Een twee-laags model-driven Semantic Web-applicatie in het onderwijsdomein.

45 Pages·2017·1.54 MB·Dutch

Een twee-laags model-driven
Semantic Web-applicatie
in het onderwijsdomein.

Het ontwikkelen van een rubric-systeem.

Student: Henk Langbroek
Identiteitsnummer: 838933170
Datum rapport: 08-08-2017
Datum presentatie: 21-09-2017
Een twee-laags model-driven
Semantic Web-applicatie
in het onderwijsdomein.

Het ontwikkelen van een rubric-systeem.

A two-layer model-driven
Semantic Web-application
in education.

Developing a rubric-system.

Opleiding: Open Universiteit, faculteit Management, Science & Technology
Masteropleiding Business Process Management & IT
Programme: Open University of the Netherlands, faculty of Management, Science &
Technology
Master Business Process Management & IT

Cursus: IM9806 Afstudeertraject Business Process Management and IT

Student: Henk Langbroek
Identiteitsnummer: 838933170
Datum: 20-06-2017
Afstudeerbegeleider Lloyd Rutledge
Meelezer Anda Counotte
Examinator Stef Joosten
i
Korte Samenvatting.
Dit onderzoek gebruikt model-driven programmeren om op basis van een model (semi)
automatisch een applicatie te maken. Het specifieke van dit onderzoek is dat deze cyclus,
van ontwerp naar applicatie, twee keer wordt uitgevoerd doordat gewerkt wordt met een
twee laags model. In de eerste laag gebruikt dit model een formulier dat vervolgens een
tweede formulier genereerd met de specifieke interface voor de eindgebruiker.
Voor het onderzoeken van de werkwijze via een twee laags model is gekozen voor een case
uit het educatieve domein in de vorm van een rubric-systeem. Een rubric biedt een manier
om het werk van de leerlingen te beoordelen. De case wordt ontwikkeld met Semantic
Web-technieken en standaarden zoals OWL en RDF. Vanuit het OWL-ontwerp kan FForms
automatisch formulieren genereren op een Semantic Mediawiki. Daarom is voor deze
omgeving gekozen als ontwikkel platform.
De methode van het gebruiken van een twee laags model is succesvol, in pseudo code,
gebruikt bij de rubric-case. Deze methode kan ook in andere domeinen worden toegepast
waarbij een generiek model wordt ingevuld dat vervolgens als invoer dient voor het
genereren van het specifieke formulier.
Keywords: Model-driven, Semantic Web, OWL, RDF, FForms, rubric.

SUMMARY.
This research uses model-driven programming to automatically create an application based
on a model. The specificity of this research is that this cycle, from design to application, is
performed twice by working with a two-layer model. In the first layer, this model uses a
form that then generates a second form with the specific end user interface.
To investigate the method of a two-layer model, a case has been chosen from the
educational domain in the form of a rubric system. A rubric provides a way to rate the
students' work. The case is developed with Semantic Web techniques and standards such as
OWL and RDF. From the OWL design, FForms can automatically generate forms on a
Semantic Mediawiki. Therefore, this environment has been chosen as a developed platform.
The method of using a two-layer model is successful, in pseudo code, used by the rubric
case. This method can also be applied in other domains, completing a generic model that
then serves as input for generating the specific form.

Keywords: Model-driven, Semantic Web, OWL, RDF, FForms, Rubric.

