基于RDFS的教學(xué)資源庫(kù)的分析與設(shè)計(jì)

衛(wèi)小偉,殷鋒社,焦 蕾

摘 要:領(lǐng)域知識(shí)庫(kù)是教學(xué)內(nèi)容的源泉和教學(xué)決策的依據(jù)。圍繞計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng),研究了領(lǐng)域知識(shí)庫(kù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。結(jié)合計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)課程的自身特點(diǎn),研究了如何對(duì)領(lǐng)域知識(shí)進(jìn)行科學(xué)、合理的劃分,并建立了領(lǐng)域知識(shí)樹(shù);采用框架表示法表示知識(shí),并給出基于RDFS的領(lǐng)域知識(shí)庫(kù)的設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞:RDFS;教學(xué)資源庫(kù);知識(shí)獲取;知識(shí)表示

中圖分類號(hào):TP31文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2009)19-195-04

Analysis and Design of Teaching Resource Storehouse Based on RDFS

WEIXiaowei1,2,YIN Fengshe3,JIAO Lei3

(1.Shaanxi Transportation Professional Technology College,Xi′an,710018,China;

2.Electronic and Control Institute,Changan University,Xi′an,710061,China;3.Shaanxi Textile and Garment Institute,Xianyang,712000,China)

Abstract:The domain knowledge library is the course content fountainhead and the teaching decision-making basis.The encompassment computer application foundation experiment teaching system,design and realization of the domain knowledge library are studied.According to daracteristics of computer application foundation curriculum,how to scientific divide domain knowledge and the domain knowledge tree is established.Using the frame method express knowledge,and design method based on RDFS domain knowledge library is proposed.

Keywords:RDFS;teaching resource storehouse;knowledge gain;knowledge expression

在IPCATS系統(tǒng)中,教學(xué)資源庫(kù)的結(jié)構(gòu)極為重要。教學(xué)資源庫(kù)是教學(xué)、學(xué)習(xí)中的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的存儲(chǔ)器,它包含了專家多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)、心得體會(huì)和研究成果,在學(xué)習(xí)系統(tǒng)中具有十分重要的作用,也是IPCATS的基礎(chǔ)。RDFS作為一種新的網(wǎng)上數(shù)據(jù)交換的標(biāo)準(zhǔn),將RDFS應(yīng)用到現(xiàn)代遠(yuǎn)程教學(xué)中是遠(yuǎn)程教學(xué)平臺(tái)的必然趨勢(shì)。

1 教學(xué)資源庫(kù)概述

在教與學(xué)的活動(dòng)中,師生是活動(dòng)和認(rèn)知的主體,而知識(shí)便是活動(dòng)的客體,教學(xué)的精髓是師生針對(duì)知識(shí)所進(jìn)行的系列活動(dòng)。在這個(gè)過(guò)程中,教師如何針對(duì)教學(xué)任務(wù)及學(xué)習(xí)對(duì)象的特點(diǎn)分解及合理組織教學(xué)計(jì)劃表述的知識(shí)是整個(gè)教學(xué)活動(dòng)能否成功的關(guān)鍵。同理,對(duì)于IPCATS系統(tǒng),建立學(xué)科知識(shí)庫(kù)和專家知識(shí)經(jīng)驗(yàn)庫(kù)是實(shí)現(xiàn)智能教學(xué)導(dǎo)航,從而實(shí)現(xiàn)個(gè)性化教學(xué)的基礎(chǔ)。專家知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)庫(kù)就是從領(lǐng)域或?qū)W科的專家、教學(xué)專家那里獲得專門的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn),然后用一定的形式表示知識(shí),最后存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中而形成的。該庫(kù)實(shí)際上是教學(xué)、學(xué)習(xí)中的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的存儲(chǔ)器。系統(tǒng)對(duì)學(xué)生幫助的大小、是否有效,基本上取決于系統(tǒng)的專家知識(shí)庫(kù)。知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)越完全,越能真實(shí)地再現(xiàn)專家的思維過(guò)程、方法等,則學(xué)習(xí)系統(tǒng)的智能水平就越高。

2 教學(xué)資源庫(kù)的構(gòu)成

教學(xué)資源庫(kù)存放的是有關(guān)教學(xué)內(nèi)容的專業(yè)知識(shí)及關(guān)于知識(shí)的知識(shí)即元知識(shí)。整個(gè)教學(xué)資源庫(kù)中的教學(xué)資源按用途分成兩類:

