網(wǎng)絡(luò)課程中的知識(shí)結(jié)構(gòu)化表示方法

文章編號(hào)：1672-5913(2008)12-0047-03

摘要：本文以認(rèn)知科學(xué)中的知識(shí)建構(gòu)理論為基礎(chǔ)提出了一種結(jié)構(gòu)化知識(shí)表示方法，此方法以“單元”作為知識(shí)表示的基本結(jié)構(gòu)模塊，將單元?jiǎng)澐譃槭N類(lèi)型，并定義了單元之間的關(guān)系。本文的工作是進(jìn)一步研究面向人的知識(shí)表示方法的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)課程；知識(shí)表示；智能輔助教學(xué)；知識(shí)工程

中圖分類(lèi)號(hào)：G642

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

引言

隨著計(jì)算機(jī)、人工智能及相關(guān)技術(shù)的飛速發(fā)展，“知識(shí)表示”(Knowledge Representation)的研究已經(jīng)將來(lái)自于哲學(xué)和邏輯學(xué)的傳統(tǒng)知識(shí)表達(dá)方式發(fā)展為可以在機(jī)器中體現(xiàn)智能的多種知識(shí)表示方法，人們也從計(jì)算機(jī)的角度重新認(rèn)識(shí)了“知識(shí)”所表達(dá)的意義。同時(shí)，在教育學(xué)的領(lǐng)域，網(wǎng)絡(luò)化教育和E-learning得到了飛速的發(fā)展，知識(shí)的載體也由書(shū)本逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)，包括文字、圖片、圖像、多媒體等多種表達(dá)方式。目前，網(wǎng)絡(luò)化教育發(fā)展最迅速，應(yīng)用最廣泛的就是網(wǎng)絡(luò)課程建設(shè)。因此，開(kāi)展有關(guān)網(wǎng)絡(luò)課程的知識(shí)表示顯得尤為重要。

現(xiàn)在科學(xué)界對(duì)知識(shí)表示的研究已延伸至多個(gè)領(lǐng)域，對(duì)概念(Concepts)進(jìn)行定義、分層和分類(lèi)的Canon[1]和本體論(Ontology)[2][3]方法，與概念圖[4]的結(jié)合對(duì)概念層次上的知識(shí)進(jìn)行了比較完善的分析。智能輔助教學(xué)ICAI[5]的提出和發(fā)展為教學(xué)的智能化提供了一個(gè)很好的平臺(tái)。ICAI融合了專(zhuān)家系統(tǒng)、認(rèn)知心理學(xué)、人工智能、數(shù)據(jù)挖掘等相關(guān)的技術(shù)。高質(zhì)量的ICAI系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是如何組織知識(shí)、表達(dá)知識(shí)和運(yùn)用知識(shí)，知識(shí)的表達(dá)方法是ICAI的核心和基礎(chǔ)。

本文針對(duì)網(wǎng)絡(luò)課程建設(shè)的任務(wù)和目標(biāo)，提出了一種新的結(jié)構(gòu)化的知識(shí)表示方法，以提高人對(duì)知識(shí)的學(xué)習(xí)和運(yùn)用效率為目的，并可以以計(jì)算機(jī)為工具來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1知識(shí)表示的理論基礎(chǔ)

從60年代認(rèn)知學(xué)說(shuō)的提出，到近代認(rèn)知心理學(xué)與信息論、計(jì)算機(jī)科學(xué)和人工智能的結(jié)合而產(chǎn)生出的認(rèn)知科學(xué)，已逐步成為目前被普遍接受的學(xué)習(xí)理論。認(rèn)知科學(xué)認(rèn)為，對(duì)每個(gè)人來(lái)說(shuō)，他的大腦中都有一個(gè)屬于自己的個(gè)人知識(shí)體系，并通過(guò)學(xué)習(xí)、交流、探索在不斷地豐富和發(fā)展這個(gè)知識(shí)體系。這個(gè)知識(shí)體系通常不是完備的，也不是完全正確的，它包含的是自己對(duì)世界的認(rèn)知。

