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专业教学资源库本体模型构建

更新时间 2011-7-31 11:15:39 点击数:

    *孙玉娣 裴勇(江苏经贸职业技术学院,江苏?南京?211168)摘 要:针对当前专业教学资源库的可重用性低、难以提供智能服务等问题,本文提出构建本体专业教学资源库。该方法将语义web思想与本体技术引入专业资源库构建中,并以构建《计算机网络专业教学资源库》为例,阐述了构建基于本体的专业教学资源库模型的整个流程,并选用Jena推理机,对资源语义的一致性进行检查。研究表明,对教学资源库的框架描述上升到知识级,有利于对教学资源库的共享与语义查询。
     关键词:本体;教学资源库;语义网;owl
    0 引言
    为深化教育教学改革,加强专业与课程建设,推动优质教学资源共建共享,教育部启动了教育专业教学资源库建设项目,目前全国已建成多个专业共享型教学资源库,供不同专业人才使用。综观已建成的专业教学资源库,普遍存在(1)教学资源建设缺乏统一标准,教学资源通用性不强,难以共享、重用;
    (2)教学资源内容的堆彻,知识间联系表示简单,很难提供较好的智能服务。这些问题产生的原因在于现有的教学资源库中知识孤立性、缺乏语义。所以,建设一个开放的教学资源平台,实现资源共享,消除资源孤岛,实现系统间交互与数据的流通,是目前首要考虑的问题。
    解决这些问题的基本方法是确立共同认可和执行的框架与规范,变无序数据为有序知识,让计算机理解Web信息,即语义网[1]。
    本体作为一种能在语义和知识层次上描述信息的概念模型,可用于描述或表达某一领域知识一组概念或术语,也可用于描述特定领域的知识[2,3,5]。在教育资源建设方面,MarvinTan和Angela Goh就已成功使用特殊的领域本体,实现了基于语义的教学资源的分类,浏览和查找[4]。但是,在国内还鲜有这方面成熟的研究成果。
    本文将语义Web的思想与本体技术引入到专业教学资源库建设中,应用本体的概念和相关技术定义教学资源,通过构建本体教学资源库模型,给现有的教学资源增加语义描述,提高资源的可重用性和利用率,并以“计算机网络专业资源库中计算机网络课程”为例,给出了一个本体教学资源库框架模型,并对实现过程作了进一步的探讨。
    1 专业教学资源库本体模型
    基于语义Web思想和本体技术,本课题设计了如图1所示的专业教学资源库模型。1)收集各种类型的专业教学资源,形成专业教学资源库;
    (2)根据教学资源库中资源特点,进行特征提取,形成教学资源本体模型;
    (3)同时,根据教学资源库中资源的语义特征,进行提取,形成领域知识本体;
    (4)根据教学资源本体,将专业教学资源库中的资源进行标注,形成元数据标注库;
    (5)接受用户请求的内容,利用本体语义层进行推理、查询,得出用户所需内容;
    (6)通过用户交互层接口,系统根据用户需求,进行推理、查询,并将系统智能服务内容反馈给用户。
    专业教学资源指教学过程中使用到的且可通过计算机用于教学的所有资料。主要包括课件、案例、作业、实验、试题、网络课程、媒体素材等资源,主要是多媒体资源,如文本、图像、音频、动画、视频等。数据量很大,类型也很多。该本体模型通过分析专业资源的结构特征与语义特征,通过分析提取,得到教学资源素材本体与领域知识本体,并将教学资源进行标注,形成相应的标注文件,为整个模型中使用推理引擎进行推理做准备。用户交互是资源语义模型上各种应用,可为用户提供基于语义的检索、个性化的学习服务等。
    2 本体设计
    2.1 本体概述化描述本体的概念最初起源于哲学领域,在信息系统中引入本体是为了描述目标世界的信息,从而满足系统中推理模型的需求。具体地说,本体的目标是捕获相关领域知识,提供对该领域知识的共同理解,确定该领域内共同认可的词汇,并从不同层次的形式化模型上给出这些词汇和词汇间相互关系的明确定义。因此,在设计本体前,首先要形式化定义本体,即本体建模。基本的建模元语有:类(class)、属性(attribute)、关系(relation)、实例(instance)、公理(axiom)[1]。具体定义如下:定义1:本体是用于描述或表达某一领域知识的一组概念或术语,可用一个五元组表示C=(C,I,AT,R,AX),其中C是类,是概念的集合,可用于描述一个任务、事件、策略或一个进程等;I是实例,它是某个概念类所指的具体实体,是本体最为具体的对象;AT是属性,它是类和实例的描述符,用于描述对象的一种属性;R是关系,它代表类之间的关联,是概念类间的层次结构;AX是公理,它表示本体中的永真断言。
    2.2 本体构建
    根据本体的形式化定义,结合专业教学资源库模型,建立了两个本体,一是教学资源本体[8],该本体主要是给出了一个教学资源形式化描述的框架,利用此框架来实现资源的标注。二是领域知识本体[9],该本体描述主要是从语义角度出发,将专业知识中所有的概念形成一个分类层次结构。
    2.2.1 教学资源本体
    定义2:教学资源本体模型Edu_RS={RS_Info,RS_Domain_Info,RS_Apply_Info,RS_Auth_Info},其中,RS_Info表示教学资源基本信息,包括资源ID、名称、类别、格式、大小、作者、简介描述等相关信息;RS_Domain_Info表示资源应用领域的相关信息,包括资源所属学科、所属专业、面向人群等相关信息;RS_Apply_Info表示教学资源使用形式的相关信息,包括应用类别、应用形式、应用环境等信息;RS_Auth_Info表示资源的用户权限信息,用户ID、访问权限、下载权限等。
    根据上述定义,可构造教学资源本体模型,如计算机网络课程中TCP/IP体系结构部分课件资源可被描述为:TCP/IP体系结构课件资源={课件编号,TCP/IP体系结构,课件,PPT,2.4M,张三,具体阐述了TCP/IP体系结构相关知识,……}∪{计算机网络基础,计算机网络专业,高职高专学生,……}∪{课堂,教师讲授,多媒体教室,……}∪{注册用户,可读,可下载,……}。
    类似地,可以将专业教学资源库的所有资源都进行形式化描述,即资源标注,形成元数据标注库,为后期推理、查询作准备。
    2.2.2 领域知识本体
    领域知识本体的构建思路主要是基于语义的角度,通过利用领域本体和语义网明确指示资源之间的语义结构。本课题旨在建一个“计算机网络专业教学资源库”,接下来利用本体的概念,对网络专业中网络互联技术这门课程中所有概念,形成了一个分类层次结构,如图2所示。
    图2 领域本体分类层次结构图
    3 逻辑推理层逻辑推理部分的设计是基于本体之上的,从领域知识本体、教学资源本体中提取数据,形成一个描述教学资源的语义模型,通过推理引擎和查询引擎为系统模型上层基于语义的应用提供支持。本课题在建专业资源库时,利用protégé本体建模工具构建领域知识本体,该本体以owl文件形式存储[7]。
    在该本体模型中,推理机采用的是Jena[10],Jena是一个Java开发工具包,用于语义web应用程序开发,它支持owl和RDFS。Jena平台提供了对owl推理的多方面支持,包括解析、创建和查询owl模型等。在本系统中,通过Jena,可以实现构建本体时的一致性检查,也可以实现基于规则的推理,在用户交互过程中,用户提交查询

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