Онтологическая модель физической задачи

А.Г. Кравец,
проф, д.т.н., agk@gde.ru,

О.В. Титова,

ассист., titova-vgtu@mail.ru,
ВолгГТУ, г. Волгоград

Аннотация

В результате анализа методической литературы и обучающих программ выяснено, что они не предоставляют связанность всех понятий, необходимых для анализа и поиска решения физической задачи. Решение данной проблемы находится в представлении предметной области в форме онтологии. Проведен анализ физических задач и выделены основные понятия физики, необходимые для решения задач. Все понятия представлены в виде классов, экземпляров и свойств атрибутов экземпляров класса. На основе зависимостей физических понятий определены отношения между классами и/или экземплярами классов. Полученная в результате работы онтология физической задачи является базой знаний, используемых для решения задач.

Abstract

As a result of the analysis of the methodical literature and training programs it is found out, that they do not give coherence of all concepts necessary for the analysis and search of the decision of a physical task. The decision of the given problem is in representation of a subject domain in the form of ontology. The analysis of physical tasks is lead and the basic concepts of physics necessary for the decision of tasks are allocated. All concepts are presented in the form of classes, individuals and properties of attributes of individuals of a class. On the basis of dependences of physical concepts attitudes between classes and-or individuals of classes are certain. Received as a result of work ontology a physical task is the knowledge base, tasks used for the decision.

Неотъемлемой частью обучения физики является практика решения задач. Процесс решения задач требует от обучающегося знания законов физики и методов решения задач. В настоящее время существуют различные методические издания по решению задач. Но книги не предоставляют связанность и структурированность всех понятий, необходимых для анализа и поиска решения любой физической задачи.

Помимо методической литературы по физике разработаны различные программы. Программы, способствующие решению физических задач, можно разбить на три основные группы:

· обучающие программы по физике («Курс физики XXI века», «Репетитор по физике Кирилла и Мефодия», «Открытая физика»);

· моделирующие среды («Interactive Physics», «Виртуальная физика», «VisSim»);

· математические пакеты («Mathematica», «MathLab», «MathCad»).

Обучающие программы по физике содержат примеры решения задач, дают общие рекомендации по решению задачи. Проверка решения в большинстве случаев осуществляется по ответу или шаблону, который не всегда приводит к пониманию сути самой задачи.

Моделирующие среды предоставляют возможность моделировать различные физические процессы и устройства, но аналитического решения задач они не выдают.

Использование математических пакетов требует умения правильно составлять систему уравнений, используемых в решении задачи. Такие пакеты выполняют только математический этап решения задачи. Формализацию условия задачи и анализ задачи пользователь производит вручную.

Общий недостаток программного обеспечения: анализ текста задачи, формализация условия и составление системы уравнений должны производиться пользователем вручную.

Решение данной проблемы находится в представлении предметной области в форме онтологии. Онтология - это система, состоящая из набора понятий и набора утверждений об этих понятиях, на основе которых можно описывать классы, отношения, функции и индивиды [1]. Для разработки онтологии используется программа Protege 4.1, которая поддерживает формат RDF/OWL. Методологию функционального моделирования IDEF0 используем для создания функциональной модели, отображающей структуру и функции системы решения задач, а также потоки информации и материальных объектов, связывающих эти функции [2].

Определен список терминов физики, встречающихся при решении задач. Так как любая задача курса физики содержит информацию об объекте, физическом явлении, физических величинах, поэтому в число важных терминов, связанных с решением задач, входят: физический объект, физическое явление, физическая величина, формула определения физической величины или физического закона, траектория, единица измерения физической величины. Физическим объектом может быть материальная точка, абсолютно твердое тело – диск, стержень, обруч, шар и т.д. Физические явления, рассматриваемые в задачах – механические, тепловые и т.д.

Далее следует разработка иерархии классов и определение свойств понятий (слотов). Начинаем с определения классов. Из списка физических терминов выбираем термины, которые описывают объекты, существующие независимо, а не термины, которые описывают эти объекты. В онтологии эти термины будут классами и станут точками привязки в иерархии классов. Организуем классы в иерархическую таксономию.

