智能知識服務平臺中資源管理系統的構建

摘要:利用軟件工程方法和統一建模語言，及ASP.NET等相關技術，對智能知識服務平臺中資源管理系統的構建和實現，進行了詳細闡述#65377;

關鍵詞:知識服務; 知識元素; 網絡教育; 中國遠程教育標準

中圖分類號:TP3021文獻標志碼:A

文章編號:10013695(2007)04007103

0引言

(1)研究背景

自20世紀90年代中期以來，以計算機網絡為基礎的現代教育技術在我國得到迅速發展，全國千余所高校建起了校園網，67所高校獲準開辦網絡教育學院#65377;在基礎教育方面，已有26萬多所中小學建成校園網，有的地區還建設了教育城域網，并且有三百多個具有一定規模的網校^[1]#65377;網絡教育在我國日漸普及#65377;但網絡教育中仍存在許多關鍵的技術問題，阻礙了網絡教育的廣泛應用#65377;“十五”國家科技攻關計劃“網絡教育關鍵技術及示范工程”，對網絡教育中關鍵的技術難題展開專項攻關#65377;現在“十五”攻關已經結束，從東南大學的結項報告顯示^[2]，在“十五”期間，研究人員攻克了支撐網絡教育的關鍵技術難題，并建設了一大批海量#65380;標準化的教育資源#65377;這些成果促使網絡教育在我國走向成熟#65377;

隨著教育理論和信息技術的進一步發展，一個必然的問題浮出水面——網絡教育將走向何方#65377;史元春教授在“十五”驗收會的報告中，闡述了未來網絡教育的發展趨勢^[3]#65377;其中一種趨勢是知識服務#65377;事實上國外已經開始了對知識服務的研究#65377;早在1993年，美國開始就建立信息高速公路，即國家信息基礎設施(National Information Infrastructure，NII)^[4]#65377;2000年起，麻省理工學院和斯坦福大學共同研究開發了知識基礎設施，并建立OKI(Open Knowledge Initiative)協會;其主要目標在于建立開放的知識服務體系，以實現知識層上的共享和互操作^[5]#65377;1998年世界銀行《1998年度世界發展報告》提出發展中國家應著重建設國家知識基礎設施(National Knowledge Infrastructure)，提高國家知識與技術的創新能力，增強國際競爭力#65377;

知識服務是以計算機#65380;網絡和多媒體技術等為基礎的信息技術對傳統服務模式的革新，是一種全新的信息服務模式#65377;知識服務通過知識的描述#65380;產生#65380;獲取#65380;組織#65380;定位#65380;集成等技術手段，提供符合用戶需求的內容信息#65377;開放#65380;及時#65380;準確#65380;便捷#65380;智能#65380;無處不在的知識服務對于建立現代教育服務體系，形成“全民學習#65380;終身學習”的學習型社會具有重要意義#65377;當前國內信息化基礎設施基本建立，學習方式已由傳統學習轉換為網絡學習，并向數字內容知識服務方向發展#65377;知識服務的建立是終生教育和學習型社會建立迫切需要解決的關鍵問題#65377;因此，在“十五”研究成果的基礎之上，研究知識服務的體系結構和關鍵支撐技術，對于我國網絡教育的進一步發展，乃至終身學習的學習型國家的建立，都顯得尤為重要#65377;

本課題“智能知識服務平臺”正是基于網絡教育的這一發展趨勢，在國家重大科研培育基金的資助下，對現代教育知識服務的服務模式和關鍵支撐技術進行預研#65377;智能知識服務平臺構建在Z+Z智能教育平臺之上(以下簡稱Z+Z)，通過Internet為中#65380;小學生提供初等數學的知識服務(如課程學習#65380;智能答疑#65380;在線測試等)#65377;資源管理系統作為智能知識服務平臺的核心部件，用于存儲知識元素和學習資源，并對其進行有效的管理#65377;因此，如何構建知識服務中的資源管理系統，是實現智能知識服務平臺的關鍵問題，也是現代教育知識服務中必須解決的問題#65377;

