網(wǎng)絡(luò)課程資源的本體建模研究

摘要:本文從一般語義網(wǎng)絡(luò)模型出發(fā),介紹了本體基本模型,提出了一種用于構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)課程資源語義網(wǎng)絡(luò)的本體建模技術(shù),所建立的網(wǎng)絡(luò)課程資源本體模型為開展網(wǎng)絡(luò)課程自主學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)者提供了一種語義級別的智能學(xué)習(xí)模式。本文研究工作在基于網(wǎng)絡(luò)課程的遠(yuǎn)程教育領(lǐng)域具有較好的實際應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞:本體模型;網(wǎng)絡(luò)課程;遠(yuǎn)程教育

中圖分類號:G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B

1引言

網(wǎng)絡(luò)課程是在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下構(gòu)建的課程體系,具有豐富的學(xué)習(xí)資源,多向互動和協(xié)作交流的人際互動平臺,自主學(xué)習(xí)的支持環(huán)境,多媒體化呈現(xiàn)的教學(xué)內(nèi)容等特點(diǎn),是遠(yuǎn)程教育領(lǐng)域不可或缺的重要組成部分。網(wǎng)絡(luò)課程已作為遠(yuǎn)程教育應(yīng)用領(lǐng)域的一種核心資源,其建設(shè)日益受到人們的廣泛關(guān)注,有關(guān)網(wǎng)絡(luò)課程的研究已成為當(dāng)前課程研究領(lǐng)域中的一個熱點(diǎn)問題。不少學(xué)者都在積極地從各個層次探討著支撐網(wǎng)絡(luò)課程設(shè)計的理論基礎(chǔ)及其價值取向。

本文重點(diǎn)關(guān)注網(wǎng)絡(luò)課程領(lǐng)域的學(xué)習(xí)資源的知識建模問題。長期以來,人們把網(wǎng)絡(luò)課程內(nèi)容簡單理解為教材的擴(kuò)展,順理成章地把網(wǎng)絡(luò)課程內(nèi)容按照符合學(xué)科內(nèi)在邏輯順序的知識結(jié)構(gòu)來構(gòu)建學(xué)習(xí)資源庫。其中,最為典型的就是樹型結(jié)構(gòu)。采用這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢很明顯。實現(xiàn)簡單,結(jié)構(gòu)清晰,適合順序漸進(jìn)的學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)。如果仔細(xì)分析人的學(xué)習(xí)要求,又會發(fā)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)存在明顯的缺陷。例如,以筆者所講授的“網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)高級管理”課程為例,學(xué)生要在網(wǎng)絡(luò)課程中學(xué)習(xí)活動目錄的知識,那么學(xué)習(xí)者只能嚴(yán)格按照網(wǎng)絡(luò)課程預(yù)先指定的邏輯結(jié)構(gòu)從概念的定義開始,然后是實際安裝,最后才是具體的應(yīng)用。其實,學(xué)生學(xué)習(xí)活動目錄的內(nèi)容的需求是多方面的。例如,有的學(xué)生想學(xué)習(xí)安裝步驟,有的學(xué)生想學(xué)習(xí)和了解與活動目錄有關(guān)聯(lián)的學(xué)習(xí)內(nèi)容,還有的學(xué)生想了解企業(yè)具體應(yīng)用案例等等,那么,這種樹形結(jié)構(gòu)就無法滿足自主學(xué)習(xí)為主的學(xué)習(xí)者多方面的學(xué)習(xí)要求了。如果學(xué)生對活動目錄知識不是很熟悉,他就更難以在樹形結(jié)構(gòu)下,順利找到自己要學(xué)習(xí)的相關(guān)內(nèi)容了。其根本原因在于網(wǎng)絡(luò)課程資源在樹形結(jié)構(gòu)下只有結(jié)構(gòu)分明的具體內(nèi)容,而缺乏具體資源之間的語義知識,語義網(wǎng)相關(guān)技術(shù)為解決網(wǎng)絡(luò)課程資源的知識結(jié)構(gòu)問題提供了有效的解決方案。

