基于語(yǔ)義Web的學(xué)科知識(shí)地圖的建構(gòu)研究

【摘要】網(wǎng)絡(luò)資源的日益豐富，為網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)者提供更多瀏覽選擇的同時(shí)也增加了資源檢索的難度，如何優(yōu)化和組織網(wǎng)絡(luò)學(xué)科資源，為學(xué)習(xí)者提供良好的資源導(dǎo)航，是現(xiàn)階段教育信息資源開(kāi)發(fā)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。文章基于語(yǔ)義Web來(lái)描述學(xué)科資源及其之間的語(yǔ)義聯(lián)系，應(yīng)用知識(shí)地圖整合、顯示其語(yǔ)義聯(lián)系，為學(xué)習(xí)者呈現(xiàn)形象、直觀的學(xué)科知識(shí)結(jié)構(gòu)，提供高效、智能的資源呈現(xiàn)和導(dǎo)航服務(wù)，實(shí)現(xiàn)學(xué)科資源的精確定位，促進(jìn)學(xué)習(xí)者對(duì)學(xué)科知識(shí)的查詢(xún)、理解與整體把握。

【關(guān)鍵詞】語(yǔ)義Web；學(xué)科知識(shí)地圖；本體；學(xué)科資源本體模型

【中圖分類(lèi)號(hào)】G40-057 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【論文編號(hào)】1009—8097（2011）05—0110—05

信息技術(shù)的發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)教育的普及，使各種網(wǎng)絡(luò)教育資源急速增長(zhǎng)，學(xué)習(xí)者在瀏覽時(shí)往往會(huì)迷失在資源海洋中，找不到自己想要的學(xué)科資源，本文用本體為學(xué)科資源提供一個(gè)統(tǒng)一的規(guī)范模型，基于語(yǔ)義來(lái)描述學(xué)科資源及其之間的關(guān)系，保持相同資源語(yǔ)義上的一致性，并用知識(shí)地圖對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行重組和整合，直觀、形象地描述了學(xué)科知識(shí)的結(jié)構(gòu)，提供結(jié)構(gòu)化的學(xué)科資源目錄，方便學(xué)習(xí)者對(duì)學(xué)科資源的檢索和瀏覽。文章詳細(xì)介紹了基于語(yǔ)義Web的學(xué)科知識(shí)地圖建構(gòu)的架構(gòu)、基于本體的學(xué)科資源模型的表示和存儲(chǔ)、語(yǔ)義學(xué)科知識(shí)地圖建構(gòu)的工具、方法、步驟等內(nèi)容，初步探索語(yǔ)義Web技術(shù)和知識(shí)地圖在學(xué)科資源建設(shè)方面的應(yīng)用，為學(xué)科資源的整合、應(yīng)用、共享與結(jié)構(gòu)化呈現(xiàn)提供了有效的支持。

一 相關(guān)理論

1 知識(shí)地圖及其建構(gòu)

知識(shí)地圖 （knowledge map），又稱(chēng)認(rèn)識(shí)地圖、認(rèn)知地圖[1]，最早是由布魯克斯（B.C.Brooks）提出的。它通過(guò)對(duì)知識(shí)、概念等進(jìn)行組織、描述，繪制成以各個(gè)單元概念為節(jié)點(diǎn)的知識(shí)圖，并通過(guò)可視化技術(shù)來(lái)顯示知識(shí)的有機(jī)結(jié)構(gòu)。作為知識(shí)管理的一種有效方法和手段，知識(shí)地圖描述了知識(shí)之間的關(guān)系和獲取途徑，不僅能夠表示知識(shí)體系的層次結(jié)構(gòu)，幫助使用者方便、快捷地找到所需要的知識(shí)，還能對(duì)學(xué)習(xí)資源進(jìn)行導(dǎo)航，對(duì)學(xué)習(xí)過(guò)程進(jìn)行引導(dǎo)。

知識(shí)地圖一般分為程序型、概念型、能力型、社會(huì)關(guān)系型四大類(lèi)[2]。概念型知識(shí)地圖主要以組織或系統(tǒng)便于共享的通用術(shù)語(yǔ)、主題對(duì)知識(shí)內(nèi)容進(jìn)行分類(lèi)顯示，并劃分知識(shí)間的層級(jí)關(guān)系，存儲(chǔ)關(guān)聯(lián)知識(shí)文檔之間的鏈接，提供知識(shí)向?qū)А3]

