新型远程教育系统中语义网络技术的应用研究

张德洪

(集美大学 师范学院，福建 厦门 361021)

语义网络中的本体语言编码，主要通过将现实存在的特定事物，以抽象方式进行系统化描述，转换为计算机能够读取与处理的内容，实现固定形式知识的共同认可。而语义网络技术引入到新型远程教育系统中，利用Web表示层、业务应用层、服务层等多层架构的建立，加快知识表示、教学方法、问题求解与推理等系统模块的功能融合，满足远程教学目标制定、教学实施、互动交流和档案管理的需求。

1 语义网络(Web)服务的概述及主要结构

1.1 Unicode、URI层

语义网络作为万维网未来的发展方向，其将多种网站、语言、应用程序的数据进行整合，将Web上的自然语言信息，转化为能够被机器理解、处理与共享的数据。Unicode、URI为语义网络的最底层，也是机器语义表达转换与实现的基础。Unicode是通用字符集编码，其涵盖Web网络中所有的语言、文字与字母内容，可以对网络存在的多种数据信息进行统一编码。而URI则包括统一资源定位(URL)、统一资源名称(URN) 等子集，可以对互联网任何的HTML文档、图像、视频片段、程序等资源，进行标识与定位，提高数据资源检索的准确性。

1.2 XML+XML Schema层

XML层利用XML标记语言，在不同文档标签上添加xmlns属性，可以为前缀赋予一个，与某个命名空间相关联的限定名称，这样将形成多种网络资源结构、信息内容与数据的表现格式分离，确保不同类型元素的准确描述。而语义网络中的XML Schema描述，通常存在包含、重定义、导入等机制，重定义是对引入的模式文档组件进行重新定义，导入Import主要负责其他名称空间组件的引入。

1.3 RDF、Schema层

该层主要用于多种网络资源类型、语言的表达描述，包括Web页面标题、作者、修改时期，以及Web文档版权、共享资源等的表示。利用XML语法、Web元数据，对Web上任何被标识的数据信息进行定义与描述，转换为机器可理解的语义内容。

1.4 本体层

本体层包括顶层本体、领域本体、任务本体和应用本体等层级，通常用于描述万维网内各种资源的类、关联关系，其中类指的是某一领域内现实事物的抽象形式，包括对资源本身语义、不同资源关联性复杂语义的解释，以便完成多种计算机信息的转换、形式化描述，常用于语义网络的Ontology语言为OWL编程语言。

2 新型远程教育系统的总体组成架构设计

智能远程教学系统中教学模式、信息资源组织等的开发设计，对整个教学环节实施的效果具有影响。因此在互联网信息环境下，构建知识表示、问题求解、推理方法于一体的专家系统，易于被广大用户群体使用和接受。本文对于智能远程教学系统开发设计，通常设置课堂情境、课程内容教学、作业布置、诊断学习及信息反馈等环节，并对不同教学流程的不足、学生存在的学习问题作出调整，新型远程教育系统的总体架构如图1所示。

图1 新型远程教育系统架构

根据计算机智能远程教学的统一性、系统性原则，将整个远程教育系统封装为教师模型、学生模型。其中教师模型内存在教学策略、教学模块、诊断模块、测试模块，以及教学方法库、知识库、题库等组成结构，学生模型则包含学习目标、学习内容、历史记录、教学反馈、评价指标等，通常用于反映某一时间段内，学生的专业知识掌握情况、学习状态〔1〕。

3 新型远程教育系统中语义网络技术的组织架构设计

3.1 Web网络层

Web层级往往处于计算机后台服务器的客户端中，通常包括Web层控制器、校验器、请求转发器等组成模块。新型远程教育系统中，利用Servlet、JSP和前端控制器，对学生档案、教学目标、教学课程、教学进度等资源，作出教学及教育活动管理。其中远程教育系统的教学管理，包含信息查询、资源添加、资源修改和实时交互，一般覆盖所有的教学目标、教学内容、过滤与管理多种用户会话(Session)、客户请求、并转发请求。

3.2 业务层

业务层作为一个本体模型，通常包含包括服务器、管理器、上下文控制器和BO软件应用程序，被封装为ManagedBean属性框架中。现阶段业务层本体模型选择SUN Glassfish、Spring分层架构，定义不同资源创建、配置与管理的组件方式，进行多种创建对象的描述、语义查询服务，在配置文件中为不同对象提供组件服务。其中Spring分层框架的单个模块或组件，可以单独提供控制与管理活动，也可以与其他模块联合进行功能实现，上下文控制包括JNDI接口服务、EJB集群服务、电子邮件等功能的提供〔2〕。