文獻(xiàn)總結(jié)了語義網(wǎng)相關(guān)技術(shù)。本文采用其中本體建模的理論與方法來構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)課程資源的語義知識庫。文獻(xiàn)均針對“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程開發(fā)了一個智能化網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)。雖然也采用了本體建模技術(shù),但實現(xiàn)的還是樹形結(jié)構(gòu)。其實,樹形結(jié)構(gòu)只是一種最簡單的語義結(jié)構(gòu),其實現(xiàn)的方式有多種,菜單或表格就是最常用的技術(shù)。本文首先從一般語義網(wǎng)絡(luò)模型出發(fā),介紹了本體模型的基本要素,然后,以“網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)高級管理”網(wǎng)絡(luò)課程為例,研究如何用本體建模技術(shù)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)課程資源的語義網(wǎng)絡(luò)。論文給出了具體的建模過程與步驟。本文研究工作在基于網(wǎng)絡(luò)課程的遠(yuǎn)程教育領(lǐng)域具有較好的實際應(yīng)用價值。

2語義網(wǎng)絡(luò)建模技術(shù)

語義網(wǎng)的思想就是利用元數(shù)據(jù)(Metadata)語言對信息資源的內(nèi)容進(jìn)行語義上的描述,從而使計算機(jī)能夠利用這些語義信息對信息資源的內(nèi)容進(jìn)行理解和處理,并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)更高級的、基于知識的智能應(yīng)用。本體是語義網(wǎng)的核心層,用來定義應(yīng)用領(lǐng)域中的共享知識,從而對各種資源之間的語義關(guān)系進(jìn)行描述,揭示資源本身以及資源之間更為復(fù)雜和豐富的語義信息。

本體又稱為實體,源自于形而上學(xué)的哲學(xué)分支,它對客觀世界的事物進(jìn)行分解,發(fā)現(xiàn)其基本的組成部分,進(jìn)而研究客觀事物的抽象本質(zhì)。近年來,本體己經(jīng)被廣泛應(yīng)用于知識工程、自然語言處理、數(shù)字圖書館、信息檢索和Web異構(gòu)信息的處理等領(lǐng)域。目前獲得大多數(shù)學(xué)者公認(rèn)的T. R. Gruber關(guān)于本體的定義概括為“本體是概念模型的明確的規(guī)范說明”。

在知識工程中,一般認(rèn)為本體的認(rèn)知觀就是從概念、 關(guān)系、函數(shù)、公理和實例這五個維度來觀察事物,進(jìn)而用計算機(jī)形式化的將事物表示出來。因此,本體包含上述五個基本的要素。它們也稱為本體模型的建模元語(Modeling Primitives):

(1) 概念(Concepts)

指任何事務(wù),如工作描述、功能、行為、策略和推理過程。從語義上講,它表示是對象的集合。本文指的是網(wǎng)絡(luò)課程中所要學(xué)習(xí)的知識點(diǎn)。

(2) 關(guān)系(Relations)

領(lǐng)域中概念之間的關(guān)聯(lián)或交互作用。強(qiáng)調(diào)這里的關(guān)系限于兩個概念之間的關(guān)聯(lián)。常用的關(guān)系有part-of(表達(dá)概念之間部分與整體的關(guān)系)、kind-of(表達(dá)概之間的繼承關(guān)系)、instance-of(表達(dá)概念的實例與概念之間的關(guān)系)、attribute-of(表達(dá)某個概念是另一個概念的屬性)等。正是這個“關(guān)系”成為構(gòu)建知識領(lǐng)域復(fù)雜的語義網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵因素。

(3) 函數(shù)(Functions)

表示多個概念之間的一類特殊的關(guān)系。該關(guān)系的前n-1個元素可以唯一決定第n個元素。形式化的義為: 。例如,在Windows 2003 Server中,概念“域”、“域樹”就決定了概念“活動目錄林”。

(4) 公理(Axioms)

用于表示永真斷言。例如,IP地址若采用點(diǎn)分十進(jìn)制表示方式,則每部分的值不小于0且不大于255。

(5) 實例(Instance)

實例是指屬于某概念類的基本元素,即某概念所指的具體實體。

一個本體的形式化定義為如下五元組:

3網(wǎng)絡(luò)課程資源的本體建模

3.1網(wǎng)絡(luò)課程資源的知識結(jié)構(gòu)

根據(jù)傳統(tǒng)教材內(nèi)容所編排的章、節(jié)關(guān)系,可以得到如圖1所示的知識結(jié)構(gòu)。顯然,這是一種典型的樹形結(jié)構(gòu)。目前,網(wǎng)絡(luò)課程建設(shè)者一般常采用這種樹形結(jié)構(gòu)。具體來說,他們要么采用樹形結(jié)構(gòu)菜單,要么就是用表格的方式來組織和管理網(wǎng)絡(luò)課程資源的知識內(nèi)容。那么,基于這種結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)課程與傳統(tǒng)的基于教材的課程的優(yōu)勢在于內(nèi)容的多媒體化,知識內(nèi)容的選擇方便快捷,而且實現(xiàn)方便。