ii
LANGE SAMENVATTING.
Dit onderzoek gebruikt model-driven programmeren om een systeem te ontwikkelen
waarbij gebruik wordt gemaakt van Semantic Web-technieken. Als case is gekozen voor het
ontwerpen van een rubric systeem dat wordt aangeboden op een Semantic Media Wiki. Een
rubric is een beoordelingsmodel dat is opgebouwd uit verschillende criteria waarmee de
docent het werk van de leerling waardeert. De keuze voor een rubric als case is gebaseerd
op een aantal redenen. Een belangrijk argument is dat het gebruik van rubrics in het
onderwijs steeds meer gemeengoed wordt. Bovendien gaan onderwijs en SMW goed
samen. Tenslotte wordt het maken van applicaties op een Semantic MediaWiki genoemd als
kansrijke nieuwe ontwikkelmethode.
Het doel van het onderzoek is niet een werkend rubric-systeem op te leveren maar deze
case biedt de mogelijkheid om het gebruik van Semantic Web-technieken te onderzoeken.
De start van het onderzoek is een artikel waarin Panulla een OWL-ontwerp (Web Ontology
Language) beschrijft van een rubric. Bestudering van dit ontwerp heeft geleid tot een aantal
kleine aanpassingen. Het aangepaste ontwerp wordt in deze studie gebruikt.
Via model-driven development moet het OWL-ontwerp worden omgezet tot formulieren op
een Semantic MediaWiki. Hiervoor wordt de tool FForms gebruik. Deze tool is ontwikkeld
door studenten van de OU, onder leiding van Lloyd Rutledge, en is in twee artikelen
beschreven. Toepassing van deze tool toont dat een OWL-ontwerp met een paar
muisklikken bruikbare formulieren genereert met hier en daar wat minpunten.
Het specifieke van dit onderzoek is dat deze cyclus, van OWL naar formulieren, twee keer
wordt uitgevoerd. Dit ‘twee laags’ model is nodig omdat een docent die een rubric
definieert aansluitend deze definitie moet omzetten tot invulformulieren van de rubric
waarmee het werk van de leerling gewaardeerd kan worden. In pseudo-code wordt hier een
werkwijze voor geboden. De noodzaak om te werken met een twee-laags model is niet
uniek voor deze case maar kan ook nodig zijn bij andere cases.
De conclusie is dat via de beschreven werkwijze een rubric systeem ontwikkeld kan worden.
Het systeem blijft echter achter bij rubric-systemen uit de praktijk. Eén oorzaak hiervan is
dat FForms geen formulieren genereert met keuzelijsten wat de invoer zou vereenvoudigen.
Bij de ontwikkeling van FForms was de doelstelling om gebruik te maken van een ontologie.
Bij het programmeren is dit echter niet volledig doorgevoerd. Hierdoor kan de ontologie
niet worden aangepast wat tot gevolg heeft dat geen extra opties gebruikt kunnen worden,
zoals keuzelijsten. De conversie is beperkt tot de ingebouwde opties.
Een aanbeveling voor verder onderzoek is om het werken met Semantic MediaWiki beter te
ondersteunen en toegankelijker te maken bijvoorbeeld met goede tutorials. FForms biedt
een eerste opzet voor het eenvoudig genereren van formulieren. Het is een aanbeveling om
de tool opnieuw te ontwerpen zoals beschreven is in het artikel. De gebruiker kan dan zelf
de ontologie aanpassen en daarmee nieuwe opmaakkenmerken toevoegen.

iii
Dankwoord.
Om te kunnen werken als docent informatica in de bovenbouw HAVO/VWO is een master
nodig. Vijf jaar geleden heb ik gekozen voor het BPM&IT-traject.
De pré studie en de vakken gingen voorspoedig. Dit kwam ook door de samenwerking met
Ealse in Leeuwarden, later met Elise in Eindhoven en vooral omdat ik mijn studie maatje
Jorrit had.
Ik ben blij met het onderwerp dat mijn begeleider Lloyd Rutledge aanbood. Het gaf me de
kans om met een onderwijs-onderwerp aan de slag te gaan en heel veel nieuwe technieken
te onderzoeken. Ondanks onze wederzijdse (spraak)verwarringen hebben we het toch maar
mooi gered, bedankt!
Dank ook aan Anda Counotte, die als tweede lezer de procedure bewaakte en ook steeds
heeft meegelezen.
Zonder de onvoorwaardelijke steun van mijn vrouw was het nooit gelukt. Zij had misschien
nog meer last van de tegenslagen dan ikzelf.
Ook dank aan het magische trio “L-S-D” die veel slimmer zijn dan ikzelf en mij de kans gaven
om ideeën door te spreken en te ‘sparren’.
Het is geweldig dat het CarmelCollege Salland mijn studie mogelijk maakte. Heel fijn hoe
mijn leidinggevende, Arnoud Spanjer, met mij meeleefde, vertrouwen gaf en begrip toonde.
Ineke Heil heeft me door de opleiding gesleept. Haar peptalks en de vele e-mails had ik echt
nodig!

