（教育技术学专业论文）基于it课程目标ontology的辅助教学系统设计.pdf

摘要 随着网络技术的愈加成熟，信息技术( i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ，i t ) 给人类生活 和工作方式带来了重大影响。信息技术在教育领域的应用，使得以计算机、网络、多媒 体及舡等技术为核心的教学系统的研究受到前所未有的重视。但是目前的教学系统面 临一些问题，例如教学系统之间不能相互通信，就是对同一学科开发的教学系统往往是 从头开始开发，很少能重复利用原来已开发的资源( 包括功能部件) 。尽管在已开发的 教学系统中，尤其是有关智能化教学的系统中，或多或少地都使用了a i 和知识库系统 技术，但是资源不能重用的现象依然存在。 本论文基于o n t o l o g y 技术，以中学信息技术课程为背景，构建信息技术课程目标 o n t o l o g y ，并以构建的o n t o l o g y 为基础建立辅助教学系统，用于指导教学和学习。研 究过程中依据o n t o l o g y 的构建方法，分析信息技术学科课程纲要，从教学设计理念出 发，抽取出信息技术领域内的核心概念，并在角色概念理论的基础上构建这些概念间的 层级关系，包括i s a 关系、p a r t - o f 关系、a t t r i b u t e o f 关系等，之后将这些关系以 图形化方式表示。在对信息技术课程目标o n t o l o g y 解析的基础之上，搭建辅助教学系 统，该系统主要包括备课模块、自学习模块等，用于辅助教师进行备课和教学设计，同 时支持学生的自主学习。 关键词：o n t o l o g y ，课程目标，信息技术，教学系统 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n ta n dm a l l u a t i o l lo fi n t e m e tt e c h n o l o g y , i t ( i n f o r m a t i o nt e e l m o l o g y ) b r i n g s t a b o u tg r e a ti n f l u e n c et op e o p l e sl i f ea n dw o r ks t y l e a st h ea p p l i c a t i o no fi ti nt h ee d t u p a t i o nf i e l d , t h e r e s e a r c ho i lt e a c h i n gs y s t e mw h i c hh o l d ss u c ht e e l m o l o g ， a 3c o m p u t e r , i n t e m e t , m u l t i l l l e d i a , a ia n dt h e l i k ea si t sf o c u sr e c e i v e sm o l ea t t e n t i o nt h a nb e f o r e b u tc u r r e n tt e a c h i n gs y s t e mf a c e ss o l l l l 。p r o b l e m s ，f o r e x a m p l e ：f i l el a c ko fc o m m u n i c a t i o nb c , t w e c nt e a c h i n gs y s t e m s ，t h a ti st os a y , t h ed e v d o p e x lt e a c h i n g s y s t e mo nt h es a m e s u b j e c ta l w a y ss t a r t sf r o mt h ev e r yb e g i n n i n ga n dr a r e l yu s e st h e - 既如吡“翳( i n c l u d i n g f u n c t i o n a lp a r t s ) w h i c hh a v ea l r e a d yb e e nd e v e l o p ，s ot h em a i n t e n a n e oo f s y s t e m sb e , c o l l l e $ d i t t i e u l ta n di t b ( , o n l c $ h a r dt oe f f e e t i v d yc o m p a r ea n dj u d g ea l la l r e a d y - e x i s t ls y s t e m t h et e a c h i n gs y s t e mw h i c hh a s a l r e a d yb e e nd e v e l o p e d , e s p e c i a l l yt h es y s t e mr e l a t e dw i t hi t so n t e l l e e t u a lt u t o r i n gs y s t e m ) ，a d o p t sa i a n dk n o w l e d g eb