（教育技术学专业论文）基于语义网的自适应学习系统中领域本体的创建研究.pdf

摘要 随着网络技术的迅速发展，网络教育也日益完善。但是目前的网络学习系统不能根 据学生的个性特征和学习进程动态地呈现教学内容，致使网络教学的效果不理想。而自 适应学习系统可以很好地满足学习者的需要，因而备受人们关注。 要想实现自适应学习，语义网无疑是一个最佳的平台，语义网克服了传统网络无法 理解语言逻辑意义的缺点，基于语义网构建出的自适应学习系统为人们的学习提供了非 常有效的支持。然而，只有创建出相关学科的领域本体，语义网才能发挥作用，系统才 可能通过测试学习者的认知风格、知识背景等进行知识的动态呈现，由此可见，领域本 体的创建是实现自适应学习系统的重要问题。 本文介绍了自适应学习系统、语义网、本体和领域本体的相关知识，并概述了领域 本体的研究现状以及本体和语义网的关系，在此基础上，说明了领域本体在自适应学习 系统中的作用。分析了领域本体的描述语言和创建方法，阐述了基于语义网的自适应学 习系统中领域本体的创建过程。以一门课为基础进行了领域本体创建的实践，并探讨了 领域本体与用户模型的结合。为白适应学习的实现奠定了基础。 论文最后对基于语义网的自适应系统的发展前景进行了展望，同时提出了本论文理 论研究和实践开发可以进一步改进的方向。 关键词：自适应学习；语义网；本体；领域本体创建 a b s 仃a c t w 讹1 er a p i dd e v e l o p m e n to fn e 撕o r kt c 曲n o l o g y ，廿l en e 铆o r ke d u c a t i o nh 2 l sb e c o n l e m o r ea 1 1 dm o r ep e r f i e c t b u tt 1 1 en e 艄，o r kl e a n l i n gs y s t e mc a nn o td ) ，i l 锄i cp r e s e n tt e a c h i l l g c o n t e n tb a s e do nt h ep e r s o i l a l i 锣o fs t u d e n t sa n dm el e 删n gp r o c e s s s ot h ee f f e c to fw m c h n e t 、) r o r kt e a c l l i n gi sn o ti d e a l b u ta d a p t i v el e a r n i n gs y s t e mc a nb eg o o dt 0m e e t l en e e d so f l e a m e r s ，】1 b u si th a sa t t r a c t e dp e o p l e sa t c e n t i o n t or e a l i z et h ea d a p t i v e1 e 删n 廿1 es e m a n t i cw r e bi sn l eb e s tp l a t f o 蚴f o rs e m 锄t ：i c w e bo v e r c o m et h es h o n c o m i n g sw 1 1 i c hm e 仃a d i t i o r l a li l e t 、) d r kc a nn o tu r l d e r s t a n dt 1 1 el o g i c s i g i l i f i c a 堇1 c eo ft 1 1 el a i l g u a g e t h ea d a p t i v el e a r i l i n gs y s t e mb a s e do nt ：h es e m a n t i cw e b p r o v i d e sav e r ye 任e c t i v es u p p o r tf o rt h ep e o p l e ss t u d y h o w e v e r ，o i l l yc r e a t e dt h ed o m a i l l o n t o l o g yo fr e l e v a n ts u b j e c t ，l es e m a n t i cw e bc a i lp l a yar o l ea n dt h es y s t e mc a nd y n a 耐c p r e s e n tl ( i l o w l e 电eb yt e s t e d 也el e a m e r sc o 班t i v e 咿1 eo rk n o w l e d g eb a c k g r o u n d ，i h u s ，也e c r e a t i o no fd o m a i l lo m o l o g ) ，i st h ei m p o n a m ti s s u e st oa c l l i e v ea d a p t i v e1 e a m i n gs y s t e m t h i st l l e s i si n t r o d u c e st 1 1 ea d a p t i v el e a n l i n gs y s t e ma n dt h es e m a n t i cw e ba s 、v e n 嬲 