基于本體的高校學(xué)科資源平臺(tái)建設(shè)模式研究

楊之音 王翠萍 陳文勇

〔摘 要〕“探究式學(xué)習(xí)”、“基于資源的學(xué)習(xí)”等理論越來(lái)越得到教育工作者的廣泛認(rèn)可，因此創(chuàng)建支撐這些理論的學(xué)科資源平臺(tái)具有重要意義。面向高校的學(xué)科資源平臺(tái)應(yīng)能夠高質(zhì)量整合學(xué)科資源、科學(xué)組織學(xué)科資源、智能檢索學(xué)科資源、優(yōu)化學(xué)科知識(shí)地圖、提供師生交流渠道。在這些原則的指導(dǎo)下，本文提出基于本體的高校學(xué)科資源平臺(tái)建設(shè)模式。首先對(duì)平臺(tái)的需求進(jìn)行用例分析，在分析的基礎(chǔ)上對(duì)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后給出適應(yīng)學(xué)科資源平臺(tái)的本體構(gòu)建模式。

〔關(guān)鍵詞〕本體；高校；學(xué)科；資源平臺(tái)；模式

〔中圖分類號(hào)〕G250.7 〔文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼〕A 〔文章編號(hào)〕1008-0821（2016）06-0103-05

〔Abstract〕Theories such as inquiry learning and resource-based learning has been more and more widely recognized by educators.In this context，creating a platform for subject resources was important.Resource platform for university should be able to integrate high-quality subject resources，organize subject resources scientifically，retrieval subject resources intelligently，optimize knowledge map and provide communication channel for teachers and students.Under the guidance of these principles，the model of university subject resources platform based on ontology has been designed.First，this paper used case analysis to analyze the needs of the platform.Then，the structure of the platform has been designed on the basis of the analysis.Finally，the model of resource ontology has been constructed according to the platform.

〔Key words〕ontology；university；subject；resource platform；model

與初、中等教育相比，高校學(xué)生的學(xué)習(xí)方式更加多元化和自主化，除課堂學(xué)習(xí)之外，高校教學(xué)課程較多，每門(mén)課程的教學(xué)時(shí)數(shù)有限，因此需要學(xué)生自己利用課后時(shí)間查閱資料，補(bǔ)充課堂所學(xué)，在這一過(guò)程中，由于學(xué)科資源比較分散，同一學(xué)科的資源往往需要瀏覽不同網(wǎng)站或檢索多次才能夠獲得，為學(xué)科資源的利用帶來(lái)很大不便。如何將網(wǎng)絡(luò)上的學(xué)科資源整合在一起，方便師生使用，將是開(kāi)發(fā)利用網(wǎng)絡(luò)學(xué)科資源的首要問(wèn)題。此外，新的教學(xué)理念如“探究式學(xué)習(xí)”[1]、“基于資源的學(xué)習(xí)”[2]等越來(lái)越得到教育工作者的廣泛接受和認(rèn)可，因此創(chuàng)建支撐這些理論的高質(zhì)量學(xué)科資源平臺(tái)具有重要意義。為此，本文提出將本體融入學(xué)科資源平臺(tái)的建設(shè)中，通過(guò)本體實(shí)現(xiàn)平臺(tái)資源的優(yōu)化組織和智能搜索，為教師和學(xué)生提供便利的教學(xué)條件。

本體論的概念來(lái)源于哲學(xué)領(lǐng)域，用于描述事物的本質(zhì)，后來(lái)逐漸融入計(jì)算機(jī)等其他領(lǐng)域，并用“本體”（Ontology）一詞來(lái)區(qū)分哲學(xué)中的本體論。關(guān)于本體的概念學(xué)者們給出了不同觀點(diǎn)，其中Gruber的定義得了較多學(xué)者的認(rèn)可，他認(rèn)為本體是概念模型的明確規(guī)范的描述，是面向特定領(lǐng)域，描述特定領(lǐng)域的概念模型，即關(guān)于該領(lǐng)域的一個(gè)公認(rèn)的概念集，其中的概念有公認(rèn)的語(yǔ)義，通過(guò)概念之間的關(guān)聯(lián)來(lái)體現(xiàn)[3]。近年來(lái)計(jì)算機(jī)、圖書(shū)情報(bào)、教育等領(lǐng)域?qū)Ρ倔w展開(kāi)了較為廣泛而深入的研究。在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，學(xué)者們較多關(guān)注在基于本體的語(yǔ)義搜索的各種相關(guān)算法的優(yōu)化，以及本體應(yīng)用于人工智能、語(yǔ)義網(wǎng)、專家系統(tǒng)等方面的關(guān)鍵技術(shù)的研究；在圖書(shū)情報(bào)領(lǐng)域，本體被看作是分類法、主題法之外一種新的信息和知識(shí)組織方式，因此對(duì)于本體的研究主要集中于資源整合、信息檢索、知識(shí)管理等方面；為了更好地組織教學(xué)資源，教育領(lǐng)域的研究多關(guān)注于各種具體學(xué)科領(lǐng)域本體的構(gòu)建，如語(yǔ)文[4]、數(shù)學(xué)[5]、物理[6]等，學(xué)科資源平臺(tái)的建設(shè)具有重要性，將本體與學(xué)科資源平臺(tái)的構(gòu)建相融合的研究并不多。