a s es y s t e mt e l m o l o g yn l o l 0 1 l e s s ，b u tt h ep h e n o m e n o nt h a tt h ei e s o u i c e $ c o u l dn o tb e r e p e a t e d l yu t i l i z e ds t i l le x i s t s w i t l a t h ei tc o u i o f h i g hs c h o o l8 sb a c k g r o u n da n do n t o l o g y 嬲b a s i s , t h i st h e s i st r i e st oc o n s t r u c ti t c u r r i e t t l u mo b j e e t i wo n t o l o g ya n da i d e dt e a c h i n gs y s t e mb a s e do i lo n t o l o g y ，t h e na p p l yi tt og u i d e t e a c h i n g a n ds t u d y a e e o r c t i n g t o t b e e o n s n u e t i n g m e t h o d o f o n t o l o g y , t h i sr e s e a r c h a n a l y z e s t h e o u t l i n e o f i t c o u l t * s e e m r i e u l u mf r o mt h ea n g l eo f t e a c h i n gd e s i g nc o n c e p ta n ds u m m a r i z e st h ec 帆c o n c e p t si nt h ef i e l do fr r t h e nt h i sr e s e a r c hc o n s l r u c t sr e l a t i o n s ，w h i c hi n c l u d e st h er e l a t i o no fi s - a , p a r t - o t ；a t t r i b u t e - o fa n ds oo n , a m o n gt h e s ec o n c e p t s0 1 1 t h eb a s i so fr o l e sc o n c e p tt h e o r ya n dr e a l i z e st h e s er e l a t i o n sa n ds h o wt h e s e r e l a t i o n si nt h ef o r mo fg r a p h i c s t h i sr e s e a r c ht r i e st oc o n s t r u c ta i d e dt e a c h i n gs y s t e mb a s e d0 1 1 o n t o l o g i c a la n a l y s i so fi tc o l i i s t h i ss y s t e mm a i n l yi n c l u d e sl e c t u r ep r e p a r a t i o nm o d e la n di n d i v i d u a l s t u d ym o d e l i tc o u l db eu s e dt oa i dt h et e a c h e ri nl e c t u r ep r e p a r a t i o na n dt e a c h i n gd e s i g n , m e a n w h i l ei t c o u l db eu s e dt os u p p o r ts t u d e n t s i n d i v i d u a ls t u d y k e yw o l r d s ：o n t o l o g y , c u r r i e u l t t mo b j e c t i v e s ，1 t , t e a c h i n gs y s t e m 独创性声明 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己 经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得河南师范大学或其他教育机构的学位或证书 所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 签名：蛳 日期：型! z ：! ! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河南师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即；有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权河南师 范大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 签名：塑釜匿至导师签名：丝! z 巨：生 第一章问题的提出 第一章问题的提出 信息技术( i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ，i t ) 对人类生活和工作方式产生了重大的影 响。