s o m el 【i l o w l e d g eo fr e l e v 锄to n t o l o g ya n dd o m 血o n t o l o g y 舢s os 1 姗衄撕z e st l l er e s e a r c h s t 枷so fd o m a i l lo n t o l o g ya n dt 1 1 er e l a t i o nb e t w e e no n t o l o g ya 1 1 ds e m 趾t i cw e b b a s e do n t 1 1 i si th 2 l ss h o w e dt h e 如n c t i o no fd o m a i no n t o l o g yi i lt h ef i e l do fa d a p t i v el e a m 曲gs y s t e m t m s 也e s i sa 1 1 a l y s e dm ed e s c r i p t i o nl a n g u a g ea n dt 1 1 ec o n s t r u c t i o nm e t h o do fd o m a i l l o n t o l o g ) r a n di te x p o u n d e dt l l ec o l l s t r i l c t i o na p p r o a c ho fd o m a i l fo n t o l o g ) rb a s e do ns e m a n t i c w e bi na d a p t i v el e 枷n gs y s t e m w eh a v ec r e a t e d 1 ed o m a i no n t o l o g 了o fac 删c u l aa r l d e x p l o r e dc o m b i n a t i o no fd o m 抽o m o l o g y 州_ t bl l s c ri n o d e l nl a i df o u n d a t i o nf o rt 1 1 e a c l l i e v e m e n to fa d a m i v e l e a n l i n g t h el a s tc h a p t e ro ft h i st h e s i sl o o k sf o r 训t o 廿l ep r o s p e c t i v er e s e a r c hd i r e c t i o no f a d a p t i v el e 砌n gs y s t e mb a u s e ds e m a l l t i cw e b a tt h es 锄et i i n et h j st h e s i sp r o p o s e ss o m e 如r m e rh p r o v e m e n td i l - e c t i o no f 也e o r e t i c a l 如j d ya 1 1 dp r a c t i c a ld e v e l o p m e n t k e yw o r d s ：娜i v el e a m i l 玛；s e n 瑚1 t i cw e b ；o n t o l o g ) r ；d o m a i 芏lo n t o l 9 夥c o n s 劬】c t i o n 独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师指导下独立进行研究工作所取得 的成果。据我所知，除了特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果。对本人的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了 明确的说明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：型l 查丝：日期：趔孟1 立主。群 学位论文使用授权书 本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：东 北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权东北师范大学可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、 汇编本学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士学位论文全文数据库 ( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全文数据库( 中国科学技 术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发行和提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：燃 日 期：抽罨。蟹孓。砷 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 指导教师签名：监 日 期：掣 电话： 邮编： 东北师范大学硕士学位论文 己i吉 ji 目 随着i n t e r n e t 的迅速发展，网络教育也日益完善。