<教學(xué)資源>::=<教學(xué)內(nèi)容知識(shí)>|<元知識(shí)>

<元知識(shí)>::=<知識(shí)點(diǎn)的屬性描述>|<知識(shí)點(diǎn)之間關(guān)系的描述>

因此,教學(xué)資源庫(kù)包括元知識(shí)庫(kù)和教學(xué)材料庫(kù)兩個(gè)部分,而元知識(shí)庫(kù)又包括知識(shí)點(diǎn)屬性庫(kù)和知識(shí)點(diǎn)關(guān)系庫(kù),它們構(gòu)成了個(gè)性化教學(xué)系統(tǒng)中的主要知識(shí)表示。

2.1 知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)系

由教學(xué)過(guò)程本身可知,知識(shí)點(diǎn)之間這種支持程度是一個(gè)模糊概念,所以將其分為5級(jí),即:聯(lián)系不緊密、聯(lián)系不太緊密、一般、聯(lián)系比較緊密和聯(lián)系緊密,用一個(gè)隸屬度函數(shù)μ(x)sus={0.2/1,0.4/2,0.6/3,0.8/4,1/5}來(lái)度量,μ(x)sus的值越大說(shuō)明知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系越緊密。對(duì)于先前文獻(xiàn)中所定義的參考關(guān)系,只需將μ(x)sus的值取得小一些,其實(shí)質(zhì)可仍然看作是一種支持關(guān)系。

因此,知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)系可表示如下:

<知識(shí)點(diǎn)關(guān)系>::=<層次關(guān)系>|<支持關(guān)系>

<層次關(guān)系>::=<父知識(shí)點(diǎn)>|<子知識(shí)點(diǎn)>

<支持關(guān)系>::=<前導(dǎo)知識(shí)點(diǎn)>|<后繼知識(shí)點(diǎn)>|<支持程度>

由以上的分析可知,知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)系無(wú)法用一種單純的樹(shù)形結(jié)構(gòu)來(lái)表示,因?yàn)閱渭兊臉?shù)形結(jié)構(gòu)只能表示層次關(guān)系,卻很難清楚地表示知識(shí)點(diǎn)之間的支持關(guān)系,而若用單純的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)來(lái)表示,則會(huì)造成知識(shí)點(diǎn)之間的層次關(guān)系不明顯,并且會(huì)使推理算法過(guò)于復(fù)雜。因此,在這里采用一個(gè)總體樹(shù)/局部圖的知識(shí)組織模型,如圖1所示。

圖1 教學(xué)資源庫(kù)的知識(shí)組織模型

從圖1中可以得知,節(jié)點(diǎn)1是節(jié)點(diǎn)2、3的父節(jié)點(diǎn),2、3節(jié)點(diǎn)是1節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)。2、3節(jié)點(diǎn)與1節(jié)點(diǎn)是“與”關(guān)系;4、6節(jié)點(diǎn)與2節(jié)點(diǎn)是“或”關(guān)系;1節(jié)點(diǎn)是2、3節(jié)點(diǎn)的前驅(qū)知識(shí),而節(jié)點(diǎn)3表示的知識(shí)點(diǎn)又是4、5、7、8節(jié)點(diǎn)的前驅(qū)知識(shí), 4、5、7、8節(jié)點(diǎn)表示的知識(shí)點(diǎn)是3節(jié)點(diǎn)的后繼知識(shí)。

