基于在線資源開放課程的智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)本體構(gòu)建研究

張前進(jìn)

（安徽國防科技職業(yè)學(xué)院，安徽六安 237011）

基于在線資源開放課程的智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)本體構(gòu)建研究

張前進(jìn)

（安徽國防科技職業(yè)學(xué)院，安徽六安 237011）

分析國內(nèi)在線資源開放課程建設(shè)情況及存在的問題，提出了基于語義網(wǎng)本體技術(shù)構(gòu)建基于在線資源開放課程的智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)方案。根據(jù)本體的概念給出了快速構(gòu)建驗證性本體的方法，完成了智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)本體模型設(shè)計，并以軟件技術(shù)專業(yè)為例，闡述了Web應(yīng)用程序開發(fā)學(xué)習(xí)領(lǐng)域本體的構(gòu)建過程。

本體；概念；屬性；智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)

2003年，為提升我國高等教育的綜合實力和國際競爭力，教育部啟動了高等學(xué)校教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程精品課程建設(shè)工作〔1〕。精品課程采用校、省、國家三級建設(shè)模式。2003—2010年精品課程建設(shè)期間共立項3 910項國家級精品課程。2011年在精品課程的基礎(chǔ)上教育部提出了精品開放課程建設(shè)，其目標(biāo)是“十二五”期間立項建設(shè)6 000門課程。2012年，以碎片化資源為顯著特征的大規(guī)模在線開放課程（massive open online courses，MOOC）在國內(nèi)外得到迅猛發(fā)展。截至2015年，僅Courdera和edX兩大著名MOOC平臺就提供了近2 000門課程資源。

海量在線開放課程資源的建設(shè)，為優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源共享奠定了基礎(chǔ)，但其在推廣應(yīng)用的過程中也暴露出一些不足，如：①教學(xué)資源建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范不統(tǒng)一，資源重復(fù)建設(shè)，共享與重用度低；②資源利用率低，資源內(nèi)容間聯(lián)系度小。知識間聯(lián)系表示簡單，很難提供較好的智能服務(wù)〔2〕。

本文將語義網(wǎng)的本體技術(shù)引入到基于在線資源開放課程的智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)中，根據(jù)本體的概念定義了智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)中的教學(xué)資源，并為現(xiàn)有的在線開放課程資源添加了語義化描述。通過構(gòu)建智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)的本體庫模型，為實現(xiàn)教學(xué)資源共享與重用，構(gòu)建智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)提供理論與實踐基礎(chǔ)。并以“軟件技術(shù)專業(yè)學(xué)習(xí)系統(tǒng)”本體庫構(gòu)建為例，說明了本體庫構(gòu)建與實現(xiàn)的過程。

1 本體構(gòu)建綜述

1.1本體概念本體的概念最初來自于哲學(xué)領(lǐng)域的存在論。隨著人工智能、數(shù)據(jù)庫技術(shù)的發(fā)展，本體論在引入信息系統(tǒng)領(lǐng)域后，其在智能領(lǐng)域的作用越來越重要。到目前為止，本體在信息領(lǐng)域的概念還沒有一個統(tǒng)一的描述。1993年，Gruber定義的“本體是概念模型的明確的規(guī)范說明”〔3〕被廣泛認(rèn)可，1995年Borst又將其修正為“本體是共享型概念模型的明確的形式化規(guī)范說明”〔4〕，本文也采用此概念。

1.2本體的構(gòu)建本體的目標(biāo)是捕獲相關(guān)領(lǐng)域的知識〔5〕，提供對該領(lǐng)域知識的共同理解，確定該領(lǐng)域內(nèi)共同認(rèn)可的詞匯，并從不同層次上給出這些詞匯（術(shù)語）及詞匯相互關(guān)系的明確定義。其構(gòu)建過程就是概念模型確立的過程。本體構(gòu)建的方法有很多，各有優(yōu)缺點，因此目前并沒有統(tǒng)一的通用的本體構(gòu)建方法。本文采用簡易的原型構(gòu)建法，構(gòu)建步驟簡單，適合快速構(gòu)建驗證性本體。其構(gòu)建步驟見圖1。