网络教育是一种开放式的教育 体系。它以学习者为主体，打破了传统教育中时空和地域的限制，使学习者可以按照自 己的学习计划在网上学习，并可以充分自由地利用教育资源。目前，在我国，网络教学 平台在展现课程基本内容、发布教学信息方面已经发展得比较成熟。尤其自2 0 0 3 年4 月教育部启动了高等学校教学质量与教学改革工程精品课计划以来，各高等院校尤其是 远程教育试点高校纷纷开始校级、省级、国家级网络课程的建设。但是目前的网络课程 基本上还是把现有的资源按照一定的顺序摆放在网络上，学习者进入之后只能按部就班 的对知识进行接收，这种网络课程不能够根据学习者的认知特征和知识背景动态的呈现 最适合学习者学习的内容。因此，构建自适应学习系统是解决学生需求的个性化与教学 资源的静态化这一矛盾的有效方案。 在自适应学习条件下，学习不是一个被动地接受知识的过程，而是主动发现知识的 过程。学生能够自我组织、制订并执行学习计划，并能控制整个学习过程，对学习进行 自我评估。要想实现这些功能，语义网无疑是一个最佳的平台，语义网克服了传统网络 无法理解语言逻辑意义的缺点，基于语义网构建出的适应性学习系统为人们的学习提供 了非常有效的支持工具。然而，只有创建出相关学科的领域本体，语义网才能发挥作用， 系统才可能通过测试学习者的认知风格、知识背景进行知识的动态呈现，由此可见，领 域本体的创建是实现自适应学习系统的重要问题。 本文在概述了自适应学习系统的特征及语义网的基本结构的基础上，探讨了领域本 体创建的方法。以一门课程为例，进行了领域本体构建的实践，并与自适应学习系统中 用户模型相结合，从而为自适应学习系统的实现奠定基础。 东北师范大学硕士学位论文 第一章概述 一、自适应学习系统 所谓自适应学习是一种主动学习，在“以学习者为主体 的思想指导下，学习者可 以自主监控自己的学习过程，根据自己的实际需求，自主选择最适合自己的学习内容和 学习策略。 随着网络教育的日益完善，虽然学习者学习的时间和空间越来越不受限制，但是目 前的网络课程基本上还是“千人一面”的固定模式，把现有的资源按照一定的顺序摆放 在网络上，学习者进入之后只能按部就班的对知识进行接收，这种网络课程不能够根据 学习者的认知特征和知识背景动态的呈现最适合学习者学习的内容。因此，构建白适应 学习系统是解决学生需求的个性化与教学资源的静态化这一矛盾的有效方案。在自适应 学习条件下，学习不是一个被动的接受知识的过程，而是主动发现知识的过程。自适应 学习一般发生在远距离学习环境中，指学习者通过自身原有知识经验与远距离学习系统 进行交互活动来获取知识、获得能力的过程，在这个过程中，学生能够自我组织、制订 并执行学习计划，并能控制整个学习过程，对学习进行自我评估。自适应学习系统的 特点主要有以下几点： ( 一) 适应性。学习者通过与系统交互，系统根据不同学习者的学习者的个性特征、 本学科的知识基础、学习准备、和学习内容的交互状况等，自动呈现给学习者提供最适 合学习者学习的知识； ( 二) 自主性。系统提供给学习者要进行学习的内容之后，学习者可以按照自己学习 的风格选择相应的学习策略、学习的进程以及探索知识空间的路径等，充分体现了学习 者的主体参与性； ( 三) 资源建构性。自适应学习系统说到底是为了让学习者掌握本学科的知识体系， 所以它的核心就是教学资源的全面融合。教学资源( 包括文本、图像、声音、视频、c a i 软件等) 可以适应各种学习者的需要和背景而进行不同的选择，也就是教学内容的组织 和呈现与学习者的特征相适应；整个学习的过程是在领域知识空间中探索及与他人协同 学习的过程。 主流的适应性学习模式可以用图1 1 来表示，它的关键环节是：学习诊断、学习内 容的动态组织和学习策略。乜1 2 东北师范大学硕士学位论文 已达到目标要求，继续学习 图卜1 适应性学习模式 二、语义网 语义网( s e m a n t i cw e b ) 这一概念由万维网之父t i mb e r n e r s l e e 提出。他所领导的 非赢利性组织w 3 c ( w o r l dw i d ew e bc 0 n s o r t i u m ) 于2 0 0 0 年创建了w w w s e m a n t i c w e b o r g 网站，并在2 0 0 1 年正式提出语义网。简单地说，语义网是一种能理解人类语言的智能 网络，它不但能够理解人类的语言，而且还可以使人与电脑之间的交流变得像人与人之 间交流一样轻松。语义网是下一代互联网的发展方向，其实质就是增强网络资源内容和 功能的语义表示，以满足分布式主流计算环境语义互操作的需要，使软件a g e n t 对w w w 上异构和分布信息进行智能的、有效的访问和检索。 ( 一) 语义网的特点 1 辨别能力强。语义网中，网络不仅能够连接各个文件，而且还能够正确识别文件 里所传递的信息。例如：它可以让计算机辨认和识别“a p p l e ”这个单词的意思是“苹 果”还是“节果机 。在读者看新闻时，它能轻松地分辨出哪句是标题、哪句是导语。 2 信息共享。语义网是一个“数据网，某种意义上可以说是全球数据库。”它的目 标就是定义、互联一个在功能方面不仅仅显示内容的网络，还要尽量使得机器可以通过 各种各样的程序自动操作、集成以及重复使用整个网络上的信息，真正实现网络的信息 共享。 