3.3 服务层

服务层主要为Web网络层、业务应用层的底层，通常用于软硬件配置、日志处理、异常状况处理、数据绑定等任务，提供网络连接、数据传输与处理等功能服务。

4 新型远程教育的网络语义查询流程与运行原理

远程教育语义查询子系统中，本体库主要负责Jena应用程序接口调用，以及查询语言检索、本体数据资源修改和存储、语义数据库的操作，也是语义网络系统的核心，能够实现多种教学知识的查询、获取。其中知识查询是将结构化数据、非结构化的数据，包括Web网页资源、教学课件、在线课堂作业等内容，自动分类、添加到远程教育系统上；而知识获取则是对不同类型的数据资源，作出标准化处理后存储至本体库，具体知识查询、获取流程如图2所示〔3〕。

图2 远程教育语义查询子系统的实现结构

语义网络知识查询、获取等的过程，即为本体层级中不同本体的开发设计、集成验证流程，以及对不同开发资源作出增量引入与迭代。首先设定问题描述框架，定义教学系统范围、信息查询任务、知识管理目标，将多种教学课件、图像、视频、邮件等文本，转换为能够结构化分析的数据报告。其中顶层本体、领域本体、任务本体和应用本体的开发设计，是根据确定的规则机制，对控制词表进行提取、识别，以及本体库内不同个体知识图谱的集成，来完成现有教学模型的修改和扩充，自动生成本体教学数据。

4.1 RDF类的定义与运行原理

在不同类资源描述的过程中，通常使用Protege等软件，以及OW、RDF本体描述语言。其中RDF作为Web网络上的资源描述框架，涵盖多个不同个体集合，如学科属性、继承/被继承关系等特征，因而RDF类主要用于不同实体、实体语义联系等的清晰表达。

当前新型远程教学系统内，通常将RDF schema作为某类事务的总体概念，囊括Web页面、文档类型、数据库及其他抽象概念，类的描述过程中使用RDFs class、RDFs resource、RDFs type、RDFs subclassof等，并在类资源定义时制定一个URI参照ex：。但由于大学专业课程的学科较多，不可能为每个学科建立单独的定义类，所以定义四个基础类包括Parts类、Course类、Performance类、profile类等。其中Course类描述教学基本知识块、Parts类描述课程章节，Parts类继承Course类的必要约束条件，借助于isPartOf与其他课程知识块、章节建立连接。Performance类用于描述课堂教学的执行、完成情况，通过hasFinished属性与Course类建立连接关系，表明某一课程被完成〔4〕。

4.2 Profile类的运行原理

Profile类、Goal类和Performance类等，主要对不同学生的学习状况作出描述。Profile类用于描述学生档案信息，包括hasGoal、hasPerformance等必要约束条件，也就是说Profile类为Goal类和Performance类的包含条件，学生档案中包含学习目标、学习表现，Profile类包含的具体属性如表1。

表1 Profile类包含的属性及描述

一般新型远程教学的教育本体库中，不仅包括学生档案类、学习目标类和学习表现类，还存在很多本体子属性层级，包含学生姓名、学习成绩、课堂表现、自主学习情况等个人信息属性。其中学习目标类(Goal)用于描述教学计划，属性为HasCovered、hasGoalName、isGoalOf；学习表现类(Performance)用于描述课程进度、教学进度〔5〕。

4.3 新型远程教育的教学资源处理、教学管理的执行流程

高校远程教育系统中的教育管理需求，通常包含知识查询、知识维护、数据检索等管理操作，分为查询请求处理、生成对象元数据、调用数据管理等流程。在语义网络Web层、业务层等层级，围绕Profile、Goal、RDF、Course等类资源，涵盖学生姓名、性别、年龄、学号，以及课程编号、课程标题、教学内容、教学进度等描述信息，通过查询控制端口发送查询请求，对本体语义知识作出转换、分析。之后将结构化分析、过滤后的知识数据，存储至管理类控制数据库之中，具体流程如图3所示〔6〕。

图3 新型远程教育系统资源处理与教学管理流程

5 结语

基于语义网络的远程教育系统，是利用本体的共享形式化类型及其属性，对系统中的二维信息资源、业务逻辑进行转换，通过结构化的数据或业务处理方式，有效地提升网络远程信息资源的使用价值。因此语义网络技术，引入到新型远程教育系统中，可以形成多种专业课程知识作出领域数据、逻辑数据分离，构建起知识库、教学策略库、教学方法库、师生交互界面等组成构架，保证每个系统节点中的数据信息传输、存储，符合高校不同专业课程教学的多样化需求。