對于相同的課程領(lǐng)域知識,其實有多種組織與管理的結(jié)構(gòu)。領(lǐng)域知識不同的結(jié)構(gòu)決定了學(xué)習(xí)者不同的自主學(xué)習(xí)模式。圖2給出了一種網(wǎng)狀的課程領(lǐng)域知識結(jié)構(gòu)。其中圓形表示知識結(jié)點(diǎn),箭頭表示知識結(jié)點(diǎn)間關(guān)系。這種結(jié)構(gòu)更符合人們聯(lián)想自主學(xué)習(xí)的需要,但實現(xiàn)相對復(fù)雜。本文的目標(biāo)就是用本體建模技術(shù)實現(xiàn)這種復(fù)雜的網(wǎng)狀領(lǐng)域知識結(jié)構(gòu)。

3.2網(wǎng)絡(luò)課程領(lǐng)域知識本體建模技術(shù)

本文提出采用螺旋式進(jìn)化過程技術(shù)來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)課程領(lǐng)域知識的本體建模。

(1) 需求分析

這個階段要明確本體構(gòu)建的目的、范圍、用途和使用者。本文選擇網(wǎng)絡(luò)課程領(lǐng)域知識作為建立本體的研究對象。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)課程領(lǐng)域知識的語義關(guān)系,用本體模型建立領(lǐng)域知識庫的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),為學(xué)生開展網(wǎng)絡(luò)課程自主學(xué)習(xí)時,提供一種一定語義級別的智能學(xué)習(xí)模式。明確本體模型的目標(biāo)用戶主要有兩類。一類是本體的使用者;一類是本體維護(hù)人員。

(2) 本體模型設(shè)計

① 領(lǐng)域信息的收集和分析

首先通過收集網(wǎng)絡(luò)課程領(lǐng)域信息,以充分了解領(lǐng)域知識。信息來源包括專家、教材,參考書籍、網(wǎng)絡(luò)、甚至是其它的本體。獲得這些信息的方法可以是:頭腦風(fēng)暴法、訪談、文本的形式化或非形式化的分析和一些知識獲取工具。

② 概念和關(guān)系的確定

根據(jù)收集整理的網(wǎng)絡(luò)課程領(lǐng)域知識的具體語義,設(shè)計出如圖2所示的網(wǎng)絡(luò)課程領(lǐng)域知識庫的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。圖2中的圓圈在本體模型中就是概念。箭頭就是表示本體概念間的關(guān)系。概念之間的不同“關(guān)系”就是網(wǎng)絡(luò)課程領(lǐng)域知識間語義的具體表現(xiàn)。一般為簡單起見,很多學(xué)者只是利用了父子關(guān)系(Part_of)、種屬關(guān)系(Is_a)以及實例關(guān)系(Instance_of)。因為,利用這三種關(guān)系,就可以方便用本體模型來構(gòu)件領(lǐng)域知識的樹形結(jié)構(gòu)。顯然,這三種基本關(guān)系難以表達(dá)網(wǎng)絡(luò)課程領(lǐng)域知識中所存在的復(fù)雜語義關(guān)系。為此,本文提出了多種概念之間的關(guān)系,例如因果、支持、引用、組成、父子、例、引入、推廣、類比、相關(guān)等。

③ 確定本體的其它三個要素

根據(jù)所確定的概念集,根據(jù)領(lǐng)域知識庫的實際需要,確定本體的函數(shù)與公理要素。如果沒有,可空缺。對于本體模型中的實例要素,本文設(shè)計為概念所對應(yīng)的具體內(nèi)容,也就是具體的知識內(nèi)容。本文明確所有概念的知識都用Web頁面表示,因此該要素屬性的賦值為具體概念的Web頁面的地址,即URL地址。

(3) 本體模型的實現(xiàn)

① 概念的Web頁面實現(xiàn)