3 语义网最大的特点是可让计算机具有对网络空间所储存的数据，进行智能评估的 能力。这样计算机就可以像人脑一样“理解”信息的含义，完成“智能代理”的功能。 为使语义w e b 工作，计算机必须能访问结构化的信息集合以及一套推理规则并据此 进行自动推理，因此必须首先提供w e b 上信息的合适的表示方法。语义网被开发为对w e b 东北师范大学硕士学位论文 上知识的表示，作为多对多的信息交换媒介，语义w e b 对标记语言的数据交换格式提出 了以下的要求：口1 ( 1 ) 通用的表达能力：由于无法预测所有潜在的应用，w e b 的数据交 换格式必须能够表达任何形式的数据；( 2 ) 语法的互操作能力：处理器必须能够识别各 种数据的表示，并且能为不同类型的应用所复用；( 3 ) 语义的互操作能力：要求实现对 数据内容的分析，并提供识别元素间关系的能力。 由于h t m l 语言不能完成语义网的要求，两种新的标记语言) ( m l 和r d f 应运而生。 ) ( m l 能够定义任意结构的数据，提供了语法的互操作能力；而r d f 则定义了一个简单的 数据模型以表达数据问的关系。) ( m l 是一种用于定义标记语言的工具，其内容包括x m l 声明、用以定义语言语法的d t d ( d o c u m e n tt y p ed e c l a r a t i o n ) 、描述标记的详细说明 以及文档本身，而文档本身又包含有标记和内容。) ( m l 通过w e b 传递文件，允许用户设 计自己的文件格式( 句法) ；它包含增强文件内容意义的标注并且是机器易读的。x m l 的 最突出的特点就是功能强大又易于使用，它使网页能够容纳更丰富的信息资源。其中元 数据管理、语义透明性和自主主体都是) ( m l 所独有的概念，而x m l 对统一结构化语法和 半结构化语法的承诺，将有助于把几乎不可能完成的事变成切实可行的。 r d f 是w 3 c 制定的资源描述元语言，解决的是如何采用x m l 标准语法无二义性地描 述资源对象的问题，使得所描述的资源的元数据信息成为机器可理解的信息。h 1 如果把 ) ( m l 看作为一种标准化的元数据语法规范的话，那么r d f 就可以看作为一种标准化的元 数据语义描述规范。r d f 通过基于) ( m l 语法的明确定义的结构化约定来帮助建立语义协 议与语法编码之间的桥梁，以此来促进元数据的互操作能力。因此，r d f 适合描述w e b 上的资源，以满足w e b 上应用程序互操作能力的需要。r d f 的基本对象类型有：资源、属 性、声明。每一个资源都具有属性，每个资源通过唯一资源标识符u r i 来标识，它的属 性由属性类型来标识，每一个属性类型都有对应的属性值。属性类型表示出这些属性值 与资源之间的关系。r d f 声明是r d f 的数据模型，基本结构为对象属性值的三 元组，分别对应上面的资源、属性和属性值，或者称为主题、谓词和对象( 类似于句子 中的主语、谓语和宾语) ，一个对象属性值的三元组称为一个陈述。r d f 允许对 象或者属性值是任意的陈述，这意味着语义图可以链接和嵌套，以表达任意复杂的模型， 因此r d f 的形式化描述本身就具有完备性。 ( 二) 语义网体系结构 为了实现语义w e b 信息服务的智能化与自动化的目标，t i mb e r n e r s l e e 给出了语 义网中的层次关系基于x m l 和r d f r d f s ，并在此之上构建本体和逻辑推理规则，以 完成基于语义的知识表示和推理，从而能够为计算机所理解和处理。t i mb e r n e r s l e e 提出了) 【m l2 0 0 0 语义w e b 模型，它是一种分层结构的模型，如1 _ 2 图所示。晦1 在这个模型中，自底向上来看，第一层规定了文档中字符的编码方式和资源的统一 标识。 第二层是) ( m l 语法层。) ( m l 使每个人可以创造自己的标签来标注网页或网页的部分 文本。) 【m l 允许用户为他们的文档添加结构信息，但并没有说明这些结构的含义。只有 4 东北师范大学硕士学位论文 标签名并不能提供语义，所以在语义w e b 结构中) ( m l 只是作为语法层，来为语义w e b 的 建立提供语法基础。 第三层是r d f 数据层。r d f 是对结构化的元数据编码、交换和重用的一个基础。在 该语义w e b 模型中，信息以r d f 句子的形式存储，即以统一的方式来存储数据，便于机 器理解。抽象的r d f 数据模型表示为一个有向标记图。这个抽象模型是独立于实现的， 而且可以用) ( m l 来序列化。 图卜2 ) ( m l2 0 0 0 语义w e b 体系结构 第四层为本体层。在人工智能领域和互联网研究领域，一个本体描述了一个特定研 究领域的一个形式化的、共享的概念化模型。本体非常适合于描述互联网上各种不同的、 分散的、半结构化的信息资源。通过定义共享的、通用的领域知识，本体帮助人和机器 明确的交流，支持语义级的交换，而不仅仅是语法级的。 第五层逻辑层。主要定义逻辑描述原语，为高层的逻辑推理提供语义上的支持，从 而便于进行推理。 第六和第七层主要是在下面各层提供的功能基础上进行逻辑证明、确认等操作。