随着网络技术的愈加成熟，信息技术朝着智能化、高共享度的方向发展。基于 o n t o l o g y 的知识组织与建模是提高信息技术的共享性、互操作性、可维护性和可重用性 的有效途径。本章首先论述选题的依据、研究范围、作用和意义；然后，对相关研究进 行综述，最后给出本课题研究的内容和论文的组织结构。 1 1 关于选题 1 1 1 依据 信息技术在教育领域的应用，使得以计算机、网络及a i ( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ， 人工智能) 等技术为核心的教学系统的研究受到前所未有的重视，但是目前的教学系统 存在一些问题，最主要的问题就表现在资源的共享性和重用性比较差，因此有必要对教 学系统进行进一步研究来克服这些问题。 本文以o n t o l o g y 基本理论为基础，对信息技术课程目标进行研究，并构建基于信息 技术课程目标o n t o l o g y 的辅助教学系统。主要是基于以下几点考虑： ( 1 ) 信息技术教育中存在的问题 信息技术是以多媒体计算机和网络通信为核心的现代通信技术。它是运用信息科学 的原理和方法，有效地使用信息资源的技术体系。信息技术教育依托于计算机和网络等 基础设旄，教学目标主要是培养学生运用信息工具的能力、主动获取信息的能力、善于 处理信息的能力、利用信息进行学习的能力以及创新信息的能力。 信息技术在教育中的应用使建构主义理论、认知灵活性理论等教育理论得到迅速的 推广，协作式学习、发现式学习等教学模式能够得到充分的施展。 目前网络上信息技术教育的相关资源非常多，以“信息技术教育”为关键词，在百 度搜索引擎里搜索，可以找到相关网页约9 2 2 ，0 0 0 篇；在g o o g l e 里约有3 3 8 ，0 0 0 项符 合信息技术教育的查询结果。但是这些资源非常庞杂，尤其是信息技术教育学科里的资 源组织非常不规范，这些资源的有效利用率是非常低的。因此，迫切需要一种新的资源 组织方式来提高知识的共享性和重用性。 ( 2 ) 教师专业化发展的需求 第一章问题的提出 教师专业化发展己成为国际教师教育改革的趋势，受到许多国家的重视，也是当下 教育改革实践提出的一个具有重大理论意义的课题。在当代教育改革实践中，教师的工 作职能出现了深刻的变化，这种变化极大地提高了教师劳动的复杂程度和创造性质。没 有教师的发展，没有教师专业上的成长，教师的历史使命便无法完成。同时，信息时代 的经济与社会发展为重新认识与发现教师，为教师发展又创立了越来越多的条件。 但是面对工作节奏快、工作量大、家庭社会事务繁忙等困难，组织教师在固定时间、 固定地点开展集中学习和集中备课的方式越来越难以实行，难以适应现代工作、生活的 变化和发展，因此基于网络的学习与备课方式成为一种重要的发展教师专业化水平的方 式。 目前使用较为广泛的教学辅助系统和学习支持系统，虽然是基于网络的，但是网络 上的资源呈现海量性、多样性和动态性，而这些资源是利用超链接相互联系在一起的， 由于超链接的自由无序性，使得目前的学习资源难以重用与共享，人们从w e b 上获取真 正想要的信息十分困难。但是时代又要求人们必须不断更新和改进自己的知识和技术， 不断的学习，学习就是工作的核心，但是学习也不再是在教室里上课或者岗前培训这样 的孤立活动。对于教师而言，不能离开工作岗位专门抽出时间来学习。因此，教师如何 才能不断地提高教育质量，才不至于被时代发展所淘汰，其所采取的学习、备课方式就 显得十分重要。 ( 3 ) o n t o l o g y 对网络环境下教学系统的开发具有现实意义 随着信息技术的发展和应用，网络环境下教学系统的研究受到前所未有的重视。这 是因为：网络教学系统能有效的加速传播教育信息，提供最大的学习空间；网络教学是 一种分布式的、协同学习环境，它不仅能使学生进行富有创造性的个别化学习，还可以 有效的开展师生间、同学问及学生与其他人员之间的讨论和交流；网络教学改变了传统 教学中的时空观念，使学习者不受时间和空间的限制，教师可以利用异地乃至全球的教 学资源进行备课、授课、布置作业、答疑、出题测试、统计成绩等教学活动，学生可以 随时随地的学习。利用网络教学环境，学生可以得到世界上最好的老师的指导，可以学 到最先进的知识等。目前，各种教学系统和平台层出不穷，并发挥了一定的作用。随着 计算机、网络、多媒体及a i 等技术的发展，教学系统将会出现如下几个方向的发展趋 势： 多媒体和超媒体化：计算机多媒体和超媒体技术的应用必将对传统教育产生深刻 2 第一章问题的提出 的影响。由于多媒体、超媒体信息载体的多样性、交互性、集成性、非线性等特点，它 们将改变教学模式、内容、手段、方法。它提供了理想的视听资源合一的多模式综合教 学环境。 网络化：教育领域中的计算机应用明显体现出网络化发展趋势。该趋势使得计算 机的利用已经成为整个教育系统的有机组成部分，也促进了学科领域之间的整合与交 叉。“网络就是计算机”( s u n 公司) 的概念不仅仅体现在技术层面上，也体现在应用上。 