基于本体的试题库设计及应用.pdf

来稿日期: 20091006 作者简介:吴辉(19672 ) , 男,江苏镇江人,镇江高等专科学校电子与信息系讲师. 基于本体的试题库设计及应用 吴 辉 (镇江高等专科学校电子与信息系,江苏 镇江212003) 摘要:通过对本体及试题库理论的分析,提出了一种基于本体的试题库设计方法.采用protg 工具创建 试题库本体,利用owl语言进行描述.在此基础上完成本体存储、查询、推理及自动组卷等应用工作.以操 作系统课程为例,详细介绍了基于本体的试题库设计方法及应用. 关键词:本体;试题库;设计;应用 中图分类号: tp 31111 文献标识码: a文章编号: 167321492 (2009) 0620053204 design and application of test question bank based on ontology wu hui (department of electronics and information , zhenjiang college , zhenjiang 212003 , jiangsu , china) abstract : by the analysis of ontology and theory of the test question bank , a design method for test question bank based on ontology is proposed. the test question bank ontology is created by protg, using owl language to describe it. on this basis , these applications are completed ontology storage , query , in2 ference , organizing test paper automatically and so on. taking operating system course as example , a de2 tailed account of the test question bank based on ontology design method and application is given. key words : ontology ; test question bank ; design ; application 1 引 言 试题库是适应现代考试要求,考试进一步科学化、标准化的需要而发展起来的.考试采用试题库已经 成为教学改革的重要内容1.然而目前人们对试题库系统的满意率并不高,试题重复、知识点重复或知识 点遗漏、试卷覆盖面太窄等现象时有发生2,同时目前的试题库系统缺少统一的知识表示结构,建立的试 题库系统缺少智能功能,机器难以理解,另外人们各自开发,试题库资源难以共享.因此,如何解决好诸 如试题组织、基于知识点的试题表示、机器理解与人机交互等问题,对于提高试题库资源的使用效率,是 非常重要和迫切的3.本体是目前计算机科学领域内的研究热点,本体是共享概念模型的形式化规范说 明,可用来描述某个领域的概念以及概念之间的关系,使得这些概念和关系在共享的范围内具有大家共同 认可的、明确的、唯一的定义,这样,人机之间以及机器之间就可以进行交流.把本体引入到试题库的创 建,可解决知识表示、共享及重用问题,在此基础上可完成本体存储、 查询、 推理及自动组卷等应用工作. 2 本 体 本体(ontology)最早是一个哲学上的概念,在哲学中的定义为“对世界上客观存在物的系统地描述, 即存在论”,是客观存在的一个系统的解释或说明,关心的是客观现实的抽象本质.在人工智能界, neches等人最早给出了本体的定义,他们将本体定义为“给出构成相关领域词汇的基本术语和关系,以 及利用这些术语和关系构成的规定这些词汇外延的规则的定义”. 1993年, gruber给出了本体的一个最 为流行的定义,即“本体是概念模型的明确的规范说明”.后来, borst在此基础上,给出了本体的另外 一种定义:“本体是共享概念模型的形式化规范说明”.studer等在对上述定义研究的基础上,提出了自 35 第25卷第6期 2009年12月 (自然科学版) journal of hebei north university (natural science edition) vol125 no16 dec. 2009 己的观点,即本体是共享概念模型的明确的形式化规范说明4.认为本体的概念包括四个主要方面: 1) 概念化(conceptualization) :客观世界的现象的抽象模型 ; 2) 明确(explicit) :概念及它们之间 联系都被精确定义 ; 3) 形式化(formal) :精确的数学描述 ; 4) 共享(share) :本体中反映的知识是其 使用者共同认可的. 尽管本体的定义有多种多样,通过研究比较,我们可以看出他们对本体的认识本质上大体是一致的. 由于没有一个标准的本体构造方法,人们提出了不少构造本体的标准,其中最有影响的是gruber于1995 年提出的5条规则: 明确性和客观性:即本体应该用自然语言对所定义术语给出明确的、客观的语义定义. 完全性:即所给出的定义是完整的,完全能表达所描述术语的含义. 一致性:即由术语得出的推论与术语本身的含义是相容的,不会产生矛盾. 最大单调可扩展性:即向本体中添加通用或专用的术语时,不需要修改其已有的内容. 最小承诺:即对待建模对象给出尽可能少的约束. 3 构建试题库本体 下面以构建操作系统试题库本体为例,介绍试题库本体的构建过程. 311 确定本体的领域和范围 要明确界定领域本体的专业领域和范畴.明确该本体构建的目的,所建本体要尽可能覆盖领域内的所 有知识.对操作系统课程而言,要构建的是与该课程有关的试题知识.