基于语义Web的网络教学知识管理系统分析.doc

1、基于语义 Web 的网络教学知识管理系统分析论文关键词：语义 Web；网络教学；知识管理系统；本体 论文摘要：探讨基于语义 Web 的网络教学知识管理系统，设计和实现包括教学、档案管理、目标制定、进度管理等主要功能的原型系统，探索本体技术在知识管理领域使用中的解决方案。 1 引言 随着信息技术的发展，网络教学已成为世界各国教育改革和发展的重要趋势。充分利用网络资源构建教育服务体系，推进网络教学及教研，提高区域整体教育水平已成为教育信息化建设的一项重要研究课题。网络教学可以通过网络化手段为学生提供全天候的教育服务，为学生提高知识素质、工作能力和学术水平创造条件。近年来，网络教学在我国高校逐步得到

2、广泛应用。但是，现有网络教学系统大多是将学习资源放在网上，学习者需自行进行学习。网络教学系统的最大难题在于无法实现积累、应用、共享、交流和创新知识的功能，尤其是缺乏学习者对隐性知识挖掘的支持。而且，网络教学应用研究与发展将受到新型网络服务体系结构的影响，网络教学应用中更为重要的是，应该挖掘知识背后的各种深层次应用模式和规律，并在模式及其建构的层次实现教学，以培养学习者的学习能力。为解决上述问题，需要引进知识管理的思路，设计网络教学知识管理系统。 随着知识经济时代的来临，知识管理成为一个热门的前沿领域。由于知识管理是管理领域的新生事物，所以目前还没有一个被大家广泛认可的定义。达文波特(Daven

3、port T 指出:“知识管理真正的显著方面分为两个重要类别:知识的创造和知识的利用。 ”艾莉(Verna Allee)对知识管理的定义是“帮助人们对拥有的知识进行反思，帮助和发展支持人们进行知识交流的技术和企业内部结构，并帮助人们获得知识来源，促进他们之间进行知识的交流” 。 自从 W3C ( World Wide Web Consortium)于 2004 年 2 月最终公布了关键技术标准，语义网技术在各领域的应用引发了业界人士广泛的探讨和尝试。在国外，Semagix 开发的 FREEDOM 系统实现了基于语义关系的查询系统，帮助用户处理非结构化数据和管理商业资料，通过本体内的语义联系把查

4、询结果维持在问题域内。但是该系统没有把这种语义查询能力扩充到网络服务的层次。Stanford Medical Informatics 的开源项目 Proteg实现了基于 OWL 和 RDF 两种语言的可视化本体构建，配合Racer Systems GmbHCo. KG 的 RacerPro 可以充分支持包括反关系、OWL 推理在内的本体构建。 本文的研究工作集中在基于语义 Web 的网络教学知识管理系统的开发，设计和实现了一个基于 Web 层、服务层、业务应用层、集成层和资源层多层架构的原型系统，其中涵盖了教学、档案管理、目标制定、进度管理等主要功能，本体库采用 RDF 语言简要描述了教学管理

5、各个方面的语义关系。 2 关键技术介绍 2. 1 语义 Web 技术 语义 Web 的概念是由万维网的奠基人 BernersLee 在 2000 年 12 月的 XML2000 会议上提出的，目标是在计算机和人类理解的语义之间建立一种联系，用以满足智能软件代理对互联网上异构和分布信息的有效访问和检索。语义 Web 是目前万维网的发展方向，语义 Web 通过元数据和结构化的分类词汇来组织网络资源，并以分层的体系结构扩展了互联网的基本功能，为各种网络软件代理提供了智能化工作的环境。它主要包括下面几个核心层次: 第一层是 Unicode 和 URI，它是整个语义网的基础，Unicode(统一编码)处

6、理资源的编码，URI(统一资源定位器)负责标识资源;第二层是 XML+名空间十 XML 模式，用于表示数据的内容和结构;第三层是 RDF + RDF 模式，用于描述资源及其类型;第四层是本体词汇，用于描述各种资源之间的联系;第五层是逻辑，在下面四层的基础上进行逻辑推理操作;第六层是验证，根据逻辑陈述进行验证以得出结论;第七层是信任，在用户间建立信任关系。 RDF ( Resource Description Framework)是语义 Web 的标准语言，它用计算机可以理解的方式表达了短语和概念的含义。RDF 在句法中通常使用 XML。 2. 2 本体 本体(Ontology)一词来源于语义学