iv
Inhoudsopgave

Abstract Nederlands, Engels. .................................................................................................................. ii
Lange Samenvatting. .............................................................................................................................. iii
Dankwoord ............................................................................................................................................. iv
Inhoudsopgave ........................................................................................................................................ v
1. Introductie. ..................................................................................................................................... 1
1.1. Inleiding ................................................................................................................................... 1
1.2. Vraagstelling............................................................................................................................ 2
1.3. Onderzoekmodel..................................................................................................................... 2
1.3.1. Conceptueel schema. ...................................................................................................... 2
1.3.2. Toelichting onderzoekontwerp ....................................................................................... 3
1.4. Centrale vraag en deelvragen. ................................................................................................ 3
1.5. Validiteit. ................................................................................................................................. 4
1.6. Betrouwbaarheid. ................................................................................................................... 4
1.7. Relevantie. .............................................................................................................................. 4
1.8. Zoekstrategie. ......................................................................................................................... 5
2. Literatuurstudie .............................................................................................................................. 6
2.1. Leeswijzer literatuuronderzoek .............................................................................................. 6
2.2. Deel 1: Rubric en onderwijs. ................................................................................................... 6
2.2.1. Verschillende soorten rubrics. ........................................................................................ 6
2.2.2. Rubric van Andrade. ........................................................................................................ 7
2.2.3. Toepassing in het onderwijs. .......................................................................................... 7
2.2.4. Voordelen rubric. ............................................................................................................ 7
2.2.5. Rubrics in het Nederlandse onderwijs. ........................................................................... 8
2.2.6. Rubric tools. .................................................................................................................... 8
2.2.7. Beschrijving rubric tools. ................................................................................................. 9
2.2.8. Feedback. ........................................................................................................................ 9
2.3. Deel 2: Semantic Web-technieken. ......................................................................................... 9
2.3.1. Semantic Web. ................................................................................................................ 9
2.3.2. Wikipedia. ..................................................................................................................... 10
2.3.3. Semantic Web. .............................................................................................................. 11
2.3.4. Semantic Web. .............................................................................................................. 12
2.3.5. Voordelen van Semantic Web-technieken. .................................................................. 12
v
2.3.6. Voorbeeld toepassing Semantic Web en onderwijs. .................................................... 12
2.4. Deel 3: Ontologie en Semantic Web-technieken. ................................................................. 14
2.4.1. Rubric Ontologie. .......................................................................................................... 14
2.4.2. Model-driven development. ......................................................................................... 14
2.4.3. Standaarden. ................................................................................................................. 14
2.4.4. Fresnel. .......................................................................................................................... 15
2.4.5. Keuze voor Semantic MediaWiki. ................................................................................. 16
2.5. Model-driven development. ................................................................................................. 17
3. Uitvoering en resultaten. .............................................................................................................. 18
3.1.1. Vereisten rubric. ............................................................................................................ 18
3.1.2. Van OWL naar SMW via FForms. .................................................................................. 19
3.4.1. Beantwoording deelvragen ........................................................................................... 20
3.4.2. Deelvraag 1, het OWL-ontwerp van Panulla. ................................................................ 20
3.4.3. Conclusie Panulla. ......................................................................................................... 21
3.4.3. Deelvraag 2. Twee-laags model. ................................................................................... 22
3.4.4. Invulling OWL specifieke rubric..................................................................................... 22
3.4.1. Naamgeving twee-laags model. .................................................................................... 23
3.4.1. Uitwerking voorbeeld. .................................................................................................. 23
3.5. Conclusie model-driven twee-laags model. .......................................................................... 26
3.5.1. Productiviteit. ................................................................................................................ 26
3.5.2. Conclusies productiviteit. .............................................................................................. 27
4. Conclusies en aanbevelingen ........................................................................................................ 28
4.1. Resultaten deelvragen. ......................................................................................................... 28
4.2. Conclusies. ............................................................................................................................ 29
4.3. Aanbevelingen verder onderzoek ......................................................................................... 29
4.4. FForms met extra opties. ...................................................................................................... 30
4.4.1. Alsnog keuzelijsten toevoegen. .................................................................................... 30
4.4.1. Aanbeveling FForms. ..................................................................................................... 33
5. Reflectie ........................................................................................................................................ 34
6. Referenties .................................................................................................................................... 35

