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基于本體的教學(xué)知識庫系統(tǒng)分析
【論文關(guān)鍵詞】教學(xué)知識；本體；知識庫系統(tǒng)
【論文摘要】教學(xué)知識的共享和重用是影響教學(xué)效率的重要因素，文章將本體技術(shù)引入到教學(xué)知識管理中，通過使用現(xiàn)有的本體編輯工具、描述語言和開發(fā)方法，構(gòu)建并實現(xiàn)基于本體的教學(xué)知識庫系統(tǒng)，為網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)以及其他用戶提供教學(xué)領(lǐng)域知識的共享模型，從而實現(xiàn)教學(xué)知識的共享和重用。
一、本體概述
本體是指對領(lǐng)域知識的共享概念模型和明確的形式化規(guī)范說明，它涵蓋了領(lǐng)域中的基本術(shù)語與關(guān)系，并利用這些術(shù)語和關(guān)系構(gòu)成知識的外延規(guī)則和復(fù)雜定義，是一種能夠提供對領(lǐng)域知識的共同理解和共享的知識表示模型。
本體的定義很多都具有高級的普遍性，但從數(shù)學(xué)的角度對本體進(jìn)行精確描述的形式化定義卻很少，因為形式化定義很難包括所有不同類型的本體。本體的形式化定義是概念化術(shù)語映射到邏輯世界的橋梁，李文杰對三種應(yīng)用較為普遍的本體形式化定義進(jìn)行了詳細(xì)介紹。
(一)本體的描述語言與開發(fā)工具
目前構(gòu)建本體的工具很多，以Protege使用最為廣泛。Protege是斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)信息研究組( Stanford Medical Informatics , SMI)開發(fā)的一個免費(fèi)、開源的本體工具，它為知識工作者提供了一個可以構(gòu)建領(lǐng)域本體的環(huán)境，協(xié)助知識工程師和領(lǐng)域?qū)＜彝瓿芍R管理任務(wù)。
本體的實現(xiàn)依賴于本體標(biāo)記語言的表示功能，OWL ( Ontology Web Language)是W3C推薦標(biāo)準(zhǔn)，能夠清晰表達(dá)概念以及這些概念之間的關(guān)系。本文使用Protege3.3.1做為開發(fā)工具，從形式化表達(dá)能力和推理能力兩方面考慮采用OWL, DL本體描述語言。
(二)本體知識庫及其優(yōu)點(diǎn)
張立等對本體與傳統(tǒng)知識庫的相似點(diǎn)和不同點(diǎn)進(jìn)行了闡述，使用本體建模的方法和相關(guān)知識表示的標(biāo)準(zhǔn)建立知識庫，便于廣大研究者間的交流和協(xié)作。對計算機(jī)而言，可以實現(xiàn)不同領(lǐng)域、不同模型之間的跨平臺的互操作、共享和重用。使用本體作為知識庫的基礎(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)主要有:
1.可重用性。本體作為某個領(lǐng)域概念、關(guān)系以及概念間內(nèi)在關(guān)系的形式化表達(dá)，這種表達(dá)可以被共享和重用。
2.智能檢索�；谥R的、語義上的匹配，在查準(zhǔn)率和查全率上有更好的保證，克服了全文檢索查準(zhǔn)率比較低和數(shù)據(jù)檢索對用戶要求較高的缺點(diǎn)。
3.可靠性好。領(lǐng)域知識和模型的形式化表達(dá)便于正確性檢測，一些已有的本體建模工具已經(jīng)提供了一些相應(yīng)的功能模塊。
4.良好知識表達(dá)、解析能力。本體能良好地表達(dá)規(guī)范的任務(wù)和知識，有助于領(lǐng)域知識的分解和解析，利用本體對領(lǐng)域知識進(jìn)行建模，可以使相互獨(dú)立的層次有機(jī)地組成一個完整的系統(tǒng)，可以實現(xiàn)領(lǐng)域知識的共享和重用，領(lǐng)域知識條理清楚的形式化便于正確性的檢查，使知識庫的結(jié)構(gòu)更加清晰，有利于知識庫系統(tǒng)的維護(hù)。
二、教學(xué)知識本體庫的構(gòu)建