Иерархия классов представляет отношение “is-a”: класс А – это подкласс В, если каждый экземпляр В также является экземпляром А. Например, векторная_величина – подкласс класса физическая_величина. Другой способ подхода к таксономическому отношению – это отношение “kind-of”: векторная_величина–вид физической_величины.

Отдельные экземпляры - самые конкретные понятия, представленные в базе знаний. Например, экземплярами класса формула будут формулы, являющиеся определением физической величины и законов.

Классы сами по себе не предоставляют достаточно информации для ответа на вопросы, определенные для онтологии. После определения некоторого количества классов необходимо описать внутреннюю структуру понятий. Термины, которые не являются классами в онтологии, будут свойствами этих классов. Эти термины включают, к примеру, обозначение единицы измерения, множитель. Например, для экземпляра минута определены свойства: обозначение и множитель. Их значения соответственно равны «мин» и «60».

Далее переходим к установлению отношений между классами и/или экземплярами. Чтобы определить какие отношения нужно ввести в онтологию, нужно обратиться к предметной области исследования. В нашем случае – это теоретический материал курса физики и методы решения задач. В любой физической задаче рассматривается какое-либо физическое явление, имеется физическое тело и физические величины. Эти понятия (концепты) связаны между собой. Физическое тело или объект участвует в физическом явлении, явление сопровождается изменением физических величин. Физические величины связаны между собой в формуле физического закона и/или определения физической величины. В онтологии классы физическая величин, формула, физическое явление и объекты связаны между собой. Такой тип связи называется функциональным, и обычно определяется глаголами. В нашем случае используем отношения содержится_в_формуле, имеет_величину, участвует_в. Выражение на естественном языке «в формулу частоты обращения входит период обращения» в RDF-терминологии получаем утверждение «период_обращения содержится_в_формуле определения_частоты_обращения»

Множество, полученных в результате установления связей RDF‑утверждений, образует ориентированный граф, в котором вершинами являются классы и экземпляры, а рёбра помечены отношениями. На рисунке представлена часть онтологии физической задачи.

рис. Часть онтологии физической задачи

Из списка физических терминов выбраны термины, которые описывают объекты, существующие независимо. В онтологии эти термины называются классами и являются точками привязки в иерархии классов. Все классы находятся в определенных связях с другими классами. Полученная онтология характеризуется тем, что она содержит метаданные, т.е. данные о данных.

Таким образом, полученная онтология физической задачи формально описывает кортежами вида

(1)

где C — понятия (классы), I — экземпляры, c_i Î C, c_j Î I,

L- словарь: L^C È L^PÈ L^A,ÈL^VA, P: C´C – отношения,

А: C´L^VA – атрибуты,

F: L^C®C, G:L^P®P, pÎP, p(c_i,c_j): c_i – домен (domain), с_j – диапазон (range).

Структура онтологии представлена семантической сетью - ориентированным графом, вершинами которого являются понятия (классы) и экземпляры, а ребра отражают семантические отношения между понятиями и/или экземплярами. Классы и экземпляры имеют свойства (атрибуты).

Определены основные концепты (понятия) предметной области - физики, необходимые для решения физических задач, понятия представлены в виде классов и свойств атрибутов экземпляров класса, построена иерархическая таксономия классов, определены отношения между классами и/или экземплярами классов. Полученная в результате работы онтология является базой знаний предметной области - физики для решения физических задач.

Литература

1. Кузнецов, О.П. Онтология как систематизация научных знаний: структура, семантика, задачи [Электронный ресурс] /О.П.Кузнецов, В.С. Суховеров, Л.Б. Шипилина/, – http://www.twirp.com/file/388700/ - 2011.

2. Кравец, А.Г. Моделирование процесса решения задач по физике /А.Г. Кравец, О.В. Титова // Открытое образование. - 2011. - № 2. С. 76-79