這些知識(shí)是怎樣保存在大腦中又是怎樣浮現(xiàn)出來(lái)的吶？按照建構(gòu)主義的思想，被人類(lèi)學(xué)習(xí)了并理解了的知識(shí)并不是孤立地、文本式地存在于腦中，而是組成了具有個(gè)人特色個(gè)人知識(shí)體系，是結(jié)構(gòu)化地存儲(chǔ)著的；在進(jìn)行思維的時(shí)候，也并不是孤立地對(duì)一個(gè)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行思考，而是一種聯(lián)系思維。比如回憶一個(gè)定理時(shí)，不但會(huì)回憶到這個(gè)定理本身，還會(huì)回憶到這個(gè)定理的推廣、定理的證明、定理的應(yīng)用等等。而當(dāng)理解一個(gè)新概念的時(shí)候往往同自己已有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)或認(rèn)知結(jié)構(gòu)中的相關(guān)概念結(jié)合，理解了新概念的關(guān)鍵特征，使原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。

由美國(guó)哈佛大學(xué)的發(fā)展心理學(xué)教授霍華德和加德納提出的多元智能理論認(rèn)為教育要承認(rèn)和滿足人的智能差異性，因人而異地提供個(gè)性化的教育。每個(gè)學(xué)生都有自己的優(yōu)勢(shì)智能和弱勢(shì)智能，每個(gè)學(xué)生都有自己的學(xué)習(xí)方式和認(rèn)知風(fēng)格，每個(gè)學(xué)生都有自己的智力發(fā)展傾向等等，這就

要求教育要針對(duì)不同智力特點(diǎn)的學(xué)生，對(duì)癥下藥。對(duì)于知識(shí)的表征形式，由于受到傳統(tǒng)智力理論的影響，課程內(nèi)容只是注重了語(yǔ)義表征，強(qiáng)調(diào)知識(shí)的系統(tǒng)性，邏輯性等，而很少與情境、動(dòng)作、音樂(lè)、空間等建立聯(lián)系，這使學(xué)生的智力培養(yǎng)僅限于語(yǔ)言智力和邏輯智力發(fā)展上，摒棄了人的其他智力的發(fā)展。因而，課程內(nèi)容應(yīng)該給學(xué)生呈現(xiàn)多元表征形式。那么，計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)的發(fā)展正迎合了這種需要。

以知識(shí)建構(gòu)理論為基礎(chǔ)，結(jié)合人類(lèi)自身操作知識(shí)的規(guī)律，充分利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的儲(chǔ)存、計(jì)算和檢索等方面的優(yōu)勢(shì)，本文擬針對(duì)著人類(lèi)學(xué)習(xí)運(yùn)用知識(shí)的需要，提出一種輔助于人學(xué)習(xí)的知識(shí)表達(dá)方法。這一知識(shí)表達(dá)方法由于接近人的思維方式，或者說(shuō)，這種知識(shí)表現(xiàn)形式更接近人腦存儲(chǔ)知識(shí)的方式，人們會(huì)更有效地獲取知識(shí)、理解知識(shí)、運(yùn)用知識(shí)。如果應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)課程建設(shè)過(guò)程中，針對(duì)不同讀者的需要，設(shè)計(jì)不同的學(xué)習(xí)模式，靈活組織與表示學(xué)習(xí)者需要學(xué)習(xí)的知識(shí)，那么，將極大提高學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)效率。

2科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域中專(zhuān)業(yè)知識(shí)的特征

在本文的研究中，我們將針對(duì)科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域中的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，簡(jiǎn)單地說(shuō)就是理工科知識(shí)，來(lái)探討新的知識(shí)表示方法。理工科知識(shí)只是人類(lèi)知識(shí)體系中相對(duì)較窄的一個(gè)側(cè)面，但同時(shí)也是理工科高等教育的核心內(nèi)容，也是當(dāng)前高新技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。理工科知識(shí)與其他學(xué)科相比具有鮮明的特征，結(jié)構(gòu)化和邏輯性更強(qiáng)，更適合于我們所提出的新方法。這里知識(shí)的特征可以歸納如下：

① 屬于科學(xué)理論，或應(yīng)用技術(shù)

