論文摘要：探討基于語(yǔ)義web的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)知識(shí)管理系統(tǒng)，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)包括教學(xué)、檔案管理、目標(biāo)制定、進(jìn)度管理等主要功能的原型系統(tǒng)，探索本體技術(shù)在知識(shí)管理領(lǐng)域使用中的解決方案。
隨著信息技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)已成為世界各國(guó)教育改革和發(fā)展的重要趨勢(shì)。充分利用網(wǎng)絡(luò)資源構(gòu)建教育服務(wù)體系，推進(jìn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)及教研，提高區(qū)域整體教育水平已成為教育信息化建設(shè)的一項(xiàng)重要研究課題。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)可以通過網(wǎng)絡(luò)化手段為學(xué)生提供全天候的教育服務(wù)，為學(xué)生提高知識(shí)素質(zhì)、工作能力和學(xué)術(shù)水平創(chuàng)造條件。近年來，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)在我國(guó)高校逐步得到廣泛應(yīng)用。但是，現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)大多是將學(xué)習(xí)資源放在網(wǎng)上，學(xué)習(xí)者需自行進(jìn)行學(xué)習(xí)。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)的最大難題在于無法實(shí)現(xiàn)積累、應(yīng)用、共享、交流和創(chuàng)新知識(shí)的功能，尤其是缺乏學(xué)習(xí)者對(duì)隱性知識(shí)挖掘的支持。而且，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)應(yīng)用研究與發(fā)展將受到新型網(wǎng)絡(luò)服務(wù)體系結(jié)構(gòu)的影響，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)應(yīng)用中更為重要的是，應(yīng)該挖掘知識(shí)背后的各種深層次應(yīng)用模式和規(guī)律，并在模式及其建構(gòu)的層次實(shí)現(xiàn)教學(xué)，以培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)能力。為解決上述問題，需要引進(jìn)知識(shí)管理的思路，設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)知識(shí)管理系統(tǒng)。
隨著知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代的來臨，知識(shí)管理成為一個(gè)熱門的前沿領(lǐng)域。由于知識(shí)管理是管理領(lǐng)域的新生事物，所以目前還沒有一個(gè)被大家廣泛認(rèn)可的定義。達(dá)文波特(davenportt指出:“知識(shí)管理真正的顯著方面分為兩個(gè)重要類別:知識(shí)的創(chuàng)造和知識(shí)的利用。”艾莉(vernaallee)對(duì)知識(shí)管理的定義是“幫助人們對(duì)擁有的知識(shí)進(jìn)行反思，幫助和發(fā)展支持人們進(jìn)行知識(shí)交流的技術(shù)和企業(yè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并幫助人們獲得知識(shí)來源，促進(jìn)他們之間進(jìn)行知識(shí)的交流”。
自從w3c(worldwidewebconsortium)于2004年2月最終公布了關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，語(yǔ)義網(wǎng)技術(shù)在各領(lǐng)域的應(yīng)用引發(fā)了業(yè)界人士廣泛的探討和嘗試。在國(guó)外，semagix開發(fā)的freedom系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了基于語(yǔ)義關(guān)系的查詢系統(tǒng)，幫助用戶處理非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和管理商業(yè)資料，通過本體內(nèi)的語(yǔ)義聯(lián)系把查詢結(jié)果維持在問題域內(nèi)。但是該系統(tǒng)沒有把這種語(yǔ)義查詢能力擴(kuò)充到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的層次[’]。stanfordmedicalinformatics的開源項(xiàng)目proteg‘實(shí)現(xiàn)了基于owl和rdf兩種語(yǔ)言的可視化本體構(gòu)建，配合racersystemsgmbh&co.kg的racerpro可以充分支持包括反關(guān)系、owl推理在內(nèi)的本體構(gòu)建。