1 高校學(xué)科資源平臺(tái)的建設(shè)原則

1.1 高質(zhì)量整合學(xué)科資源

高校學(xué)生的自主學(xué)習(xí)往往需要查閱大量相關(guān)資料，但是近年來(lái)隨著知識(shí)更新速度的加快以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在教育領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，網(wǎng)上學(xué)習(xí)資源增長(zhǎng)迅速，大大增加了學(xué)生查找資源的時(shí)間，甚至用來(lái)搜集資源的時(shí)間超過(guò)了利用資源的時(shí)長(zhǎng)，容易使學(xué)生產(chǎn)生倦怠情緒，影響學(xué)習(xí)效果。學(xué)科資源平臺(tái)應(yīng)能夠?qū)㈥P(guān)于某一學(xué)科的資源整合在一起，形成學(xué)科資源門(mén)戶，以降低資源獲取時(shí)間，提高學(xué)習(xí)效率。同時(shí)，為了保證平臺(tái)的資源質(zhì)量，可由教師按章、節(jié)上傳關(guān)于某一學(xué)科的課件、視頻、音頻、論文等資源，方便學(xué)生獲取。

1.2 科學(xué)組織學(xué)科資源

信息組織是依據(jù)某種情報(bào)檢索語(yǔ)言或信息組織規(guī)則，對(duì)信息內(nèi)容的重組與序化[7]。傳統(tǒng)的資源組織往往利用專題或綜合的主題法和分類法進(jìn)行，組織工具往往追求大而全，更新周期較長(zhǎng)，組織方式比較單一且多面向紙質(zhì)資源。近些年來(lái)許多學(xué)科呈現(xiàn)交叉化、綜合化趨勢(shì)，新的概念、研究領(lǐng)域?qū)映霾桓F，這些交叉領(lǐng)域在傳統(tǒng)的組織工具中難以體現(xiàn)。因此學(xué)科資源平臺(tái)需要一種新的信息組織方式，以適應(yīng)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化學(xué)習(xí)資源組織的需要。本體可明確表達(dá)相關(guān)概念，靈活展現(xiàn)概念與概念之間的關(guān)系，形成概念之間的多向鏈接，同時(shí)本體的構(gòu)建比較靈活，可以根據(jù)學(xué)科特點(diǎn)設(shè)計(jì)概念網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)需要增加或減少概念層級(jí)，從而科學(xué)有效的組織學(xué)科資源，更好的體現(xiàn)學(xué)科的前沿內(nèi)容，滿足學(xué)科飛速發(fā)展的需要。

1.3 智能檢索學(xué)科資源

高校學(xué)生實(shí)施自主化學(xué)習(xí)時(shí)需要形成關(guān)于某個(gè)學(xué)科的系統(tǒng)化認(rèn)知，了解某個(gè)單一知識(shí)點(diǎn)與其他知識(shí)點(diǎn)的聯(lián)系，以及此知識(shí)點(diǎn)在整體課程體系中的地位，這種對(duì)課程知識(shí)整體把握的需要促使資源平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)智能搜索、語(yǔ)義搜索，在搜索的同時(shí)給出相關(guān)聯(lián)知識(shí)點(diǎn)的資源。目前的信息檢索大部分是基于關(guān)鍵詞的檢索。由于語(yǔ)言有一詞多義現(xiàn)象的存在，這種檢索方式經(jīng)常檢索出很多無(wú)關(guān)信息，給學(xué)習(xí)者造成困擾。同時(shí)傳統(tǒng)的檢索只能“就詞查詞”，不能檢索到與檢索詞相關(guān)、同義、近義等詞語(yǔ)，查全率較低。學(xué)科資源平臺(tái)建設(shè)的根本目的是為了促進(jìn)高校學(xué)生的學(xué)習(xí)，學(xué)生在學(xué)習(xí)某個(gè)知識(shí)點(diǎn)時(shí)，既需要以往學(xué)習(xí)的知識(shí)作為基礎(chǔ)，也需要通過(guò)相關(guān)知識(shí)的擴(kuò)充才能構(gòu)建出對(duì)于這一知識(shí)點(diǎn)的完整認(rèn)知。本體構(gòu)建面向某一特定學(xué)科領(lǐng)域，相比傳統(tǒng)的基于關(guān)鍵詞匹配的信息檢索，檢索出無(wú)用資源的機(jī)率大大降低，其相關(guān)度和查準(zhǔn)率都比較高。同時(shí)，本體能夠反映概念之間的關(guān)系，因此基于本體的檢索可以查找到所有與檢索詞有關(guān)的詞語(yǔ)，包括同位類、上下位類等，提高查全率?；诒倔w構(gòu)建學(xué)科資源平臺(tái)可以幫助學(xué)生在檢索某一知識(shí)點(diǎn)時(shí)建立相關(guān)聯(lián)系和推薦，幫助學(xué)生回憶、鞏固、拓展學(xué)習(xí)內(nèi)容，提高學(xué)習(xí)效率。