網(wǎng)絡(luò)課程的巨大優(yōu)勢之一就是內(nèi)容的多媒體表示。因此,要把所收集到的概念的具體知識內(nèi)容利用計算機(jī)多媒體技術(shù),科學(xué)且嚴(yán)謹(jǐn)?shù)谋硎境鰜?。這部分工作也是傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)課程建設(shè)的重要內(nèi)容。只不過,采用本體模型建模時,知識的表示比較細(xì)致。原來一堂課的PPT的內(nèi)容需要根據(jù)知識間的語義關(guān)系拆成多個知識點(diǎn)。雖然增加了工作量,但這些知識點(diǎn)可適合多種學(xué)習(xí)模式的需要。因此,所得到的本體模型更能體現(xiàn)其知識共享和重用的優(yōu)越性。

② 運(yùn)用工具創(chuàng)建本體

為提高效率,必須采用具體的本體建模工具來創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)課程的本體。目前常用的本體建模工具首選Protégé。因為采用Protégé工具來構(gòu)建本體,可由其自動生成本體的OWL代碼。該工具可以根據(jù)需要,手動添加上述的多種“關(guān)系”要素。

下面就是用Protégé3.1創(chuàng)建“活動目錄”本體轉(zhuǎn)換成OWL描述的片段。

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在得到本體的OWL文件后,應(yīng)用系統(tǒng)可以通過Jena1.6.1對OWL文檔進(jìn)行處理,Jena平臺提供了對OWL推理的多方面的支持,它允許應(yīng)用系統(tǒng)解析、創(chuàng)建和查詢OWL模型。限于篇幅,有關(guān)Protégé和Jena1.6.1不做詳細(xì)的介紹。

(4) 確認(rèn)與評價

對己經(jīng)建立的一個本體模型進(jìn)行測試,從而對網(wǎng)絡(luò)課程領(lǐng)域知識的本體模型進(jìn)行確認(rèn)與評價,看是否滿足應(yīng)用需求,本體中的概念是否被清晰的定義了,本體中的概念及其關(guān)系是否完整等。

(5) 螺旋式進(jìn)化過程

本體模型的建設(shè)應(yīng)該是一個反復(fù)進(jìn)化的過程,這樣才符合本體模型開發(fā)的特征。經(jīng)過確認(rèn)和評價的本體模型總的發(fā)展過程趨勢是螺旋式上升,每個階段的本體模型是螺旋式發(fā)展模型中一個階段的成果,這就是本體模型中進(jìn)化屬性的具體表現(xiàn)。

3.3網(wǎng)絡(luò)課程領(lǐng)域知識本體模型的應(yīng)用

圖3給出了網(wǎng)絡(luò)課程領(lǐng)域知識本體模型應(yīng)用的實現(xiàn)原理圖。以“網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)高級管理”課程為例,學(xué)生想在網(wǎng)絡(luò)課程中學(xué)習(xí)有關(guān)“活動目錄”的知識。那么,“活動目錄”在該課程中既是一個概念,也是Windows 2003 Server中核心的管理工具,需要安裝和配置;同時Windows 2003 Server中有多個網(wǎng)絡(luò)服務(wù)需要得到該工具的支持。如果按照樹形結(jié)構(gòu),一次就只能學(xué)習(xí)到一個知識點(diǎn)。那么,基于本體模型的學(xué)習(xí)過程就顯示出了優(yōu)勢。采用Jena1 6.1實現(xiàn)的推理和搜索引擎功能,推理和搜索Protégé得到的本體知識庫,學(xué)習(xí)者可方便得到所有所要學(xué)習(xí)的相關(guān)知識。例如,用戶想要學(xué)習(xí)受“活動目錄”支持的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器功能,以了解活動目錄的具體應(yīng)用領(lǐng)域,那么,系統(tǒng)就會列出所有受“活動目錄”支持的本體,例如組策略,用戶帳戶的管理等工具,以及FTP和DHCP和CA等服務(wù),從而得到多個概念序列,通過排序,呈現(xiàn)給學(xué)習(xí)者,學(xué)習(xí)者選擇具體的概念,系統(tǒng)立即就從Web頁面庫中顯示具體的知識內(nèi)容。

4結(jié)語

本文采用本體建模技術(shù),為網(wǎng)絡(luò)課程的學(xué)習(xí)資源構(gòu)造了符合知識點(diǎn)間語義的體系結(jié)構(gòu);為建設(shè)一個具有初步智能的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)系統(tǒng)提供了一般性解決方案;為網(wǎng)絡(luò)課程理論與應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展探索了一條新的路徑。未來的工作將集中在網(wǎng)絡(luò)課程領(lǐng)域知識本體模型的評估與改進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)與方法。

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