因此需熟练掌握操作系统基本原 理,明确该课程各章节、知识点、概念、定理等. 312 列出本体中的一些重要概念 确定范围之后,就可以收集本体所涉及的知识并列出本体中的一些重要概念、术语.由于本体是共享 概念模型的形式化规范说明,因此本体中的概念、术语应非常规范,可采用“中国教育信息化技术标准体 系”(cel ts)中的学习对象元数据(cel ts2 3) 和教育资源建设技术规范(cel ts2 41) 中的参 数标准,结合操作系统学科本身的特点进行概念的选取. 313 定义类名、属性及逻辑关系 在列出本体中的一些重要概念、术语后,下面就应定义各种类、类间关系、属性、属性间关系、属性 约束等.类可以进行层次划分,即一个类可以有子类,子类表达了更为明确、详细的概念5. 就本系统而言,从大的方面说,它至少包含两个类:试题类、知识点类.对试题子类而言其包含的主 要属性如表1所示. 表1 试题类属性 类名属性名属性类型属性说明 试 题 类 题号 intdatatypeproperty 题型 stringdatatypeproperty 考试要求stringdatatypeproperty 知识点 objectproperty 难度 intdatatypeproperty 区分度 floatdatatypeproperty 参考分值intdatatypeproperty 试题正文stringdatatypeproperty 参考答案stringdatatypeproperty 由于各知识点构成了层次结构,根据操作系 统学科内容,可将各知识点按章节及所包含知识 抽象出操作系统学科本体中的类,并进而完成 子类、属性、个体等的建立.按照自顶向下顺序进 行,即由该领域中最大的概念“操作系统”开始, 作为等级最高的类,而后再通过添加子类“操作系 统引论” 、 “作业管理” 、 “进程管理” 、 “存储器管 理” 、 “设备管理” 、 “文件管理” 、 “unix操作系统 基础”等将其概念细化,每一子概念下面再分之. 一般来说,领域知识点之间的关系可以分为两种: 一种是不同层次知识点间的类属关系,如“进程管 理”类是“操作系统”类的子类,“进程调度”类 又是“进程管理”类的子类.另一种是同一层次知识点间的关系,即知识点的前趋、后继关系和相关关系 等.对各知识点而言,包含的属性主要有:概要、重点、难点、定义、定理等.将操作系统各知识点 进行层次结构的构建后,各知识点(部分)及其属性如图1所示.这里,矩形表示概念,椭圆表示属性. 45 2009年12月 河北北方学院学报(自然科学版) 第6期 图1 部分操作系统概念及属性 在对各知识点进行详细分析,确定了类、子类、属性、个体后,即可采用protg 工具创建操作系统 知识本体. protg 是由美国斯坦福大学采用java开发的基于windows的本体建模工具,是目前最为流行 的开源本体编辑软件. protg 提供protg 2owl和protg 2frames两种编辑模式,可用于描述性文本信 息的手工标注. protg 2owl支持web本体语言(ontology web language , owl)用以编辑本体,明确 地表示词汇表中术语的含义和术语的关系6.采用protg 工具建立的操作系统知识本体如图2所示.这 里,采用protg 工具对知识点的描述与对试题的描述,其侧重点是不同的.对知识点的描述侧重于逻辑 描述,而对试题的描述侧重于个体实例的建立. 4 应 用 在操作系统试题库本体建立好后,即可进行相关的应用工作. 411 存储 目前,本体的存储方法大致有以下几种: (1)纯文本.纯文本(如owl文件)的方式直观显示了本 体语言的语法,符合本体的语义特性,易于理解,适用于直接的表示和存储.(2)专门的管理工具.目前 有一些软件如omm等支持对rdf、owl的存储管理,但这些技术目前还不够成熟.(3)关系数据库. 关系数据库由于研究的历史较长,技术相对成熟,目前市场上已出现了多种数据库管理软件.它适合大规 模数据存储,效率高、易管理、便于查找7.目前对本体的存储大多采用关系数据库,如mysql、ms sql等. 412 查询 将本体引入到试题库资源检索中,可把试题资源检索从目前的基于关键词的层面提高到基于知识(或 概念)的层面,大大提高了试题资源检索的查全率和查准率,从而提高了试题资源检索的智能水平.进行 本体查询时,可借用专门的本体查询语言,如sparql.sparql提供了强大的基于图形匹配的查询功 能, sparql查询语言已经被w3c指定为建议标准查询语言,而且目前protg 里面已提供对owl本体 的支持.因此,可以使用sparql来查询本体知识库. 413 推理 由于本体中的概念被赋予了定义良好的含义,能够被机器理解和处理,借用推理软件,可将本体中隐 含的知识显式地表现出来,通过推理可找出知识点之间的前驱、后继及相关关系.像racer、jena等都具 有对owl、rdf的推理功能. 414 自动组卷 55 2009年12月吴辉:基于本体的试题库设计及应用第6期 图2 操作系统知识本体 在将本体存储于数据库后,即可由相关数据库管理软件进行处理,根据试题要求,利用一定算法,自 动产生符合要求的试卷. 5 结束语 本文以操作系统试题库本体为例,详细介绍了基于本体的试题库设计方法及应用.本体是目前计算机 科学领域内的研究热点,考试采用试题库已经成为教学改革的重要内容,在将本体引入到试题库设计后, 试题库系统就有了统一的知识表示结构,便于机器理解,试题库资源也得以共享,并进而实现试题及相关 知识查询、推理及自动组卷等应用工作. 参考文献: 1范明虎,孙斌.通用试题库管理系统的设计与实现j .计算机工程与设计, 2007 , 28 (09) : 218522188 2杨翠萍.基于vfp自动组卷的设计与实现j .河北北方学院学报:自然科学版, 2007 , 23 (02) : 60261 3王艳.基于语义本体的网络试题库系统的研究d.南京:江苏科技大学, 2008 4邓志鸿,唐世渭,张铭,等. ontology研究综述j .北京大学学报:自然