基于本體的教學(xué)知識庫系統分析
【論文關(guān)鍵詞】教學(xué)知識；本體；知識庫系統
【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(guò)使用現有的本體編輯工具、描述語(yǔ)言和開(kāi)發(fā)方法，構建并實(shí)現基于本體的教學(xué)知識庫系統，為網(wǎng)絡(luò )教學(xué)系統以及其他用戶(hù)提供教學(xué)領(lǐng)域知識的共享模型，從而實(shí)現教學(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范說(shuō)明，它涵蓋了領(lǐng)域中的基本術(shù)語(yǔ)與關(guān)系，并利用這些術(shù)語(yǔ)和關(guān)系構成知識的外延規則和復雜定義，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(lèi)型的本體。本體的形式化定義是概念化術(shù)語(yǔ)映射到邏輯世界的橋梁，李文杰對三種應用較為普遍的本體形式化定義進(jìn)行了詳細介紹。
(一)本體的描述語(yǔ)言與開(kāi)發(fā)工具
目前構建本體的工具很多，以Protege使用最為廣泛。Protege是斯坦福大學(xué)醫學(xué)院醫學(xué)信息研究組( Stanford Medical Informatics , SMI)開(kāi)發(fā)的一個(gè)免費、開(kāi)源的本體工具，它為知識工作者提供了一個(gè)可以構建領(lǐng)域本體的環(huán)境，協(xié)助知識工程師和領(lǐng)域專(zhuān)家完成知識管理任務(wù)。
本體的實(shí)現依賴(lài)于本體標記語(yǔ)言的表示功能，OWL ( Ontology Web Language)是W3C推薦標準，能夠清晰表達概念以及這些概念之間的關(guān)系。本文使用Protege3.3.1做為開(kāi)發(fā)工具，從形式化表達能力和推理能力兩方面考慮采用OWL, DL本體描述語(yǔ)言。
(二)本體知識庫及其優(yōu)點(diǎn)
張立等對本體與傳統知識庫的相似點(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)知識表示的標準建立知識庫，便于廣大研究者間的交流和協(xié)作。對計算機而言，可以實(shí)現不同領(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的優(yōu)點(diǎn)主要有:
1.可重用性。本體作為某個(gè)領(lǐng)域概念、關(guān)系以及概念間內在關(guān)系的形式化表達，這種表達可以被共享和重用。
2.智能檢索�；谥R的、語(yǔ)義上的匹配，在查準率和查全率上有更好的保證，克服了全文檢索查準率比較低和數據檢索對用戶(hù)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)提供了一些相應的功能模塊。
4.良好知識表達、解析能力。本體能良好地表達規范的任務(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，可以使相互獨立的層次有機地組成一個(gè)完整的系統，可以實(shí)現領(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，使知識庫的結構更加清晰，有利于知識庫系統的維護。
二、教學(xué)知識本體庫的構建
常用的本體構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建方法優(yōu)勢與不足進(jìn)行了詳細的比較和說(shuō)明，本文在參考這幾種方法的基礎上，遵循Gruber提出的5條原則，提出保障知識本體的構建步驟。
(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)內容的知識點(diǎn)、課件、例題、實(shí)驗、習題練習、相關(guān)學(xué)習資源和常見(jiàn)問(wèn)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)域知識內概念的體系結構劃分。
根據課程進(jìn)行分類(lèi)，分成小學(xué)綜合課程、初中分科與綜合相結合課程、高中分科課程、本科課程等具體的學(xué)習階段，不同階段中包含具體的課程實(shí)例，如高中階段有語(yǔ)文、數學(xué)、政治、英語(yǔ)、地理等課程。知識點(diǎn)是教學(xué)知識組成的基本粒子。在課程標準的指導下，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(dòng)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(guò)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(yǔ)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(shí)的數量、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(gè)基本概念通過(guò)規則合并后而產(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(lèi)型、對象和運算性質(zhì)等;表示公理集，即教學(xué)內容中課程之間的關(guān)系，以及科目?jì)炔恐R點(diǎn)之間的關(guān)系。
