基于語義網的教學資源內容包裝信息模型研究

摘 要：教學資源的開放共享需要形成有效的共享機制和成熟的模型技術框架。現有的學習技術標準為教學資源的共享提供了元數據標準，但在異構數據語義共享方面存在缺陷。分析了基于語義網的教學資源共享系統模型，改進了教學資源SCORM內容包裝信息模型，針對學習資源的個性化推薦需求設計并實現了教學資源推薦功能，詳細描述了語義網Web程序開發的一般過程和通用模塊的實現。基于語義包裝的資源檢索方法在課程教學素材、參考資料的關聯推薦完整度上比傳統的資源檢索方法有了較大的提高。

關鍵詞：教學資源；學習技術標準；語義網；本體；共享模型

中圖分類號：G434文獻標識碼：A文章編號：2095-7394（2015）02-0088-07

0 引言

教學資源共享是指教學資源能夠方便地被使用者獲取，重用以及不同的教學信息系統之間的信息交換。[1]目前，教學資源共享的最簡單和成熟的形式就是將教學資源進行分類整理和描述，以超級鏈接的方式放到因特網上，供使用者瀏覽和下載。其中，不同的分類和描述的方法會影響到獲取的便捷性和全面性。教學資源共享需要實現教學資源的集成，即有多樣化的檢索方式，能夠收集與集成與主題相關的盡可能所有的教學資源信息，并智能推薦符合用戶檢索興趣的教學資源；教學資源的信息交換和重用，即不同教學資源管理和支持系統之間多媒體素材、可積累資源對象和組織結構的重用以及教學資源的互操作。

異構的教學資源描述形式限制了教學資源共享的發展。目前有三種教學資源共享的研究思路，一種是基于人工智能和計算機語言學的方法來集成各種資源并提供統一的人機訪問接口[2]；一種是研究資源的標準化描述，實現標準化資源的集成共享；最后一種是通過資源語義信息的描述[3]，并借助計算機自動智能化處理資源的共享。因為語言表達的復雜性，第一種方法研究還處在實驗階段且未取得實用成果；第二種方法在相關資源共享的完備性上還存在一定的限制；第三種方法雖然可以提供較完善的資源集成，但在資源的互操作性上存在一定的限制。因此，本文提出了資源共享標準基礎上的基于語義網的教學資源共享模型，并結合教學資源推薦功能的實現，描述了功能實現的一般過程和通用模塊的實現。

1 相關技術

在教學資源共享技術解決方案中，有不同的功能和技術能夠實現不同程度的共享。積件思想[4]采用庫、OLE對象鏈接和嵌入、模板、向導、知識對象等積件技術將教學資源中典型的教學素材、教與學策略、微教學單元等可積累、重組和構建的基本元件（稱為積件）存儲起來，形成積件庫，再借助相應的積件組合工具，使得教師能夠在不同的教學情境，按照個人的教學思想、教學設計和教學技巧組織相應的教學課件資源，學生能夠按照自己的學習興趣、習慣自主組織學習輔助資源。積件思想實現了教學資源的簡單內容共享，但存在共享只局限在同一應用程序內或有限應用程序之間，且目標程序必須引用源程序的處理界面和邏輯等制約。

1.1 SCORM標準

SCORM：Sharable Content Object Reference Model，即可共享內容對象參考模型。其目的是為了解決如何使課程從一個平臺轉移到另一個平臺，如何創建可供不同課程共享的可重用構件，以及快速準確地查找課程素材[5]。該標準由內容集合模型和運行環境構成，內容集合模型采用元數據標準描述基本資源（Asset）、接口操作方法（SCO）和內容組織方法（Content Aggregation），定義了一種能夠用來交換學習對象內容的標準數據結構（SCORM課件包）；運行環境提供了用以連接和啟動可執行內容以及LMS和內容之間通信的方法，并且預定義了數據模型[6]。SCORM為學習內容共享提供了工程化的方法與技術標準，大力推進了不同系統的教學資源之間的交互共享。

1.2 IMS LD

E-learning學習管理系統包括教學內容、資源的管理，教務教學、行政事務的管理以及學習過程的支持和跟蹤管理。SCORM標準關注不同學習管理系統中教學內容、資源的共享，而IMS LD（全球學習聯盟學習設計）規范則關注將教學資源組裝成一個教學單元的設計過程及教學設計、教學策略這些更高層面的“智慧知識”的重用和共享。

IMS LD規范為學習設計的主要成分學習單元定義了學習目標、角色、活動、活動結構、環境、屬性、方法等要素，學習設計的過程就是將活動、角色這些可重復利用部件設計成利用方法元素的過程，加入外部屬性便于實現基于學習者特征的適應性學習，環境則為學習活動提供學習對象和學習服務。上述設計的集合獨立于平臺，使得人們可以共享和重用這些學習設計[7]。教務教學、行政事務的管理活動也可參考IMS LD規范進行設計。