证 据层使代理可以交换推理的结果，为了检查这些结果，需要将各代理的内部推理机制转 化为一种通用的证据表示语言。确信层则是为了保证信息交换的安全问题而设计。 数字签名位于层次模型的右侧，并贯穿于中间的四层。数字签名是一种基于互联网 的安全认证机制。当信息内容从一个层次传递到另一个层次时，允许使用数字签名说明 内容的来源和安全性，这样接受方就可通过数字签名鉴别其来源和安全性以决定是否接 受。数字签名保证了交换的信息内容的正确性。 在语义w e b 的分层结构中，上层将下层的语言机制作为本层的支撑语言，通过分析 器，从合法有效的下层描述中抽取出本层所能理解的模型，实现更多的语义处理功能， 因此，语义w e b 是向下兼容的。由于w w w 上的海量信息不可能在短时间内全部建立语义 标记，而且语义的标记方法也将不断发展，语义w e b 的向下兼容性为其发展提供了良好 的基础。语义w e b 对网络应用的自动化、智能化的促进将是巨大的。 东北师范大学硕士学位论文 三、领域本体研究现状 对本体的研究和应用近年来发展很快。在1 9 9 8 年6 月，第一届“信息系统中的形 式化本体论国际会议”的召开标志着这一领域在国外已经逐渐走向成熟，但相比之下， 国内的研究落后很多。下面分别介绍一下国外和国内的研究情况。 ( 一) 国外主要研究现状 1 w 3 c 的研究 w 3 c 是w o r l dw i d ew e bc o n s o r t i u m 的简称，中文为“万维网联盟 。w 3 c 致力于 本体的研究始于2 0 0 1 年，几乎和对语义网的研究同步开始。主持研究的是w e b o n t 0 1 0 9 y 工作组，工作组一开始就将自己的研究定位于为语义网的创建打基础。语义网的目标是 使得w e b 上的信息具有计算机可以理解的语义。b e r n e r s l e e 为未来的w e b 发展提出 了基于语义的体系结构。在语义网的框架中，本体位于底层的u n i c o d e 字符集和x m l 语法结构之上，位于逻辑层和验证层之下。它既是基于x m l 的，同时又为语义网络的 逻辑推理和验证功能提供基础结构。可以说本体是语义网结构中的关键部分。 w 3 c 制订的) ( m l 作为一种资源描述语言，由于其良好的可扩展性，适合于表示各种 信息，现已被广泛接受为未来w e b 上数据交换的标准。) ( m l 不仅提供对资源内容的表 示，也提供资源所具有的结构信息。但仅有) ( m l 是不够的。x m l 页面上还包含大量其 它信息，如图像、音频和说明性文字内容等，因此需要提供描述) ( m l 资源的元数据， 也就是对所描述对象结构或内容所作的规范说明。r d f ( 资源描述框架，r e s o u r c e d e s c r i p t i o nf r 锄e w o r k ) 是w 3 c 推荐的用于描述和处理元数据的方案，能为w e b 上的 应用程序间的交互提供机器能理解( 或处理) 的信息。它独立于任何语言，适用于任何领 域，是处理元数据的基础。 ) ( m l 与r d f 都能为所描述的资源提供一定的语义。但) ( m l 和r d f 在处理语义上存在 以下问题j 一是同一概念有多种词汇表示；二是同一词汇有多种含义( 概念) 。为解决上 述问题，很自然需要引入本体。本体通过对概念和概念之间的关系的严格定义来确定概 念的精确含义，表示共同认可的、可共享的知识。因此，在语义网中，本体具有非常重 要的地位，是解决语义层次上w e b 信息共享和交换的基础。 2 a i f b 的研究 德国卡尔斯鲁厄大学( d n i v e r s i t yo fk a r l s r u h e ) 的r u d is t u d e r ，a 1 e x a n d e r m a e c h e 和以他们为首的应用情报学和规范描述方法研究所( a i f b i n s t i t u t eo f a p p l i e di n f o r m a t i c sa n df o r m a ld e s c r i p t i o nm e t h o d s ) 对本体基础理论( o n t o l o g y l e a r n i n g ) 和本体的数学表达进行了深层次的研究。a i f b 研究所目前从事的研究重点是 创建基于本体的知识门户和语义门户。 截至2 0 0 3 年1 0 月份，a i f b 研究所已经基本完成和正在进行的有关本体研究课题 项目共2 0 项。课题范围涉及知识管理、知识表示与推理、语义网、本体工程、万维网 系统、知识门户、数据和文本挖掘、代理系统、语义标引、机器学习、形式概念分析、 办公信息系统、商业过程分析等十余个领域。承担这些项目的研究小组主要是知识管理 6 东北师范大学硕士学位论文 研究组、商务信息和通讯系统研究组和复杂性管理研究组。 欧洲的o n t o w e b 就是依托a i f b 研究所的0 n t o w e b 项目建立的以知识管理为目的的 网上知识门户。o n t o w e b 的目标是集合欧洲语义网网页标准的研究人员和产业学会的力 量，加强该领域的跨学科协作，促进欧洲文化的复兴，保护欧洲语言多元化和欧洲文化 多样性，并在本体领域的研究中占据主导地位。 