基于語義Web的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)知識管理系統(tǒng)分析

1、基于語義Web的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)知識管理系統(tǒng)分析             論文關(guān)鍵詞：語義Web；網(wǎng)絡(luò)教學(xué)；知識管理系統(tǒng)；本體 論文摘要：探討基于語義Web的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)知識管理系統(tǒng)，設(shè)計和實現(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)在知識管理領(lǐng)域使用中的解決方案。 1引言   隨著信息技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)已成為世界各國教育改革和發(fā)展的重要趨勢。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

2、設(shè)的一項重要研究課題。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現(xiàn)積累、應(yīng)用、共享、交流和創(chuàng)新知識的功能，尤其是缺乏學(xué)習(xí)者對隱性知識挖掘的支持。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)知識管理的思路，設(shè)計網(wǎng)絡(luò)教學(xué)知識管理

3、系統(tǒng)。   隨著知識經(jīng)濟(jì)時代的來臨，知識管理成為一個熱門的前沿領(lǐng)域。由于知識管理是管理領(lǐng)域的新生事物，所以目前還沒有一個被大家廣泛認(rèn)可的定義。達(dá)文波特(Davenport T指出:“知識管理真正的顯著方面分為兩個重要類別:知識的創(chuàng)造和知識的利用?！卑?Verna Allee)對知識管理的定義是“幫助人們對擁有的知識進(jìn)行反思，幫助和發(fā)展支持人們進(jìn)行知識交流的技術(shù)和企業(yè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并幫助人們獲得知識來源，促進(jìn)他們之間進(jìn)行知識的交流”。   自從W3C ( World Wide Web Co

4、nsortium)于2004年2月最終公布了關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，語義網(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。在國外，Semagix開發(fā)的FREEDOM系統(tǒng)實現(xiàn)了基于語義關(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)沒有把這種語義查詢能力擴(kuò)充到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的層次。Stanford  Medical Informatics的開源項目Proteg實現(xiàn)了基于OWL和RDF兩種語言的可視化本體構(gòu)建，配合Racer Systems GmbH&Co. KG的RacerPro

5、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義Web的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)知識管理系統(tǒng)的開發(fā)，設(shè)計和實現(xiàn)了一個基于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，本體庫采用RDF語言簡要描述了教學(xué)管理各個方面的語義關(guān)系。 2關(guān)鍵技術(shù)介紹 2. 1語義Web技術(shù)   語義Web的概念是由萬維網(wǎng)的奠基人BernersLee在2000年12月的XML2000會議上提出的，目標(biāo)是在計算機(jī)和人類理解的語義之間建立一種聯(lián)系，用以滿足智能軟件代理對互聯(lián)網(wǎng)上異構(gòu)和

6、分布信息的有效訪問和檢索。語義Web是目前萬維網(wǎng)的發(fā)展方向，語義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核心層次:   第一層是Unicode和URI，它是整個語義網(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

7、進(jìn)行邏輯推理操作;第六層是驗證，根據(jù)邏輯陳述進(jìn)行驗證以得出結(jié)論;第七層是信任，在用戶間建立信任關(guān)系。   RDF  ( Resource Description Framework)是語義Web的標(biāo)準(zhǔn)語言，它用計算機(jī)可以理解的方式表達(dá)了短語和概念的含義。RDF在句法中通常使用XML。 2. 2本體   本體(Ontology)一詞來源于語義學(xué)，它是一系列描述的集合，使用RDF, OWL等標(biāo)記語言寫成，它定義了概念和相關(guān)邏輯規(guī)則之間的聯(lián)系。由T. R.  G

8、ruber提出、后經(jīng)R.Studer改進(jìn)的定義:一個本體是一個概念體系的顯示的形式化規(guī)范。這個定義包含四層含義:概念模型、明確、形式化和共享。一個典型的本體由有限個概念以及它們之間的關(guān)系組成，還包括屬性、值約束、不相交描述和對象間邏輯關(guān)系的規(guī)定。本體提供了對給定領(lǐng)域的一種共識，這種共識對于消除概念差別是必要的。本體通過信息內(nèi)容及其語義的結(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)國的歷史典故。 3系統(tǒng)設(shè)計 3.1需求分析   網(wǎng)絡(luò)

9、教學(xué)知識管理系統(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類型:教學(xué)實踐和教學(xué)管理。   教學(xué)實踐一方面包括課程瀏覽、學(xué)習(xí)、在線考試/練習(xí)等和在線學(xué)習(xí)直接相關(guān)的方面，還包括對知識庫的擴(kuò)充和管理，這一點指的是從電子課件管理、Q&A(問答庫)等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)來源中，通過基于本體的語義分析獲取知識，形成結(jié)構(gòu)化知識信息，最終這個教學(xué)知識庫中的知識儲備量將相當(dāng)于一個教師的知識儲備量，甚至超過教師。系統(tǒng)在不斷的“答疑”過程中，能夠把知識庫中不存在的知識發(fā)給真正的教師，教師集中解答后的答案會自動地儲備到知識庫中，即知識庫是動態(tài)更新的。系統(tǒng)用例圖如下圖1所示。