目前的概念型知識(shí)地圖大多是面向應(yīng)用的，主要用于指示知識(shí)的位置，無(wú)法對(duì)學(xué)科間的關(guān)聯(lián)進(jìn)行語(yǔ)義表達(dá)，基于本體的知識(shí)地圖不僅能語(yǔ)義描述學(xué)科知識(shí)間的聯(lián)系，以語(yǔ)義知識(shí)網(wǎng)的形式展現(xiàn)學(xué)科知識(shí)之間的聯(lián)系，使學(xué)習(xí)者直觀、清晰地了解學(xué)科之間的聯(lián)系，還能實(shí)現(xiàn)學(xué)科內(nèi)容的共享、互操作和動(dòng)態(tài)更新。本文建構(gòu)的學(xué)科知識(shí)地圖就是基于語(yǔ)義的概念型知識(shí)地圖。

2 語(yǔ)義Web及其技術(shù)

語(yǔ)義Web是Berners-Lee于2000年12月18日在XML2000會(huì)議上正式提出的[4]，旨在使Web上的信息具有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以理解的語(yǔ)義，從而更好地幫助計(jì)算機(jī)之間以及計(jì)算機(jī)與人之間的協(xié)同工作。也就是說(shuō)，它使現(xiàn)在的Web成為一種能理解人類(lèi)語(yǔ)言的智能網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)對(duì)Web上海量的異構(gòu)信息進(jìn)行有效地分類(lèi)、繼承、集成、復(fù)用、協(xié)作和管理，實(shí)現(xiàn)資源的共享、兼容，使用戶(hù)可以迅速準(zhǔn)確地找到需要的信息，為我們提供動(dòng)態(tài)的、智能的訪問(wèn)和導(dǎo)航。

本體作為RDF（S）的擴(kuò)展和延伸，用于描述應(yīng)用領(lǐng)域的概念、概念之間豐富的語(yǔ)義關(guān)系，解決語(yǔ)義表達(dá)、信息共享、語(yǔ)義理解、知識(shí)重用等問(wèn)題，是現(xiàn)階段語(yǔ)義Web研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。本文中應(yīng)用語(yǔ)義Web和本體來(lái)語(yǔ)義標(biāo)注和描述資源的概念、屬性及資源之間的關(guān)系，消除學(xué)科知識(shí)的二義性，實(shí)現(xiàn)學(xué)科資源的共享、重用，建構(gòu)基于語(yǔ)義Web的學(xué)科知識(shí)地圖，為用戶(hù)提供、呈現(xiàn)基于語(yǔ)義的學(xué)科資源導(dǎo)航。

二 基于語(yǔ)義Web的學(xué)科知識(shí)地圖的建構(gòu)過(guò)程

1 學(xué)科語(yǔ)義知識(shí)地圖架構(gòu)圖

圖1是學(xué)科語(yǔ)義知識(shí)地圖建構(gòu)架構(gòu)圖，架構(gòu)圖由資源層、語(yǔ)義層和顯示層構(gòu)成，資源層存儲(chǔ)的是實(shí)際的學(xué)科資源，語(yǔ)義層通過(guò)對(duì)學(xué)科知識(shí)進(jìn)行語(yǔ)義定義、描述、標(biāo)注和整合形成學(xué)科知識(shí)本體模型，顯示層以網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)學(xué)科知識(shí)節(jié)點(diǎn)間的關(guān)聯(lián)，把基于語(yǔ)義的學(xué)科知識(shí)地圖可視化地展示給用戶(hù)。其中，語(yǔ)義層作為語(yǔ)義表達(dá)學(xué)科資源和定義資源間語(yǔ)義聯(lián)系的模塊，是實(shí)現(xiàn)學(xué)科知識(shí)地圖語(yǔ)義呈現(xiàn)的關(guān)鍵。

上圖中，資源層通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)和網(wǎng)絡(luò)中結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和隱性知識(shí)進(jìn)行關(guān)鍵字提取等操作，來(lái)完成對(duì)學(xué)科資源的預(yù)處理。語(yǔ)義層通過(guò)對(duì)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行語(yǔ)義定義、描述和標(biāo)注，建構(gòu)各學(xué)科的學(xué)科本體庫(kù)，然后根據(jù)學(xué)科間固有的聯(lián)系，對(duì)各學(xué)科本體庫(kù)進(jìn)行語(yǔ)義整合和合并，將原本異構(gòu)的領(lǐng)域本體聯(lián)系起來(lái)，形成學(xué)科資源本體模型，顯示層將學(xué)科本體模型映射為知識(shí)地圖，并將各學(xué)科本體間的語(yǔ)義關(guān)聯(lián)也映射到本體知識(shí)地圖中，用可視化技術(shù)全局呈現(xiàn)學(xué)科知識(shí)地圖的關(guān)系網(wǎng)絡(luò)。