1.4 優(yōu)化學(xué)科知識(shí)地圖

知識(shí)地圖是對(duì)知識(shí)存在位置和知識(shí)狀態(tài)的導(dǎo)航，是知識(shí)管理的有效工具，類似于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的指針的作用，它能夠根據(jù)人們的需要迅速定位知識(shí)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的快速查找，提高知識(shí)利用率[8]。學(xué)科資源平臺(tái)應(yīng)提供知識(shí)地圖，幫助學(xué)生了解學(xué)科結(jié)構(gòu)，快速定位學(xué)習(xí)資源。知識(shí)地圖的種類很多，既有概念型的知識(shí)地圖，也有仿真型的知識(shí)地圖等。學(xué)科資源平臺(tái)可以通過(guò)對(duì)本體的簡(jiǎn)化、可視化構(gòu)建概念型知識(shí)地圖。同時(shí)，基于本體的知識(shí)地圖因?yàn)橛辛速Y源的支撐，不再只是一種平面的指引而是一種立體的呈現(xiàn)，完成資源從導(dǎo)航到獲得的一站式應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)學(xué)科知識(shí)地圖的優(yōu)化。

1.5 提供師生交流渠道

學(xué)科資源平臺(tái)的構(gòu)建是為滿足學(xué)生自主學(xué)習(xí)的需要，無(wú)論是探究式學(xué)習(xí)還是基于資源的學(xué)習(xí)，都離不開(kāi)教師的組織和引導(dǎo)。學(xué)生在利用資源學(xué)習(xí)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生關(guān)于知識(shí)點(diǎn)的各種疑問(wèn)，這些都需要學(xué)科資源平臺(tái)能夠提供便利的師生交流渠道。因此學(xué)科資源平臺(tái)應(yīng)具備實(shí)時(shí)交流模塊，學(xué)生可以和教師或其他學(xué)生進(jìn)行交流，及時(shí)解決問(wèn)題。此外，答疑是教學(xué)中的重要環(huán)節(jié)，可以幫助學(xué)生鞏固所學(xué)知識(shí)，提高學(xué)習(xí)效果。學(xué)科資源平臺(tái)應(yīng)開(kāi)辟專門(mén)的答疑版塊，系統(tǒng)收集和整理答疑信息，建立答疑知識(shí)庫(kù)，并能夠?qū)⒋鹨芍R(shí)庫(kù)與本體庫(kù)相關(guān)聯(lián)，學(xué)生搜索資源的敗絮其中時(shí)也能將答疑知識(shí)庫(kù)的相關(guān)內(nèi)容檢索出來(lái)，提高答疑知識(shí)的利用效率。

2 基于本體的高校學(xué)科資源平臺(tái)建設(shè)模式分析

2.1 基于本體的高校學(xué)科資源平臺(tái)的用例分析

用例圖是用以圖示化系統(tǒng)的主事件流程以及描述用戶需求的一種模型圖，由參與者（Actor）、用例（Use Case）以及它們之間的關(guān)系構(gòu)成[9]。使用用例圖可以清晰地描述平臺(tái)的使用需求和各模塊之間的調(diào)用關(guān)系。圖1給出了基于本體的學(xué)科資源平臺(tái)的用例圖。