1.3 基于語義網技術的教學資源共享

教學資源的共享已不再局限于單向標準信息的傳遞，而是形成聯系中、重構中、反思中、交流中、教中、創造中學習的環境，支持學習資源的可重用、動態聚合和運行時的進化發展的，支持學習過程設計和信息采集以及支持社會認知網絡共享。因此，教學資源共享需要支持分布式環境下的高效的資源檢索、集成和數據挖掘。上述的標準化技術忽略了教學資源的語義信息、關聯信息，學習過程中生成的信息、人際信息的存儲與共享[8]。因此，資源推送及檢索的完整度和實際需求還存在很大的差距。

語義網在現有的因特網頁面上增加機器可理解的語義，使得計算機能夠理解網頁并自動完成各種依賴于人工才能完成的任務。它包含了一系列標準和技術，如RDF、語義標注語言、領域本體、OWL語言、本體處理的支持工具、基于本體的推理工具以及SPARQL查詢語言[9]。其中，RDF是對信息資源進行表征的標準數據模型；語義標注語言能夠支持在現有Web頁面中添加信息表征陳述；領域本體給出特定領域的一般術語和關系；OWL語言給出了定義領域術語和關系的標準方法；本體處理工具能夠理解網頁上的術語和關系；本體推理工具能夠基于對術語和關系的理解，進行推理，確定分布式信息或資源之間的聯系；人機交互界面基于SPARQL查詢語言，根據用戶的應用需求，結合推理結論，集成分布式信息或資源，顯示反饋結果。

最新討論的語義網體系結構模型如圖1所示[10]。Unicode和URI。Unicode負責處理資源的編碼，URI負責資源的標識。XML是用戶自定義標簽（能夠反映數據內容）描述結構化數據的語言，適合在分布式網絡上共享數據。NS（Name Space）即命名空間，由URI索引確定，目的是給不同資源確定唯一的標識。RDF是一種標準化的元數據語義描述規范。它是一個和實體–關系類似的基礎數據模型，采用XML語法無二義性地描述網絡信息資源。RDF Schema基于RDF，提供了將Web資源對象組織成層次結構的建模原語，關鍵原語包括類、屬性和子類、子屬性關系，領域和范圍的約束。OWL在RDFS等語言的基礎上，對定義屬性的范圍、屬性的特征及不相交類等Web資源對象中更復雜的關系進行了描述，提供了更強的語義表達能力和描述邏輯的可判定推理等內容。基于規則的語言是用XML語法表達正向和反向關系和規則的語言，用于完成演繹、重寫、推論和變換任務，是本體描述的另一可供選擇的語言。DLP（描述邏輯程序）是Horn邏輯和OWL的交集，作為本體描述的基礎框架。邏輯框架負責提供一些特定領域的推理規則與公理。推理層涉及實際的演繹過程、推理的Web底層語言表征，通過邏輯推理對資源、資源之間的關系以及推理結果進行驗證。信任層通過數字簽名和加密技術建立一定的信任關系，從而使得用戶信任在系統中的操作安全及其輸出的信息質量[11]。

2 基于語義網的教學資源共享系統模型

學習對象標準提供了較好的教學資源共享模型，其數據結構和內容通信方法的定義很好地支持了學習內容和學習策略層面的共享，在此數據模型的基礎上添加語義描述，則能很好地實現基于語義、規則的教學資源集成和挖掘。基于語義網的教學資源共享系統模型圖如圖2所示。

Web服務器通過HTTP協議提供內容服務，HTTP客戶端實現瀏覽功能。語義網系統在現有Web應用系統B/S架構的基礎上，使用XML分析器和應用編程接口處理不滿足RDF標準的Web內容（例如標準化的SCORM數據包等），或使用RDF分析器和編程接口將資源描述規范化。RDF描述數據可以形成RDF知識庫，在RDF庫基礎上就可以開發實際的應用來存儲、索引RDF數據和處理SPARQL查詢。推理機能夠處理本體語言對本體的描述并得出特定的推論。同樣，規則引擎能夠以RIF交換格式處理規則。在傳輸敏感的個人數據時，需要確保數據傳送不能中斷，數據不能被非法獲得和修改，加密工具包括保證數據安全交換的加密和認證技術。加密模塊，如SSL處理器，驗證數字證書并提供密碼的保密和認證。不同的數據源常用不同的標識代表現實世界中的同一事物，識別和對準層確保不同數據源的數據緊密地集成。信任層在數據中添加格外的信息以確保用戶數據的私密性。用戶界面提供用戶與語義網數據交互的界面，從功能的角度來說，用戶界面包含通用的數據圖形界面和特定領域本體的管理界面[12]。