3 k s l 的研究 美国斯坦福大学的知识系统实验室( k s l k n o w l e d g es y s t e m sl a b o r a t o r y 以下简称 k s l ) ，无论是在本体建模工具领域，还是在本体应用层面的研究方面，都站在了知识工 程领域的最前沿。k s l 的n g r u b e r 在1 9 9 3 年最早提出了“本体”在知识工程领域的 定义。目前，k s l 的研究主题主要有以下三大方面： ( 1 ) 知识共享技术( k n o w l e d g es h a “n gt e c h n 0 1 0 9 i e s ) ，包括：本体的合并及诊断 ( o n t 0 1 0 9 ym e r g i n ga n dd i a g n o s i s ) 、语义网技术可复用知识的海量存储库( l a r g e s c a l e r e p o s i t o r i e so fr e u s a b l ek n o w l e d g e ) 、增强的设计对象复用技术( t e c h n o l o g yf o r e n h a n c e dr e u s eo fd e s i g n0 b j e c t s ) 。 ( 2 ) 物理系统的建模与分析( m o d e li n ga n da n a l y s i so fp h y s i c a ls y s t e m s ) ，包括： 异构系统的建模、分析和控制( m o d e l i n ga n a l y s i sa n dc o n t r o lo fh y b r i ds y s t e m s ) 、 基于建模支持的分布式协作设计( m o d e l b a s e ds u p p o r to fd i s t _ r i b u t e d c o l l a b o r a t i v ed e s i g n ) 、机械设计的逻辑表示( l o g i c a lr e p r e s e n t a t i o no fm e c h a n i c a l d e s i g n ) 。 ( 3 ) 应用性智能系统( a d a p t i v ei n t e l l i g e n ts y s t e m s ) ，包括：虚拟剧院项目 ( v i r t u a lt h e a t e rp r o j e c t ) 、医院自动护理项目( g u a r d i a n ) 和可自主的移动代理项目 ( a ib o t s ) 。 ( 二) 国内主要研究现状 与国外相比，国内无论是在理论研究、实证研究还是在技术手段的实现和应用方面 都相对落后，与国外高水平的研究相比存在很大差距。国内对于本体的研究大约始于2 0 世纪9 0 年代初。 目前，国内进行本体研究的主要有三支科研力量。一是中国科学院计算所、数学所、 自动化所的若干实验室，代表人物是陆汝铃院士、金芝博士、武成岗、曹存根等人。二 是哈尔滨工业大学计算机系，代表人物是王念滨博士。三是浙江大学人工智能研究所， 代表人物是博士生导师高济教授。 1 中国科学院的研究 中国科学院自1 9 9 8 年就开始从事本体领域的课题研究。其中，比较有影响的有陆汝 钤研究员领导的常识知识的实用性研究，曹存根研究员主持的大规模知识系统的研究， 以及中科院数学研究所金芝研究员研究的基于本体的软件需求获取方法等。 ( 1 ) 常识本体的研究1 常识知识的实用性研究的主要目的是建立一个大规模的常识知识库p a n g u ，并探讨 7 东北师范大学硕士学位论文 利用常识知识来解决一些实际问题( 如：机器翻译和自然语言理解等) 。 p a n g u 知识库采用a g e n t 和本体来表达知识，其中a g e n t 强调包装和继承，重视事 物之间的纵向联系，而本体主要进行常识知识的横向联想，因此本体论方法是面向a g e n t 方法的一个很好的补充。 在p a n g u 中，一个本体描述分成3 部分：静态本体元的集合( s t a t i ce x t e n s i o n ) 、 动态本体元的集合( d y n a m i ce x t e n s i o n ) 、本体网( 0 n t o n e t ) 。后者也是一个语义网络， 由从属于该本体的所有a g e n t 构成。每个本体表述( o n t 0 1 0 9 y ) 从属于某个a g e n t 的 b e l i e f 部分，本体网的全体形成了该知识库的本体结构。 ( 2 ) 学科本体的研究口3 n k i ( n a t i o n a lk n o w l e d g ei n f r a s t r u c t u r e 国家知识基础设施的简称) 是一个庞大 的、可共享的知识群体，为科研、教学、科普和知识服务提供有效的基础。在n k i 中， 设计了大量的学科本体，包括： 地理本体：如国家本体、城市本体、地理位置本体等； 化工本体：如有机物本体、化工过程本体等； 有关人的本体：如人物本体、书籍本体、论文本体； 生物本体：如植物本体、动物本体、真菌本体； 中西医本体：如草药本体、药膳本体、中成药本体、经络本体、疾病本体； n k i 在对很多本体进行本体论分析时，定义了属性之间以及关系之间的公理。并且 引入了强公理和弱公理的概念。