智能化：智能化教学系统几乎涉及a i 和知识工程中的所有问题，例如专家系统、 知识表示、机器学习、自然语言理解和问题求解等等。在研究方法上也受a i 的影响很 大。a i 和知识工程对智能化教学系统的开发应用起到至关重要的作用。要提高教育软件 的智能程度，就必须充分利用a i 和知识工程的相关研究成果，如自然语言理解与翻译、 智能模糊查询技术、知识表示技术、知识共享技术、推理技术等等，这是一个重要的发 展趋势。此外，神经网络学习及它的其它特征也迅速应用到智能化教学系统中的知识学 习、表示和更新中来。如何利用这些成果，使学习系统真正达到智能化，是人们非常关 心的问题。 仿真化：由于虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ) 技术的发展，使得它正成为教学软 件研制的方向。学生通过虚拟环境的交互操作，身临其境地感知和学习。 但是，目前的教学系统面临如下问题：教学系统之间不能相互通信，即使是对同 一学科开发的教学系统往往也是从头开始开发，很少能重复利用原来已开发的资源( 包 括功能部件) ，同时系统维护也很困难，并且也不能有效地比较和评价一个己存在的系 统。为此，我们常看到的要么是较抽象的讨论，要么是很具体的实现。在已开发的教学 系统中，尤其是有关智能化教学的系统中，虽然或多或少地都使用了a i 和知识库系统 技术，但是资源不能重用的现象依然存在。如何按照教育技术观点和教学设计理论对 知识进行重新建构、重新表示和重新访问等问题。 解决这些难题的基础之一是有一个可以共享的、可扩充的、便于管理的、不断更新 的知识库系统，这样才能在教学过程中不断地把新的知识、新的经验、新的方法、新的 教学信息、新的机制和方法补充到知识库中，支持各种各样的教学事件。 因此，我们试图利用o n t o l o g y 技术及其研究成果，对学科知识的知识表示、获取、 存储管理等方面进行研究，并应用到网络多媒体智能化教学系统的开发。这不仅是知识 工程中的前沿课题，也是计算机和网络多媒体的教育应用中的前沿课题。 第一章问题的提出 1 1 2 研究范围 我们研究i t 课程目标o n t o l o g y 的目的是：在i t 课程目标o n t o l o g y 的基础上，建 立辅助教学系统，有效地支持学生的学习和教师的备课过程。要达到这个目的至少要进 行如下几个方面的研究。 ( 1 ) 如何构建i t 课程目标o n t o l o g y 。在o n t o l o g y 研究领域中，o n t o l o g y 的构建 方法和工具有很多，但是没有一种统一的标准和格式。因此，构建i t 课程目标o n t o l o g y 的关键在于如何抽取领域知识以及如何建立这些知识间的关系。在本文中，将依据教学 设计的观点以及o n t o l o g y 基本理论来构建i t 课程目标o n t o l o g y 。 ( 2 ) 辅助教学系统的构建。如何将本论文构建的o n t o l o g y 应用到辅助教学系统中去， 也将是本文的研究范围。 1 1 3 作用与意义 在研究过程中，通过o n t o l o g y 建模方法，建立i t 课程目标的o n t o l o g y 模型，并在 这个o n t o l o g y 的基础上搭建辅助教学系统平台。其意义有： ( 1 ) 基于o n t o l o g y 建立的i t 课程目标，便于知识共享、知识的维护、知识的获取 和互操作。 ( 2 ) 以i t 课程目标o n t o l o g y 为基础的辅助教学系统，可以使教师在教学设计( 备 课) 过程中更加智能化，实现资源的共享和重用。 ( 3 ) 基于o n t o l o g y 的知识库的共享性、互操作性和可移植性等特点符合了信息系 统的新需求，也逐步成为知识工程、人工智能、远程教育、教育技术等领域的研究热点。 本研究为各种信息系统、学习系统、辅助教学系统、各类专家系统的知识库的开发提供 借鉴。 1 2 研究综述 随着i n t e r n e t 的普及，多媒体、网络技术的迅猛发展，人类社会已经进入了一个 信息化社会。聊w 诞生以来，因其图、文、声并茂的用户界面，易于操作的特点，使i n t e r n e t 得到了超常规的发展，网络已经遍布世界各个角落，深入人们的日常生活，成为人们重 要的信息交流手段。基于w 聊的网络辅助教学系统的设计成为当前计算机辅助教育研究 的热点，w w w 使用超文本标记语言易于实现图文并茂的教学页面，借助超链接可以对教 4 第一章问题的提出 学内容进行非线性组织，方便学生的自主学习。 但是正是由于当前w e b 页面的无结构性、超链接的自由无序、以及w e b 内容的海量 性、多样性和动态变化，人们从w e b 上搜索到真正需要的信息十分困难。迫切需要一种 新的资源组织技术，使得网络上的资源能够自由的进行通信与交流，提高资源的共享性 与可重用性。 上个世纪8 0 年代末9 0 年代初，人们提出了o n t o l o g y 的概念，o n t o l o g y 旨在克服 计算机系统之间“语义鸿沟”。o n t o l o g y 原本是哲学领域的一个概念，称为本体论、实 体论或存在论，是对自然存在及其本质的研究，属于形而上学理论的分支。