(二)教學(xué)知識本體的實(shí)現
按照前面分析的本體構建方法分別使用Protege3.3.1的各相關(guān)控件完成五元組的編輯。概念和關(guān)系是本體的基本結構，其中概念是核心。因為關(guān)系是用來(lái)描述領(lǐng)域概念間的關(guān)系，它本身也可以作為概念來(lái)實(shí)現;屬性、公理和實(shí)例是依賴(lài)于某一概念的，所本體的構建應以概念為中心，從教學(xué)領(lǐng)域中的頂層概念開(kāi)始，通過(guò)添加子類(lèi)將概念逐一細化，一直到應用所需要的粒度。
三、系統結構設計
(一)系統結構框架
知識庫系統建�？蚣苁侵笍慕５慕嵌妊芯恐R庫系統開(kāi)發(fā)方法。在研究者提出的各種各樣的知識庫建�？蚣苤�，KADS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(gè)不同的層次:領(lǐng)域層、推理層和任務(wù)層，分別對應著(zhù)知識庫系統的靜態(tài)視圖、功能視圖和動(dòng)態(tài)視圖。其中，領(lǐng)域層包含了求解問(wèn)題所需要的特定領(lǐng)域內的知識和對領(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(wèn)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(wèn)題分解成若干個(gè)子任務(wù)，并為每一個(gè)子任務(wù)確定目標，同時(shí)明確對子任務(wù)的控制。
按照KADS知識庫建�？蚣�，文本將教學(xué)本體知識庫系統分為推理層、領(lǐng)域層和任務(wù)層，系統結構框架，其中:
1.任務(wù)層。包括查詢(xún)請求輸人接口、查詢(xún)控制器、查詢(xún)結果輸出接口3個(gè)功能模塊，負責分析查詢(xún)請求，并對本體知識庫進(jìn)行查詢(xún)，然后將查詢(xún)結果返回給用戶(hù)。
2.領(lǐng)域層。包括本體編輯模塊和本體存儲模塊2個(gè)功能模塊。教學(xué)領(lǐng)域專(zhuān)家和開(kāi)發(fā)人員通過(guò)本體編輯模塊建立保障本體知識庫，并對其更新和擴充;本體存儲模塊主要實(shí)現本體知識庫的持久化。
3.推理層。包括規則轉換模塊、本體推理模塊和本體檢驗模塊3個(gè)功能模塊。負責本體規則的轉換，本體的推理以及本體一致性檢驗。
(二)系統功能模塊實(shí)現
教學(xué)本體知識庫系統的實(shí)現框架，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(shí)現本體中的類(lèi)、屬性、關(guān)系以及實(shí)例的編輯;使用Racer推理機和Protege結合，實(shí)現了本體的推理、轉換和一致性檢驗。
本文使用了語(yǔ)義開(kāi)發(fā)工具Jena2實(shí)現了查詢(xún)控制器和本體存儲模塊。Jena2是一個(gè)Java開(kāi)發(fā)工具包，它被廣泛地應用于開(kāi)發(fā)語(yǔ)義網(wǎng)的應用系統。Jena由HP公司開(kāi)發(fā)，Jena本體解析器包括三個(gè)部分，即對RDF的解析、對RDQL的查詢(xún)支撐以及對OWL的解析。從2004年2月起，Jena2.1版本開(kāi)始支持OWL文檔的處理，為應用開(kāi)發(fā)者提供多種靈活地表現RDF圖的方案，這種方式允許用戶(hù)可以使用更高層接口或使用底層接口的不同方式訪(fǎng)問(wèn)處理RDF圖數據。同時(shí)提供了一種RDF圖的最簡(jiǎn)單的視圖方式—三元組方式，主要方便了系統級程序開(kāi)發(fā)人員處理數據，對基于RDFS和OWL推理是非常有用的。
Jena還提供了將RDF數據存人MySQL, HSQLDB,PostgreSQ , Oracle和Microsoft SQL Server等關(guān)系數據庫的接口，Model , Resource ,Query等接口可以用于訪(fǎng)問(wèn)和維護數據庫里的RDF數據，采用Jena2提供的數據存儲接口和MySQL數據庫，實(shí)現了本體存儲模塊。
四、結束語(yǔ)
知識的共享和重用是當前研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題，本文將本體技術(shù)引人到教學(xué)知識管理中，通過(guò)對教學(xué)領(lǐng)域知識內容與特點(diǎn)的描述，刻畫(huà)出領(lǐng)域內的概念體系;構建了教學(xué)本體知識庫，并在此基礎上實(shí)現了基于本體的教學(xué)知識庫系統，這為現有的網(wǎng)絡(luò )教學(xué)系統以及其他用戶(hù)提供了對教學(xué)領(lǐng)域知識一致、清晰、明確的理解，從而實(shí)現教學(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(shí)還存在兩個(gè)主要問(wèn)題，一是知識本體的構建方法多以手工標注為主，其工作量非常大，開(kāi)發(fā)困難;二是教學(xué)知識本體中類(lèi)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(dòng)更新完善體系非常重要，這些問(wèn)題都有待進(jìn)一步研究下去。
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