基于語義Web的網(wǎng)絡(luò)教育資源共建與共享平臺構(gòu)建

陶宇煒，謝愛娟，熊長江

(1．常州大學(xué)信息化建設(shè)與管理中心，江蘇常州 213164;2．常州大學(xué) 石油化工學(xué)院，江蘇常州 213164;3．常州大學(xué)周有光語言文化學(xué)院，江蘇常州 213164)

隨著高等教育體制改革和教育模式的轉(zhuǎn)變，網(wǎng)絡(luò)教育資源建設(shè)越來越受到重視。網(wǎng)絡(luò)教育作為高等教育的重要組成部分，如何發(fā)揮海量網(wǎng)絡(luò)教育資源的獨特優(yōu)勢，成為高校教育信息化發(fā)展進(jìn)程中亟待解決的問題。

語義Web的相關(guān)理論和技術(shù)為分布、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)教育資源的建設(shè)與共享提供了技術(shù)支撐。利用語義Web相關(guān)理論和技術(shù)開展高校網(wǎng)絡(luò)教育資源建設(shè)與共享研究，提出基于語義Web的高校網(wǎng)絡(luò)教育資源共建與共享平臺架構(gòu)，對推動高校教育信息化建設(shè)具有重要的現(xiàn)實意義。

一、網(wǎng)絡(luò)教育資源建設(shè)現(xiàn)狀

當(dāng)前，高校網(wǎng)絡(luò)教育資源建設(shè)中存在著自成體系的資源孤島現(xiàn)象，主要原因在于資源的建設(shè)、使用、管理等方面缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和可行的解決方案。具體表現(xiàn)為:資源建設(shè)初期，在未充分了解學(xué)科特點和教師、學(xué)生的真實需求情況下，引進(jìn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺和教學(xué)資源庫，教師和學(xué)生獲取不到所期望的有效資源;資源建設(shè)過程中，沒有按照資源建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范對網(wǎng)絡(luò)教育資源的描述采用統(tǒng)一的語法格式，沒有形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和元數(shù)據(jù)方案，使網(wǎng)絡(luò)教育資源存在語法和語義上的異構(gòu)現(xiàn)象，阻礙了資源的共享和有效利用;網(wǎng)絡(luò)教育資源建設(shè)和應(yīng)用的保障措施不完善，缺乏相應(yīng)的評價激勵機(jī)制，導(dǎo)致資源得不到積極推廣和使用。

以胡俊杰等人對3582門本科類和高職類國家精品課程的網(wǎng)絡(luò)資源使用調(diào)查情況為例［1］，本科類精品課程資源平均可訪問率為57.9%，能正常觀看的課程視頻資源平均訪問率為41.4%，而能正常使用的課程交互模塊平均使用率只有25.2%;高職類精品課程資源平均可訪問率為55.3%，能正常觀看的課程視頻資源平均訪問率為47.3%，而能正常使用的課程交互模塊平均使用率也只有25.8%。精品課程資源本身質(zhì)量普遍較低，使用方法較為繁鎖，缺乏互動環(huán)節(jié)，導(dǎo)致資源閑置和使用率較低。

二、語義Web與網(wǎng)絡(luò)資源

語義Web倡導(dǎo)者TimBerners－Lee等人［2］認(rèn)為“語義網(wǎng)是當(dāng)前萬維網(wǎng)的擴(kuò)展。語義網(wǎng)中的信息被賦予了恰當(dāng)?shù)恼Z義，使得計算機(jī)和人之間能夠更好地協(xié)同工作?！闭Z義網(wǎng)的目標(biāo)是建立數(shù)據(jù)Web，以提供跨越應(yīng)用、企業(yè)、社區(qū)等界限的數(shù)據(jù)共享和重用的公共框架［3］。語義網(wǎng)分層標(biāo)準(zhǔn)中的XML(ExtensibleMarkupLanguage，可擴(kuò)展標(biāo)記語言)、RDF(ResourceDescriptionFramework，資源描述框架)、Ontology(本體)定義了計算機(jī)能夠理解的類及屬性等，并且用唯一的通用資源標(biāo)志符進(jìn)行資源標(biāo)注，為在更高層次根據(jù)內(nèi)容進(jìn)行異構(gòu)系統(tǒng)交互、資源互聯(lián)和共享、提升網(wǎng)絡(luò)資源發(fā)現(xiàn)、傳遞質(zhì)量提供了新的途徑［4］。

