網絡課程資源的本體建模研究

摘要:本文從一般語義網絡模型出發,介紹了本體基本模型,提出了一種用于構建網絡課程資源語義網絡的本體建模技術,所建立的網絡課程資源本體模型為開展網絡課程自主學習的學習者提供了一種語義級別的智能學習模式。本文研究工作在基于網絡課程的遠程教育領域具有較好的實際應用價值。

關鍵詞:本體模型;網絡課程;遠程教育

中圖分類號:G642 文獻標識碼:B

1引言

網絡課程是在網絡環境下構建的課程體系,具有豐富的學習資源,多向互動和協作交流的人際互動平臺,自主學習的支持環境,多媒體化呈現的教學內容等特點,是遠程教育領域不可或缺的重要組成部分。網絡課程已作為遠程教育應用領域的一種核心資源,其建設日益受到人們的廣泛關注,有關網絡課程的研究已成為當前課程研究領域中的一個熱點問題。不少學者都在積極地從各個層次探討著支撐網絡課程設計的理論基礎及其價值取向。

本文重點關注網絡課程領域的學習資源的知識建模問題。長期以來,人們把網絡課程內容簡單理解為教材的擴展,順理成章地把網絡課程內容按照符合學科內在邏輯順序的知識結構來構建學習資源庫。其中,最為典型的就是樹型結構。采用這種結構的優勢很明顯。實現簡單,結構清晰,適合順序漸進的學習者學習。如果仔細分析人的學習要求,又會發現這種結構存在明顯的缺陷。例如,以筆者所講授的“網絡操作系統高級管理”課程為例,學生要在網絡課程中學習活動目錄的知識,那么學習者只能嚴格按照網絡課程預先指定的邏輯結構從概念的定義開始,然后是實際安裝,最后才是具體的應用。其實,學生學習活動目錄的內容的需求是多方面的。例如,有的學生想學習安裝步驟,有的學生想學習和了解與活動目錄有關聯的學習內容,還有的學生想了解企業具體應用案例等等,那么,這種樹形結構就無法滿足自主學習為主的學習者多方面的學習要求了。如果學生對活動目錄知識不是很熟悉,他就更難以在樹形結構下,順利找到自己要學習的相關內容了。其根本原因在于網絡課程資源在樹形結構下只有結構分明的具體內容,而缺乏具體資源之間的語義知識,語義網相關技術為解決網絡課程資源的知識結構問題提供了有效的解決方案。

文獻總結了語義網相關技術。本文采用其中本體建模的理論與方法來構建網絡課程資源的語義知識庫。文獻均針對“數據結構”課程開發了一個智能化網絡教學系統。雖然也采用了本體建模技術,但實現的還是樹形結構。其實,樹形結構只是一種最簡單的語義結構,其實現的方式有多種,菜單或表格就是最常用的技術。本文首先從一般語義網絡模型出發,介紹了本體模型的基本要素,然后,以“網絡操作系統高級管理”網絡課程為例,研究如何用本體建模技術構建網絡課程資源的語義網絡。論文給出了具體的建模過程與步驟。本文研究工作在基于網絡課程的遠程教育領域具有較好的實際應用價值。

2語義網絡建模技術

語義網的思想就是利用元數據(Metadata)語言對信息資源的內容進行語義上的描述,從而使計算機能夠利用這些語義信息對信息資源的內容進行理解和處理,并在此基礎上實現更高級的、基于知識的智能應用。本體是語義網的核心層,用來定義應用領域中的共享知識,從而對各種資源之間的語義關系進行描述,揭示資源本身以及資源之間更為復雜和豐富的語義信息。

本體又稱為實體,源自于形而上學的哲學分支,它對客觀世界的事物進行分解,發現其基本的組成部分,進而研究客觀事物的抽象本質。近年來,本體己經被廣泛應用于知識工程、自然語言處理、數字圖書館、信息檢索和Web異構信息的處理等領域。目前獲得大多數學者公認的T. R. Gruber關于本體的定義概括為“本體是概念模型的明確的規范說明”。

