O quarto módulo trata da importância da utilização de métodos sistematizados no processo de modelagem de ontologias na educação. Também exemplifica esse procedimento através do uso da metodologia MetOntoEdu.
Metodologia MetOntoEdu
Metodologia MetOntoEdu
METONTOEDU - ADAPTAÇÃO DA METODOLOGIA
A MetOntoEdu, Metodologia introdutória para a modelagem de Ontologias na Educação, compreende seis etapas ou passos para a modelagem de uma ontologia que consideram as três orientações fundamentais de Noy e Mcguinnes (2001). Cada passo será descrito aqui em conjunto com um exemplo de modelagem da ontologia de domínio para competências na educação OntoCompEdu, apresentada em Simon (2018).
Primeiro passo - determinar o domínio e o escopo da ontologia
Deve ser determinado o domínio e o escopo da ontologia, através da resposta quatro a questões pré-definidas, chamadas por Noy e Mcguinnes (2001) de “questões de competência”. Ao respondê-las é necessário que se tenha em mente que a ontologia deve conter informações suficientes para responder esse tipo de pergunta. Da mesma forma, deve-se considerar também qual o nível de detalhe ou representação de um determinado domínio que as respostas requerem. As quatro perguntas e as respostas oferecidas em Simon (2018) são apresentadas a seguir.
Primeira pergunta: qual é o domínio que a ontologia irá cobrir?
Deve cobrir o domínio de competências de acordo com o modelo proposto por Behar et al. (2013). Seguindo esse modelo, a ontologia deve apresentar potencial para a representação de qualquer competência específica.
Segunda pergunta: para o que a ontologia será utilizada?
A sua proposta é a representação do modelo de competências proposto por Behar et al. (2013) e a de recomendação de competências específicas a serem associadas a atividades de ensino ou Objetos de Aprendizagem em Sistemas de Recomendação de OAs. Busca-se com esse objetivo: apoiar professores e alunos usuários de SRs na compreensão a respeito dos elementos que compõem as competências de uma forma geral e cada competência específica; auxiliar professores na vinculação de competências a atividades de ensino e OAs no sistema.
Terceira pergunta: para quais tipos de perguntas as informações na ontologia devem fornecer respostas?
As perguntas que a ontologia inicialmente modelada deve ser capaz de responder são essencialmente quatro, dizendo respeito a: quais competências específicas que se relacionam a certos elementos fornecidos; quais elementos que estão presentes em uma dada competência; quais competências possuem uma ou mais palavras-chave requisitadas; quais palavras-chave estão presentes em uma dada competência. Tais palavras-chave serão fornecidas com base em OAs ou atividades de ensino para os quais busca-se vincular competências.
Quarta pergunta: quem vai usar e manter a ontologia?
A sua utilização e manutenção será realizada pelos pesquisadores associados à pesquisa descrita neste projeto de dissertação. A ontologia é disponibilizada publicamente, possibilitando que outras pessoas e grupos de pesquisa a utilizem em seus projetos, ampliando-a ou adaptando-a a sua reutilização.
Segundo passo - considerar a reutilização de ontologias
Deve ser realizada a análise para reutilização de ontologias. São avaliadas as ontologias existentes e a possibilidade da reutilização das mesmas na nova modelagem.
A proposta da ontologia como modelo para organização e compartilhamento de conhecimento está associada ao seu potencial de reutilização por diferentes usuários, organizações, projetos e grupos de pesquisa. Sendo assim, é importante que se considere em seu processo de modelagem fatores que facilitem a sua reutilização, tais como: a assimilação, parcial ou integral, de ontologias já modeladas e utilizadas no domínio considerado; a possibilidade da aplicação da sua estrutura em diferentes contextos; a descrição do modelo em mais de um idioma, considerando a importância da presença da língua inglesa; a clareza em sua hierarquia e definições; entre outros. Cabe a esse passo a abordagem desses fatores.