(一)可擴(kuò)展標(biāo)記語言XML

XML能夠定義任意結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，提供語法的互操作能力，是一種定義標(biāo)記的通用、結(jié)構(gòu)化描述語言，解決異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間和異構(gòu)數(shù)據(jù)之間的信息交換和傳遞。XML包括XML聲明、定義語言語法的DTD(documenttypedefinition，文檔類型定義)、描述標(biāo)記的詳細(xì)說明及文檔本身。DTD定義XML文件中的元素、元素的屬性以及元素和元素屬性間的關(guān)系。

描述網(wǎng)絡(luò)資源的DTD文檔結(jié)構(gòu)(部分)如下:

對于語義Web，除了用XML提供網(wǎng)絡(luò)資源所具有的結(jié)構(gòu)信息和對資源內(nèi)容的表述外，還需要提供描述XML資源的元數(shù)據(jù)，RDF是W3C制定的描述和處理元數(shù)據(jù)的資源語義描述規(guī)范。

(二)資源描述框架RDF

元數(shù)據(jù)被稱為“表示數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)”，它提供了一組公共標(biāo)記，可用于任何網(wǎng)絡(luò)資源，經(jīng)過元數(shù)據(jù)標(biāo)記的網(wǎng)絡(luò)資源，可以跨平臺實現(xiàn)互操作和重用。

RDF通過建立通用元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)框架表示任意類型的數(shù)據(jù)，解決如何使用XML標(biāo)準(zhǔn)語法無二義性地描述資源對象的問題，使描述資源的元數(shù)據(jù)信息成為計算機(jī)可理解的信息。RDF通過基于XML語法明確定義的結(jié)構(gòu)化約定建立起語義協(xié)議和語法編碼之間的橋梁，促進(jìn)元數(shù)據(jù)的互操作能力，滿足網(wǎng)絡(luò)資源互操作需要［5］。

XML與RDF相結(jié)合，較好地解決了計算機(jī)的知識表述問題，但要解決XML和RDF在處理語義上存在的同一概念有多種詞匯表示和同一詞匯有多種概念(含義)的問題，還需要引入本體。

(三)本體

本體是共享概念模型的明確的和形式化的規(guī)范說明［6］。本體通過對客觀世界某個應(yīng)用領(lǐng)域的概念的嚴(yán)格定義和概念之間的關(guān)系來明確概念的含義，形成應(yīng)用領(lǐng)域共享的領(lǐng)域概念和概念之間的關(guān)系，實現(xiàn)應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)不同主體(人、計算機(jī)、軟件、系統(tǒng)等)之間的交互(互操作、共享等)。

在語義Web中，通過本體提供語義Web標(biāo)注資源的元數(shù)據(jù)，使網(wǎng)絡(luò)資源表達(dá)一定的語義信息，支持搜索引擎、智能代理等應(yīng)用程序;應(yīng)用程序通過對本體的解析、本體的推理能力理解資源語義信息，提供基于語義的智能服務(wù)。

(四)網(wǎng)絡(luò)教育資源規(guī)范化描述

依據(jù)國家教育信息化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)委員會(CELTSC)制定的學(xué)習(xí)對象元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)(CELTS－3)，按照前文定義的DTD文檔的約定，用XML語言對網(wǎng)絡(luò)教育資源進(jìn)行規(guī)范化描述，包括9個必需的數(shù)據(jù)元素和7個可選的數(shù)據(jù)元素，如表1。為網(wǎng)絡(luò)教育資源的查找、使用提供支持，便于資源的共享和重用。

表1 網(wǎng)絡(luò)教育資源規(guī)范化描述

網(wǎng)絡(luò)教育資源規(guī)范化描述XML文檔如下:

＜resource＞

三、Web服務(wù)

Web服務(wù)通過定義一組標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，用于接口定義、方法調(diào)用、組件注冊及實現(xiàn)各種應(yīng)用系統(tǒng)之間的交互，使分布式異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源之間的共享成為可能。Web服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示［7］。

圖1 Web服務(wù)體系結(jié)構(gòu)

服務(wù)提供者(ServiceProvider)發(fā)布Web服務(wù)，響應(yīng)使用Web服務(wù)的請求;服務(wù)代理(UDDI Registries)注冊已經(jīng)發(fā)布的服務(wù)提供者(Service Provider)，并進(jìn)行分類，提供查找的Web服務(wù);服務(wù)請求者(ServiceRequester)通過服務(wù)代理(UDDIRegistries)查找并使用所需的Web服務(wù)。

