网络课程资源的本体建模研究

摘要:本文从一般语义网络模型出发,介绍了本体基本模型,提出了一种用于构建网络课程资源语义网络的本体建模技术,所建立的网络课程资源本体模型为开展网络课程自主学习的学习者提供了一种语义级别的智能学习模式。本文研究工作在基于网络课程的远程教育领域具有较好的实际应用价值。

关键词:本体模型;网络课程;远程教育

中图分类号:G642 文献标识码:B

1引言

网络课程是在网络环境下构建的课程体系,具有丰富的学习资源,多向互动和协作交流的人际互动平台,自主学习的支持环境,多媒体化呈现的教学内容等特点,是远程教育领域不可或缺的重要组成部分。网络课程已作为远程教育应用领域的一种核心资源,其建设日益受到人们的广泛关注,有关网络课程的研究已成为当前课程研究领域中的一个热点问题。不少学者都在积极地从各个层次探讨着支撑网络课程设计的理论基础及其价值取向。

本文重点关注网络课程领域的学习资源的知识建模问题。长期以来,人们把网络课程内容简单理解为教材的扩展,顺理成章地把网络课程内容按照符合学科内在逻辑顺序的知识结构来构建学习资源库。其中,最为典型的就是树型结构。采用这种结构的优势很明显。实现简单,结构清晰,适合顺序渐进的学习者学习。如果仔细分析人的学习要求,又会发现这种结构存在明显的缺陷。例如,以笔者所讲授的“网络操作系统高级管理”课程为例,学生要在网络课程中学习活动目录的知识,那么学习者只能严格按照网络课程预先指定的逻辑结构从概念的定义开始,然后是实际安装,最后才是具体的应用。其实,学生学习活动目录的内容的需求是多方面的。例如,有的学生想学习安装步骤,有的学生想学习和了解与活动目录有关联的学习内容,还有的学生想了解企业具体应用案例等等,那么,这种树形结构就无法满足自主学习为主的学习者多方面的学习要求了。如果学生对活动目录知识不是很熟悉,他就更难以在树形结构下,顺利找到自己要学习的相关内容了。其根本原因在于网络课程资源在树形结构下只有结构分明的具体内容,而缺乏具体资源之间的语义知识,语义网相关技术为解决网络课程资源的知识结构问题提供了有效的解决方案。

文献总结了语义网相关技术。本文采用其中本体建模的理论与方法来构建网络课程资源的语义知识库。文献均针对“数据结构”课程开发了一个智能化网络教学系统。虽然也采用了本体建模技术,但实现的还是树形结构。其实,树形结构只是一种最简单的语义结构,其实现的方式有多种,菜单或表格就是最常用的技术。本文首先从一般语义网络模型出发,介绍了本体模型的基本要素,然后,以“网络操作系统高级管理”网络课程为例,研究如何用本体建模技术构建网络课程资源的语义网络。论文给出了具体的建模过程与步骤。本文研究工作在基于网络课程的远程教育领域具有较好的实际应用价值。

2语义网络建模技术

语义网的思想就是利用元数据(Metadata)语言对信息资源的内容进行语义上的描述,从而使计算机能够利用这些语义信息对信息资源的内容进行理解和处理,并在此基础上实现更高级的、基于知识的智能应用。本体是语义网的核心层,用来定义应用领域中的共享知识,从而对各种资源之间的语义关系进行描述,揭示资源本身以及资源之间更为复杂和丰富的语义信息。

本体又称为实体,源自于形而上学的哲学分支,它对客观世界的事物进行分解,发现其基本的组成部分,进而研究客观事物的抽象本质。近年来,本体己经被广泛应用于知识工程、自然语言处理、数字图书馆、信息检索和Web异构信息的处理等领域。目前获得大多数学者公认的T. R. Gruber关于本体的定义概括为“本体是概念模型的明确的规范说明”。

在知识工程中,一般认为本体的认知观就是从概念、 关系、函数、公理和实例这五个维度来观察事物,进而用计算机形式化的将事物表示出来。因此,本体包含上述五个基本的要素。它们也称为本体模型的建模元语(Modeling Primitives):

(1) 概念(Concepts)

指任何事务,如工作描述、功能、行为、策略和推理过程。从语义上讲,它表示是对象的集合。本文指的是网络课程中所要学习的知识点。

(2) 关系(Relations)

领域中概念之间的关联或交互作用。强调这里的关系限于两个概念之间的关联。常用的关系有part-of(表达概念之间部分与整体的关系)、kind-of(表达概之间的继承关系)、instance-of(表达概念的实例与概念之间的关系)、attribute-of(表达某个概念是另一个概念的属性)等。正是这个“关系”成为构建知识领域复杂的语义网络的关键因素。

(3) 函数(Functions)

表示多个概念之间的一类特殊的关系。该关系的前n-1个元素可以唯一决定第n个元素。形式化的义为: 。例如,在Windows 2003 Server中,概念“域”、“域树”就决定了概念“活动目录林”。

(4) 公理(Axioms)

用于表示永真断言。例如,IP地址若采用点分十进制表示方式,则每部分的值不小于0且不大于255。

(5) 实例(Instance)

实例是指属于某概念类的基本元素,即某概念所指的具体实体。

一个本体的形式化定义为如下五元组:

3网络课程资源的本体建模

3.1网络课程资源的知识结构

根据传统教材内容所编排的章、节关系,可以得到如图1所示的知识结构。显然,这是一种典型的树形结构。目前,网络课程建设者一般常采用这种树形结构。具体来说,他们要么采用树形结构菜单,要么就是用表格的方式来组织和管理网络课程资源的知识内容。那么,基于这种结构的网络课程与传统的基于教材的课程的优势在于内容的多媒体化,知识内容的选择方便快捷,而且实现方便。