2.1 資源描述框架

隨著元數據的廣泛應用，各個應用領域組織定義了各自反應其特殊需求的元數據的語義和內涵，而各應用程序之間共享利用元數據需要有關語義、語法和結構方面的通用協定。資源描述框架由此應用而生[13]。

資源描述框架是一個使用XML語法來表示的資源模型，用來描述web資源的特性及資源與資源之間的關系。資源描述框架的基礎概念是表征Web資源的抽象模型，RDF使用抽象模型將信息/知識分解成小片段和關于每個小片段的簡單的語義（含義）規則。目的是提供一種簡單和靈活的方法來表述任何事實，因此關于知識的描述變得結構化并易于被計算機應用程序操作。抽象模型包含描述、主體和客體資源、述語三個部分。知識片段就是描述，因此知識可以用一系列的描述表示。每個描述的格式是主體—述語—客體（三元組）的固定順序，主體和客體是現實生活中的具體或抽象資源的名稱，述語是連接兩個資源的關系名稱。

圖3是《多媒體技術》課程教學資源的RDF描述。該圖中，ns0、ns1是命名空間，區分不同的資源位置，《多媒體技術》教材資源通過作者與多媒體課件資源進行關聯，關聯的規則就是同一個人擁有同一個手機號碼。

3 基于語義網的教學資源共享系統開發

一個語義Web應用程序組件主要分為語義Web的主要組件和與語義Web相關的工具。語義Web的主要組件包括語義Web陳述、統一資源標識符、語義Web語言、本體和實例數據。[14]基于語義網的教學資源共享系統開發中，使用了一些工具和框架。工具包括建造工具、詢問工具、推理機和規則引擎，語義框架將上述工具打包在一起形成了一個集成單元。

3.1 系統開發環境

系統的開發環境如下：編譯和執行工具：Java SDK；代碼編輯工具：Eclipse IDE；本體編輯工具：Protégé；語義Web程序設計框架：Jena語義編程框架；本體推理機：Pellet。本體編輯工具用來創建、編輯和合并本體，Jena框架包含查詢引擎、存儲、本體管理、推理機和規則引擎，支持通過編程實現與語義Web數據進行交互。

3.2 系統語義Web開發的過程

首先在項目中添加Jena類庫和Pellet類庫，然后分別編程查詢實例資源，將實例資源和領域本體對準，集成多個資源庫管理系統和領域本體，對資源描述數據進行推理，確定約束和規則等，最終實現滿足一定查詢條件的多個系統中的資源集成功能。這些編程步驟大都包含四個主要的實現步驟：獲取一個結構化的存儲空間或者模型，使用語義Web數據填充該模型，進行可能的數據處理（查詢、邏輯處理等），最后輸出滿足條件的數據。

（3）將實例和本體對準

首先，需要創建模型，并將與兩個資源相關的兩個本體和兩個資源實例數據集填充到模型中，然后創建等價或特化關系的陳述將了兩個數據集對準并添加到模型中，接著將模型和Jena推理機綁定，最后執行數據處理（查詢實例）及輸出。

（4）確定約束和規則

首先創建一個特定的概念或者類，形成一個約束，該約束為受限類描述了成員關系邏輯，例如，限定課件資源必須包含一個圖片說明等。然后，將約束讀入到與推理機綁定的模型中，進行查詢。在超出本體構造能力的限定方面，可采用規則語言建立一條規則，當規則滿足時，推理機在模型中添加一條陳述，將實例和新的本體類關聯起來，最后執行數據處理（查詢實例）及輸出。

4 結語

教學資源共享包含三個層次：教學內容共享、學習設計共享和學習過程共享。前兩個共享可以通過建立資源重用和信息交換的學習技術標準實現，但學習過程共享的內涵更廣，所涉及的教學資源更具有分布性和隱含性。通過在已有學習技術標準規范的基礎上加入語義關聯信息，可以更智能地查詢、集成和挖掘分布式學習資源。本研究結合《多媒體技術》課程的教學資源管理進行了實踐研究，在課程教學素材、參考資料的關聯推薦完整度上比傳統的資源檢索方法有了很大的提高，能夠全面集成顯示教學內容相關的各類教學資源。

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Abstract：Open sharing of teaching resources relies on an effective mechanism of sharing and a mature model technology framework.Existed learning technology standards provide metadata for teaching resources sharing，but there have the deficiencies existing in the semantics share of heterogeneous data.This paper analyzes the teaching resource sharing system model based on semantic web，put forward the teaching resources of SCORM content packaging information model.Design and realize the recommendation function on demand of personalized recommendation of learning resources，give a detailed description of the semantic web application development process and the general module.Semantic packaging based resources retrieval method improves the integrity in teaching material，reference recommendation comparing to the traditional retrieval method.

Key words：The teaching resources；Learning technology standards；Semantic web；ontology；Shared model

責任編輯 祁秀春