圖1 本體構(gòu)建方法圖

（1）需求分析

本體是描述領(lǐng)域知識，提供對領(lǐng)域知識的共同理解〔6〕。構(gòu)建本體的第一步就是需求分析，其目的是通過收集領(lǐng)域知識，然后對知識進(jìn)行歸納與提煉，完成本體系統(tǒng)的規(guī)范化描述。

（2）明確核心概念及層次結(jié)構(gòu)

本階段主要是根據(jù)需求分析得到的本體系統(tǒng)規(guī)范化描述，分析列舉出領(lǐng)域知識的核心概念，并完成對概念進(jìn)行分類，確定概念的層次結(jié)構(gòu)。

（3）明確概念屬性

明確了概念的層次結(jié)構(gòu)，只是完成了本體的框架設(shè)計，需要明確概念的屬性，才能豐富本體概念的語義。概念的屬性是區(qū)別于其他概念的關(guān)鍵標(biāo)志，用來描述概念的固有特性及內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

（4）明確概念間的關(guān)系

前面3步完成了對知識的形式化描述。本階段主要明確概念之間的聯(lián)系，明確指示知識間的語義結(jié)構(gòu)。在語義上，概念間的關(guān)系對應(yīng)于對象元組的集合〔7〕。

（5）本體進(jìn)化

本體進(jìn)化指領(lǐng)域知識本體的進(jìn)化。主要由自身進(jìn)化和對外進(jìn)化兩部分組成。自身進(jìn)化，指對本體自身，即已經(jīng)存在的本體，增加新的概念、新的概念屬性，擴(kuò)展新的語義結(jié)構(gòu)等；對外進(jìn)化，指對不同領(lǐng)域間的本體增加語義操作。

（6）本體表示

本體建設(shè)的完成，是本體構(gòu)建的必然結(jié)果與自然延伸。

2 智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)本體構(gòu)建

2.1智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)本體模型目前建設(shè)的在線課程開放資源平臺中，資源大多存儲在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，以常規(guī)鏈接的形式展示，沒有實現(xiàn)資源的標(biāo)注。根據(jù)需求分析，基于在線課程開放資源的智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)，其本體模型主要由資源本體、領(lǐng)域知識本體兩部分組成。見圖2。

圖2 智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)本體模型圖

資源本體給出在線課程資源形式化描述框架，實現(xiàn)在線資源的標(biāo)注，形成元數(shù)據(jù)標(biāo)注庫。作為后期智能化處理、查詢的實踐基礎(chǔ)。領(lǐng)域知識本體是利用本體明確資源間的語義結(jié)構(gòu)，即在知識與概念間的關(guān)系進(jìn)行精確定位，提高在線課程資源共享和復(fù)用的效率。

2.2本體構(gòu)建本文以軟件技術(shù)專業(yè)為例描述智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)本體的構(gòu)建過程。

2.2.1 資源本體 根據(jù)上述可知，資源本體實現(xiàn)的是資源標(biāo)注，形成的是資源的元數(shù)據(jù)標(biāo)注庫，是元數(shù)據(jù)層〔8〕。學(xué)習(xí)資源主要包括視頻、音頻、圖像、文檔、文本等多媒體資源，其本體的概念層次結(jié)構(gòu)簡單，由學(xué)習(xí)資源基本信息、學(xué)習(xí)資源應(yīng)用領(lǐng)域信息、學(xué)習(xí)資源應(yīng)用形式、學(xué)習(xí)資源用戶信息等一系列的基礎(chǔ)概念組成。見圖3。因此不再按照本體構(gòu)建方法的步驟進(jìn)行描述。

圖3 資源本體模型圖

（1）學(xué)習(xí)資源基本信息：包含資源編號、資源名稱、資源類別、資源地址、資源大小、資源作者、資源單位等基本信息的屬性。

（2）學(xué)習(xí)資源應(yīng)用領(lǐng)域信息：包含用戶類型、資源所屬學(xué)科、資源所屬專業(yè)等應(yīng)用領(lǐng)域信息的屬性。