2.2 知識(shí)點(diǎn)屬性

知識(shí)點(diǎn)的屬性包括知識(shí)點(diǎn)編號(hào)、類型、難度、重要程度和要求掌握的水平等。知識(shí)點(diǎn)編號(hào)的目的是用于學(xué)習(xí)和查找,故應(yīng)具有惟一性,是精確概念。知識(shí)點(diǎn)類型可以按照加涅(Gagne)分類理論分為:事實(shí)、概念、規(guī)則、高級(jí)規(guī)則和認(rèn)知策略[4]。雖然分類具有很大程度的模糊性,但是由于知識(shí)點(diǎn)類型的劃分與學(xué)科建設(shè)有關(guān)。在具體的ITS教學(xué)/學(xué)習(xí)系統(tǒng)中,把它看作是精確概念。其他屬性認(rèn)為是模糊對(duì)象,其中,知識(shí)點(diǎn)難度和重要程度分為三級(jí),用隸屬度函數(shù)表示分別為:μ(x)ease={0.30/1,0.60/2,1/3}和μ(x)imp={0.30/1,0.60/2,1/3};要求掌握水平用定義模糊中心數(shù)(c,r,p)的方法來(lái)表示,可以更科學(xué)和更準(zhǔn)確地描述教學(xué)大綱對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握要求。(c,r,p)可以解釋為:落在以c為中心,r為半徑的“超球”之中的可能度為p。具體的(c,r,p)求取方法是根據(jù)積累已經(jīng)通過(guò)考試學(xué)生的成績(jī)構(gòu)造數(shù)據(jù)樣本,進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析求得?？梢源致哉J(rèn)為通過(guò)考試即達(dá)到教學(xué)大綱的要求掌握水平。假設(shè)樣本服從正態(tài)分布,可以根據(jù)積累樣本數(shù)據(jù),求出均值x1、樣本方差S21,并確定一個(gè)檢驗(yàn)置信度P1(例如取0.05水平)。用(x1,S21,P1)作為(c,r,p)的估計(jì),描述教學(xué)大綱對(duì)知識(shí)點(diǎn)的要求。由此,可以得出知識(shí)屬性庫(kù)的關(guān)系模型,這是一個(gè)模糊值關(guān)系數(shù)據(jù)模型。在該關(guān)系模型中,為了考慮各知識(shí)點(diǎn)與其教學(xué)材料的關(guān)系,除了知識(shí)點(diǎn)屬性值外,還設(shè)有一個(gè)課件名稱域。用SQL語(yǔ)言描述模型如下:

CREATE TABLE KBATTRIBUTE &

(KPNO# SMALLI NT NOT NULL,/* 知識(shí)點(diǎn)編號(hào)*/

KPTYPE SMALLINT,/* 類型 */

KPEASE NUMERIC(3,2), /* 難度 */

KPIMP NUMERIC(3,2), /* 重要程度 */

KPX1 NUMERIC(5,2) /* 均值 */

KPS1 NUMERIC(5,2),/* 方差 */

KPP1 NUMERIC(3,2),/* 置信度 */

COURSE CHAR (16) ) ; /* 課件名稱 */

2.3 知識(shí)點(diǎn)鏈接關(guān)系描述

知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)系可以用知識(shí)點(diǎn)之間的鏈接數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)表示。在某一學(xué)科中各知識(shí)點(diǎn)的鏈接關(guān)系描述了該學(xué)科的知識(shí)體系。知識(shí)點(diǎn)的鏈接關(guān)系是雙向的,有上行和下行之分。一個(gè)知識(shí)點(diǎn)的上行知識(shí)點(diǎn),即樹(shù)結(jié)構(gòu)中的父結(jié)點(diǎn);下行知識(shí)點(diǎn),即樹(shù)結(jié)構(gòu)中的子結(jié)點(diǎn)。由教學(xué)和學(xué)習(xí)過(guò)程本身可知,知識(shí)點(diǎn)之間關(guān)系的緊密程度不同,可以把它處理成一個(gè)模糊對(duì)象,用鏈接確信度來(lái)度量,用S(x)表示且0

S(x)=1, x=必學(xué)知識(shí)點(diǎn)

0.5,x=選學(xué)知識(shí)點(diǎn)

知識(shí)點(diǎn)鏈接數(shù)據(jù)庫(kù)的具體內(nèi)容,用SQL描述如下:

CREATE TABLE KBLINK &

( KPNO# SMALLINT NOT NULL,/* 知識(shí)點(diǎn)編號(hào) */

FNODE SMALLINT,/* 上行知識(shí)點(diǎn)編號(hào) */

SNODE SMALLINT,/* 下行知識(shí)點(diǎn)編號(hào) */

FKPS NUMERIC(2,1), /* 上行鏈接確信度 */

SKPS NUMERIC(2,1) ); /* 下行鏈接確信度 */

在這樣的一個(gè)鏈接關(guān)系數(shù)據(jù)模型中,會(huì)出現(xiàn)一個(gè)父結(jié)點(diǎn)和多個(gè)子結(jié)點(diǎn)的情況。另外,也會(huì)有一個(gè)父結(jié)點(diǎn)和一個(gè)子結(jié)點(diǎn),多個(gè)父結(jié)點(diǎn)和一個(gè)子結(jié)點(diǎn),以及沒(méi)有父結(jié)點(diǎn)或者沒(méi)有子結(jié)點(diǎn)的情況等。