7、，它是一系列描述的集合，使用RDF, OWL 等标记语言写成，它定义了概念和相关逻辑规则之间的联系。由 T. R. Gruber 提出、后经 R.Studer 改进的定义:一个本体是一个概念体系的显示的形式化规范。这个定义包含四层含义:概念模型、明确、形式化和共享。一个典型的本体由有限个概念以及它们之间的关系组成，还包括属性、值约束、不相交描述和对象间逻辑关系的规定。本体提供了对给定领域的一种共识，这种共识对于消除概念差别是必要的。本体通过信息内容及其语义的结合，将网络资源的处理从信息处理的层面提高到了知识处理的层面。根据应用领域的不同可以创建不同的本体，例如本体 A 可以把“矛盾”定义成包括

8、内涵和外延的逻辑概念，本体 B 就可能把它定义成发生在春秋战国的历史典故。 3 系统设计 3.1 需求分析 网络教学知识管理系统的角色包括:学生、教师、管理员。网络教学系统的用例大致可以分为两个类型:教学实践和教学管理。 教学实践一方面包括课程浏览、学习、在线考试/练习等和在线学习直接相关的方面，还包括对知识库的扩充和管理，这一点指的是从电子课件管理、QA(问答库)等非结构化数据来源中，通过基于本体的语义分析获取知识，形成结构化知识信息，最终这个教学知识库中的知识储备量将相当于一个教师的知识储备量，甚至超过教师。系统在不断的“答疑”过程中，能够把知识库中不存在的知识发给真正的教师，教师集中解答

9、后的答案会自动地储备到知识库中，即知识库是动态更新的。系统用例图如下图 1 所示。 在使用过程中随着结构化知识信息储备的累积，基于本体技术的搜索引擎依靠语义分析，可以提供更加准确快捷的搜索结果。基于知识检索功能，系统还可以满足包括智能浏览、知识联系、导航、提醒等相关功能。 3. 2 子系统设计 网络教学知识管理系统包括如下面表 1 所示的几个子系统: 语义查询子系统位于整个系统的核心，因为 RDQL 查询把一部分语义逻辑带到数据查询的过程中，所以语义查询子系统相对传统系统中的数据读取模块带有更为重要的地位。 3. 3 语义查询子系统的设计 本体库是整个系统的核心，网络教学知识管理系统的两大功能

10、知识获取和查询都是围绕着本体库的建设进行，知识获取是一个把非结构化、半结构化和现有结构化数据标准化处理后保存到本体库的过程。知识管理系统本身像是一副鱼骨架(Framework )，自动分类程序把非结构化的数据，包括课件、作业、网页等等，源源不断的分析、追加到系统上来，摆在合适的位置。如下图 2 所示。 在网络教学知识管理系统中，知识获取过程就是本体的设计、开发、集成、验证这样一个迭代和增量的过程，以便语义网根据生成的本体完成网络教学知识管理各项功能。 设计过程的主要任务是设定问题描述框架、定义范围、定义成功标准和最低标准、调查任务和商业目标以及用例分析。该环节的核心是分析试验，它把上文提到的邮

11、件、课件等文本、图形形式的信息转化为结构化的分析报告。本体的开发是指对控制词表进行识别和提取，通过集成不同的关系形成概念模型(Conceptual Model)。通过对属性和规则的扩充可以反映带有网络教学知识管理特色的内容。本体集成是从每个个体“知识镜”的集成开始的，通过与其他的系统参与者广泛的交流意见，对现有模型进行修改和扩充，把计算性描述转化为 RDF, XML 或其他的程序化描述，使用 OWL,或是 RDF 应用整合 LOM。本体的开发是个迭代和增量的过程，系统使用中需要不断的完善和修改;换而言之，自动生成的教学本体数据会在使用中得到完善。 网络教学知识管理系统采取了尽可能简单明了的类结