2 學(xué)科資源本體模型

為了便于學(xué)科知識(shí)和資源的整合、更新，整個(gè)建構(gòu)過(guò)程動(dòng)態(tài)地組織資源，并采用知識(shí)點(diǎn)作為資源描述的基本單位。每個(gè)知識(shí)點(diǎn)指向若干個(gè)相關(guān)的學(xué)習(xí)資源，包括HTML文件、PPT、視頻、音頻及其它形式的學(xué)科資源，這些學(xué)科資源按照相關(guān)性和存儲(chǔ)格式的不同來(lái)存放。若干個(gè)相關(guān)度大的知識(shí)點(diǎn)的集合構(gòu)成子內(nèi)容（例如“章節(jié)”），而若干個(gè)子內(nèi)容組成一個(gè)學(xué)科內(nèi)容（例如“課程”），各學(xué)科內(nèi)容之間的關(guān)系按學(xué)科內(nèi)容之間或?qū)W科課程的相關(guān)性等參數(shù)來(lái)記錄的。每個(gè)知識(shí)點(diǎn)有屬性及其屬性值，如知識(shí)點(diǎn)標(biāo)號(hào)，知識(shí)點(diǎn)主要內(nèi)容、知識(shí)點(diǎn)的呈現(xiàn)方式（PPT、HTML、音頻、視頻等）、知識(shí)點(diǎn)要求的掌握程度（了解、理解、掌握、熟練掌握）、知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)目標(biāo)（記憶、理解、應(yīng)用）、知識(shí)點(diǎn)采用的教學(xué)策略（協(xié)作、合作學(xué)習(xí)等）等屬性。知識(shí)點(diǎn)之間也有各種各樣的關(guān)系，如包含關(guān)系、前驗(yàn)關(guān)系、后繼關(guān)系等?？偵纤觯粋€(gè)學(xué)科知識(shí)點(diǎn)可以看作是一個(gè)11元組：（A，B，C，D，E，F(xiàn)，G，H，I，J，K），其中：

A：知識(shí)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)號(hào)，模型中每個(gè)知識(shí)點(diǎn)的編號(hào)是唯一的，用來(lái)識(shí)別知識(shí)點(diǎn)；

B：知識(shí)點(diǎn)關(guān)鍵字集，可用于檢索本知識(shí)點(diǎn)的關(guān)鍵字集；

C：知識(shí)點(diǎn)的說(shuō)明部分，概述本知識(shí)點(diǎn)的主要內(nèi)容及本知識(shí)點(diǎn)在學(xué)科課程中的重要性，便于學(xué)習(xí)者瀏覽和查詢(xún)學(xué)科內(nèi)容；

D：知識(shí)點(diǎn)的描述部分，指向知識(shí)點(diǎn)內(nèi)容文件的指針；

E：知識(shí)點(diǎn)關(guān)系，描述本學(xué)科知識(shí)點(diǎn)與其相關(guān)知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)系，包括：

先驗(yàn)關(guān)系：學(xué)習(xí)該知識(shí)點(diǎn)需要掌握的預(yù)備知識(shí)點(diǎn)；

后繼關(guān)系：本知識(shí)點(diǎn)可以作為哪些知識(shí)點(diǎn)的預(yù)備知識(shí)點(diǎn)；

包含關(guān)系：在本知識(shí)點(diǎn)中包含了哪些知識(shí)點(diǎn)；

相關(guān)關(guān)系：知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)系，可以是先驗(yàn)、后繼、包含等關(guān)系，也可以是屬于同一個(gè)子內(nèi)容或?qū)W科內(nèi)容的除以上關(guān)系外的知識(shí)點(diǎn)；

F：知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)方法和呈現(xiàn)方式，知識(shí)點(diǎn)所采用的教學(xué)策略和資源的呈現(xiàn)方式，包括PPT、HTML、音頻、視頻等分類(lèi)；

G：知識(shí)點(diǎn)的示例部分，指向知識(shí)點(diǎn)的示例文件的指針；

H：知識(shí)點(diǎn)的測(cè)試部分，對(duì)學(xué)習(xí)本知識(shí)點(diǎn)的學(xué)生測(cè)試其對(duì)該知識(shí)點(diǎn)的掌握程度的試題集；