(2)預備知識

①Z+Z智能教育平臺#65377;Z+Z智能教育平臺是由中國科學院院士張景中教授主持策劃，由東方科技集團投資開發的一個具有國際先進水準的計算機系統#65377;該系統為普及電腦教學而設計，能夠結合數字#65380;符號和圖形工具，實現互動演算，并可支撐完整的編程環境#65377;Z+Z系列軟件包括平面幾何#65380;解析幾何#65380;平面解析幾何以及超級畫板等#65377;2004年最新推出的《超級畫板》是為中國基礎教育量身定做的#65377;與美國的幾何畫板相比，超級畫板一方面吸取并強化了幾何畫板的主要優點(如動態做圖#65380;幾何變換#65380;參數驅動動畫#65380;動態測量#65380;跟蹤和軌跡#65380;用戶自定義作圖工具);另一方面對幾何畫板不足之處作了改進，特別是針對我國新課程標準的要求增加了許多幾何畫板沒有或不容易實現的功能#65377;該平臺操作簡單#65380;功能強大，能夠方便地應用于中#65380;小學基礎教育中#65377;

②CELTS標準(China ELearning Technology Standard)#65377;CELTS是我國現代遠程教育標準#65377;制定該標準的目的是支持資源共享#65380;實現系統互操作#65380;保障網絡教育服務質量#65380;保護和促進我國網絡教育產業的發展#65377;該標準分為六個部分，分別為總標準#65380;學習資源相關標準#65380;學習者相關標準#65380;學習環境相關標準#65380;教育管理相關標準和本地化標準，共計25個子標準#65377;其中CELTS42是基礎教育資源元數據應用規范，它提供一個面向基礎教育的教學資源數據模型#65377;制定本規范旨在對希望在學校#65380;企業#65380;其他機構和個人的教學資源中使用元數據的用戶提供一套資源編目準則，以使讀者能快速#65380;有效地在國家基礎教育資源庫及門戶網站中檢索到所需的教學資源，廣泛地實現資源共享#65377;該規范建立在CELTS3(學習對象元數據規范)的基礎上，結合我國基礎教育的實際，定義了一組面向基礎教育的教學資源元數據元素#65377;其中主要內容包括元數據元素屬性定義和元數據結構等#65377;

本文將簡要闡述資源管理系統的研究現狀，提出本系統與已有資源管理系統的不同之處，描述本系統的設計方案#65377;利用面向對象軟件工程的方法和統一建模語言(UML)，對系統需求分析和概要設計作詳細闡述，介紹系統實現的部分內容#65377;其中包括知識元素庫設計和知識元素檢索的實現#65377;

1研究現狀

國內外對資源管理系統的研究有很多#65377;隨著網絡服務的流行，網絡資源管理越來越受到廣泛關注#65377;綜合關于資源管理系統的文獻可知，已有的資源管理系統可大致分為兩類:

(1)非標準化資源管理系統#65377;它是指系統管理的資源不遵循某種公認的數據描述標準，而是隨意的，或符合自定義的數據描述規范#65377;文獻[6]用于管理公司內部的員工信息，其中員工個人信息滿足自定義的描述規范#65377;文獻[7]是一種早期的公司內部資源管理系統，其資源定義方式是任意的#65377;這類系統有自身的優勢，如對于資源的定義可以個性化，使其更符合特定應用;但是也有致命的缺點——資源難以共享#65380;系統封閉#65377;在提倡資源復用性#65380;共享性的信息時代，這一缺點大大影響了該類系統的應用#65377;

(2)標準化資源管理系統#65377;它是指系統管理的資源符合某種公認的數據描述標準(如CELTS#65380;LOM#65380;Dublin Core等)#65377;文獻[8]是一種基于XML技術和CELTS3子標準的資源管理系統，用于教育資源管理#65377;文獻[9]是一種基于Dublin Core的資源管理系統，用于圖書館資源管理#65377;這類系統克服了前一類系統的弊端，通過標準化技術實現資源共享，保證了系統的開發性#65377;