在知識工程中,一般認為本體的認知觀就是從概念、 關系、函數、公理和實例這五個維度來觀察事物,進而用計算機形式化的將事物表示出來。因此,本體包含上述五個基本的要素。它們也稱為本體模型的建模元語(Modeling Primitives):

(1) 概念(Concepts)

指任何事務,如工作描述、功能、行為、策略和推理過程。從語義上講,它表示是對象的集合。本文指的是網絡課程中所要學習的知識點。

(2) 關系(Relations)

領域中概念之間的關聯或交互作用。強調這里的關系限于兩個概念之間的關聯。常用的關系有part-of(表達概念之間部分與整體的關系)、kind-of(表達概之間的繼承關系)、instance-of(表達概念的實例與概念之間的關系)、attribute-of(表達某個概念是另一個概念的屬性)等。正是這個“關系”成為構建知識領域復雜的語義網絡的關鍵因素。

(3) 函數(Functions)

表示多個概念之間的一類特殊的關系。該關系的前n-1個元素可以唯一決定第n個元素。形式化的義為: 。例如,在Windows 2003 Server中,概念“域”、“域樹”就決定了概念“活動目錄林”。

(4) 公理(Axioms)

用于表示永真斷言。例如,IP地址若采用點分十進制表示方式,則每部分的值不小于0且不大于255。

(5) 實例(Instance)

實例是指屬于某概念類的基本元素,即某概念所指的具體實體。

一個本體的形式化定義為如下五元組:

3網絡課程資源的本體建模

3.1網絡課程資源的知識結構

根據傳統教材內容所編排的章、節關系,可以得到如圖1所示的知識結構。顯然,這是一種典型的樹形結構。目前,網絡課程建設者一般常采用這種樹形結構。具體來說,他們要么采用樹形結構菜單,要么就是用表格的方式來組織和管理網絡課程資源的知識內容。那么,基于這種結構的網絡課程與傳統的基于教材的課程的優勢在于內容的多媒體化,知識內容的選擇方便快捷,而且實現方便。

對于相同的課程領域知識,其實有多種組織與管理的結構。領域知識不同的結構決定了學習者不同的自主學習模式。圖2給出了一種網狀的課程領域知識結構。其中圓形表示知識結點,箭頭表示知識結點間關系。這種結構更符合人們聯想自主學習的需要,但實現相對復雜。本文的目標就是用本體建模技術實現這種復雜的網狀領域知識結構。

3.2網絡課程領域知識本體建模技術

本文提出采用螺旋式進化過程技術來進行網絡課程領域知識的本體建模。

(1) 需求分析

這個階段要明確本體構建的目的、范圍、用途和使用者。本文選擇網絡課程領域知識作為建立本體的研究對象。根據網絡課程領域知識的語義關系,用本體模型建立領域知識庫的網狀結構,為學生開展網絡課程自主學習時,提供一種一定語義級別的智能學習模式。明確本體模型的目標用戶主要有兩類。一類是本體的使用者;一類是本體維護人員。

(2) 本體模型設計

① 領域信息的收集和分析

首先通過收集網絡課程領域信息,以充分了解領域知識。信息來源包括專家、教材,參考書籍、網絡、甚至是其它的本體。獲得這些信息的方法可以是:頭腦風暴法、訪談、文本的形式化或非形式化的分析和一些知識獲取工具。

② 概念和關系的確定

根據收集整理的網絡課程領域知識的具體語義,設計出如圖2所示的網絡課程領域知識庫的網狀結構。圖2中的圓圈在本體模型中就是概念。箭頭就是表示本體概念間的關系。概念之間的不同“關系”就是網絡課程領域知識間語義的具體表現。一般為簡單起見,很多學者只是利用了父子關系(Part_of)、種屬關系(Is_a)以及實例關系(Instance_of)。因為,利用這三種關系,就可以方便用本體模型來構件領域知識的樹形結構。顯然,這三種基本關系難以表達網絡課程領域知識中所存在的復雜語義關系。為此,本文提出了多種概念之間的關系,例如因果、支持、引用、組成、父子、例、引入、推廣、類比、相關等。