I：該知識(shí)點(diǎn)要求的掌握程度，包括了解、理解、掌握、熟練掌握，由此可以作為劃分通過(guò)閾值的依據(jù)；

J：進(jìn)入閾值，只有當(dāng)所要求的先驗(yàn)知識(shí)點(diǎn)的加權(quán)平均得分不小于進(jìn)入閾值時(shí)才允許學(xué)習(xí)該知識(shí)點(diǎn)；

K：知識(shí)點(diǎn)要求達(dá)到的目標(biāo)，包括記憶、理解、應(yīng)用等值，用于指示該知識(shí)點(diǎn)所要求達(dá)到的認(rèn)知能力的層次。

本文中的學(xué)科資源語(yǔ)義模型用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)來(lái)存儲(chǔ)，如圖2所示，采用這種存儲(chǔ)方法，不僅對(duì)學(xué)科資源和知識(shí)點(diǎn)間的關(guān)系做了深入的描述和呈現(xiàn)，體現(xiàn)出各學(xué)科資源和知識(shí)點(diǎn)間承上啟下的關(guān)系，又照顧到各學(xué)科、知識(shí)點(diǎn)間的橫向和縱向聯(lián)系，保持學(xué)科結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)性，也方便學(xué)科知識(shí)地圖直觀、形象地呈現(xiàn)，為瀏覽者從全局上、總體上掌握學(xué)科內(nèi)容提供平臺(tái)，為學(xué)習(xí)者提供了智能化的學(xué)科內(nèi)容、資源導(dǎo)航。

三 學(xué)科本體知識(shí)地圖建構(gòu)方法及步驟

1 本體知識(shí)地圖建構(gòu)工具

本體的編輯和建構(gòu)工具很多，經(jīng)過(guò)分析、比較，本文選用Protégé作為本體描述和知識(shí)地圖呈現(xiàn)的工具。Protégé作為斯坦福大學(xué)開(kāi)發(fā)的一個(gè)開(kāi)放源碼的本體編輯器，支持多重繼承，提供對(duì)新數(shù)據(jù)的一致性檢查，與其它本體編輯工具相比，它具有以下特點(diǎn)：

（1）界面風(fēng)格與普通Windows應(yīng)用程序風(fēng)格一致，易于用戶(hù)操作。Protégé提供了一個(gè)圖形化的界面用于建構(gòu)類(lèi)、屬性和關(guān)系，本體結(jié)構(gòu)以樹(shù)型的層次目錄結(jié)構(gòu)顯示，使得用戶(hù)可以更加專(zhuān)注于概念層次上的本體模型構(gòu)建。用戶(hù)可以通過(guò)點(diǎn)擊相應(yīng)選項(xiàng)來(lái)編輯或增加學(xué)科類(lèi)、學(xué)科子內(nèi)容類(lèi)、屬性等本體元素，能直接對(duì)本體進(jìn)行檢查、瀏覽、編碼和修改，也能進(jìn)行簡(jiǎn)單的推理和查詢(xún)服務(wù)。

（2）是一個(gè)可擴(kuò)展、跨平臺(tái)的工作環(huán)境，模塊劃分清晰，提供完全的API接口，用戶(hù)可以在Protégé中插入插件擴(kuò)展其功能，如插入RacerPro來(lái)擴(kuò)展推理功能。插入可視化插件，如OWLVlz、Ontoviz和TGVlzTab等，來(lái)生成和顯示基于本體的知識(shí)地圖和學(xué)科結(jié)構(gòu)。

（3）支持具有JDBC1.0驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，便于學(xué)科資源和知識(shí)地圖的導(dǎo)入和存儲(chǔ)。

（4）支持本體語(yǔ)言對(duì)本體進(jìn)行輸入和輸出，并且可以免費(fèi)下載使用。

2 本體知識(shí)地圖建構(gòu)方法與步驟

本文用Protégé作為學(xué)科本體知識(shí)地圖建構(gòu)和呈現(xiàn)工具，具體建構(gòu)過(guò)程主要包括以下幾個(gè)步驟：

確定學(xué)科知識(shí)地圖的范圍。根據(jù)學(xué)科應(yīng)用的專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域、面向的學(xué)習(xí)者來(lái)確定學(xué)科知識(shí)地圖的領(lǐng)域和范圍，并根據(jù)領(lǐng)域范圍對(duì)學(xué)科內(nèi)容和資源進(jìn)行收集整理，通過(guò)對(duì)相關(guān)領(lǐng)域材料的收集、分析來(lái)確定資源范圍中所包含的學(xué)科類(lèi)、學(xué)科子內(nèi)容類(lèi)及知識(shí)點(diǎn)類(lèi)。