在强公理不成立的情况下，以弱公理代替强公理进行推 理，在以后的推理中，由于新知识的加入或确定性高的公理的加入逐渐强化公理，以提 高公理的确定性。 n k i 中，各专业本体是手工获取的。但是专业知识的获取是采用半自动的方式进行 的。知识工程师先对专业知识进行形式化，计算机对形式化后的知识进行必要的整理。 ( 3 ) 基于本体的需求获取方法随3 在大型信息系统的开发过程中，如何快速地获取和准确地表达用户需求，是长期困 扰软件开发者的难题。一方面，软件开发者由于不了解应用领域，只能被动地等待领域 用户提供信息；他们还难免对领域用户的描述产生错误的理解，因而得出不适当的需求 模型，导致软件开发半途而废。另一方面，领域用户通常不知道如何按软件开发的要求 去描述他们的需求。而且，他们一开始常常对自己的需求仅有一个模糊的认识。如何建 立领域用户和软件开发者之间的沟通桥梁呢? 如何将领域用户密切结合到需求获取活 动中来昵? 如何将领域用户的描述正确地转换为软件需求呢? 这些问题越来越引起软 件工程界的重视，从而引发了许多需求获取方法的研究。 金芝提出的基于本体的需求获取方法，是以企业本体和领域本体作为需求获取的元 模型，以之指导和规范整个需求获取过程，并通过对领域模型的重用，完成目标系统的 模型构造。其主要思想是：通用企业本体作为企业描述层的元模型，规范企业描述并 使之系统化，保证企业描述的完整性和一致性；领域本体作为领域元模型，定义企业 描述在特定领域的约束，同时提供领域可重用概念及其关联；领域软件需求模型作为 8 东北师范大学硕士学位论文 领域分析的结果，支持目标系统需求模型的构造。 2 哈工大计算机系的研究1 从1 9 9 9 年至今，哈工大计算机科学与工程系的研究人员一直致力于企业本体论系 统的创建和相关理论的研究。他们的研究方向和成果主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 在多主体系统中，主体之间的交互会因为主体数量的增多产生障碍。王念滨等 人的研究以减轻主体交互的负担为目的，采用了联邦式的多主体系统结构，利用联盟体 为主体之间的互操作提供服务，关键是以本体作为互操作的基础。 ( 2 ) 面向全自动数控企业( c i m s c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r e ，以下简称 c i m s ) ，以本体的思想和方法实现多个基于知识的智能系统间的互操作，在企业间实现 知识共享和复用。研究了基于本体的结构化方法的建立和系统开发的过程。 ( 3 ) 面向c i m s 企业，以企业对智能化的需求为出发点，设计基于本体的知识集成系 统( k i s 卜k n o w l e d g ei n t e g r a t i n gs y s t e mb a s e do no n t o l o g y ) 。系统的开发建立在 h i t c i m i i ( 哈工大自主开发，h a r b i ni n s t i t u t eo ft e c h n 0 1 0 9 y ) 的平台之上。 3 浙大人工智能研究所的研究n 高济教授早在2 0 世纪8 0 年代末就开始从事基于问题求解的专家系统的研究和设计 工作。早在1 9 8 5 年4 月，地质探矿专家系统( g p e g e o l o g i cp r o v i n ge x p e r t ，以下简 称g p e ) 就通过了国家自然科学基金资助项目验收和成果鉴定。g p e 系统用于帮助现场地 质勘探人员预测勘探点地下矿藏的开发前景，由于设计了知识获取框架探矿预测模 型，可适用于多矿种探矿预测知识的获取。在系统的设计中，他提出了一种用于人工智 能专家系统的知识表达方式基于规则的联想网络( a n b r a s s o c i a t en e t w o r kb a s e d o nr u l e s ) 。a n b r 把智能系统获取的知识表达分为内外两种形式：外部形式是基于规则 的知识结构，用于知识的获取和知识库管理；内部形式是分块联想网络，用于驱动推理 控制。 1 9 8 7 年，高济提出了过程控制的动态层次分布概念，希望在分布式问题求解 ( d p s d i s t r i b u t e dp r o b l e ms o l v i n g ，以下简称d p s ) 领域内开发动态和层次处理方法的 功能。为了实现分布的处理器之间紧凑而协调的合作，层次控制是一种有效的方式，但 必须动态地加以组织，才能适用于变化的问题求解环境。他还提出，启发式知识应加以 开发去指导控制的动态层次分布。 这些早期的在知识表示和专家系统方面的重要成果，使得以高济为代表的浙大人工 智能研究所无论在新技术( 如x m l 、r d f 以及u m l ) 的运用，还是在本体的研究中都处于国 内领先水平。 以上是在知识工程领域对本体的研究，在教育界，目前研究基于网络的教学系统的 热潮正在兴起，比如有上海师范大学的基于e 一1 e a r n i n g 的个性化自适应学习支持系统 的研究：该系统能根据学习者的学习风格，学习进度等等动态提供适合学习者实际情况 的学习内容；另外还有基于本体的智能答疑系统研究：本体在领域知识管理中的应用研 究：利用循环进化法构建文献知识本体中两个重要本体( 文献结构本体和语义词典本 体) ，并对语义词典本体作语义相关性分析；以及基于本体的领域研究等等。 