本文的研究工作集中在基于語(yǔ)義web的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)知識(shí)管理系統(tǒng)的開發(fā)，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于web層、服務(wù)層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層、集成層和資源層多層架構(gòu)的原型系統(tǒng)，其中涵蓋了教學(xué)、檔案管理、目標(biāo)制定、進(jìn)度管理等主要功能，本體庫(kù)采用rdf語(yǔ)言簡(jiǎn)要描述了教學(xué)管理各個(gè)方面的語(yǔ)義關(guān)系。
語(yǔ)義web的概念是由萬(wàn)維網(wǎng)的奠基人berners—lee在2000年12月的xml2000會(huì)議上提出的，目標(biāo)是在計(jì)算機(jī)和人類理解的語(yǔ)義之間建立一種聯(lián)系，用以滿足智能軟件代理對(duì)互聯(lián)網(wǎng)上異構(gòu)和分布信息的有效訪問和檢索。語(yǔ)義web是目前萬(wàn)維網(wǎng)的發(fā)展方向，語(yǔ)義web通過元數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)化的分類詞匯來組織網(wǎng)絡(luò)資源，并以分層的體系結(jié)構(gòu)擴(kuò)展了互聯(lián)網(wǎng)的基本功能，為各種網(wǎng)絡(luò)軟件代理提供了智能化工作的環(huán)境。它主要包括下面幾個(gè)核心層次:
第一層是unicode和uri，它是整個(gè)語(yǔ)義網(wǎng)的基礎(chǔ)，unicode(統(tǒng)一編碼)處理資源的編碼，uri(統(tǒng)一資源定位器)負(fù)責(zé)標(biāo)識(shí)資源;第二層是xml+名空間十xml模式，用于表示數(shù)據(jù)的內(nèi)容和結(jié)構(gòu);第三層是rdf+rdf模式，用于描述資源及其類型;第四層是本體詞匯，用于描述各種資源之間的聯(lián)系;第五層是邏輯，在下面四層的基礎(chǔ)上進(jìn)行邏輯推理操作;第六層是驗(yàn)證，根據(jù)邏輯陳述進(jìn)行驗(yàn)證以得出結(jié)論;第七層是信任，在用戶間建立信任關(guān)系。
本體(ontology)一詞來源于語(yǔ)義學(xué)，它是一系列描述的集合，使用rdf,owl等標(biāo)記語(yǔ)言寫成，它定義了概念和相關(guān)邏輯規(guī)則之間的聯(lián)系。由t.r.gruber提出、后經(jīng)r.studer改進(jìn)的定義:一個(gè)本體是一個(gè)概念體系的顯示的形式化規(guī)范。這個(gè)定義包含四層含義:概念模型、明確、形式化和共享。一個(gè)典型的本體由有限個(gè)概念以及它們之間的關(guān)系組成，還包括屬性、值約束、不相交描述和對(duì)象間邏輯關(guān)系的規(guī)定。本體提供了對(duì)給定領(lǐng)域的一種共識(shí)，這種共識(shí)對(duì)于消除概念差別是必要的。本體通過信息內(nèi)容及其語(yǔ)義的結(jié)合，將網(wǎng)絡(luò)資源的處理從信息處理的層面提高到了知識(shí)處理的層面。根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同可以創(chuàng)建不同的本體，例如本體a可以把“矛盾”定義成包括內(nèi)涵和外延的邏輯概念，本體b就可能把它定義成發(fā)生在春秋戰(zhàn)國(guó)的歷史典故。
網(wǎng)絡(luò)教學(xué)知識(shí)管理系統(tǒng)的角色包括:學(xué)生、教師、管理員。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)的用例大致可以分為兩個(gè)類型:教學(xué)實(shí)踐和教學(xué)管理。
教學(xué)實(shí)踐一方面包括課程瀏覽、學(xué)習(xí)、考試/練習(xí)等和學(xué)習(xí)直接相關(guān)的方面，還包括對(duì)知識(shí)庫(kù)的擴(kuò)充和管理，這一點(diǎn)指的是從電子課件管理、q&a(問答庫(kù))等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)來源中，通過基于本體的語(yǔ)義分析獲取知識(shí)，形成結(jié)構(gòu)化知識(shí)信息，最終這個(gè)教學(xué)知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)儲(chǔ)備量將相當(dāng)于一個(gè)教師的知識(shí)儲(chǔ)備量，甚至超過教師。系統(tǒng)在不斷的“答疑”過程中，能夠把知識(shí)庫(kù)中不存在的知識(shí)發(fā)給真正的教師，教師集中解答后的答案會(huì)自動(dòng)地儲(chǔ)備到知識(shí)庫(kù)中，即知識(shí)庫(kù)是動(dòng)態(tài)更新的。系統(tǒng)用例圖如下圖1所示。
在使用過程中隨著結(jié)構(gòu)化知識(shí)信息儲(chǔ)備的累積，基于本體技術(shù)的搜索引擎依靠語(yǔ)義分析，可以提供更加準(zhǔn)確快捷的搜索結(jié)果。基于知識(shí)檢索功能，系統(tǒng)還可以滿足包括智能瀏覽、知識(shí)聯(lián)系、導(dǎo)航、提醒等相關(guān)功能。
