（教育技术学专业论文）教育技术学专业图书领域本体构建研究.pdf

曲阜师范大学研究生学位论文原创性说明 （根据学位论文类型相应地在“”划“”） 本人郑重声明：此处所提交的博士/硕士论文教育技术学专业图书 领域本体构建研究，是本人在导师指导下，在曲阜师范大学攻读博士/硕 士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。 论文中除注明部分外不包含他 人已经发表或撰写的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中已明确的方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名： 日期： 曲阜师范大学研究生学位论文使用授权书 （根据学位论文类型相应地在“”划“”） 教育技术学专业图书领域本体构建研究系本人在曲阜师范大学攻读 博士/硕士学位期间，在导师指导下完成的博士/硕士学位论文。本论 文的研究成果归曲阜师范大学所有，本论文的研究内容不得以其他单位的名 义发表。本人完全了解曲阜师范大学关于保存、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借 阅。本人授权曲阜师范大学，可以采用影印或其他复制手段保存论文，可以 公开发表论文的全部或部分内容。 作者签名： 日期： 导师签名： 日期： i 摘要 本体技术作为跨越语义鸿沟的桥梁，在教育技术学理论、网络教学资源平台、智能答 疑系统等诸多应用方面发挥了不可替代的作用。本体技术中的语义标注及推理服务功能不 仅可以实现领域知识的共享与重用， 解决专业课程资源之间的信息孤岛、 网络迷航等问题， 而且还可以避免专业领域课程的重复性建设，因此得到各学科专家和技术开发人员的普遍 认可。 文章首先分析了当前教育技术学学科专业课程设置方面存在的不足，概述了当前本体 技术在教育技术学领域的应用现状和重要性。 其次， 介绍了当前领域本体构建的基础理论， 包括构建原则、构建工具、本体在语义网中的作用等，在对比软件工程领域中软件生命周 期的开发过程后，总结提出了适合教育技术学专业图书本体的构建模型方法。此外还设计 实现了本体的存储和基于非单调规则的语义推理功能。具体研究内容和工作结果如下： (1) 通过知识检索工具和查询相关专业核心文献了解目前本体技术在本专业的应用情 况，针对传统专业技术课程设置结构单一、内容思想定式等缺点，提出本体技术在本专业 发展的重要性，指出从课程图书领域去构建教育技术学专业课程的可能性和必要性，并付 出实施。 (2) 本文在介绍本体相关基础理论和技术的情况下，分析了当前各专业领域本体的构 建流程，总结提出了适合教育技术学专业图书本体的构建模型方法，该方法在遵循同级概 念唯一且互不相交，子类概念继承父类关系的基础上，基本实现了专业基础课程、专业核 心课程以及专业方向课程图书本体构建的要求。 (3) 根据开发流程和模型，从图书核心属性的角度出发，使用本体开发工具 prot g构 建了教育技术学领域内专业基础课程、专业核心课程、专业方向课程的图书本体，此外为 了实现本体资源的共享，使用 jdbc 技术将本体存储在关系数据库中。 (4) 为了验证构建的图书领域本体具有应用可行性，在介绍相关语义推理规则原理的 基础上，设计实现了基于非单调规则的本体推理，为下一步专业课程的扩充提供了语义推 理功能。 本文开发设计了基于软件生命周期开发过程的本体构建方法，构建了教育技术学专业 课程图书领域本体，并实现了本体的简单关系存储和逻辑推理。为专业课程的发展提供了 智能服务，利于人机之间的交流和协同工作。 关键字：关键字：语义；本体；软件生命周期；图书本体模型；语义推理 ii abstract as a bridge across the semantic gap, ontology technology plays an important and irreplaceable role in many applications of the theory of educational technology, online teaching resources platform and intelligent question answering systems. semantic annotation and inferring service function can not only achieve intelligent analysis of the semantic information and sharing and reuse of domain knowledge, reduce the problems of information islands and network trek of the curriculum resources, but also can avoid redundant construction of courses in professional field. therefore, it is universally recognized by all the course experts and technical developers. this thesis firstly summarizes present application and importance of ontology technology in educational technology, while analyzing the shortcomings of the curriculum in this subject. secondly, the thesis introduces basic theories constructed by the recent ontology, including the principles of constructing, building tools, important role of ontology in the semantic web, and then contrasts the development process of software life cycle in the field of software engineering. on this basis, it concludes and puts forward the method of model construction, which suits the professional book ontology in educational technology. moreover, this thesis designs and achieves the storage of ontology and semantic inference service based on non-monotonic rules. the specific contents and results are as follows: firstly, this thesis comprehends