2.4 教學(xué)資源庫(kù)的結(jié)構(gòu)模型

教學(xué)資源庫(kù)由知識(shí)體系庫(kù)和教學(xué)材料庫(kù)組成。

教學(xué)材料庫(kù)的主要目的是構(gòu)成學(xué)習(xí)環(huán)境并向?qū)W習(xí)者提供支持學(xué)習(xí)過(guò)程的各種條件,該庫(kù)的主要內(nèi)容為與各知識(shí)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的相關(guān)課件,當(dāng)通過(guò)某種搜索策略得到一個(gè)待學(xué)習(xí)的知識(shí)點(diǎn)編號(hào)時(shí),就可以從知識(shí)點(diǎn)屬性庫(kù)中獲得與該知識(shí)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的課件名稱,并可以以此名稱作為入口參數(shù),來(lái)調(diào)用已經(jīng)編寫好的多媒體課件,進(jìn)行教學(xué)講解或練習(xí)等教學(xué)、學(xué)習(xí)活動(dòng)。因此,整個(gè)教學(xué)資源庫(kù)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 基于RDFS的教學(xué)資源庫(kù)元模型

為了提高教學(xué)資源的共享和復(fù)用,本系統(tǒng)為教學(xué)資源建立了本體庫(kù),并選擇RDFS語(yǔ)言來(lái)描述。本體描述語(yǔ)言經(jīng)歷了從XML Schema到RDF Schema,再到DAML+OIL,以及W3C最近推出的OWL的過(guò)程,語(yǔ)言的表述能力在不斷增加。相比較,用XML Schema表示語(yǔ)義顯得過(guò)于單薄。而RDF Schema雖然在表達(dá)能力和邏輯嚴(yán)格性方面不如OWL等語(yǔ)言,但是其技術(shù)相對(duì)成熟和簡(jiǎn)單,所以采用RDF Schema(RDFS)語(yǔ)言來(lái)描述本系統(tǒng)的教學(xué)資源本體,以教學(xué)資源庫(kù)為例,介紹基于RDFS的教學(xué)資源描述方法。

圖2 教學(xué)資源庫(kù)結(jié)構(gòu)模型

3.1 教學(xué)資源模型設(shè)計(jì)

一般來(lái)說(shuō),一本講述特定教學(xué)資源的書(shū)本大都采用章、節(jié)、小節(jié)的形式將教學(xué)資源進(jìn)行細(xì)分,因此,提出一種教學(xué)資源的層次型組織模型,如圖3所示。

圖3 教學(xué)資源層次結(jié)構(gòu)圖

圖3中各結(jié)點(diǎn)均為知識(shí)點(diǎn),屬于KNode范疇。KNode(Knowledge Node,知識(shí)點(diǎn))是教學(xué)過(guò)程中傳遞教學(xué)信息的基本單元的一個(gè)抽象,它可以是理論、原理、概念、定義、范例和結(jié)論等。它是其他所有知識(shí)單元(SKNode,UKNode,AKNode)的原型,類似于面向?qū)ο笾械幕? UKNode(Unit Knowledge Node,單元知識(shí)點(diǎn)),相當(dāng)于“章”;UKNode由若干個(gè)SKNode(Section Knowledge Node)組成,SKNode相當(dāng)于“節(jié)”;SNode同樣由若干個(gè)AKNode(Atom Knowledge Node)組成,AKNode是原子知識(shí)點(diǎn),相當(dāng)于“小節(jié)”, AKNode不可再分。

由以上的分析可知,知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)系無(wú)法用一種單純的樹(shù)形結(jié)構(gòu)來(lái)表示,因?yàn)閱渭兊臉?shù)形結(jié)構(gòu)只能表示層次關(guān)系,卻很難清楚地表示知識(shí)點(diǎn)之間的支持(有序)關(guān)系,而若用單純的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)來(lái)表示,則會(huì)造成知識(shí)點(diǎn)之間的層次關(guān)系不明顯,并且會(huì)使推理算法過(guò)于復(fù)雜。因此,在這里采用一個(gè)總體樹(shù)/局部圖的知識(shí)組織模型,如圖4所示。

