、便利的查詢出相關的教學資源，來降低學習負荷。而語 意查詢系統的詳細架構在稍後 3.2 章節會詳加說明。

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3.1.2 Mahara、Moodle 系統與 Google 雲端服務的單點登錄

如圖 3-1 所示，教師授課時，主要會使用好幾個平台，為了簡化使用者在帳號管理 上的困擾，本研究採用 OpenID 的作法來因應。我們利用電腦課的「Google 服務應用教 學」，讓師生先申請 Google 帳號，並以此帳號來作為 Moodle 和 Mahara 平台的通用帳 號，可讓師生都能透過單一帳號來使用前述的數位學習管理系統。另一方面，我們也 要啟用 Moodle 和 Mahara 帳號的單點登錄功能(Single sign on)，才能達到上述的功能。

接下來，我們透過活動圖 3-3 來說明如何讓學生在數位學習平台與 Google 雲端服 務進行學習活動。首先學生先連結至本校的校務行政平台（Joomla+全誼），有三個系 統選項可點選，後續流程說明如下： （1）進入 Mahara 系統進行建置或更新學生個人的履歷（參與活動、得獎、工讀）及上 傳個人的作品做展示。 （2）點選 Moodle 課程管理平台，進入搜尋課程。  可選擇新課程或者進行舊課程的測驗及作業的繳交。也可以從 Moodle 的帳號 轉入 Mahara 系統進行前述相同流程。 （3）可直接進入 Google 文件的雲端倉儲來整理個人的數位學習歷程檔案。 圖 3-3：校園數位資訊管理系統-UML 活動圖

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3.2 語意查詢系統的架構

從上一段的活動圖，我們可以觀察到如果學生在使用相關系統時，發生疑問或者 資訊不足時，他們無法即時獲取解決問題的資訊。因此，為了解決這樣的難題，本小 節我們將導入知識本體論，利用語意網技術開發資訊教育議題之數位學習的教學資源 語意查詢系統，如表 3-1 可提供師生有效率的語意查詢服務，其目的主要提供國小師生 適合的資訊課程相關資訊給系統使用者，用以提昇資訊課程教學成效之參考或同儕學 習的引導說明。下表是本校規劃建置數位學習環境的涵蓋範圍： 表 3-1：研究者服務學校資訊管理系統涵蓋範圍 本校校園數位資訊管理系統 學生資訊應用範圍 校務行政系統：Joomla + 全誼（註） 學生學籍、成績統計、比賽活動、 得獎、 出缺席紀錄 教材編輯管理平台：Moodle 課程資訊、課程範例、作業繳交 數位學習歷程平台：Mahara 個人資訊、作品展示、反思回饋、 同儕 學習 九年一貫重大議題之資訊教育語意查詢系 統：本研究開發 課程資訊語意查詢 註：商業平台

3.2.1 語意查詢系統的分析與設計

在本小節，我們會經由系統分析與設計，依照系統架構的各模組來進行說明，並 呈現完整的語意查詢系統架構圖。本文所開發的重大議題-資訊教育知識本體語意查詢 系統，就是利用語意網技術來建置。語意查詢系統相關的研究，主要是針對特定領域 的資訊進行知識管理，為了讓師生能利用網際網路進行語意查詢，快速找到需要的資 訊。本研究之系統架構主要分為三大部份來提供服務，分別是查詢模組、使用者介面 模組、本體論知識庫。如圖 3-4 所示。我們分別描述如下：

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