語(yǔ)義查詢子系統(tǒng)位于整個(gè)系統(tǒng)的核心，因?yàn)閞dql查詢把一部分語(yǔ)義邏輯帶到數(shù)據(jù)查詢的過程中，所以語(yǔ)義查詢子系統(tǒng)相對(duì)傳統(tǒng)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)讀取模塊帶有更為重要的地位。
本體庫(kù)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)知識(shí)管理系統(tǒng)的兩大功能—知識(shí)獲取和查詢都是圍繞著本體庫(kù)的建設(shè)進(jìn)行，知識(shí)獲取是一個(gè)把非結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化和現(xiàn)有結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理后保存到本體庫(kù)的過程。知識(shí)管理系統(tǒng)本身像是一副魚骨架(framework)，自動(dòng)分類程序把非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，包括課件、作業(yè)、網(wǎng)頁(yè)等等，源源不斷的分析、追加到系統(tǒng)上來，擺在合適的位置。如下圖2所示。
在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)知識(shí)管理系統(tǒng)中，知識(shí)獲取過程就是本體的設(shè)計(jì)、開發(fā)、集成、驗(yàn)證這樣一個(gè)迭代和增量的過程，以便語(yǔ)義網(wǎng)根據(jù)生成的本體完成網(wǎng)絡(luò)教學(xué)知識(shí)管理各項(xiàng)功能。
設(shè)計(jì)過程的主要任務(wù)是設(shè)定問題描述框架、定義范圍、定義成功標(biāo)準(zhǔn)和最低標(biāo)準(zhǔn)、調(diào)查任務(wù)和商業(yè)目標(biāo)以及用例分析。該環(huán)節(jié)的核心是分析試驗(yàn)，它把上文提到的郵件、課件等文本、圖形形式的信息轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)化的分析報(bào)告。本體的開發(fā)是指對(duì)控制詞表進(jìn)行識(shí)別和提取，通過集成不同的關(guān)系形成概念模型(conceptualmodel)。通過對(duì)屬性和規(guī)則的擴(kuò)充可以反映帶有網(wǎng)絡(luò)教學(xué)知識(shí)管理特色的內(nèi)容。本體集成是從每個(gè)個(gè)體“知識(shí)鏡”的集成開始的，通過與其他的系統(tǒng)參與者廣泛的交流意見，對(duì)現(xiàn)有模型進(jìn)行修改和擴(kuò)充，把計(jì)算性描述轉(zhuǎn)化為rdf,xml或其他的程序化描述，使用owl,或是rdf應(yīng)用整合lom。本體的開發(fā)是個(gè)迭代和增量的過程，系統(tǒng)使用中需要不斷的完善和修改;換而言之，自動(dòng)生成的教學(xué)本體數(shù)據(jù)會(huì)在使用中得到完善。
網(wǎng)絡(luò)教學(xué)知識(shí)管理系統(tǒng)采取了盡可能簡(jiǎn)單明了的類結(jié)構(gòu)，個(gè)體(individual)之間關(guān)系體現(xiàn)在各種形式的屬性(property)中，所以不需要復(fù)雜的推理，也不存在元類(meta一class，類的類)，因此選擇owl一dl作為本體描述語(yǔ)言，并可以通過prote驢等軟件在owl和rdf之間自由切換。
網(wǎng)絡(luò)教學(xué)知識(shí)管理系統(tǒng)包含4個(gè)基礎(chǔ)類(primitiveclass)，即僅包含必要條件。在未來完整的教學(xué)本體庫(kù)中，可能包含成百上千的學(xué)科，為每個(gè)學(xué)科建立定義類(definedclass)是不明智的，因?yàn)樗馕吨倔w庫(kù)頻繁、復(fù)雜的改動(dòng);該教學(xué)本體原型中，單獨(dú)的學(xué)科被設(shè)計(jì)為cours。類的個(gè)體，或理解為它的實(shí)例。這四個(gè)基礎(chǔ)類定義如下圖3;
網(wǎng)絡(luò)教學(xué)知識(shí)管理系統(tǒng)應(yīng)用斯坦福大學(xué)開發(fā)的免費(fèi)開源項(xiàng)目成果。protege是一個(gè)斯坦福大學(xué)開發(fā)的本體論和知識(shí)獲取軟件，是完全使用java語(yǔ)言開發(fā)的開放源碼軟件。由于其設(shè)計(jì)優(yōu)異、插件眾多，prolege成為目前使用最廣一泛的本體論器之一。
goal類應(yīng)根據(jù)教學(xué)計(jì)劃添加不同的個(gè)體。如網(wǎng)絡(luò)教學(xué)知識(shí)管理系統(tǒng)中標(biāo)題“廣告制作”的學(xué)習(xí)目標(biāo)通過hascovered屬性與“理性思維基本規(guī)律”、“廣告效果分析報(bào)告”、“計(jì)算機(jī)平面設(shè)計(jì)”三項(xiàng)課程建立聯(lián)系，這就意味著學(xué)習(xí)目標(biāo)相符的學(xué)員應(yīng)完成上述三門課程。
profile類反映了用戶檔案，在hasgoal屬性中添加完成的goal類個(gè)體。performance類是隨教學(xué)過程由程序、教輔人員管理添加的，記錄了不同檔案學(xué)生課程進(jìn)度等表現(xiàn)情況。