② 邏輯性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)清晰

③ 可以檢驗(yàn)或驗(yàn)證其正確性

④ 可以表示為文字、公式、圖形、圖像、聲音等等，可以存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中

可重復(fù)使用，供普遍交流和理解

3面向人的結(jié)構(gòu)化知識(shí)表示方法

3.1知識(shí)表示的基本模塊——單元

人工智能中的各種知識(shí)表示方法以及面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)分析方法都是建立在最基本的結(jié)構(gòu)單元基礎(chǔ)之上的。例如產(chǎn)生式規(guī)則中的規(guī)則、框架表示中的框架、概念圖表示中的概念節(jié)點(diǎn)等等。這些基本結(jié)構(gòu)單元有時(shí)被稱(chēng)做原子知識(shí)。在面向?qū)ο蠓治鲋凶罨镜幕締卧菍?duì)象，一個(gè)系統(tǒng)不論多么復(fù)雜龐大都是由一組對(duì)象復(fù)合、聯(lián)結(jié)組成的。在本文所提出的知識(shí)體系表示中，最重要的也是要抽象出知識(shí)表示的基本結(jié)構(gòu)單元。

人在學(xué)習(xí)知識(shí)的過(guò)程中，通過(guò)對(duì)所接受知識(shí)的分析和理解，在大腦中有意識(shí)地將其劃分為相對(duì)獨(dú)立的便于理解的小模塊。在認(rèn)識(shí)一個(gè)事物時(shí)，需要分析它有什么樣的性質(zhì)，或是什么功能，與其他事物有什么關(guān)系，等等。把這個(gè)事物概括抽象出來(lái)，就可以是這里所定義的原子知識(shí)模塊，它的性質(zhì)、功能、類(lèi)別等等就被包含在這個(gè)知識(shí)模塊的“屬性”里；在認(rèn)識(shí)一個(gè)規(guī)律時(shí)，需要分析它發(fā)生的條件與結(jié)果，它的作用與意義，所有這些構(gòu)成了這一規(guī)律的知識(shí)模塊。

基于上述對(duì)知識(shí)結(jié)構(gòu)單元的基本認(rèn)知，在這里我們把表示知識(shí)的最基本的元素定義為“單元(Unit)”。

知識(shí)的單元體現(xiàn)了知識(shí)體系組成的模塊性。簡(jiǎn)單的單元可以組成更復(fù)雜的單元，具體的更關(guān)注細(xì)節(jié)的單元可以由抽象的更關(guān)注宏觀的單元來(lái)概括。通過(guò)這樣的層次化和概括模式，由知識(shí)的單元匯聚形成整個(gè)知識(shí)體系。這是對(duì)知識(shí)建構(gòu)的反映，同時(shí)細(xì)節(jié)與抽象相對(duì)應(yīng)的單元也反映了目前認(rèn)知心理學(xué)研究中關(guān)于初學(xué)者和專(zhuān)家的兩種不同的認(rèn)知模式。

人們?cè)诶斫庵R(shí)時(shí)，根據(jù)自身的需要采用了不同的表示形式，所以不存在一個(gè)單一形式的通用的單元定義方式。在這里我們將最基本的單元定義為一個(gè)六元組：

恢復(fù)單元 = {名稱(chēng)，關(guān)鍵字，類(lèi)別，內(nèi)容，屬性，關(guān)聯(lián)}

其中“類(lèi)別”和“內(nèi)容”分別表示了知識(shí)單元隸屬于什么類(lèi)型和要表示的知識(shí)具體內(nèi)容是什么。關(guān)鍵字定義了查詢(xún)和使用知識(shí)的內(nèi)容。屬性給出了當(dāng)前知識(shí)單元的特性，如標(biāo)識(shí)號(hào)，媒體形式(即文字、聲音、圖片還是圖像等)，注釋和表達(dá)式等，可根據(jù)需要設(shè)定。關(guān)聯(lián)體現(xiàn)知識(shí)單元間相互關(guān)系。它包括因果、支持、引用、組成、父子、例、引入、推廣、類(lèi)比、相關(guān)等。

3.2知識(shí)單元的分類(lèi)