（3）學(xué)習(xí)資源應(yīng)用形式：包含資源應(yīng)用類別、資源應(yīng)用形式、資源應(yīng)用場景等信息的屬性。

（4）學(xué)習(xí)資源用戶信息：包含用戶類別、用戶權(quán)限、用戶編號等信息的屬性。

根據(jù)資源本體模型，《網(wǎng)頁設(shè)計與制作》MOOC在線課程資源可以形式化描述為：

｛MOOC-001，網(wǎng)頁設(shè)計與制作，MOOC，http：∕∕sample.mooc.com∕001，50M，張前進(jìn)，安徽國防科技職業(yè)學(xué)院｝∪｛學(xué)生，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)｝∪｛在線，視頻，自學(xué)｝∪｛注冊用戶，瀏覽，UNO01｝。

2.2.2 領(lǐng)域知識本體

（1）明確概念及層次結(jié)構(gòu)

本文研究的是面向用戶的基于在線課程資源的智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)，采用基于工作過程的方式構(gòu)建學(xué)習(xí)領(lǐng)域。首先通過市場調(diào)研、專家訪談、畢業(yè)生跟蹤調(diào)查等方法來獲取軟件技術(shù)專業(yè)的典型職業(yè)崗位，然后通過分析，歸納出典型崗位群及工作任務(wù)〔9〕，最后根據(jù)典型工作任務(wù)需要的技能點總結(jié)出軟件技術(shù)專業(yè)的學(xué)習(xí)領(lǐng)域。學(xué)習(xí)領(lǐng)域類似于課程的概念，由若干個學(xué)習(xí)情景組成。通過對軟件技術(shù)專業(yè)涉及的領(lǐng)域分析可知，該專業(yè)包含桌面應(yīng)用程序開發(fā)、Web應(yīng)用程序開發(fā)、軟件測試、數(shù)據(jù)庫設(shè)計與應(yīng)用等學(xué)習(xí)領(lǐng)域。各個學(xué)習(xí)領(lǐng)域之間并不是孤立存在的，也會存在相互關(guān)聯(lián)。以Web應(yīng)用程序開發(fā)學(xué)習(xí)領(lǐng)域為例，利用本體的概念，明確該學(xué)習(xí)領(lǐng)域中所有的概念并形成層次結(jié)構(gòu)。見圖4。

圖4 Web應(yīng)用程序開發(fā)學(xué)習(xí)領(lǐng)域概念層次圖

在該層次結(jié)構(gòu)中，可以更好的建立知識點間的關(guān)聯(lián)，每一條路徑上的知識點都是從粗到細(xì)，并且都能通過一條路徑找到它。這使得知識的整合更加自由，可以隨時增加、移動或者刪除節(jié)點。

（2）明確概念屬性

基于工作過程構(gòu)建的學(xué)習(xí)領(lǐng)域中，不僅不同層次的知識點之間存在關(guān)聯(lián)關(guān)系，同時，不同領(lǐng)域的學(xué)習(xí)領(lǐng)域之間也會存在關(guān)聯(lián)關(guān)系。因此在明確概念屬性時除了充分描述概念的基本信息外，還要充分考慮不同領(lǐng)域間的關(guān)系。學(xué)習(xí)領(lǐng)域的概念屬性可以描述為：

｛課程簡介，授課師資，職業(yè)崗位，課時數(shù)，課程目標(biāo)，與其他課程的關(guān)系，課程類型｝。

（3）明確概念間的關(guān)系

本體概念間存在多重關(guān)系，如在概念的層次結(jié)構(gòu)中，上下層間的概念屬于包含與被包含關(guān)系，不同領(lǐng)域間的概念還存在依賴關(guān)系，還有相互獨立的平行關(guān)系，大粒度與小粒度概念間的反映與被反映關(guān)系。概念間的重要關(guān)系見表1。

表1 概念間的重要關(guān)系表

2.3本體在智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)中的應(yīng)用OWL（Web Ontology Language）是W3C推薦的語義互聯(lián)網(wǎng)中本體描述語言的標(biāo)準(zhǔn)。下面以該標(biāo)準(zhǔn)給出一個教師發(fā)布教學(xué)資料的應(yīng)用實例。

當(dāng)教師上傳資料時需要從內(nèi)容、概念間的層次關(guān)系和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等方面對資源進(jìn)行語義描述。如教師上傳的是網(wǎng)頁設(shè)計與制作這門課程的學(xué)習(xí)資源。其部分語義描述如下所示：