③ 確定本體的其它三個要素

根據所確定的概念集,根據領域知識庫的實際需要,確定本體的函數與公理要素。如果沒有,可空缺。對于本體模型中的實例要素,本文設計為概念所對應的具體內容,也就是具體的知識內容。本文明確所有概念的知識都用Web頁面表示,因此該要素屬性的賦值為具體概念的Web頁面的地址,即URL地址。

(3) 本體模型的實現

① 概念的Web頁面實現

網絡課程的巨大優勢之一就是內容的多媒體表示。因此,要把所收集到的概念的具體知識內容利用計算機多媒體技術,科學且嚴謹的表示出來。這部分工作也是傳統的網絡課程建設的重要內容。只不過,采用本體模型建模時,知識的表示比較細致。原來一堂課的PPT的內容需要根據知識間的語義關系拆成多個知識點。雖然增加了工作量,但這些知識點可適合多種學習模式的需要。因此,所得到的本體模型更能體現其知識共享和重用的優越性。

② 運用工具創建本體

為提高效率,必須采用具體的本體建模工具來創建網絡課程的本體。目前常用的本體建模工具首選Protégé。因為采用Protégé工具來構建本體,可由其自動生成本體的OWL代碼。該工具可以根據需要,手動添加上述的多種“關系”要素。

下面就是用Protégé3.1創建“活動目錄”本體轉換成OWL描述的片段。

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在得到本體的OWL文件后,應用系統可以通過Jena1.6.1對OWL文檔進行處理,Jena平臺提供了對OWL推理的多方面的支持,它允許應用系統解析、創建和查詢OWL模型。限于篇幅,有關Protégé和Jena1.6.1不做詳細的介紹。

(4) 確認與評價

對己經建立的一個本體模型進行測試,從而對網絡課程領域知識的本體模型進行確認與評價,看是否滿足應用需求,本體中的概念是否被清晰的定義了,本體中的概念及其關系是否完整等。

(5) 螺旋式進化過程

本體模型的建設應該是一個反復進化的過程,這樣才符合本體模型開發的特征。經過確認和評價的本體模型總的發展過程趨勢是螺旋式上升,每個階段的本體模型是螺旋式發展模型中一個階段的成果,這就是本體模型中進化屬性的具體表現。

3.3網絡課程領域知識本體模型的應用

圖3給出了網絡課程領域知識本體模型應用的實現原理圖。以“網絡操作系統高級管理”課程為例,學生想在網絡課程中學習有關“活動目錄”的知識。那么,“活動目錄”在該課程中既是一個概念,也是Windows 2003 Server中核心的管理工具,需要安裝和配置;同時Windows 2003 Server中有多個網絡服務需要得到該工具的支持。如果按照樹形結構,一次就只能學習到一個知識點。那么,基于本體模型的學習過程就顯示出了優勢。采用Jena1 6.1實現的推理和搜索引擎功能,推理和搜索Protégé得到的本體知識庫,學習者可方便得到所有所要學習的相關知識。例如,用戶想要學習受“活動目錄”支持的網絡服務器功能,以了解活動目錄的具體應用領域,那么,系統就會列出所有受“活動目錄”支持的本體,例如組策略,用戶帳戶的管理等工具,以及FTP和DHCP和CA等服務,從而得到多個概念序列,通過排序,呈現給學習者,學習者選擇具體的概念,系統立即就從Web頁面庫中顯示具體的知識內容。

4結語

本文采用本體建模技術,為網絡課程的學習資源構造了符合知識點間語義的體系結構;為建設一個具有初步智能的網絡學習系統提供了一般性解決方案;為網絡課程理論與應用技術的發展探索了一條新的路徑。未來的工作將集中在網絡課程領域知識本體模型的評估與改進的標準與方法。

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