在人工智能 界，最早给出o n t o l o g y 定义的是n e c h e s 等人，他们将o n t o l o g y 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 则的定义嘲”。后来在信息系统、知识管理等领域，越来越多的人研究o n t o l o g y ，并给 出了许多不同的定义。其中最著名并被引用得最为广泛的定义是由g r u b e r 提出的， “o n t o l o g y 是概念模型的明确的规范说明啪”。f e n s e l 对这个定义进行分析后认为 o n t o l o g y 的概念包括四个主要方面“1 ：概念化( c o n c e p t u a l i z a t i o n ) ：客观世界现象 的抽象模型；明确( e x p l i c i t ) ：概念及它们之间联系都被精确定义；形式化 ( f o r m l ) ：精确的数学描述；共享( s h a r e ) ：o n t o l o g y 中反映的知识是其使用者共 同认可的。 虽然不同研究者对o n t o l o g y 有不同的描述，但是从内涵上来看，他们对o n t o l o g y 的认识是一致的，都是把o n t o l o g y 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( 入、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o n t o l o g y 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，o n t o l o g y 的用途包括交流、共享、互操作、重用等 等。目前，o n t o l o g y 已经被广泛应用于知识工程、自然语言处理、数字图书馆、信息 检索和w e b 异构信息的处理、软件复用、面向对象技术和语义w e b 等领域m 1 。 关于o n t o l o g y 的应用研究。搜索引擎是首先应用于网络信息检索的一个较为有效的 工具。但是，它们存在一些缺陷：比如信息的实时性差，搜索引擎数据库没有随着网络 中的文档变化而及时更新，从而无法将最新信息及时地提供给用户；信息引导能力差， 不能帮助用户确定所需信息所在的领域，导致大量无关信息的涌现；常规的直接基于关 键词的信息检索技术不能满足用户在语义上和知识上的需求，寻找新的方法也就成为目 第一章问题的提出 前研究的热点。o n t o l o g y 具有良好的概念层次结构和对逻辑推理的支持，因而在信息检 索，特别是在基于知识的检索中得到了广泛的应用。基于o n t o l o g y 的信息检索基本思 想可以总结如下：在领域专家的帮助下，建立相关领域的o n t o l o g y 。收集信息源中 的数据，并参照已建立的o n t o l o g y ，把收集来的数据按规定的格式存储在元数据库( 关 系数据库、知识库等) 中。对用户检索界面获取的查询请求，查询转换器按照o n t o l o g y 把查询请求转换成规定的格式，在o n t o l o g y 的帮助下从元数据库中匹配出符合条件的 数据集合。检索的结果经过定制处理后，返回给用户。 如果检索系统不需要太强的推理能力，o n t o l o g y 可用概念图的形式表示并存储，数 据保存在关系数据库中，采用图的匹配技术来完成信息检索。如果检索系统要求比较强 的推理能力，就需要用一种描述语言( 如：l o o m ，o n t o l i n g u a 等) 表示o n t o l o g y ，数据 保存在知识库中，应用描述语言的逻辑推理能力来完成信息检索。由于o n t o l o g y 具有 通过概念之间的关系来表达概念语义的能力，所以能够提高检索的查全率和查准率。 目前用于信息检索的o n t o l o g y 项目种类繁多，例如( o n t o ) 2 a g e n t 项目，是为了帮 助用户检索w w w 上已有的o n t o l o g y ，主要采用参照o n t o l o g y ，即以嗍上已有的 o n t o l o g y 为对象建立起来的o n t o l o g y ，保存各类o n t o l o g y 的元数据；s k c 项目，主要是 解决信息系统语义异构的问题，实现异构的自治系统问的互操作。希望通过在o n t o l o g y 上的一个代数系统来实现o n t o l o g y 之间的互操作，从而实现异构系统之间的互操作。阿 姆斯特丹自由大学和荷兰e l s e v i e r 出版社合作研制了一个医学文献语义检索工具d o p e ( d r u go n t o l o g yp r o j e c tf o re l s e v i - e r ) ，其中的o n t o l o g y 是以e m 树状叙词表为其 术语结构，提供与疾病相关的药物o n t o l o g y 信息。 美国国防部正在实施的大型研究项目：高性能知识库系统h p k b ( h i g h p e r f o r m a n c e k n o w l e d g eb a s e ) 的核心就是o n t o l o g y 知识库。船l ( b 的研究目标是使知识库系统的开 发者能迅速地( 几个月内) 建立一个大容量的知识库。