如圖1所示，該用例圖的3個(gè)參與者分別為教師、管理員和學(xué)生。由上傳資源、資源解析、相關(guān)度匹配、檢索資源、語(yǔ)義轉(zhuǎn)換、分類導(dǎo)航、文檔索引、解答、交流、提問(wèn)、審核與控制等用例構(gòu)成。其中，教師能夠根據(jù)課程屬性利用平臺(tái)上傳學(xué)科資源，平臺(tái)對(duì)不同類型的資源進(jìn)行解析，通過(guò)標(biāo)題、關(guān)鍵詞、內(nèi)容簡(jiǎn)介等信息提取出具有檢索意義的文本信息，形成索引文檔。學(xué)生能夠利用平臺(tái)檢索學(xué)科資源，輸入檢索詞后，平臺(tái)利用本體實(shí)現(xiàn)語(yǔ)義擴(kuò)充與轉(zhuǎn)換，通過(guò)索引文檔與平臺(tái)已有資源依據(jù)相關(guān)度進(jìn)行匹配，從而全面搜索出與檢索詞相關(guān)的資源。此外，學(xué)科資源按照課程屬性進(jìn)行分類，學(xué)生可以利用分類導(dǎo)航獲得某一類目下的所有相關(guān)資源。在平臺(tái)中，學(xué)生可以就課程中的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)向教師提問(wèn)，教師予以解答，形成答疑知識(shí)庫(kù)，利用本體進(jìn)行語(yǔ)言轉(zhuǎn)換并歸檔檢索，作為學(xué)科資源的有效補(bǔ)充。同時(shí)，平臺(tái)嵌入即時(shí)通訊模塊和答疑模塊，滿足師生日常交流的需要。管理員負(fù)責(zé)資源審核與權(quán)限控制，對(duì)資源上傳、答疑、交流等環(huán)節(jié)進(jìn)行全面監(jiān)督，保證平臺(tái)的正常運(yùn)行。

2.2 基于本體的高校學(xué)科資源平臺(tái)的總體架構(gòu)

圖2給出了基于本體構(gòu)建學(xué)科資源平臺(tái)的總體架構(gòu)圖，根據(jù)用例分析，平臺(tái)應(yīng)具備語(yǔ)義搜索、導(dǎo)航、可視化、交流、答疑、上傳、下載、安全管理與控制等功能。為了實(shí)現(xiàn)這些功能，需要建立相應(yīng)的學(xué)科資源庫(kù)、交流信息庫(kù)、答疑知識(shí)庫(kù)、人員資料庫(kù)等數(shù)據(jù)庫(kù)。其中，學(xué)科資源庫(kù)和答疑知識(shí)庫(kù)是學(xué)科資源平臺(tái)的建設(shè)重點(diǎn)，為了保證資源質(zhì)量，由教師按課程屬性上傳課件、視頻、音頻、論文、文本等資源，形成學(xué)科資源庫(kù)。學(xué)生可以就課程的某個(gè)知識(shí)點(diǎn)向教師提問(wèn)，管理人員定期對(duì)問(wèn)題和答案匯總，形成答疑知識(shí)庫(kù)，從而使課程資源更具完整性。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)科資源的語(yǔ)義檢索和擴(kuò)展檢索，利用本體構(gòu)建工具設(shè)計(jì)該學(xué)科資源的領(lǐng)域本體，將領(lǐng)域本體與學(xué)科資源庫(kù)和答疑知識(shí)庫(kù)相關(guān)聯(lián)，用以描述資源以及資源間的關(guān)系，從而提高資源發(fā)現(xiàn)的效率。此外，平臺(tái)嵌入即時(shí)通訊模塊，供教師發(fā)布通知、師生討論、問(wèn)題解答之用，滿足師生之間日常交流的需要，利用交流信息庫(kù)保存即時(shí)通訊模塊中的數(shù)據(jù)。人員資料庫(kù)用于存儲(chǔ)平臺(tái)的教師、學(xué)生的相關(guān)資料，由管理人員負(fù)責(zé)對(duì)人員資料庫(kù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行添加、修改、和監(jiān)督，有效管理平臺(tái)權(quán)限，進(jìn)行安全控制。

2.3 基于本體的高校學(xué)科資源平臺(tái)的本體設(shè)計(jì)

2.3.1 構(gòu)建工具

目前本體的構(gòu)建工具有很多，比較主流的構(gòu)建工具有protégé、JOE、WebODE、Ontolingua、OntoEdit[10]等。其中protégé具有開(kāi)放性、友好性等特點(diǎn)，成為國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者和機(jī)構(gòu)建構(gòu)本體的首選工具，因此本文以protégé為基礎(chǔ)對(duì)學(xué)科資源平臺(tái)進(jìn)行本體構(gòu)建。protégé主要包括Classes（類），Object Properties（對(duì)象屬性），Data Properties（數(shù)據(jù)屬性），Individuals（個(gè)體）等欄目，同時(shí)利用OWLViz、DLQuery、OntoGraf等輔助工具構(gòu)建本體。