服務(wù)發(fā)布(Publish)是指服務(wù)提供者對Web服務(wù)進(jìn)行描述并向服務(wù)代理注冊功能和訪問接口;服務(wù)查找(Find)是指服務(wù)請求者通過服務(wù)代理提供的訪問接口查找所需的Web服務(wù);服務(wù)使用(Bind)是指服務(wù)請求者通過訪問服務(wù)代理查找到所需Web服務(wù)后，應(yīng)用系統(tǒng)調(diào)用并解釋W(xué)SDL(WebServiceDescriptionLanguage，Web 服務(wù)描述語言)描述文本，綁定調(diào)用參數(shù)，執(zhí)行調(diào)用。

Web服務(wù)中的 SOAP(SimpleObjectAccess Protocol，簡單對象訪問協(xié)議)用于應(yīng)用系統(tǒng)之間的Web服務(wù)發(fā)送與接收XML消息。UDDI(UniversalDescription，DiscoveryandIntegration)是服務(wù)注冊(發(fā)布)和發(fā)現(xiàn)的規(guī)范，用于Web服務(wù)的發(fā)布和動態(tài)查找。WSDL使用XML語言描述UDDI注冊的Web服務(wù)和SOAP所要發(fā)送的消息。

四、基于語義Web的網(wǎng)絡(luò)教育資源共建與共享平臺框架設(shè)計

利用語義Web將分布在不同地域、組織或系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)教育資源統(tǒng)一標(biāo)注，建立資源共享平臺，提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)訪問、處理接口，滿足網(wǎng)絡(luò)教育資源的共享和互操作需求?；谡Z義Web的網(wǎng)絡(luò)教育資源共建與共享平臺框架結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 基于語義Web的網(wǎng)絡(luò)教育資源共建共享平臺框架

資源層包括構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)教育資源的基本元素，如文本、圖片、音頻、視頻、課件等基本素材，基本素材以無序狀態(tài)和分布式存放在各個資源服務(wù)器中，資源數(shù)據(jù)可以是結(jié)構(gòu)化或非結(jié)構(gòu)化形式。

元數(shù)據(jù)層包括資源描述的各種元數(shù)據(jù)集，使用規(guī)范的通用教育學(xué)詞匯表中的術(shù)語標(biāo)識資源內(nèi)容和相關(guān)說明信息，如以RDF文檔形式給出資源的存儲路徑、名稱、作者、內(nèi)容等。元數(shù)據(jù)層中包含元數(shù)據(jù)收集和元數(shù)據(jù)映射兩個過程，元數(shù)據(jù)收集從資源層抽取元數(shù)據(jù)得到不同的元數(shù)據(jù)集，元數(shù)據(jù)映射是將不同的元數(shù)據(jù)集映射到預(yù)先定義的統(tǒng)一的元數(shù)據(jù)通用框架。

本體層的教育資源本體通過定義資源建設(shè)領(lǐng)域概念和關(guān)系的術(shù)語表，將資源概念映射到領(lǐng)域本體術(shù)語表，形成對資源語義的一致性描述，實現(xiàn)對資源的概念一致化操作;本體層將本體提供給服務(wù)層，并接收服務(wù)層傳送的檢索信息。

服務(wù)層接收教育資源的元數(shù)據(jù)信息和本體信息，并接收和傳送訪問層的查詢請求，利用本體查詢語言SPARQL得出查詢的概念描述，將查詢結(jié)果反饋給訪問層。

服務(wù)層包括映射服務(wù)、本體服務(wù)、Web服務(wù)模塊。映射服務(wù)建立教育資源數(shù)據(jù)和共享平臺教育資源元數(shù)據(jù)之間的映射關(guān)系。本體服務(wù)利用讀取和解析本體技術(shù)Jean及本體查詢語言SPARQL實現(xiàn)。

Jean［8］提供了操作 RDF/RDFSchema 和OWL(Web本體語言)的應(yīng)用程序接口，采用RDF/XML、三元組形式讀寫 RDF，把 RDFSchema、OWL等形式的資源本體中的公理、定理和規(guī)則綁定到推理機(jī)，將推理機(jī)導(dǎo)入Jean，推理機(jī)與RDF模型關(guān)聯(lián)，根據(jù)已有的類、屬性、實例數(shù)據(jù)推理派生RDF模型所有隱含語義匹配的三元組。