h p k b 采用o n t o l o g y 作为基本知 识库的知识表示工具，使知识库具有良好的表达能力和重用性。它始于1 9 9 7 年，现在 还正在研究中。c y c 系统是美国m c c ( m i c r o e l e c t r o n i c sa n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y c o r p o r a t i o n ) 公司的研究项目，其目的是通过o n t o l o g y 开发为常识推理( c o m m o ns e n s e r e a s o n i n g ) 提供基础，其规模有1 0 5 个概念类型，1 0 。条公理“1 。t o v e ( t o r o n t ov i r t u a l e n t e r p r i s e ) 系统是加拿大多伦多大学的研究项目。其目的是企业建模，构造企业 o n t o l o g y 。可通过演绎推理实现对企业相关信息的问题求解。e n t e r p r i s e 系统是英国爱 6 第一章问题的提出 丁堡大学人工智能应用研究所( a i a i - - a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c ea p p l i c a t i o n i n s t i t u t e ) 的研究项目。目的是通过一个集成框架来集成企业建模的方法和工具，以 改进和代理现有的建模方法 u s c h o l dm ，k i n gm ，m o r a l e es ，z o r g i o sy ，1 9 9 8 等等。在 我国，中国科学院数学研究所于1 9 9 8 年开始，由陆汝钤院士承担了一项国家自然科学 重点基金项目：常识知识的实用研究。研究的目的之一是研究常识知识o n t o l o g y 论及 其与人的智能的关系，提出a g e n t 和o n t o l o g y 是常识知识库的两大支柱的观点。目的 是建立一个大规模的常识知识库，探讨利用常识知识解决一些实际问题( 如自然语言理 解等) 中涉及的常识问题，在此基础上进一步探讨一般的常识性知识的处理和实用研究。 从文献上看，王听、熊光楞的“基于o n t o l o g y 的设计原理信息提取”嘲；吴文渊、曾振 柄、符红光的“基于o n t o l o g y 的平面几何知识库设计”等都是o n t o l o g y 的应用0 1 。王 听，熊光楞提出了一种基于o n t o l o g y 的设计原理信息提取方法，该方法以设计原理的 知识模型为基础，通过查询驱动的用户界面，可以动态的预测设计人员所关心的问题， 并给出相应的回答。他们以铁路货车转向架设计为例说明了智能信息提取的实现。吴文 渊，曾振柄，符红光给出了o n t o l o g y 建模方法在平面几何知识库设计中的一个应用实 例。 从前面的论述来看，将o n t o l o g y 应用到辅助教学系统中的研究还很少，尤其信息技 术教育中对o n t o l o g y 的研究在国内才刚刚起步，从这方面来说，我们的选题具有重要 的现实意义和实用价值。 1 3 研究内容与论文组织结构 本论文是研究如何利用o n t o l o g y 促进信息技术领域的教学和学习，即依据o n t o l o g y 构建方法学及开发环境，文中探讨了o n t o l o g y 的相关概念、构建方法，并在角色概念 的基础上实际构建一个o n t o l o g y ，然后在构建的o n t o l o g y 之上，搭建应用框架，对其 应用性进行了进一步的研究。本论文的具体章节安排如下： 第l 章为问题的提出，综述了本研究内容的依据、研究范围及作用和意义，并介绍 了论文的组织结构。 第2 章论述了o n t o l o g y 的基本理论，包括o n t o l o g y 的概念、分类，并阐述了o n t o l o g y 应用的问题。在o n t o l o g y 理论的基础上，阐述并比较了几种o n t o l o g y 建模的方法、 o n t o l o g y 构建的工具，着重论述了领域o n t o l o g y 构建的方法。 7 第一章问题的提出 第3 章基于角色概念构建了i t 课程目标o n t o l o g y 。论述概念抽取过程以及概念间 的层级关系，并说明构建的i t 课程目标o n t o l o g y 的存储方式。 第4 章研究以o n t o l o g y 为基础的辅助教学系统的设计与实现。阐述教学设计与信息 技术o n t o l o g y 之间的关系，设计辅助教学系统的框架，着重论述系统实现的关键技术 以及核心模块。 第5 章对本论文进行总结，并指出进一步要做的工作。 8 第二章o n t o l o g y 基本理论 第二章o n t o i o g y 基本理论 2 1 0 n t o i o g y 概述 2 1 1o n t o i o g y 概念 o n t o l o g y 最初是哲学领域的一个概念，从哲学意义上来说，o n t o l o g y 是指客观存 在的一个系统的解释或说明，用于描述客观现实的抽象本质。 