教育資源本體構建與檢索研究

劉振峰

【摘要】本體是信息領域近年來受到普遍關注的一個研究方向。針對教育資源管理現狀，本文闡述了本體的基本理論，提出了一種本體構建模型和檢索模型。

【關鍵詞】本體 教育領域 本體構建 本體檢索

【課題項目】本文為山東省高等學校科技計劃項目“基于本體的教育資源表示與集成研究”的成果之一，項目編號：J13LN03。

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2016）31-0002-02

隨信息技術的不斷發展，教育信息資源數量隨各教育部門信息化建設的進程不斷增加，層出不窮的學習資源在給學習者提供便利的同時，也讓學習者面臨難于選擇合適資源、資源內容不符合自身要求等問題。近年來本體（Ontology）在信息領域引起大家的重視。作為一種有效表示知識層次和語義的概念模型，本體論已被廣泛應用于圖書情報處理、知識管理、網絡搜索、數據集成、語義Web服務等領域之中。

一、本體理論

在哲學概念中，本體是指對事物自身的抽象，描述的是事物的性質或其根源。在計算機界，普遍認為“Ontology是共享概念模型的明確的形式化規范說明”[1]。這個定義主要包括四個主要方面：概念模型（conceptualization）、明確（explicit）、形式化（formal）、共享（share）。

本體的目標是獲取、描述和表示相關領域的知識，提供對該領域知識的共同理解，確定領域內共同認可的詞匯，并從不同層次的形式化模式上給出了這些詞匯（術語）和詞匯間相互關系的明確定義[2]。構造本體對實現知識共享和重用、提高系統通訊和互操作、提高系統可靠性都有重要意義。

在計算機領域，本體論包含類（class）、關系（relations）、函數（functions）、公理（axioms） 和實例（instances）5個基本的建模元素。

本體的實現要通過本體語言進行。本體語言種類繁多，既有專用的本體語言，也用基于某種標準的本體語言。在網絡資源處理中，OWL（Web Ontology Language）是W3C組織推出的標準網絡本體語言。

二、本體的構建原則

本體的構建是一個復雜的系統化過程，目前沒有一個標準的本體構建方法。本體構建原則最有影響的是Gruber（Toward Principles for the Design of Ontologies Used for Knowledge Sharing）在1995年提出的5條規則[3]。

1.清晰（Clarity）

本體必須明確的定義相關術語的含義。該定義必須是客觀的，與其周邊因素相互獨立。

2.一致（Coherence）

本體所定義的公理及使用自然語言進行描述的文檔應當一致，并支持延展的、與定義相一致的推理。

3.可拓展性（Extendibility）

本體應是可拓展的，以已有的定義為概念基礎，可以不需對已有定義進行修改就對拓展出的新術語進行定義。

4.編碼偏好程度最小（Minimal encoding bias）

構建本體時，對概念的描述盡可能采用通用的方法，不要依賴某一種特殊方法。

5.本體約定最小（Minimal ontological Commitment）

本體構建時只需考慮最基本的共享知識即可，這樣可以盡可能的減少約束。

這5條規則對本體的構建提出了基本的原則和思路，但并沒有提供明確的易于操作的手段。在本體的構建中，我們要根據實際應用的需求，靈活使用這些規則，構建出高質量的符合我們要求的本體。

三、教育領域本體構建

本體的建設應當面向用戶的需求，根據教育資源信息處理的特點，教育領域本體應該能夠清晰地表示教育領域主要的概念術語、屬性以及相互關系，對教育領域活動所具有的屬性規律進行形式化的描述[4]。用戶的學習程度、知識的更新、技術的發展等，都是本體構建時需考慮的因素。

本文結合教育資源建設中的課程資源建設，提出一種本體構建方法，流程圖如下（圖1）。

1.需求分析

該階段的任務是明確整項工作的目標、用途、知識范圍。主要包括：本體構建的目的是什么，要針對何種應用、達到何種目標？本體針對什么樣的目標人群，構建過程中涉及哪些知識領域？本體構建要采用哪種本體語言？對于課程資源建設來講，就需考慮課程建設的最終目標、針對的學習者情況、涉及的知識點及其衍生的知識點等。