Na modelagem exemplo foi realizada a pesquisa em publicações acadêmicas buscando ontologias para o domínio de competências. Aproximam-se da sua proposta os trabalhos de Paquette (2015) e de Bouras e Zainal (2016). Entretanto, devido às diferenças no modelo de competências utilizado e a necessidade de alterações nas classes em decorrência dessas diferenças, não se mostrou prático a reutilização dessas ontologias.
Terceiro passo - enumerar termos importantes da ontologia
Deve ser criada uma lista com todos os termos que possuirão definições na ontologia e que devem se explicados aos seus usuários. A listagem desses termos deve considerar questões como: as entidades que a ontologia deve apresentar; as características que essas entidades devem possuir; o que deve ser dito sobre elas. Neste passo não é necessário se preocupar com os relacionamentos entre essas entidades e se um termo deve ser considerado como uma classe ou uma propriedade, por exemplo.
No exemplo proposto, os domínios, as competências gerais e específicas e os elementos que compõem o CHA, se relacionam através de propriedades da ontologia. Possuem ainda atributos que dizem respeito ao seu nome de apresentação, sua definição e palavras-chave associadas.
Os termos que dizem respeito apenas a uma ou outra competência específica não farão parte da estrutura desta ontologia, podendo fazerem-se presentes como instâncias das classes definidas nos passos seguintes. Os termos adotados são: domínio, competência geral, competência específica, conhecimento, habilidade, atitude; nome; definição; palavra-chave.
Quarto passo - definir as classes e a sua hierarquia
Devem ser definidas as classes e a sua hierarquia, através das respostas obtidas nos passos anteriores. Existem diversas abordagens para a definição da hierarquia taxonômica das classes na ontologia. São citadas aqui três delas:
1 - cima-baixo – o processo de cima para baixo começa com a definição dos conceitos mais gerais no domínio e posterior especialização dos conceitos;
2 - baixo-cima – o processo de baixo para cima começa com a definição das classes mais específicas, as folhas da hierarquia, com subsequente agrupamento dessas classes em conceitos mais gerais;
3 - combinação – nesse processo se realiza uma combinação das abordagens de cima para baixo e de baixo para cima, defindo-se primeiro os conceitos mais expressivos e, em seguida, generalizando e especializando-os adequadamente.
Para Noy e Mcguinnes (2001) não há uma abordagem superior às outras. A escolha dependerá da forma como usuários da metodologia que realizarem o modelamento da ontologia entendem o domínio do conhecimento relacionado. A abordagem de combinação tende a ser mais simples para muitos desenvolvedores de ontologias, visto que os conceitos do nível médio tendem a ser os mais descritivos do domínio.
Independente da abordagem adotada, a criação da hierarquia taxonômica geralmente inicia-se definindo classes. Da lista criada no terceiro passo, selecionam-se termos que indicam objetos independentes ao invés dos que descrevem esses objetos. Os selecionados consistirão nas classes da ontologia e a sua relevância definirá a hierarquia.
A modelagem apresentada utilizou a abordagem cima-baixo, que consiste na definição dos conceitos mais gerais do domínio e na sua especialização através da criação de subclasses. Na Figura 1 é apresentada a hierarquia taxonômica de classes, construída através do software Protégé. A primeira classe da hierarquia é a owl:Thing, uma classe genérica comum às ontologias modeladas utilizando-se a linguagem OWL. Todas as outras classes consistem assim em subclasses da owl:Thing.
Seguindo a ordem hierárquica, têm-se as classes: Dominio; CompetenciaGeral, CompetenciaEspecifica; e as quatro classes irmãs Conhecimento, Habilidade, Atitude e PalavraChave. É importante salientar que a identificação das classes é realizada no singular, pois representa diretamente o conceito, e não as diferentes instâncias que serão associadas a ele. Cada instância criada no passo seis consiste em um representante desse conceito.