常用的本體構(gòu)建方法體系有骨架法、評估法、Bernaras法和Sensus法等，馮志勇等對幾種本體構(gòu)建方法優(yōu)勢與不足進(jìn)行了詳細(xì)的比較和說明，本文在參考這幾種方法的基礎(chǔ)上，遵循Gruber提出的5條原則，提出保障知識本體的構(gòu)建步驟。
(一)教學(xué)領(lǐng)域知識描述
本文以教學(xué)知識作為研究對象，該領(lǐng)域本體覆蓋范圍包括教學(xué)內(nèi)容的知識點(diǎn)、課件、例題、實驗、習(xí)題練習(xí)、相關(guān)學(xué)習(xí)資源和常見問題解答等，昊煌煌對教學(xué)領(lǐng)域知識的描述，形成了教學(xué)領(lǐng)域知識內(nèi)概念的體系結(jié)構(gòu)劃分。
根據(jù)課程進(jìn)行分類，分成小學(xué)綜合課程、初中分科與綜合相結(jié)合課程、高中分科課程、本科課程等具體的學(xué)習(xí)階段，不同階段中包含具體的課程實例，如高中階段有語文、數(shù)學(xué)、政治、英語、地理等課程。知識點(diǎn)是教學(xué)知識組成的基本粒子。在課程標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)下，具體分析學(xué)生的學(xué)情，選擇合適的教學(xué)策略，包括教學(xué)活動程序、教學(xué)方法、教學(xué)組織形式和教學(xué)媒體等。知識點(diǎn)與課程可以按照教學(xué)策略組合成為新的課程。
通過對教學(xué)領(lǐng)域的分析和描述，參考已有的三種本體形式化定義，我們提出了教學(xué)知識本體的形式化定義:
教學(xué)知識本體，其中表示基本概念的集合，包括基本術(shù)語和原理等教學(xué)領(lǐng)域的概念集合，其中有表示教學(xué)領(lǐng)域中的概念;表示基本概念屬性的集合，例如學(xué)時的數(shù)量、知識點(diǎn)難易程度等等;表示基本概念之間以及不同層次的概念之間存在的關(guān)系集合，表示多個基本概念通過規(guī)則合并后而產(chǎn)生的較大粒度的概念，而表示基本概念與概念之間存在的關(guān)系，如因果關(guān)系、伴隨關(guān)系等等;表示關(guān)系的屬性集合，如關(guān)系的類型、對象和運(yùn)算性質(zhì)等;表示公理集，即教學(xué)內(nèi)容中課程之間的關(guān)系，以及科目內(nèi)部知識點(diǎn)之間的關(guān)系。
(二)教學(xué)知識本體的實現(xiàn)
按照前面分析的本體構(gòu)建方法分別使用Protege3.3.1的各相關(guān)控件完成五元組的編輯。概念和關(guān)系是本體的基本結(jié)構(gòu)，其中概念是核心。因為關(guān)系是用來描述領(lǐng)域概念間的關(guān)系，它本身也可以作為概念來實現(xiàn);屬性、公理和實例是依賴于某一概念的，所本體的構(gòu)建應(yīng)以概念為中心，從教學(xué)領(lǐng)域中的頂層概念開始，通過添加子類將概念逐一細(xì)化，一直到應(yīng)用所需要的粒度。
三、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計
(一)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架
知識庫系統(tǒng)建�？蚣苁侵笍慕５慕嵌妊芯恐R庫系統(tǒng)開發(fā)方法。在研究者提出的各種各樣的知識庫建�？蚣苤校琄ADS方法最具代表性。該方法把求解特定任務(wù)的知識劃分成三個不同的層次:領(lǐng)域?qū)�、推理層和任�?wù)層，分別對應(yīng)著知識庫系統(tǒng)的靜態(tài)視圖、功能視圖和動態(tài)視圖。其中，領(lǐng)域?qū)影饲蠼鈫栴}所需要的特定領(lǐng)域內(nèi)的知識和對領(lǐng)域概念的描述(即領(lǐng)域本體一Domain Ontology，它包含特定領(lǐng)域的相關(guān)知識)。推理層指明了求解問題采用的方法，包含了推理步驟和領(lǐng)域知識在其中所起的作用(roles)。任務(wù)層則把所需要求解的問題分解成若干個子任務(wù)，并為每一個子任務(wù)確定目標(biāo)，同時明確對子任務(wù)的控制。