SPARQL［9］通過引用 JeanAPI(Jean 應(yīng)用程序接口)的開發(fā)工具包，構(gòu)造和執(zhí)行SPARQL查詢。在進(jìn)行SPARQL查詢前，調(diào)用Jena推理機(jī)對教育資源庫中的RDF模型進(jìn)行推理，產(chǎn)生派生RDF模型所有隱含語義匹配的三元組，然后使用SPARQL語句查詢匹配。

訪問層為資源使用者提供可視化的語義查詢，并用于教育資源的采集和管理。訪問層為資源使用者和資源管理人員提供注冊認(rèn)證服務(wù)，任何需要訪問并使用平臺提供的網(wǎng)絡(luò)教育資源的用戶必須得到相應(yīng)的訪問授權(quán)，訪問權(quán)限由平臺資源管理人員統(tǒng)一授權(quán)和管理。

五、基于語義Web的網(wǎng)絡(luò)教育資源共建與共享平臺應(yīng)用

建立在語義Web基礎(chǔ)上的網(wǎng)絡(luò)教育資源共建與共享平臺能夠提高分布式異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)教育資源的集成和協(xié)作能力，網(wǎng)絡(luò)教育資源的發(fā)布和訪問通過Web服務(wù)實現(xiàn)。

網(wǎng)絡(luò)教育資源發(fā)布是資源提供者通過平臺發(fā)布或部署資源。資源提供者提交資源時，利用服務(wù)層的映射服務(wù)建立教育資源數(shù)據(jù)和共享平臺教育資源元數(shù)據(jù)之間的映射關(guān)系;并利用本體標(biāo)注工具，參照教育資源領(lǐng)域本體，對教育資源進(jìn)行語義標(biāo)注，生成XML文件格式的映射和標(biāo)注文檔，對教育資源庫的操作接口進(jìn)行Web服務(wù)封裝后，發(fā)布到平臺的目錄服務(wù)器。

教育資源的采集和管理是通過教師、資源提供者或管理人員上傳教育資源，輸入資源的作者、內(nèi)容關(guān)鍵字以及內(nèi)容簡介等描述信息，平臺利用JenaAPI(Jean應(yīng)用程序接口)函數(shù)把資源描述信息添加到資源描述文檔中，形成教育資源標(biāo)注文檔，存放于資源標(biāo)注庫供資源使用者通過資源描述信息檢索相關(guān)教育資源。

網(wǎng)絡(luò)教育資源使用者通過平臺提供資源查詢需求信息，利用平臺服務(wù)層提供的本體服務(wù)，應(yīng)用本體推理機(jī)，根據(jù)教育資源本體中的公理、規(guī)則、實例數(shù)據(jù)查詢得到RDF模型明確聲明的信息和隱含的語義信息，獲得語義匹配、人性化的語義查詢服務(wù)，列出與查詢關(guān)鍵詞高度匹配的網(wǎng)絡(luò)教育資源的查詢結(jié)果，滿足資源使用者的查詢需求。

服務(wù)層使用OWL－S(OntologyWebLanguage forServices，Web服務(wù)的本體語言)把語義Web和Web服務(wù)相聯(lián)系，實現(xiàn)基于OWL－S的語義Web服務(wù)描述和基于WSDL的Web服務(wù)接口的互換。服務(wù)層的各種服務(wù)使用OWL－S描述，并包裝成語義Web服務(wù)，通過WSDL和SOAP相互進(jìn)行訪問，資源使用者檢索到的網(wǎng)絡(luò)教育資源以XML文件進(jìn)行傳送。

六、結(jié)束語

將語義Web應(yīng)用到構(gòu)建高校網(wǎng)絡(luò)教育資源共建共享平臺，本體結(jié)合XML和RDF能夠為網(wǎng)絡(luò)教育資源提供計算機(jī)可以識別和處理的教育資源語義描述信息，并利用Web服務(wù)的思想，通過UDDI查找匹配的網(wǎng)絡(luò)教育資源信息，使分布式異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)教育資源的共享和交互得以實現(xiàn)，促進(jìn)高校師生有效利用網(wǎng)絡(luò)教育資源，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)教育資源的可持續(xù)發(fā)展。

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