9 东北师范大学硕士学位论文 由此可见，国内关于本体的研究已经开始，并取得了一定成果。但在教育界，虽然 应用国外的适应性学习理论，已经有了一些基于网络的学习系统，这些系统主要是基于 对学习者个性特征的研究，也仅仅是一种理论探讨和尝试。对于自适应学习系统的重要 组成部分领域本体的研究还有待加强。 l o 东北师范大学硕士学位论文 第二章基于语义网的自适应学习系统中领域本体相关理论 一、本体概述 o n t o l o g y 的概念起源于哲学领域，即“对世界上客观存在物的系统地描述”。n 在人工智能界，最早给出本体定义的是n e c h e s 等人，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。n 幻本体一直在不断的发展变化中，不少文献从不同的问题域和研究角度 出发，对本体进行了不同的定义。比较有代表性的是s t u d e r 在综合g r u b e r 等人研究基 础上给出的定义：“本体是共享概念模型的明确的形式化说明”。n 龃这个定义的说明体 现了本体的四层含义：u 4 1 1 概念模型( c o n c e p t u a l i z a t i o n ) 。通过抽象出客观世界中一些现象的相关概念而 得到的模型，其表示的含义独立于具体的环境状态； 2 明确( e x p l i c i t ) 。所使用的概念及使用这些概念的约束都有明确的定义； 3 形式化( f o r m a l ) 。本体描述应是机器可理解的，即机器能解释信息中的语义； 4 共享( s h a r e ) 。本体中体现的是共同认可的知识，反映的是相关领域中公认的概 念集，它所针对的是团体而不是个体。 通过对应用领域的概念和术语进行抽象，本体形成了应用领域中共享和公共的领域 概念，可以描述应用领域的知识或建立一种关于知识的描述。本体的目标是捕获相关领 域的知识，提供对该领域知识的共同理解，确定该领域内共同认可的词汇，并从不同层 次的形式化模式上给出这些词汇( 术语) 和词汇之间相互关系的明确定义，通过概念之间 的关系来描述概念的语义。 虽然不同研究者对本体有不同的描述，但是从内涵上来看，他们对本体的认识是一 致的，都是把本体当作某个领域内( 可以是特定领域的，也可以是更广的范围) 不同主 体( 人、代理、机器等) 之间进行交流( 对话、互操作、共享等) 的一种语义基础，即 由本体提供明确定义的词汇表，描述概念和概念之间的关系，作为使用者之间达成的共 识。因此，本体的用途包括交流、共享、互操作、重用等等。 二、本体和语义网的关系 语义网是能够根据语义进行判断的网络。简单地说，语义网是一种能理解人类语言 的智能网络，它不但能够理解人类的语言，而且还可以使人与电脑之间的交流变得像人 与人之间交流一样轻松。是对未来网络的一个设想，在这样的网络中，信息都被赋予了明 确的含义，机器能够自动地处理和集成网上可用的信息。语义网使用x m l 来定义定制的 标签格式以及用r d f 的灵活性来表达数据，通过元数据和结构化的分类词汇( t a x o n o m y ) 东北师范大学硕士学位论文 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。运用本体( o n t 0 1 0 9 y ) 来描述网络信息资源的语义，是语义网 超越目前w w w 局限的首要前提。运用本体可以将概念的特征属性等进行描述，这样就可 以使得引用概念的时候不会产生混淆，比如：“d o c t o r ”一词，通过本体的描述之后， 用户引用到它时就会根据用户的需求，相应的呈现给用户关于“医生”的信息或者是“博 士的信息。 总之，本体是对客观世界的全部或某一部分的概念化和结构化的抽象。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。当网络信息内容通过本体标识描述之后，网络软件就能更好地理解信息资源的意义， 从而能在一系列的任务中智能化地定位或整合分散的信息资源。 本体论作为一种能在知识层提供知识共享和重用的工具在语义w e b 中获得应用，能 够描述w e b 资源的概念及其相互关系，使计算机对w e b 资源的无二义的自动处理成为可 能，符合w e b 高度分散的特点，而本体论非集中式定义模式有利于语义w e b 的快速进化。 三、领域本体 目前对本体的研究已经非常广泛，对本体的分类也有多种方法。根据本体的通用级 别，在建立一个基于知识的系统的过程中，按所实现的不同功能确定本体分为领域本体、 通用或常识性的本体、应用本体和表示型本体。领域本体是针对特定应用领域的抽象知 识结构和内容，包括各种领域知识的类型、术语和概念，并对领域知识的结构和内容加 以约束，形成描述特定领域中具体知识的基础。构建领域本体，可以解决在用户间或软 件代理间达成对于信息组织结构的共同理解和认识，可以复用专业领域知识，使专业领 域内的假设变得更加明确、将专业领域的知识从知识管理的环境中剥离出来，并且可以 分析专业领域的知识。从面向对象的观点来看，领域知识本体是知识对象集合，并描述 知识对象之间的组织关系。知识对象是知识创建者具体定义的模块化知识，这些模块化 知识可以通过集成构成更大粒度级别的知识。领域本体描述知识对象和知识对