在2 0 世纪8 0 年代，人们开始从技术领域对o n t o l o g y 进行研究。很多学科和研究 都使用“o n t o l o g y ”这个术语，但是对这个术语存在着多种不同的定义。在计算机领域 里，o n t o l o g y 主要用于知识表达、知识共享以及重用方面。在人工智能领域，n e c h e s 等人将o n t o l o g y 定义为“町“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”。目前获得大部分研究者公认的 o n t o l o g y 定义是t a mg r u b e r 于1 9 9 4 年在s r k b ( s h a r e dr e u s a b l ek n o w l e d g eb a s e s ) 的邮件列表中提出的定义“”“o n t o l o g y 是关于共享概念的协议。共享概念包括对领域知 识建模的概念框架、可互操作的系统通信协议和特定领域理论的表示协议。在知识共享 环境中，o n t o l o g y 以定义表达词汇的形式来获得描述”，即“o n t o l o g y 是概念模型的 明确的规范说明”。再后来，b o r s t 在g r u b e r 的定义基础上，又做了一些修改，将o n t o l o g y 定义为“明“o n t o l o g y 是共享概念模型的形式化规范说明”。这个定义包含了四层含义“”： 概念模型( c o n c e p t u a l i z a t i o n ) 、明确( e x p l i c i t ) 、形式化( f o r m a l ) 和共享( s h a r e ) 。 “概念模型”指通过抽象出客观世界中一些现象( p h e n o m e n o n ) 的相关概念而得到的模 型。概念模型所表现的含义独立于具体的环境状态。“明确”指所使用的概念及使用这 些概念的约束都有明确的定义。“形式化”指o n t o l o g y 是计算机可读的( 即能被计算机 处理) 。“共享”指o n t o l o g y 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，即o n t o l o g y 针对的是团体而非个体的共识。 从以上不同研究领域对o n t o l o g y 的表述上看，描述虽然不尽相同。但是从这些概 念的内涵上来看，他们对o n t o l o g y 的认识是基本一致的，都认为o n t o l o g y 提供了相关 领域里的共同认可的概念，并且定义了概念和概念之间的相互关系。这些概念和关系的 定义都是在相关领域共识的基础上制定的，容易使使用者达成共识，这就体现了 o n t o l o g y 重要的用途：交流、共享、重用等。 9 2 1 2o n t o i o g y 分类 对o n t o l o g y 的分类方法很多，但是目前还没有关于o n t o l o g y 的分类标准，可以根 据不同的规则进行不同的分类。例如根据o n t o l o g y 的形式化程度不同，可以把o n t o l o g y 分为高度非形式化的( h i g h l yi n f o r m a l ) 、结构非形式化的( s t r u c t u r e d i n f o r m a l ) 、 半形式化的( s e m i f o r m a l ) 和严格形式化的( r i g o r o u s l yf o r m a l ) 。再如根据o n t o l o g y 的描述对象不同，可以把o n t o l o g y 分为特殊领域o n t o l o g y ( 如医药、地理、金融等) 、 一般世界知识o n t o l o g y 、问题求解o n t o l o g y 和知识表示语言o n t o l o g y 等“”。 不过g r u b e r 在文献 1 5 中提出以详细程度和领域依赖度两个维度作为对 o n t o l o g y 划分的基础，基本上是该领域公认的有效分类。 详细程度是相对的、较模糊的一个概念，指描述或刻画建模对象的程度。详细程度 高的称作参考( r e f e r e n c e ) o n t o l o g y ，详细程度低的称为共享( s h a r e ) o n t o l o g y 。依 照领域依赖程度，可以细分为顶级( t o p - l e v e l ) 、领域( d o m a i n ) 、任务( t a s k ) 和应用 ( a p p l i c a t i o n ) o n t o l o g y 等4 类。其中： 顶级o n t o l o g y 描述的是最普通的概念及概念之间的关系，如空间、时间、事件、 行为等等，与具体的应用无关，其他种类的o n t o l o g y 都是该类o n t o l o g y 的特例。 领域o n t o l o g y 描述的是特定领域( 医药、汽车等) 中的概念及概念之间的关系。 任务o n t o l o g y 描述的是特定任务或行为中的概念及概念之间的关系。 应用o n t o l o g y 描述的是依赖于特定领域和任务的概念及概念之间的关系。 