vi
Lijst met figuren
Figuur 1 conceptueel onderzoekontwerp ............................................................................................... 2
Figuur 2 rubric naar andrade .................................................................................................................. 7
Figuur 3 infobox wikipedia .................................................................................................................... 10
Figuur 4 semantic webstack. ................................................................................................................. 11
Figuur 5 semi-automatic item generation (bron foulonneau, 2012). ................................................... 13
Figuur 6 uml-schema rubric panulla. .................................................................................................... 14
Figuur 7 rdf-graph en rdf/xml van eric miller. ...................................................................................... 15
Figuur 8 fresnel (pietriga e.a., 2006). .................................................................................................... 16
Figuur 9 van owl naar swm-formuliern. ................................................................................................ 19
Figuur 10 panulla origineel (links) en aangepast (rechts). .................................................................... 21
Figuur 11 objecten en data owl ontwerp.............................................................................................. 22
Figuur 12 owl-ontwerp rubric. .............................................................................................................. 22
Figuur 13 van owl naar smw stap 1 ow bepaalt de formulieren. ......................................................... 24
Figuur 14 formulier voordracht. ........................................................................................................... 24
Figuur 15 omzetting zoeken vervangen via xml-file. ............................................................................ 25
Figuur 17 ingevulde rubric. ................................................................................................................... 26
Figuur 17 tonen score en feedback leerling.......................................................................................... 27
Figuur 18 schema fforms. bron: abi thomas brenninkmeijer en tim zwanenberg ou. ........................ 30
Figuur 19 opties fforms. ........................................................................................................................ 31
Figuur 20 fforms selectie delimiter. ...................................................................................................... 31
Figuur 21 fforms en mandatory. ........................................................................................................... 32
Figuur 22 voorbeeld dropdown creatie. ............................................................................................... 33