本體分析。確定學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)知識(shí)點(diǎn)、術(shù)語(yǔ)的概念、屬性及其之間的關(guān)系，并用領(lǐng)域內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語(yǔ)對(duì)這些概念、屬性、關(guān)系進(jìn)行定義。如定義學(xué)科內(nèi)容和知識(shí)點(diǎn)的屬性，包括知識(shí)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)號(hào)、關(guān)鍵字集、說(shuō)明部分、描述部分、測(cè)試部分、知識(shí)點(diǎn)要求的掌握程度、知識(shí)點(diǎn)要求達(dá)到的目標(biāo)等。定義學(xué)科之間、內(nèi)容之間、知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)系，包括先驗(yàn)關(guān)系、后繼關(guān)系、包含關(guān)系、相關(guān)關(guān)系。

建立學(xué)科資源本體框架。基于以上的本體分析，對(duì)學(xué)科知識(shí)進(jìn)行本體描述和分層，創(chuàng)建學(xué)科資源模型的層次框架。由于OWL廣泛的定義詞匯、詞匯之間的語(yǔ)義關(guān)系的功能，如類(lèi)型之間的不相交性、基數(shù)、等價(jià)、枚舉類(lèi)等，并有一定的推理能力，所以本文選用OWL語(yǔ)言來(lái)描述學(xué)科資源本體。文中采用從頂?shù)较碌姆椒ń?gòu)資源本體框架，并在創(chuàng)建本體框架后，為學(xué)科資源模型添加屬性和實(shí)例，即為創(chuàng)建的學(xué)科內(nèi)容類(lèi)添加實(shí)體資源，為類(lèi)屬性添加屬性值。

生成知識(shí)地圖。利用Protégé的信息可視化技術(shù)和可視化插件OWLVlz、Ontoviz、TGVlzTab，根據(jù)用戶(hù)的需要生成各種視圖，呈現(xiàn)學(xué)科語(yǔ)義知識(shí)地圖。

知識(shí)地圖評(píng)價(jià)。從準(zhǔn)確性、清晰性、一致性、完善性和可擴(kuò)展性等多個(gè)方面對(duì)本體知識(shí)地圖進(jìn)行有效的評(píng)估，并對(duì)知識(shí)地圖不斷地進(jìn)行調(diào)整和完善 。

圖3和圖4應(yīng)用Protégé依據(jù)以上建構(gòu)語(yǔ)義知識(shí)地圖的步驟，建構(gòu)基于語(yǔ)義Web的計(jì)算機(jī)學(xué)科知識(shí)地圖，并用TGVlzTab插件呈現(xiàn)資源的結(jié)構(gòu)、屬性、關(guān)系的網(wǎng)狀圖。

四 結(jié)束語(yǔ)

語(yǔ)義Web和知識(shí)地圖作為資源定義、知識(shí)管理的方法和工具，在資源描述和開(kāi)發(fā)中已有應(yīng)用，本文把二者結(jié)合起來(lái)，建構(gòu)基于語(yǔ)義Web的學(xué)科知識(shí)地圖，不僅為學(xué)習(xí)者提供具有語(yǔ)義關(guān)系的學(xué)科資源結(jié)構(gòu)圖，而且通過(guò)本體對(duì)學(xué)科資源及其關(guān)系進(jìn)行定義，實(shí)現(xiàn)資源的結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)和互操作，為學(xué)科知識(shí)地圖的構(gòu)建、維護(hù)和呈現(xiàn)提供基礎(chǔ)。本體的使用減少了學(xué)科資源的重復(fù)建設(shè)和表達(dá)歧義，實(shí)現(xiàn)了資源的共享、重用。

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The Construction of Semantic Web-based Subject Knowledge Map

SHI Lei

(Distance Teaching Center，China Central Radio and TV University， Beijing 100031，China)

Abstract: Today as the network resources increasingly rich， it provides learners more browsing choice of network resources also increased the difficulty of retrieval resources， how to optimize and organize network subject resource， to provide good resource navigation for learners， is the hotspot and difficulty of the education resources research and development. This paper based on semantic Web to describe subject resources， to establish the semantic contact between subject resources， application knowledge map integrate and shows its semantic links， offer image， intuitive subject structure， provide efficiently and intelligent resources show and navigation services， realize accurate location of the subject resources， promote learners to inquiries， understanding and overall grasp of the Subject knowledge.

Keyword: semantic web; ontology; subject knowledge map; ontology-based subject resources model

收稿日期：2011年4月1日

編輯：紅葉