2.確立目標任務

該階段對本體構建的過程進行詳細規劃。要根據本體構建的最終目標，結合具體的需求和資源情況，制訂出詳細的實施計劃。需明確的內容包括本體構建的方法、參加任務的人員情況、人員的分工、任務的時間節點、各階段需達到的目標等。

3.本體信息采集

該階段需對領域相關信息進行充分的分析，相關的專業文獻、書籍、網絡信息、其它的本體等，都是該階段需關注的內容。中國圖書館分類法編委會教育專業分類表編輯組編輯的《教育主題詞表》是信息采集中一個重要的參考和依據。對于課程資源，需要采集各知識點，明確知識點所針對的資源及知識點的前導后繼、相互關系等。

4.確定重點概念，形成概念體系

在信息采集的基礎上，通過對知識的分析和征集專家的意見，確定該領域中的重點概念，并用精準的術語進行描述。對于課程資源中的重點知識，應按照一定的規則對它們進行劃分，形成不同的知識范圍，在同一范圍內，在考慮前導后繼、整體和部分的基礎上，去除重復的和不相關的知識。

5.利用本體語言和工具，進行可視化編碼

選擇合適的本體語言工具，進行可視化編碼，建立可實現檢索和擴展的本體庫。本體的表示語言很多，其中OWL（Web ontology Language）是語義表達能力最強的描述語言。[5]

6.本體確認與評價

對本體進行編碼描述后，還需通過測試進行本體確認和評價，包括是否滿足本體構建需求、本體描述是否清晰、關系的完整性等。

7.存儲

按照本體存儲介質的不同，本體的存儲方法大致分為基于內存的存儲方式、純文本存儲方式、基于數據庫的存儲方式和專門的管理工具方式四種，其中研究最多、應用最廣的就是基于數據庫的存儲方式。[6]課程資源建設一般采用以數據庫存儲為主，其它手段為輔的存儲方式。

本體構建完成后，還應按照構建需求和學科的發展，對資源庫進行進一步的優化完善和后續建設。

四、教育領域本體檢索

傳統的信息檢索模式是使用搜索引擎，利用關鍵詞進行查詢，檢索結果的準確性不是太高。利用本體技術檢索能加強用戶與資源之間的語義溝通，大幅提高檢索結果的準確性。

在教育資源本體構建模型的基礎上，建立教育領域本體語義信息檢索模型，如圖2所示。

該模型包括用戶接口、語義處理模塊、數據存儲模塊等幾項內容。

用戶接口負責實現同用戶的交流，主要包括用戶界面、語義查詢接口、語義標注接口、服務調用接口、資源采集接口等，負責將用戶的輸入轉換成本體相應格式，并調用語義處理模塊進行處理。

語義處理模塊主要包括資源預處理、概念提取、索引、查詢等，負責完成信息的收集與檢索功能。該部分的效率決定了整個系統的效率。

數據存儲模塊包括教育領域本體庫、索引數據庫、資源庫，分別完成對領域知識、資源元數據和資源的存儲。

五、總結

針對目前教育信息化建設中存在的問題，本文研究了利用本體在教育資源集成中的應用，提出了構建教育資源本體庫和本體檢索的模型。本體的構建是一個長期復雜的過程，不可能一蹴而就。本體技術及相關研究正在快速發展，相信隨著相關技術的進步和成熟，各種基于本體的教育資源管理平臺會大量出現，推動我國教育事業進一步發展。

參考文獻：

[1]Paolo Ciancarini，A bibliograpghy on coordination.1997.

[2]廖軍. 基于領域本體的信息檢索研究[D].長沙：中南大學，2007.

[3]Gruber T. Towards Principles for the Design of Ontologies Used for Knowledge Sharing. International Journal of Human？鄄Computer Studies，1995；43（5～6）.

[4]馬捷.教育領域本體構建研究[J].情報理論與實踐，2012（7）：104-108.

[5]Muller H M，Kenny E E，Sternberg P W.Textpresso：An ontology？鄄based information retrieval and extraction.

[6]傅柱.本體存儲技術研究綜述[J].情報理論與實踐，2013（9）：118-123.