vii
1. Introductie.
1.1. Inleiding
Deze studie onderzoekt hoe met model-driven programmeren een applicatie ontwikkeld
kan worden. Het start met een OWL-ontwerp dat met behulp van FForms wordt omgezet
tot formulieren die op een Semantic MediaWiki gebruikt worden. Semantic MediaWiki biedt
hiervoor een interface-model. Het omzetten van een OWL-file tot formulieren is beschreven
in het artikel ‘From Ontology to Semantic Wiki’ (Rutledge 2016). Dit artikel vormt de basis
van dit onderzoek. Het onderzoek richt zich op het toepassen van model-driven
programmeren in combinatie met het gebruik van Semantic Web-technieken. Hierbij wordt
gebruik gemaakt van de standaarden OWL, RDF en XML.
Het onderzoek wordt uitgevoerd door het ontwikkelen van een applicatie. Als case is
gekozen voor een rubric-systeem, een onderwerp uit het educatieve domein. Het is een
misverstand dat een case geen algemene conclusies kan opleveren (Flyvbjerg, B. 2006). Een
rubric is een manier om het werk van leerlingen te beoordelen (Andrade, H. G. 2000).
Rubrics zijn actueel omdat deze aansluiten bij de 21 -eeuwse vaardigheden (Rusman, e.a.
2014). Een rubric is een beoordelingsmodel dat is opgebouwd uit verschillende criteria met
een variabel aantal niveaus waarmee de docent het werk van de leerling waardeert. Een
belangrijke reden voor de keuze van deze case was het artikel dat het ontwerp van een
rubric definieert in UML en OWL (Panulla, B., & Kohler, M. 2010). Tenslotte speelt ook mee
dat onderwijs en Semantic MediaWiki een goede combinatie vormen (Kaur, G., &
Chaudhary, D. 2015) en wordt het ontwikkelen met Semantic Web-technieken aanbevolen
als de nieuwe ontwikkelmethode (Cardoso & Pinto 2015).
Het onderzoek legt eerst uit hoe een rubric is samengesteld die als case wordt gebuikt.
Vervolgens wordt beredeneerd welke onderdelen van het OWL-ontwerp van Panulla
worden gebruikt, welke juist niet en wat nog ontbreekt in het model.
Kort wordt getoond hoe de conversie van OWL tot formulieren plaatsvindt. Deze omzetting
werkt alleen bij een specifiek ontwerp, in deze case een ontwikkelde rubric met ingevulde
criteria. Bij een ontwerp met een generieke beschrijving werkt deze methode niet in één
stap. Dit wordt opgelost met een twee-laags model waarbij een generiek ontwerp eerst
wordt omgezet in een specifiek model. Als dit geslaagd is wordt aansluitend het specifieke
model omgezet in de gewenste formulieren. In pseudocode wordt deze werkwijze
gedemonstreerd.
De keuze voor model-driven development wordt vooral bepaald door de productiviteit-
verbetering. FForms genereert snel formulieren. De opmaak van de formulieren blijven
echter achter bij de verwachting van de gebruiker door het ontbreken van ‘drop-down lists’.
Natuurlijk kunnen deze handmatig worden toegevoegd maar dat is lastig en tijdrovend. De
verwachting was dat FForms ook deze keuzelijsten kon genereren maar dat blijkt niet zo te
zijn. De oorzaak hiervan is verder onderzocht en wordt toegelicht. Bovendien wordt in
pseudo code getoond hoe dit aangepast kan worden, wat leidt tot een aanbeveling voor
verder onderzoek.
1
1.2. Vraagstelling
Het doel van het onderzoek is om te verkennen hoe het ontwikkelen via Model-driven
development (MDD) kan bijdrage aan de productiviteitverbetering. Dit wordt onderzocht
met de ontwikkeling van een case waarbij Semantic Web-technieken worden gebruikt. Het
OWL-ontwerp wordt hierbij omgezet tot formulieren door gebruik te maken van Fresnel
Forms (FForms).
Als case wordt een rubric-systeem ontwikkeld. De rubric-case vormt slechts het ‘vehikel’ van
het onderzoek. Het is nadrukkelijk niet het doel om een (commercieel) rubric systeem te
ontwikkelen. Wel wordt productiviteit MDD vergeleken met bestaande rubric-systemen
zoals Excel-sheets of systemen die onderdeel zijn van een Content Learning
Managementsysteem (CLMS). Het doel blijft echter het onderzoek naar de methoden en de
manier waarop deze technieken ingezet kunnen worden, eventueel in een ander domein.
De implementatie wordt uitgevoerd op een Semantic MediWiki (SMW).
De belangrijkste wetenschappelijke vraag gaat over het gebruik van het twee laags model.
Een specifiek ontwerp omzetten via FForms is al eerder beschreven. Dit onderzoek toont
hoe een generiek model, via een twee-laags aanpak, kan leiden tot (semi) automatisch
gegenereerde formulieren via FForms.
Vanuit een OWL-ontwerp worden via model-driven development formulieren gegenereerd
op een SMW. Het OWL-ontwerp voor de rubric komt uit de literatuur en wordt voor
toepassing eerst onderzocht op bruikbaarheid. Tenslotte wordt onderzocht of FForms
voldoende productiviteitverbeteringen oplevert.
1.3. Onderzoekmodel
In deze paragraaf wordt een schema van het conceptueel model gepresenteerd in
combinatie met een toelichting hierop.
1.3.1. Conceptueel schema.
Naar aanleiding van fase 2, de literatuurstudie, is het volgende conceptuele schema
gemaakt dat de basis toont van dit onderzoek.
Model-driven develpment
Gebruik rubrics in het
van rubric-systeem op
onderwijs
SMW op basis van OWL,
FForms en RDF.
Semantic Web Analyseresultaten Conclusies en
technieken en wiki’s in en bevindingen van aanbevelingen.
het onderwijs deze pilot.

Toetsing van het systeem
Rubric ontologie in voor dit specifieke
combinatie met model- domein.
driven development.
F.IGUUR 1 CONCEPTUEEL ONDERZOEKONTWERP
2