總之，目前關于資源管理系統的研究很多，也取得了一定的成果#65377;但無論是以上的哪類資源管理系統，都是從資源服務的角度來考慮設計方案，并沒有涉及面向知識服務的資源管理系統的解決方案#65377;基于此，本文從知識服務的角度出發，構建支持知識服務的#65380;開放的資源管理系統#65377;

2系統設計

2.1需求分析

本系統面向中#65380;小學生初等數學的知識服務，用于存儲并管理智能知識服務平臺中的知識元素和學習資源#65377;因此，系統一方面具有管理常用的學習資源(如課件#65380;視頻#65380;圖像#65380;試卷等)功能，另一方面還應能夠管理知識元素——Z+Z文件#65377;Z+Z文件是利用Z+Z軟件產生的最小的知識單元，能夠為學生提供最基礎的知識點#65377;另外，由于知識服務是基于網絡的服務，為保證系統的開放性和資源的共享，系統管理的學習資源和知識元素都遵循CELTS421標準#65377;利用UML中的用例圖對系統的需求分析過程建模如圖1所示#65377;

(1)學習資源#65380;知識元素管理#65377;該模塊用于實現管理員對學習資源#65380;知識元素的普通管理功能#65377;其中包括對學習資源或知識元素的添加#65380;刪除#65380;更新;資源#65380;知識的審核;資源#65380;知識的查詢#65380;排序及建立索引和視圖#65377;

(2)學習資源服務#65377;此模塊用于為用戶提供學習資源服務#65377;其中包括用戶對學習資源的檢索#65380;下載#65380;預覽和資源上傳#65377;

(3)知識元素服務#65377;此模塊用于為用戶提供知識元素服務#65377;其中包括用戶對知識的檢索#65380;下載#65380;預覽和知識元素上傳，以及知識元素的組合#65377;

(4)用戶管理#65377;此模塊用于管理員對用戶進行基本管理，包括用戶注冊，用戶信息添加#65380;刪除和更新#65377;

(5)安全控制#65377;該模塊用于對管理員和用戶進行訪問控制，保證系統訪問的安全性#65377;

根據以上需求分析模型，可總結出系統的功能要求:①學習資源和知識元素的普通管理功能;②為用戶提供知識元素和學習資源服務;③對用戶進行基本管理功能;④系統訪問安全控制功能#65377;

2.2概要設計

系統設計時充分考慮開放性和可擴展性原則#65377;系統開放性可以通過學習資源庫和知識元素庫均基于CELTS421標準設計而實現;通過將系統功能細化，相近的功能歸于同一模塊，不同的功能配置在不同模塊，使模塊呈現高內聚#65380;低耦合的狀態，實現系統的可擴展性#65377;

根據上述功能要求，以及開放性和可擴展性的設計原則，構建系統總體框架如圖2所示#65377;

由圖2可知，系統最頂層是安全控制模塊，用于對管理員和用戶登錄系統進行訪問控制，只有通過該層的用戶和管理員才能接受系統服務#65377;第二層是管理與服務層#65377;其中管理內容包括系統為管理員提供用戶管理和學習資源#65380;知識元素管理#65377;對用戶的管理指對注冊用戶信息的添加#65380;刪除和更新等#65377;對學習資源#65380;知識元素的管理指學習資源和知識元素審核#65380;統計以及日常管理#65377;另外，系統為用戶提供學習資源和知識元素兩種服務#65377;學習資源服務包括資源的檢索#65380;下載#65380;預覽和上傳#65377;知識元素服務包括知識元素的檢索#65380;下載#65380;上傳#65380;在線應用和融合等(如在線將多個知識元素組合成新的知識)#65377;第三層是數據庫接口層，其作用是為管理員和用戶對數據庫(包括用戶庫#65380;學習資源庫#65380;知識元素庫等)的訪問提供統一接口，以方便系統的擴展和對數據庫的訪問#65377;在系統的最底層是各種數據庫，用于存儲相應內容#65377;其中學習資源庫和知識庫均基于CELTS421標準設計，保證系統的開放性#65377;從整個系統體系結構來看，各個功能模塊彼此相互獨立，如有聯系也只能通過統一的接口實現，這樣可以確保系統的可擴展性#65377;由于系統具有很好的開放性和可擴展性，雖然本系統只實現了最基本的學習資源#65380;知識元素管理功能，但是在后繼工作中完全可以根據應用需要，添加更多#65380;更復雜的功能，而無須對該系統作大量的改動#65377;