Quinto passo - definir as propriedades das classes
Devem ser descritas as características das classes, definindo-se as suas propriedades. São explicitados os atributos ou relacionamentos das propriedades, bem como os tipos de valores que podem ser aceitos, a sua quantidade, e outras regras relativas a elas.
De forma a responder as perguntas de competência do primeiro passo, além da definição das classes, é necessário descrever a estrutura interna dos conceitos que elas representam. Após a seleção dos termos da lista do terceiro passo referentes às classes, a maior parte dos termos restantes deve dizer respeito à propriedades dessas classes.
Cada propriedade pode ser do tipo atributo ou relacionamento, que deve estar presente na lista e ser associado a uma classe. Existem vários tipos de atributos e relacionamentos de objetos que podem compor uma propriedade:
1 - intrínsecas – propriedades internas ao objeto que compõe a classe;
2 - extrínsecas – propriedades externas ao objeto que compõe a classe, relacionadas a outros objetos;
3 - partes – se é um objeto estruturado, com diferentes partes, físicas ou abstratas;
4 - relacionamentos – se a classe se relaciona com uma ou mais classes.
As propriedades de uma classe pertencerão também a todas as suas subclasses. Portanto, deve-se associar a propriedade à classe de mais alta hierarquia que a possui. Os resultados obtidos neste passo podem ser apresentados através de uma tabela contendo quatro colunas: a propriedade; o seu tipo, indicando se consiste em um atributo ou relacionamento e, se atributo, que tipo de valor receberá, podendo se tratar de uma string, número, booleano, ou valores pré-definidos; o domínio, ou sujeito, que consiste nas classes as quais a propriedade estará associada; a variedade, ou objeto, ou seja, a classe a qual um relacionamento realiza uma conexão com as classes no domínio ou a descrição de um valor associado ao um atributo.
Neste passo é interessante retomar a definição que considera a ontologia como um conjunto de triplas, formadas cada uma por um sujeito, um predicado e um objeto. O sujeito, nessa tabela, é representado pelas classes do domínio da propriedade. O predicado é a propriedade em si. O objeto diz respeito à classe ou ao valor indicados na coluna variedade.
A descrição em detalhes de todas as propriedades das classes do exemplo utilizado aqui é apresentada na Tabela 1. Já a Figura 2 apresenta as informações contidas na tabela 1 com outra proposta gráfica.
Cada coluna da Tabela 1 apresenta respectivamente: a identificação da propriedade; o tipo de valor que deve receber; o domínio, que indica uma ou mais classes a qual essa propriedade pode estar associada; a variedade de valores ou classes que podem ser associados à propriedade. Na Figura 2, as caixas azuis representam os relacionamentos e as amarelas os atributos. As roxas indicam o tipo de valor que essas propriedades devem receber. Já as caixas verdes indicam as classes e as cinzas determinam variedade de informações que podem ser associadas a elas.
É possível diferenciar uma entidade, ou classe, um relacionamento e um atributo através do termo que os identificam. A identificação das classes inicia-se com letra maiúscula. Para os relacionamentos, optou-se pela utilização do prefixo “tem” para a conexão com subclasses e do prefixo “eh” com o sufixo “De” para superclasses. Os atributos não receberam prefixos ou sufixos. A nomenclatura e a estrutura desses elementos são baseadas em indicações de boas práticas presentes na produção acadêmica consultada, como o artigo de Noy e Mcguinnes (2001) e as diretivas do projeto Open Semantic Framework.
Todas as classes possuem um atributo “nome”, que indica o nome com o qual cada uma de suas instâncias é apresentada aos usuários da ontologia. Possuem um atributo extra, “definição”, que permite ao sistema que utilizar a ontologia recuperar um texto explicativo que define a instância. As quatro classes “Conhecimento”, “Habilidade”, “Atitude” e “PalavraChave” não possuem esse segundo atributo devido à consideração de que o nome de cada uma de suas instâncias deve representar e definir o conceito como um todo.