1 9 9 9 年，p e r e z 和b e n j a m i n s 在分析和研究了各种o n t o l o g y 分类法的基础上， 归纳出1 0 种o n t o l o g y ：知识表示o n t o l o g y 、普通o n t o l o g y 、顶级o n t o l o g y 、元( 核心) o n t o l o g y 、领域o n t o l o g y 、语言o n t o l o g y 、任务o n t o l o g y 、领域任务o n t o l o g y 、方法 o n t o l o g y 和应用o n t o l o g y 。这种分类法是对g r u b e r 提出的分类方法的扩充和细化， 但是这l o 种o n t o l o g y 之间有交叉，层次不够清晰“”。 2 1 3o n t o i o g y 应用 o n t o l o g y 的应用领域很广泛，例如信息检索、人工智能、信息管理、知识管理、知 识工程等领域。目前来说，比较常见和典型的应用主要有以下几个方面“”； ( 1 ) 基于语义的信息检索，特别是网络搜索引擎和数字化图书馆。 ( 2 ) 领域o n t o l o g y 的应用。比如，在生物信息学中已建成的g e n e o n t o l o g y ，尽管只 l o 第二章o n t o l o g y 基本理论 包括了p a r t o f 等简单的关系，但是对生物信息学界已经有巨大的影响。 ( 3 ) 语义w e b 服务。 ( 4 ) 在线元数据管理和自动信息发布。 下面具体从两个方面来对o n t o l o g y 的应用展开论述： ( 1 ) 信息检索应用领域 常规的直接基于关键词的信息检索技术已经不能满足用户在语义和知识上的需求， 需要一种新的检索方法来提高查全率和查准率。o n t o l o g y 具有良好的概念层次结构和 对逻辑推理的支持，因而在信息检索，特别是在基于知识的检索中得到了广泛的应用n 7 埘 。 基于o n t o l o g y 的信息检索基本设计思想可以总结如下“”：在领域专家的帮助下， 建立相关领域的o n t o l o g y 。收集信息源中的数据，并参照已建立的o n t o l o g y ，把收 集来的数据按规定的格式存储在元数据库( 关系数据库、知识库等) 中。对用户检索 界面获取的查询请求，查询转换器按照o n t o l o g y 把查询请求转换成规定的格式，在 o n t o l o g y 的帮助下从元数据库中匹配出符合条件的数据集合。检索的结果经过定制 处理后，返回给用户。 需要说明的是，如果检索系统不需要太强的推理能力，o n t o l o g y 可用概念图的形式 表示并存储，数据可以保存在一般的关系数据库中，采用图的匹配技术来完成信息检索。 如果要求比较强的推理能力，一般需要用一种描述语言( 如：l o o m ，o n t o l i n g u a 等) 表 示o n t o l o g y ，数据保存在知识库中，采用描述语言的逻辑推理能力来完成信息检索。 由于o n t o l o g y 能通过概念之间的关系来表达概念语义的能力，所以能够提高检索的查 全率和查准率。 ( 2 ) 语义w e b 领域里o n t o l o g y 的应用 2 0 0 0 年2 月在x m l 2 0 0 0 的会议上，b e r n e r s - l e e 提出了语义w e b 的概念伽。语义w e b 的目标是使计算机可以理解信息的含义，也即使人们可以从信息的语义上和计算机进行 直接的交流。b e r n e r s - l e e 提出的语义w e b 体系结构如图2 一l ： 第二章o n t o l o g y 基本理论 图2 1 语义b 体系结构 x 札层作为语法层；x 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。( 墓) r d f ( r e s o u r c ed e s c r i p t i o nf r a m e w o r k ) 层作为数据层；在该语义w e b 模型中， 信息以r d f 句予的形式存储，即以统一的方式来存储数据，便于机器理解。趸) o n t o l o g y 层( o n t o l o g yl a y e r ) 作为语义层；逻辑层( l o g i cl a y e r ) 提供了智能推理的规则；而 证据层则在此基础上使代理可以交换推理的结果。证据层( p r o o fl a y e r ) 支持代理间 通讯的证据交换。图中语义w e b 结构中的数字签名( d i g i t a ls i g n a t u r e ) 和确信( t r u s t ) 则是为了保证信息交换的安全问题而设计的。 在语义w e b 中，o n t o l o g y 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。语义w e b 是一个新兴的研究方向，o n t o l o g y 在其中的应用也仅仅是刚 刚开始，还有许多的问题需要研究和解决。 2 2o n t o i o g y 构建 2 2 1o n t o i o g y 构建方法 目前被广泛使