对于相同的课程领域知识,其实有多种组织与管理的结构。领域知识不同的结构决定了学习者不同的自主学习模式。图2给出了一种网状的课程领域知识结构。其中圆形表示知识结点,箭头表示知识结点间关系。这种结构更符合人们联想自主学习的需要,但实现相对复杂。本文的目标就是用本体建模技术实现这种复杂的网状领域知识结构。

3.2网络课程领域知识本体建模技术

本文提出采用螺旋式进化过程技术来进行网络课程领域知识的本体建模。

(1) 需求分析

这个阶段要明确本体构建的目的、范围、用途和使用者。本文选择网络课程领域知识作为建立本体的研究对象。根据网络课程领域知识的语义关系,用本体模型建立领域知识库的网状结构,为学生开展网络课程自主学习时,提供一种一定语义级别的智能学习模式。明确本体模型的目标用户主要有两类。一类是本体的使用者;一类是本体维护人员。

(2) 本体模型设计

① 领域信息的收集和分析

首先通过收集网络课程领域信息,以充分了解领域知识。信息来源包括专家、教材,参考书籍、网络、甚至是其它的本体。获得这些信息的方法可以是:头脑风暴法、访谈、文本的形式化或非形式化的分析和一些知识获取工具。

② 概念和关系的确定

根据收集整理的网络课程领域知识的具体语义,设计出如图2所示的网络课程领域知识库的网状结构。图2中的圆圈在本体模型中就是概念。箭头就是表示本体概念间的关系。概念之间的不同“关系”就是网络课程领域知识间语义的具体表现。一般为简单起见,很多学者只是利用了父子关系(Part_of)、种属关系(Is_a)以及实例关系(Instance_of)。因为,利用这三种关系,就可以方便用本体模型来构件领域知识的树形结构。显然,这三种基本关系难以表达网络课程领域知识中所存在的复杂语义关系。为此,本文提出了多种概念之间的关系,例如因果、支持、引用、组成、父子、例、引入、推广、类比、相关等。

③ 确定本体的其它三个要素

根据所确定的概念集,根据领域知识库的实际需要,确定本体的函数与公理要素。如果没有,可空缺。对于本体模型中的实例要素,本文设计为概念所对应的具体内容,也就是具体的知识内容。本文明确所有概念的知识都用Web页面表示,因此该要素属性的赋值为具体概念的Web页面的地址,即URL地址。

(3) 本体模型的实现

① 概念的Web页面实现

网络课程的巨大优势之一就是内容的多媒体表示。因此,要把所收集到的概念的具体知识内容利用计算机多媒体技术,科学且严谨的表示出来。这部分工作也是传统的网络课程建设的重要内容。只不过,采用本体模型建模时,知识的表示比较细致。原来一堂课的PPT的内容需要根据知识间的语义关系拆成多个知识点。虽然增加了工作量,但这些知识点可适合多种学习模式的需要。因此,所得到的本体模型更能体现其知识共享和重用的优越性。

② 运用工具创建本体

为提高效率,必须采用具体的本体建模工具来创建网络课程的本体。目前常用的本体建模工具首选Protégé。因为采用Protégé工具来构建本体,可由其自动生成本体的OWL代码。该工具可以根据需要,手动添加上述的多种“关系”要素。

下面就是用Protégé3.1创建“活动目录”本体转换成OWL描述的片段。

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在得到本体的OWL文件后,应用系统可以通过Jena1.6.1对OWL文档进行处理,Jena平台提供了对OWL推理的多方面的支持,它允许应用系统解析、创建和查询OWL模型。限于篇幅,有关Protégé和Jena1.6.1不做详细的介绍。

(4) 确认与评价

对己经建立的一个本体模型进行测试,从而对网络课程领域知识的本体模型进行确认与评价,看是否满足应用需求,本体中的概念是否被清晰的定义了,本体中的概念及其关系是否完整等。

(5) 螺旋式进化过程

本体模型的建设应该是一个反复进化的过程,这样才符合本体模型开发的特征。经过确认和评价的本体模型总的发展过程趋势是螺旋式上升,每个阶段的本体模型是螺旋式发展模型中一个阶段的成果,这就是本体模型中进化属性的具体表现。

3.3网络课程领域知识本体模型的应用

图3给出了网络课程领域知识本体模型应用的实现原理图。以“网络操作系统高级管理”课程为例,学生想在网络课程中学习有关“活动目录”的知识。那么,“活动目录”在该课程中既是一个概念,也是Windows 2003 Server中核心的管理工具,需要安装和配置;同时Windows 2003 Server中有多个网络服务需要得到该工具的支持。如果按照树形结构,一次就只能学习到一个知识点。那么,基于本体模型的学习过程就显示出了优势。采用Jena1 6.1实现的推理和搜索引擎功能,推理和搜索Protégé得到的本体知识库,学习者可方便得到所有所要学习的相关知识。例如,用户想要学习受“活动目录”支持的网络服务器功能,以了解活动目录的具体应用领域,那么,系统就会列出所有受“活动目录”支持的本体,例如组策略,用户帐户的管理等工具,以及FTP和DHCP和CA等服务,从而得到多个概念序列,通过排序,呈现给学习者,学习者选择具体的概念,系统立即就从Web页面库中显示具体的知识内容。

4结语

本文采用本体建模技术,为网络课程的学习资源构造了符合知识点间语义的体系结构;为建设一个具有初步智能的网络学习系统提供了一般性解决方案;为网络课程理论与应用技术的发展探索了一条新的路径。未来的工作将集中在网络课程领域知识本体模型的评估与改进的标准与方法。

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