圖4 教學(xué)資源庫(kù)的知識(shí)組織模型

3.2 知識(shí)點(diǎn)屬性的構(gòu)造

知識(shí)點(diǎn)模型體現(xiàn)了知識(shí)點(diǎn)本身所具有的性質(zhì)、作用以及相互關(guān)系等,包括知識(shí)點(diǎn)的編號(hào)、種類、難易程度、重要程度、要求掌握程度、前導(dǎo)知識(shí)點(diǎn)和后續(xù)知識(shí)點(diǎn)等。用一個(gè)多元組(KNID,KNN,KNK,KND,KNIm,KNC,KNP,KNPK,KNSu,KNT)來(lái)表示知識(shí)點(diǎn)的屬性。其中:

KNID: 表示知識(shí)點(diǎn)標(biāo)識(shí)號(hào),惟一確定此知識(shí)點(diǎn);

KNN: 表示知識(shí)點(diǎn)的名稱,一般是該知識(shí)點(diǎn)的名稱或標(biāo)題,用于概述說(shuō)明本知識(shí)點(diǎn)所表達(dá)的知識(shí)內(nèi)容;

KNK: 表示本知識(shí)點(diǎn)的關(guān)鍵字集合,主要用于學(xué)習(xí)本知識(shí)點(diǎn);

KND: 表示知識(shí)點(diǎn)的難度,它是一個(gè)模糊概念,分為5級(jí),即容易、較容易、一般、較難和難,其值由領(lǐng)域?qū)＜掖_定;

KNIm: 表示知識(shí)點(diǎn)的重要程度。知識(shí)點(diǎn)的重要程度也是個(gè)模糊概念,將其分為3級(jí),即不重要、一般和重要,其值由領(lǐng)域?qū)＜掖_定;

KNC: 表示本知識(shí)點(diǎn)的具體內(nèi)容,是指向該知識(shí)點(diǎn)具體內(nèi)容文件的指針,知識(shí)點(diǎn)的具體內(nèi)容由文本、表格、圖形(圖像)等素材組成,存放在教學(xué)材料庫(kù);

KNP: 表示包含此知識(shí)點(diǎn)的知識(shí)點(diǎn)(即父知識(shí)點(diǎn));

KNPK: 表示此知識(shí)點(diǎn)的前導(dǎo)知識(shí)點(diǎn)(即有先序關(guān)系的兄弟知識(shí)點(diǎn));

KNSu: 表示此知識(shí)點(diǎn)的后繼知識(shí)點(diǎn)(即有后序關(guān)系的兄弟知識(shí)點(diǎn));

KNT: 表示知識(shí)點(diǎn)的通過(guò)閾值,用于通過(guò)學(xué)生對(duì)測(cè)試題目的回答判斷是否通過(guò)本知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)。只有在學(xué)習(xí)本知識(shí)點(diǎn)以后,測(cè)試與本知識(shí)點(diǎn)相關(guān)的試題的得分不低于此值時(shí),才允許離開(kāi)本知識(shí)點(diǎn)進(jìn)入下一知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)。域值越大,說(shuō)明知識(shí)點(diǎn)的重要性越高。

每個(gè)知識(shí)點(diǎn)可根據(jù)實(shí)際情況擁有上述全部或部分屬性。

3.3 使用RDFS描述教學(xué)資源本體

(1) 教學(xué)資源總體結(jié)構(gòu)本體

教學(xué)資源點(diǎn)本體(DBO)中的核心概念包括KNode,UKNode,SKNode和AKNode。圖5描述的是教學(xué)資源點(diǎn)本體的層次結(jié)構(gòu)。它表示資源http://local host/dbo#UKNode(單元知識(shí)點(diǎn)),http://localhost/dbo#SKNode(節(jié)知識(shí)點(diǎn)),http://localhost/dbo#AKNode(原子知識(shí)點(diǎn))是資源http://localhost/ dbo#KNode (所有知識(shí)點(diǎn)的抽象)的子類。

圖5 教學(xué)資源點(diǎn)本體層次結(jié)構(gòu)

使用RDFS語(yǔ)言對(duì)圖5的教學(xué)資源點(diǎn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述的部分代碼如下:

xmlns:dbo="http://localhost/dbo#"

xmlns:rdfs="http://www.w3.org/2000/01/rdf-schema#">

…