2.3.2 模式設(shè)計(jì)

本文中學(xué)科資源平臺(tái)的建設(shè)以促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)為主要目的，教師大多按章節(jié)進(jìn)行授課，一門(mén)課程的章節(jié)內(nèi)容也體現(xiàn)了該門(mén)課程的整體知識(shí)結(jié)構(gòu)。為此，領(lǐng)域本體按照課程屬性設(shè)計(jì)，首先以課程名進(jìn)行劃分，每個(gè)課程名下列出該課程的相關(guān)概念，該概念為每門(mén)課程章節(jié)內(nèi)容的提煉，每個(gè)概念設(shè)置論文、視頻、音頻、文本、課件等個(gè)體并取值，用以體現(xiàn)資源的類型。學(xué)生按章節(jié)檢索資源可以系統(tǒng)了解有關(guān)知識(shí)點(diǎn)的全面內(nèi)容，了解某個(gè)知識(shí)點(diǎn)的前后相關(guān)聯(lián)系，從而增強(qiáng)學(xué)生對(duì)于課程體系的總體認(rèn)知，有利于在學(xué)生腦中形成關(guān)于該門(mén)課程的知識(shí)地圖。按照上述原則構(gòu)建的本體結(jié)構(gòu)模式圖如圖3。

由于本文主要探討基于本體的學(xué)科資源平臺(tái)建設(shè)模式，并未針對(duì)特定學(xué)科，因此本體設(shè)計(jì)中沒(méi)有列舉具體的課程名稱以及相關(guān)概念，而是用Coursename1、Coursename2、Coursename3、……等代表不同學(xué)科的課程名，用concept1、concept2、concept3、……等代表不同課程下的相關(guān)概念，在結(jié)構(gòu)模式圖中額外加入“……”，用以代表未列舉出來(lái)的課程名以及概念名。

此外在每個(gè)concept下設(shè)置paper、vedio、audio、ppt、doc等個(gè)體（即protégé中的Individuals），針對(duì)每個(gè)個(gè)體賦以相應(yīng)的數(shù)據(jù)屬性（即protégé中的Data property assertions）。其中個(gè)體paper的數(shù)據(jù)屬性data的值為“YYYY-MM-KKHH∶MM∶SS”，數(shù)據(jù)屬性title的值為“titlename”，數(shù)據(jù)屬性journal的值為“journalname”，數(shù)據(jù)屬性author的值為“authorname”。個(gè)體audio、doc、ppt、video的數(shù)據(jù)屬性均為title，其值都定為“titlename”。以concept1為例展現(xiàn)具體的設(shè)計(jì)結(jié)果，設(shè)置過(guò)程見(jiàn)圖4。

圖4是protégé中的Individuals界面，以concept1為例展現(xiàn)其所涵蓋的個(gè)體，并以paper為例體現(xiàn)其數(shù)據(jù)屬性。圖4中，左邊部分是類的層次關(guān)系圖，中間部分是個(gè)體列表，右上部分的Usage體現(xiàn)當(dāng)前個(gè)體的使用情況。此外，各個(gè)學(xué)科可以根據(jù)自己學(xué)科的特點(diǎn)對(duì)個(gè)體和概念間的關(guān)系進(jìn)行設(shè)定。

3 結(jié) 語(yǔ)

本體對(duì)于學(xué)科資源平臺(tái)的優(yōu)化具有重要作用，本文從宏觀角度設(shè)計(jì)了擴(kuò)展性良好且能夠反應(yīng)學(xué)科資源特點(diǎn)的本體構(gòu)建模式，從而使學(xué)科資源平臺(tái)更好地為高校師生服務(wù)。本文認(rèn)為基于本體的高校學(xué)科資源平臺(tái)可以高質(zhì)量整合學(xué)科資源、科學(xué)組織學(xué)科資源、智能檢索學(xué)科資源、優(yōu)化學(xué)科知識(shí)地圖、提供師生交流渠道。在這些原則的指導(dǎo)下，對(duì)平臺(tái)的需求進(jìn)行用例分析，在分析的基礎(chǔ)上對(duì)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使資源平臺(tái)具備語(yǔ)義搜索、導(dǎo)航、可視化、交流、答疑、上傳、下載、安全管理與控制等功能，最后給出適應(yīng)學(xué)科資源平臺(tái)的本體構(gòu)建模式。本文僅從設(shè)計(jì)角度分析學(xué)科資源平臺(tái)的建設(shè)模式，對(duì)于該模式的構(gòu)建和實(shí)施效果還需后續(xù)研究進(jìn)行檢驗(yàn)。

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