Entre os relacionamentos definidos, foram ainda determinados seis pares inversos. Cada par garante que as instâncias associadas ao sujeito e ao objeto de um relacionamento se tornem, respectivamente, objeto e sujeito do outro. Essa propriedade facilita o preenchimento de instâncias na ontologia. Como exemplo pode ser considerada a associação de sete instâncias da classe “competenciaEspecifica” a uma instância da classe “competenciaGeral” através do relacionamento “ehCompetenciaEspecificaDe”. Utilizando a propriedade inversa não se faz necessário efetuar as sete associações contrárias através do relacionamento “temCompetenciaEspecifica” se eles forem pares, já que um mecanismo de inferência utilizado no software Protégé as realizará automaticamente. A Tabela 2 apresenta os cinco pares de relacionamentos inversos.
A representação gráfica da OntoCompEdu, com os relacionamentos entre as classes na modelada com o Protégé, são apresentados na Figura 3. Cada retângulo representa uma classe e cada seta conectando os diferentes retângulos consiste em uma propriedade do tipo relacionamento. Um quadro com as legendas associando cada relacionamento a sua respectiva cor também se faz presente. Os atributos não são exibidos na figura devido a uma limitação da ferramenta OntoGraf.
Sexto passo - criar as instâncias
No último passo deve ser realizada a criação das instâncias individuais das classes na hierarquia. Para se definir uma instância de uma classe são necessários três passos: (1) escolher a classe, (2) criar uma instância dessa classe e (3) preencher os valores de suas propriedades.
No exemplo utilizado, a definição das classes e das suas propriedades foi realizada como base no modelo proposto por Behar et al. (2013), sem restrição a domínios específicos de competências. As instâncias adicionadas neste passo, entretanto, são baseadas no trabalho de Silva (2018), que mapeia as competências digitais. Em seu modelo, a autora mapeia 14 competências específicas pertencentes a 3 gerais, no domínio tecnológico. Foram também criadas instâncias para palavras-chave associadas a cada competência específica, com base em suas descrições. As propriedades de cada instância foram preenchidas conforme descrito na Tabela 1.
Para a validação da nova ontologia foram inseridas as instâncias relativas aos 4 domínios e às 3 competências gerais, 14 competências específicas, 10 elementos de CHA e 13 palavras-chave. As instâncias das classes “Conhecimento”, “Habilidade” e “Atitude” foram inseridas para uma das competências específicas. Para tanto, foram adicionadas instâncias de palavras-chave referentes a cinco competências.
A Figura 74 apresenta as instâncias para os quatro domínios propostos por Behar et al. (2013), as três competências digitais e catorze específicas mapeadas por Silva (2018). As instâncias para as palavras-chave definidas e dos conhecimentos, habilidades e atitudes incluídas são exibidas na Figura 4, em conjunto com as suas respectivas competências específicas. A escolha dessas cinco competências em detrimento das outras mapeadas não foi definida por nenhum critério prévio, servindo apenas ao teste da ontologia.
Referências
BEHAR, P. A. et al. Competências em Educação a Distância. 1. ed. Porto Alegre: Penso, 2013.
NOY, N. F.; MCGUINNESS, D. L. Ontology Development 101: A Guide to Creating Your First Ontology. [s.l: s.n.]. Disponível em: http://protege.stanford.edu/publications/ontology_development/ontology101.pdf.
SILVA, K. K. A. DA. MODELO DE COMPETÊNCIAS DIGITAIS EM EDUCAÇÃO A DIST NCIA : MCompDigEAD UM FOCO NO ALUNO. [s.l.] UFRGS, 2018.
SIMON, A. Ontologias na educação: uma proposta de aplicação em sistemas de recomendação. 2018. Dissertação (Mestrado em Educação), Programa de Pós-Graduação em Educação, Faculdade de educação, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2018.