網(wǎng)絡(luò)教學(xué)知識(shí)管理系統(tǒng)采用開源的本體開發(fā)工具prolege構(gòu)建，并采用了它的插件owlplug一in和owlviz完成基于owl—dl語(yǔ)言的本體編寫。下圖4演示了course類圖形化界面下屬性、約束的顯示和對(duì)應(yīng)owl代碼。
網(wǎng)絡(luò)教學(xué)知識(shí)管理系統(tǒng)本體描述的owl版本采用了racersystemsgmbh&co.kgracerpro1.9進(jìn)行語(yǔ)義推理，推理結(jié)果表明在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)知識(shí)管理系統(tǒng)的本體中并不存在語(yǔ)義沖突，是沒有錯(cuò)誤的。
網(wǎng)絡(luò)教學(xué)知識(shí)管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程包括這些環(huán)節(jié):jena把本體灌人數(shù)據(jù)庫(kù)(選用mysql)，數(shù)據(jù)庫(kù)通過glassfish的jnki注冊(cè)為jdbc數(shù)據(jù)源，通過bmp方式和ejb連接起來，進(jìn)而完成一個(gè)包括教學(xué)、檔案管理、目標(biāo)制定、進(jìn)度管理等方面的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)知識(shí)管理系統(tǒng)，系統(tǒng)的服務(wù)層可以選擇發(fā)布為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的形式，配合前端的web層和業(yè)務(wù)層形成一個(gè)j2ee技術(shù)支持下的完整系統(tǒng)。
網(wǎng)絡(luò)教學(xué)知識(shí)管理系統(tǒng)的開發(fā)軟件采用1bm發(fā)布的。clipse3.2m5,javasdk選用sunjavasdk6beta2,ejb開發(fā)環(huán)境為jees。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)知識(shí)管理系統(tǒng)是兩套系統(tǒng)的總稱，一部分是包括服務(wù)層、持久層在內(nèi)的語(yǔ)義服務(wù)系統(tǒng)，通過jena的接口，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了本體的查詢、添加、修改、刪除等操作，這一部分在構(gòu)架上使用statelesssessionbean作為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的endpoint;而另一部分是包括web層、業(yè)務(wù)層在內(nèi)的展現(xiàn)系統(tǒng)，采用struts十spring作為主要構(gòu)架技術(shù)，為用戶展現(xiàn)本體包含的各種內(nèi)容。
基于語(yǔ)義網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)知識(shí)管理系統(tǒng)可以分離系統(tǒng)中的領(lǐng)域數(shù)據(jù)和操作數(shù)據(jù)，前者定義了本體的類和屬性，后者成為本體的個(gè)體，完成一個(gè)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)義查詢的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。研究有助于提高領(lǐng)域數(shù)據(jù)可重用的能力，便于對(duì)領(lǐng)域數(shù)據(jù)進(jìn)行深層次的分析。基于語(yǔ)義web的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)知識(shí)管理系統(tǒng)在總體框架上實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)帶有共性的功能需求，但是可以看出，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)知識(shí)管理系統(tǒng)的開發(fā)，一方面是對(duì)先進(jìn)技術(shù)的引入，例如語(yǔ)義web技術(shù)，另一方面也需要教育理論、知識(shí)管理理論和系統(tǒng)架構(gòu)的革新。基于語(yǔ)義web的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)知識(shí)管理系統(tǒng)還處于發(fā)展的初期階段，本文作為一種嘗試僅僅提供了一個(gè)學(xué)術(shù)探討的平臺(tái)。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)實(shí)踐中的需求，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)知識(shí)管理系統(tǒng)還需要從豐富課程選項(xiàng)、增強(qiáng)交互教學(xué)方式等方面考慮改進(jìn)和提高。
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