本文在總結(jié)一般知識(shí)講授的要素的基礎(chǔ)上，將知識(shí)單元分為10種：情景、概念、命題、語(yǔ)法(程序語(yǔ)言)、示例、方法/步驟、問(wèn)題/練習(xí)、結(jié)論/評(píng)論、參考資料、復(fù)合單元。為明確單元所屬的類(lèi)別，我們將一個(gè)單元以“類(lèi)別|名稱(chēng)”的方式來(lái)標(biāo)識(shí)。

3.3計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)

采用上升單元的知識(shí)表示方法，可方便用數(shù)據(jù)庫(kù)或者XML語(yǔ)言定義并管理網(wǎng)絡(luò)課程的知識(shí)。

3.4知識(shí)表示示例

本文以“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)”課程中IP知識(shí)為例，探討用本文的知識(shí)單元表示計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中重要的基礎(chǔ)知識(shí)IP地址。圖1是一個(gè)IP地址概念的知識(shí)單元。圖2為相應(yīng)的練習(xí)知識(shí)單元，圖3為IP地址子網(wǎng)分割的復(fù)合知識(shí)單元。在復(fù)合單元中，我們可以根據(jù)知識(shí)單元的分類(lèi)，任意組合新的復(fù)合知識(shí)單元，這樣可實(shí)現(xiàn)不同的學(xué)習(xí)者定義不同的學(xué)習(xí)模式。例如，有的學(xué)習(xí)者習(xí)適應(yīng)情景|示例|操作|練習(xí)|概念的學(xué)習(xí)模式，有的學(xué)習(xí)者習(xí)慣在練習(xí)中學(xué)習(xí)，有的學(xué)習(xí)者適應(yīng)按照知識(shí)邏輯體系學(xué)習(xí)，采取概念|分類(lèi)|示例|操作|練習(xí)的學(xué)習(xí)模式。

由于復(fù)合單元是由多個(gè)更細(xì)化的知識(shí)單元復(fù)合而成，即它的內(nèi)容域包括了多個(gè)更細(xì)化的知識(shí)單元。因此，復(fù)合單元又稱(chēng)為父單元，其內(nèi)部的更細(xì)化的知識(shí)單元稱(chēng)為子單元。這種由父子單元構(gòu)成的復(fù)合關(guān)系形成了知識(shí)的層次化表示。

4小結(jié)

本文基于認(rèn)知科學(xué)知識(shí)建構(gòu)的基本思想，提出了面向網(wǎng)絡(luò)課程的結(jié)構(gòu)化知識(shí)表示方法。即定義了知識(shí)表示的基本模塊——“單元”，進(jìn)而定義了單元的類(lèi)別和單元間的關(guān)系，由此可以構(gòu)成一個(gè)結(jié)構(gòu)化的知識(shí)體系表達(dá)。力圖以這種新的知識(shí)表示方法打破信息時(shí)代以來(lái)海量的知識(shí)對(duì)人學(xué)習(xí)知識(shí)和運(yùn)用知識(shí)的效率制約。

這種知識(shí)表示方法從根本上改革了書(shū)本知識(shí)內(nèi)容結(jié)構(gòu)固定的缺陷。學(xué)習(xí)同樣的知識(shí)，不同的學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)的內(nèi)容、順序與知識(shí)量可完全不一樣。那么，本文的知識(shí)表示方法應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)課程建設(shè)中的課程內(nèi)容的表示，可充分照顧學(xué)習(xí)者素質(zhì)的差異性，為學(xué)習(xí)者提高多種適合他們自身學(xué)習(xí)規(guī)律或興趣的學(xué)習(xí)模式，以提高其學(xué)習(xí)效率。

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Network Courses Orientied Knowledge Structural Representation Approach

ZHANG Ping-An

(Shenzhen Institute of Information Technology， Shenzhen 518029， P.R.China)

Abstract: In this paper， based on the idea of knowledge constructionism， a structural knowledge representation approach is proposed.The “Unit” is defined as the essential knowledge component， and ten types of units and relations between units are suggested. This work is a basis of future research of human oriented knowledeg description approach.

Key words: Network Courses， Knowledge representation， ICAI， Knowledge engineering