10、   在使用過程中隨著結(jié)構(gòu)化知識信息儲備的累積，基于本體技術(shù)的搜索引擎依靠語義分析，可以提供更加準(zhǔn)確快捷的搜索結(jié)果。基于知識檢索功能，系統(tǒng)還可以滿足包括智能瀏覽、知識聯(lián)系、導(dǎo)航、提醒等相關(guān)功能。 3. 2子系統(tǒng)設(shè)計   網(wǎng)絡(luò)教學(xué)知識管理系統(tǒng)包括如下面表1所示的幾個子系統(tǒng):   語義查詢子系統(tǒng)位于整個系統(tǒng)的核心，因為RDQL查詢把一部分語義邏輯帶到數(shù)據(jù)查詢的過程中，所以語義查詢子系統(tǒng)相對傳統(tǒng)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)讀取模塊帶有更為重要的地位。 3. 3語義查詢子系統(tǒng)的設(shè)計   本體庫是整個系統(tǒng)的核心，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)

11、知識管理系統(tǒng)的兩大功能知識獲取和查詢都是圍繞著本體庫的建設(shè)進(jìn)行，知識獲取是一個把非結(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的過程。知識管理系統(tǒng)本身像是一副魚骨架(Framework )，自動分類程序把非結(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)知識管理系統(tǒng)中，知識獲取過程就是本體的設(shè)計、開發(fā)、集成、驗證這樣一個迭代和增量的過程，以便語義網(wǎng)根據(jù)生成的本體完成網(wǎng)絡(luò)教學(xué)知識管理各項功能。   設(shè)計過程的主要任務(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)

12、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，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)化的分析報告。本體的開發(fā)是指對控制詞表進(jìn)行識別和提取，通過集成不同的關(guān)系形成概念模型(Conceptual Model)。通過對屬性和規(guī)則的擴(kuò)充可以反映帶有網(wǎng)絡(luò)教學(xué)知識管理特色的內(nèi)容。本體集成是從每個個體“知識鏡”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，對現(xiàn)有模型進(jìn)行修改和擴(kuò)充，把計算性描述轉(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，自動生

13、成的教學(xué)本體數(shù)據(jù)會在使用中得到完善。   網(wǎng)絡(luò)教學(xué)知識管理系統(tǒng)采取了盡可能簡單明了的類結(jié)構(gòu)，個體(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)知識管理系統(tǒng)包含4個基礎(chǔ)類(PrimitiveClass)，即僅包含必要條件。在未來完整的教學(xué)本體庫

14、中，可能包含成百上千的學(xué)科，為每個學(xué)科建立定義類(Defined Class)是不明智的，因為它意味著本體庫頻繁、復(fù)雜的改動;該教學(xué)本體原型中，單獨的學(xué)科被設(shè)計為Cours。類的個體，或理解為它的實例。這四個基礎(chǔ)類定義如下圖3; 4實現(xiàn)技術(shù)及環(huán)境 4. 1本體的實現(xiàn)   網(wǎng)絡(luò)教學(xué)知識管理系統(tǒng)應(yīng)用斯坦福大學(xué)開發(fā)的免費開源項目成果。Protege是一個斯坦福大學(xué)開發(fā)的本體論編輯和知識獲取軟件，是完全使用Java語言開發(fā)的開放源碼軟件。由于其設(shè)計優(yōu)異、插件眾多，Prolege成為目前使用最廣一泛的本體論編輯器之一。   Goal類應(yīng)根據(jù)教學(xué)

15、計劃添加不同的個體。如網(wǎng)絡(luò)教學(xué)知識管理系統(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”、“廣告效果分析報告”、“計算機(jī)平面設(shè)計”三項課程建立聯(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OWL Plug一in和OWLViz完成基于OWL

16、DL語言的本體編寫。下圖4演示了Course類圖形化界面下屬性、約束的顯示和對應(yīng)OWL代碼。   網(wǎng)絡(luò)教學(xué)知識管理系統(tǒng)本體描述的OWL版本采用了Racer Systems GmbH & Co.  KG RacerPro 1. 9進(jìn)行語義推理，推理結(jié)果表明在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)知識管理系統(tǒng)的本體中并不存在語義沖突，是沒有錯誤的。 4. 2實現(xiàn)環(huán)境   網(wǎng)絡(luò)教學(xué)知識管理系統(tǒng)的實現(xiàn)過程包括這些環(huán)節(jié):Jena把本體灌人數(shù)據(jù)庫(選用MySQL)，數(shù)據(jù)庫通過Glassfi

17、sh的JNKI注冊為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J2EE技術(shù)支持下的完整系統(tǒng)。   網(wǎng)絡(luò)教學(xué)知識管理系統(tǒng)的開發(fā)軟件采用1BM發(fā)布的。clipse 3. 2M5 ,  Java SDK選用Sun Java SDK6 Beta2,  EJB開發(fā)環(huán)境為JEE S。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)知識管理系統(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)的語義服務(wù)系統(tǒng)，通過Jena的接口，該系統(tǒng)實現(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Stateless Session Bean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。 5結(jié)束語   基于語義網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)知識管理系統(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