3系統實現

系統實現的總體技術路線為:在IIS中建立Web服務器站點;以ASP.NET作為應用程序開發語言;在Microsoft SQL Server 2000數據庫服務器中建設數據庫，數據庫基于CELTS421標準;系統運行平臺為Windows Server 2003#65377;

在系統詳細設計中涉及內容較多，所以只對系統有特色的功能作簡要介紹#65377;其中包括知識元素庫設計和知識元素檢索功能設計#65377;

3.1知識元素庫設計

考慮到系統的開放性，允許資源共享#65377;在設計數據庫時無論是學習資源，還是知識元素全部基于CELTS421標準#65377;根據CELTS421標準，設計知識元素數據庫如表1所示#65377;因為智能知識服務平臺構建在Z+Z智能教育平臺之上，所以該資源管理系統操作的知識元素主要是Z+Z文件#65377;同時考慮到將來對其他形式知識元素的應用需求，為便于它們的加入，在知識元素庫中將“知識類型”屬性的值域定義為{Z+Z文件，其他知識元素}#65377;

系統除了管理知識元素外，還能夠管理學習資源#65377;學習資源庫的模式與知識元素庫相似，同樣基于CELTS421標準#65377;主要區別在于將屬性“知識類型”改為“資源類型”#65377;其值域為{視頻，音頻，試卷，樣例，課件，其他}#65377;

3.2知識元素檢索設計

對于知識元素的檢索，系統提供多樣化的方式，以滿足不同用戶的需求#65377;大致可以分為初級檢索和高級檢索兩種方式#65377;其中初級檢索可以實現基于關鍵詞或作者的精確匹配檢索;高級檢索能夠通過一定的選擇實現多級檢索#65377;利用UML中的活動圖，描述系統中知識元素檢索服務的工作流，如圖3所示#65377;

據圖3可知，在接受知識元素檢索服務前，用戶先提交ID號，以驗證其身份#65377;當用戶通過系統的身份驗證后，便可以開始接受系統的服務;否則，用戶將無法提出服務申請#65377;在服務過程中，用戶首先提交知識元素請求，服務模塊將接收用戶的申請，通過統一的數據庫接口，在知識元素庫中檢索請求的知識元素;當查詢到對應的知識元素后，該模塊還應將檢索內容以合適的方式呈現給用戶;用戶得到知識元素后，可以提出新的服務申請，也可以結束服務，但此時無須再次通過身份驗證#65377;

4結束語

本文對智能知識服務平臺中資源管理系統的設計及實現作了詳細闡述#65377;知識服務是網絡教育發展的趨勢，其旨在解決信息超載的問題#65377;本系統不同于其他資源管理系統之處在于，系統能夠對Z+Z生成的知識元素進行管理，并提供有別于資源服務的知識元素服務#65377;典型服務包括知識檢索#65380;在線知識學習以及知識元素融合等#65377;另外，系統基于CELTS42.1標準，使學習資源和知識元素能夠方便與其他系統共享，系統具有開放的特性;系統結構設計時，各個組成模塊功能相對獨立，并且通過統一的接口交換信息，使系統具有很好的擴展性#65377;

隨著信息技術和教育理論的不斷推進，知識服務將成為網絡教育中新的研究熱點#65377;下一步工作將致力于該管理系統的功能完善，包括知識的智能檢索#65380;基于數據挖掘的知識關聯分析及其他形式知識元素存儲技術(如基于Ontology+RDF+XML的知識元素的存儲)#65377;所有上述工作的進展，都將為智能知識服務平臺的搭建提供強大的技術支撐，從而最終為現代教育知識服務提供服務模式和支撐技術的參考#65377;

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