語(yǔ)義Web技術(shù)課程教學(xué)模式探索與研究

李 韌

（重慶交通大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400074）

近年來(lái)，萬(wàn)維網(wǎng)已成為人們?nèi)粘９ぷ?、生活?yuàn)蕵?lè)和獲取信息不可或缺的重要途徑之一。然而，傳統(tǒng)Web信息以面向人類的溝通和理解而發(fā)布，導(dǎo)致該信息仍然很難被計(jì)算機(jī)所理解，傳統(tǒng)的搜索引擎均以基于文本關(guān)鍵字的方式對(duì)Web信息進(jìn)行搜集和檢索，無(wú)法理解Web信息之間的語(yǔ)義關(guān)系，不能實(shí)現(xiàn)語(yǔ)義知識(shí)共享。為解決上述問(wèn)題，萬(wàn)維網(wǎng)之父Tim Berners-Lee在傳統(tǒng)Web標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)和哲學(xué)領(lǐng)域本體相關(guān)理論[1]的基礎(chǔ)之上，在2001年首次提出了語(yǔ)義Web作為實(shí)現(xiàn)下一代萬(wàn)維網(wǎng)的遠(yuǎn)景。近年來(lái)，世界萬(wàn)維網(wǎng)聯(lián)盟W3C已相繼提出了多個(gè)語(yǔ)義Web技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并推薦其為未來(lái)Web技術(shù)發(fā)展重要方向[2]。為適應(yīng)這一發(fā)展趨勢(shì)，我國(guó)高校計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)已陸續(xù)開(kāi)設(shè)語(yǔ)義Web技術(shù)選修課程，著力培養(yǎng)具備最新語(yǔ)義Web開(kāi)發(fā)知識(shí)和技能的專業(yè)性人才。

一、語(yǔ)義Web關(guān)鍵技術(shù)概述

W3C規(guī)定采用UNICODE格式對(duì)語(yǔ)義Web所發(fā)布的內(nèi)容進(jìn)行編碼，并使用通用資源標(biāo)識(shí)符URI對(duì)所有資源進(jìn)行唯一性標(biāo)記。在此基礎(chǔ)之上，W3C規(guī)定所有語(yǔ)義Web的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)文檔基于可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言XML格式。為了定義網(wǎng)絡(luò)資源之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)機(jī)器可理解，應(yīng)用之間互操作，以及提供軟件Agent自動(dòng)處理能力，W3C于2004年提出了資源描述框架RDF，并將其推薦為語(yǔ)義 Web的基本元數(shù)據(jù)模型[3]。在 RDF之上，W3C提出了RDF-S，定義了資源的類以及類和屬性的層次劃分等，初步具備了簡(jiǎn)單語(yǔ)義推理和規(guī)則推理特征。為提供更強(qiáng)大的描述能力和可判定的推理能力，W3C于2007年提出了Web本體描述語(yǔ)言O(shè)WL，并將其指定為語(yǔ)義Web的核心技術(shù)，提供可以用于各種應(yīng)用領(lǐng)域建模的本體描述和推理能力。另外，SPARQL是W3C推薦的RDF數(shù)據(jù)查詢標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言，SWRL是用于對(duì)OWL表達(dá)能力進(jìn)行規(guī)則擴(kuò)展的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則描述語(yǔ)言[4]。除此以外，在語(yǔ)義Web體系結(jié)構(gòu)中還包含了證明層、信任層和數(shù)字簽名等面向用戶和接口終端應(yīng)用，屬于實(shí)際應(yīng)用開(kāi)發(fā)范疇。在語(yǔ)義Web技術(shù)應(yīng)用工具方面，當(dāng)前業(yè)界主要使用美國(guó)斯坦福大學(xué)推出的開(kāi)源Protégé工具進(jìn)行語(yǔ)義Web本體建模。該工具可以通過(guò)導(dǎo)入如Pellet和Jena等得多種插件實(shí)現(xiàn)RDF、OWL等不同語(yǔ)義層級(jí)的本體查詢和推理任務(wù)。

二、課程體系結(jié)構(gòu)設(shè)置

語(yǔ)義Web技術(shù)課程主要面向計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)高年級(jí)本科生或研究生，包括了32學(xué)時(shí)的理論課程和16學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)課程，該課程體系結(jié)構(gòu)設(shè)置情況如圖1所示。理論課程以傳統(tǒng)Web開(kāi)發(fā)技術(shù)為基礎(chǔ)，首先講授 HTML、命名空間、UNICODE和XML等Web開(kāi)發(fā)基本知識(shí)，并通過(guò)引入語(yǔ)義Web原理使學(xué)生明確傳統(tǒng)Web存在的不足并熟悉下一代萬(wàn)維網(wǎng)的理念。然后，通過(guò)講授語(yǔ)義Web語(yǔ)言與標(biāo)準(zhǔn)，包括 RDF、RDFS、OWL、SPARQL 和 SWRL等，使學(xué)生初步了解關(guān)于語(yǔ)義Web的體系結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵理論。其次，通過(guò)闡述描述邏輯基本原理與特點(diǎn)、描述邏輯系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、描述邏輯語(yǔ)言、TBox與ABox以及Tableau推理算法等使學(xué)生熟悉OWL本體的可滿足性、一致性驗(yàn)證等推理任務(wù)和實(shí)現(xiàn)機(jī)理。隨后，重點(diǎn)講授各類本體建模、查詢與推理工具的使用方法，并通過(guò)語(yǔ)義Web實(shí)際應(yīng)用案例，使學(xué)生進(jìn)一步掌握前述講授的語(yǔ)義Web語(yǔ)言和標(biāo)準(zhǔn)。最后，通過(guò)講授本體匹配和學(xué)習(xí)技術(shù)，使學(xué)生了解語(yǔ)義Web技術(shù)發(fā)展進(jìn)階知識(shí)。