按照KADS知識庫建模框架，文本將教學(xué)本體知識庫系統(tǒng)分為推理層、領(lǐng)域?qū)雍腿蝿?wù)層，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架，其中:
1.任務(wù)層。包括查詢請求輸人接口、查詢控制器、查詢結(jié)果輸出接口3個功能模塊，負(fù)責(zé)分析查詢請求，并對本體知識庫進(jìn)行查詢，然后將查詢結(jié)果返回給用戶。
2.領(lǐng)域?qū)�。包括本體編輯模塊和本體存儲模塊2個功能模塊。教學(xué)領(lǐng)域?qū)＜液烷_發(fā)人員通過本體編輯模塊建立保障本體知識庫，并對其更新和擴(kuò)充;本體存儲模塊主要實現(xiàn)本體知識庫的持久化。
3.推理層。包括規(guī)則轉(zhuǎn)換模塊、本體推理模塊和本體檢驗?zāi)K3個功能模塊。負(fù)責(zé)本體規(guī)則的轉(zhuǎn)換，本體的推理以及本體一致性檢驗。
(二)系統(tǒng)功能模塊實現(xiàn)
教學(xué)本體知識庫系統(tǒng)的實現(xiàn)框架，其中Protege3.3.1可以提供可視化的本體編輯界面，可以方便地實現(xiàn)本體中的類、屬性、關(guān)系以及實例的編輯;使用Racer推理機(jī)和Protege結(jié)合，實現(xiàn)了本體的推理、轉(zhuǎn)換和一致性檢驗。
本文使用了語義開發(fā)工具Jena2實現(xiàn)了查詢控制器和本體存儲模塊。Jena2是一個Java開發(fā)工具包，它被廣泛地應(yīng)用于開發(fā)語義網(wǎng)的應(yīng)用系統(tǒng)。Jena由HP公司開發(fā)，Jena本體解析器包括三個部分，即對RDF的解析、對RDQL的查詢支撐以及對OWL的解析。從2004年2月起，Jena2.1版本開始支持OWL文檔的處理，為應(yīng)用開發(fā)者提供多種靈活地表現(xiàn)RDF圖的方案，這種方式允許用戶可以使用更高層接口或使用底層接口的不同方式訪問處理RDF圖數(shù)據(jù)。同時提供了一種RDF圖的最簡單的視圖方式—三元組方式，主要方便了系統(tǒng)級程序開發(fā)人員處理數(shù)據(jù)，對基于RDFS和OWL推理是非常有用的。
Jena還提供了將RDF數(shù)據(jù)存人MySQL, HSQLDB,PostgreSQ , Oracle和Microsoft SQL Server等關(guān)系數(shù)據(jù)庫的接口，Model , Resource ,Query等接口可以用于訪問和維護(hù)數(shù)據(jù)庫里的RDF數(shù)據(jù)，采用Jena2提供的數(shù)據(jù)存儲接口和MySQL數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了本體存儲模塊。
四、結(jié)束語
知識的共享和重用是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題，本文將本體技術(shù)引人到教學(xué)知識管理中，通過對教學(xué)領(lǐng)域知識內(nèi)容與特點(diǎn)的描述，刻畫出領(lǐng)域內(nèi)的概念體系;構(gòu)建了教學(xué)本體知識庫，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了基于本體的教學(xué)知識庫系統(tǒng)，這為現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)以及其他用戶提供了對教學(xué)領(lǐng)域知識一致、清晰、明確的理解，從而實現(xiàn)教學(xué)知識的共享和重用，也為教學(xué)知識管理提供了新的方法和思路。同時還存在兩個主要問題，一是知識本體的構(gòu)建方法多以手工標(biāo)注為主，其工作量非常大，開發(fā)困難;二是教學(xué)知識本體中類之間的關(guān)系還是有一定的缺陷，如何建立教學(xué)知識本體自動更新完善體系非常重要，這些問題都有待進(jìn)一步研究下去。
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