＜Document rdf：ID=”網(wǎng)頁設(shè)計與制作”＞

……

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＜Size rdf：ID=”50M”∕＞

＜∕contentSize＞

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＜Author rdf：ID=”張前進(jìn)”∕＞

＜∕hasAuthor＞

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＜for rdf：ID=”PHP程序設(shè)計”∕＞

＜∕basicFor＞

＜nextFile＞

＜next rdf：ID=”DIV+CSS”∕＞

＜∕nextFile＞

＜∕Document＞

通過對教學(xué)資源本體語義化描述，增強(qiáng)了資源間的語義聯(lián)系，可以為學(xué)生提供更加智能化的檢索服務(wù)。如當(dāng)學(xué)生檢索網(wǎng)頁設(shè)計與制作這門課時，除了可以將該課程對應(yīng)的資料展示出來之外，還可以根據(jù)basicFor、nextFile等語義描述為學(xué)生提供該課程的相關(guān)知識以及該課程后續(xù)學(xué)習(xí)資料等信息，從而提高了資源的利用率。

3 結(jié)束語

本文將本體引入基于在線資源開放課程的智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)中，一方面有效的解決了在線課程資源知識共享性差、資源利用率低的問題，另一方面增加了在線課程資源的語義，為建立語義查詢、后期推理奠定了實踐基礎(chǔ)。

〔1〕教育部.教育部關(guān)于啟動高等學(xué)校教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程精品課程建設(shè)工作的通知（教高〔2003〕1號）〔EB∕OL〕.〔2015-12-20〕.http：∕∕www.360doc.com∕content∕16∕0705∕11∕32822272_573228828.shtml.

〔2〕孫玉娣，裴勇.專業(yè)教學(xué)資源庫本體模型構(gòu)建〔J〕.軟件，2011，32（4）：108-110.

〔3〕GRUBER T R.A Translation Approach to Portable Ontology Specifications〔J〕.KnowledgeAcquisition，1993，5：199-200.

〔4〕BORST W N.Construction of Engineering Ontologies for Knowledge Sharing and Reuse〔J〕.University of Twente，1997，18（1）：44-57.

〔5〕馬雨萌，劉鳳紅，黃金霞.STKOS中領(lǐng)域本體模型框架研究〔J〕.圖書情報工作，2015，59（3）：119-125.

〔6〕馬莉.本體的煤礦數(shù)字化應(yīng)急預(yù)案系統(tǒng)研究〔J〕.西安科技大學(xué)學(xué)報，2014，34（2）：216-223.

〔7〕楊現(xiàn)民，余勝泉.學(xué)習(xí)元平臺的語義技術(shù)架構(gòu)及其應(yīng)用〔J〕.現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育研究，2014（1）：89-99.

〔8〕許哲，祝智庭.面向價值發(fā)現(xiàn)的學(xué)習(xí)資源描述方案：以LRMI元數(shù)據(jù)為例〔J〕.中國電化教育，2014（11）：59-68.

〔9〕劉芳.基于崗位能力需求的高職軟件技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)方案研究〔J〕.職教通訊，2014（32）：15-19.

Research on Ontology Construction of Intelligent Learning System based on Online Resource Open Course

Zhang Qianjin
（Anhui Vocational College of Defense Technology,Lu'an,Anhui 237011,China）

This paper analyzes the situation and existing problems of the course construction of the online resource open course in China,and puts forward a scheme of the intelligent learning system with the ontology-based semantic web technology.According to ontology's concepts,this paper also gives a convenient method for constructing validation ontology,completes the design of ontology model of the intelligent learning system,and explains the construction process of the learning domain ontology in the web application development taking the software technology major as an example.

ontology;concept;property;intelligent learning system

TP391.1

A

2096-2266（2016）12-0014-04

10.3969∕j.issn.2096-2266.2016.12.003

（責(zé)任編輯 袁 霞）

2016年安徽省自然科學(xué)研究重點項目（KJ2016A120）；2015年安徽省質(zhì)量工程項目（2015msgzs184）；2014年安徽省質(zhì)量工程項目（2014jyxm601）；2013年安徽省質(zhì)量工程項目（2013gxk147）

2016-06-28

2016-09-06

張前進(jìn)，講師，主要從事計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)研究.