在上述理論知識(shí)點(diǎn)的基礎(chǔ)之上，實(shí)驗(yàn)課程主要訓(xùn)練學(xué)生的本體建模、查詢與推理的應(yīng)用能力。通過(guò)結(jié)合各類實(shí)際應(yīng)用案例，以培養(yǎng)學(xué)生熟練獨(dú)立使用各類應(yīng)用工具進(jìn)行語(yǔ)義Web應(yīng)用開(kāi)發(fā)能力為目的，主要開(kāi)展術(shù)語(yǔ)本體概念及關(guān)系層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳遞和逆關(guān)系定義、實(shí)例斷言聲明等面向不同表達(dá)能力的語(yǔ)義Web本體建模，并通過(guò)使用現(xiàn)有描述邏輯推理機(jī)、SPARQL查詢引擎和SWRL推理引擎對(duì)實(shí)驗(yàn)課程中建立的本體進(jìn)行可滿足性推理、包含關(guān)系推理、一致性驗(yàn)證等推理實(shí)訓(xùn)，使學(xué)生進(jìn)一步加深對(duì)語(yǔ)義Web相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的掌握和理解，同時(shí)充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，以達(dá)到提高教學(xué)質(zhì)量的目的。

圖1 語(yǔ)義Web課程體系

三、突出案例及語(yǔ)義Web應(yīng)用工具在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

由于該課程講授到多種語(yǔ)義Web新標(biāo)準(zhǔn)和新語(yǔ)言，同時(shí)涉及到描述邏輯等多種理論性較強(qiáng)的知識(shí)點(diǎn)，教學(xué)和學(xué)習(xí)過(guò)程較為抽象，因此實(shí)驗(yàn)課程應(yīng)以案例為驅(qū)動(dòng)，并充分借助Protégé本體建模工具、Jena查詢引擎及其編程API、Pellet推理機(jī)等語(yǔ)義Web應(yīng)用工具，使學(xué)生逐步熟悉關(guān)于語(yǔ)義Web的知識(shí)體系及提升學(xué)生動(dòng)手研發(fā)能力。

在教學(xué)案例的選擇方面，可根據(jù)學(xué)生對(duì)特定領(lǐng)域的熟悉程度，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行如社交網(wǎng)絡(luò)和大學(xué)教學(xué)管理等領(lǐng)域本體的建模，抽象出某特定領(lǐng)域的領(lǐng)域概念及其概念之間的層級(jí)關(guān)系，分析各類概念之間存在的交互關(guān)系，并對(duì)關(guān)系的層級(jí)、傳遞性、互斥性的限制進(jìn)行總結(jié)，進(jìn)而建立相應(yīng)的本體術(shù)語(yǔ)集。在此基礎(chǔ)之上，指導(dǎo)學(xué)生對(duì)某特定領(lǐng)域的個(gè)體實(shí)例進(jìn)行歸納，分析實(shí)例所對(duì)應(yīng)的概念。最后，通過(guò)調(diào)用相應(yīng)的查詢引擎或者推理機(jī)完成所建立本體知識(shí)庫(kù)的查詢和推理。

在語(yǔ)義Web工具應(yīng)用方面，首先重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生使用Protégé建模工具，熟悉該工具各個(gè)功能模塊的使用方法，以及各類插件的安裝部署和使用限制。然后，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生使用Pellet推理機(jī)對(duì)所構(gòu)建本體的一致性、可滿足性或者分類關(guān)系進(jìn)行Tableau推理的方法，并在使用過(guò)程中提倡學(xué)生首先進(jìn)行人工的推理，并與推理機(jī)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，進(jìn)而加深對(duì)推理理論的理解。其次，指導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建不同類型的 SPARQL查詢語(yǔ)句，分析在Protégé的Jena插件中的使用及其查詢過(guò)程。最后，指導(dǎo)學(xué)生使用 Protégé的SWRLTab插件，并對(duì)SWRL規(guī)則進(jìn)行實(shí)踐，加深對(duì)SWRL規(guī)則推理的理解和認(rèn)識(shí)。

四、結(jié)束語(yǔ)

語(yǔ)義Web技術(shù)課程以傳統(tǒng)Web開(kāi)發(fā)相關(guān)知識(shí)為基礎(chǔ)，重點(diǎn)講授語(yǔ)義Web本體的建模、查詢與推理理論和方法，并以案例驅(qū)動(dòng)的方式組織實(shí)驗(yàn)教學(xué)，突出 Protégé、Pellet和 Jena 等應(yīng)用工具的實(shí)踐，進(jìn)而提升教學(xué)質(zhì)量，使學(xué)生具備下一代萬(wàn)維網(wǎng)的相關(guān)知識(shí)和一定的軟件研發(fā)能力。

[1] 俞宣孟.本體論研究[M].上海:上海人民出版社，2012.

[2] 高志強(qiáng)，潘越，馬力，等.語(yǔ)義Web原理及應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

[3] 黃智生，鐘寧.海量語(yǔ)義數(shù)據(jù)處理——平臺(tái)、技術(shù)與應(yīng)用[M].北京:高等教育出版社，2012.

[4] W3C.Semantic Web[EB/OL].[2015 － 03 － 12].http://www.w3.org/standards/semanticweb/.