12、构，个体(Individual )之间关系体现在各种形式的属性( Property)中，所以不需要复杂的推理，也不存在元类( Meta 一 Class，类的类)，因此选择OWL 一 DL 作为本体描述语言，并可以通过 Prote 驴等软件在 OWL 和 RDF之间自由切换。 网络教学知识管理系统包含 4 个基础类(PrimitiveClass)，即仅包含必要条件。在未来完整的教学本体库中，可能包含成百上千的学科，为每个学科建立定义类(Defined Class)是不明智的，因为它意味着本体库频繁、复杂的改动;该教学本体原型中，单独的学科被设计为 Cours。类的个体，或理解为它的实例。这四个基

13、础类定义如下图 3; 4 实现技术及环境 4. 1 本体的实现 网络教学知识管理系统应用斯坦福大学开发的免费开源项目成果。Protege 是一个斯坦福大学开发的本体论编辑和知识获取软件，是完全使用 Java 语言开发的开放源码软件。由于其设计优异、插件众多，Prolege 成为目前使用最广一泛的本体论编辑器之一。 Goal 类应根据教学计划添加不同的个体。如网络教学知识管理系统中标题“广告制作”的学习目标通过 hasCovered 属性与“理性思维基本规律” 、 “广告效果分析报告” 、 “计算机平面设计”三项课程建立联系，这就意味着学习目标相符的学员应完成上述三门课程。 Profile 类反

14、映了用户档案，在 hasGoal 属性中添加完成的 Goal 类个体。Performance 类是随教学过程由程序、教辅人员管理添加的，记录了不同档案学生课程进度等表现情况。 网络教学知识管理系统采用开源的本体开发工具 Prolege 构建，并采用了它的插件 OWL Plug 一 in 和 OWLViz 完成基于 OWLDL 语言的本体编写。下图 4 演示了 Course 类图形化界面下属性、约束的显示和对应OWL 代码。 网络教学知识管理系统本体描述的 OWL 版本采用了 Racer Systems GmbH Co. KG RacerPro 1. 9 进行语义推理，推理结果表明在网络教学知识

15、管理系统的本体中并不存在语义冲突，是没有错误的。 4. 2 实现环境 网络教学知识管理系统的实现过程包括这些环节:Jena 把本体灌人数据库(选用 MySQL)，数据库通过 Glassfish 的 JNKI 注册为 jdbc 数据源，通过 BMP 方式和 EJB 连接起来，进而完成一个包括教学、档案管理、目标制定、进度管理等方面的网络教学知识管理系统，系统的服务层可以选择发布为网络服务的形式，配合前端的 Web 层和业务层形成一个 J2EE技术支持下的完整系统。 网络教学知识管理系统的开发软件采用 1BM 发布的。clipse 3. 2M5 , Java SDK 选用 Sun Java SDK

16、6 Beta2, EJB 开发环境为 JEE S。网络教学知识管理系统是两套系统的总称，一部分是包括服务层、持久层在内的语义服务系统，通过 Jena 的接口，该系统实现了本体的查询、添加、修改、删除等操作，这一部分在构架上使用 Stateless Session Bean 作为网络服务的 Endpoint;而另一部分是包括 Web 层、业务层在内的展现系统，采用 Struts 十 Spring 作为主要构架技术，为用户展现本体包含的各种内容。 5 结束语 基于语义网的网络教学知识管理系统可以分离系统中的领域数据和操作数据，前者定义了本体的类和属性，后者成为本体的个体，完成一个实现语义查询的网络服务。研究有助于提高领域数据可重用的能力，便于对领域数据进行深层次的分析。基于语义 Web 的网络教学知识管理系统在总体框架上实现了网络教学系统带有共性的功能需求，但是可以看出，网络教学知识管理系统的开发，一方面是对先进技术的引入，例如语义 Web 技术，另一方面也需要教育理论、知识管理理论和系统架构的革新。基于语义 Web 的网络教学知识管理系统还处于发展的初期阶段，本文作为一种尝试仅仅提供了一个学术探讨的平台。根据网络学习实践中的需求，网络教学知识管理系统还需要从丰富课程选项、增强交互教学方式等方面考虑改进和提高。