the present application of ontology technology in this subject by knowledge retrieval tools and referring to related professional core journals, proposes the importance of the development of ontology technology in view of the shortcomings such as single technical curriculum structure, content and mentality stereotype of traditional professional technology, points out the possibility and necessity of constructing educational technology curriculum in the field of curriculum books, and finally puts them into practice. secondly, this thesis analyzes the construction procedures of professional domain ontology with the introduction of related basic theories and techniques of ontology and summarizes up the construction model method of book ontology appropriate for educational technology major. this method meets the demands of basic curriculum, professional core curriculum and the construction of curriculum book ontology by complying with the foundation that peer concepts are mutually exclusive, and subclass concepts inherit father class relationships. thirdly, based on development procedures and models, this thesis constructs professional basic curriculum, professional core curriculum and professional books ontology by using ontology construction tool protg from the perspective of book core attribute. besides, in order to share the ontology resources, this thesis stores ontology in relation database by using jdbc iii techniques. lastly, to verify the application feasibility of book ontology, this thesis designs and implements ontology inference based on non-monotonic rules, and then provides semantic reasoning for the following expansion of curriculum, while introducing the relevant principle of semantic reasoning rules. this thesis develops and designs the method of ontology construction based on the development process of software life cycle, builds book domain ontology in curriculum of educational technology, at the same time, realizes the simple relational storage and logical reasoning of ontology. this study provides intelligence services for the development of curriculum, and contributes to the exchange and collaborative work between computer and personnel. keywords: semantic; ontology; software life cycle; book ontology model; semantic inference iv 目录 摘要 . i abstract . ii 目录 . iv 第 1 章 绪论 . 1 1.1 研究背景 . 1 1.1.1 专业课程设置存在的问题 . 1 1.1.2 图书本体在课程设置中重要性 . 1 1.2 国内外研究现状及发展趋势 . 2 1.2.1 研究现状 . 2 1.2.2 发展趋势 . 2 1.3 论文研究的主要工作及组织结构 . 3 1.3.1 论文研究的主要内容 . 3 1.3.2 论文组织结构 . 3 第 2 章 本体构建的相关理论. 5 2.1 本体的基础知识 . 5 2.1.1 本体的定义 . 5 2.1.2 本体的分类 . 5 2.1.3 本体的表示 . 6 2.2 本体的技术介绍 . 6 2.2.1 本体的构建原则 . 6 2.2.2 本体的描述语言 . 7 2.2.3 本体的构建工具 . 8 2.3 本体与语义网 . 8 2.3.1 语义网的诞生 . 8 2.3.2 语义万维网的框架 . 8 2.3.3 本体的语义联想 . 9 第 3 章 本体构建的方法研究. 11 3.1 本体建构的方法 . 11 3.1.1 本体构建的主要方法 . 11 3.1.2 本体构建的方法总结 . 13 3.2 基于 sdlc 的本体开发方法 . 13 3.2.1 问题的定义及规划 . 14 3.2.2 领域本体需求分析 . 14 v 3.2.3 核心本体的建立 . 15 3.2.4 形式化编码 . 16 3.2.5 本体的测试与集成 . 16 3.2.6 本体的评价与进化 . 16 3.2.7 本体的维护 . 17 第 4 章 教育技术学专业图书本体的建构 . 18 4.1 问题的定义阶段 . 18 4.1.1 问题的定义及规划 . 18 4.1.2 领域本体需求分析 . 18 4.2 图书本体模型的设计过程 . 18 4.2.1 图书信息的收集与分析 . 18 4.2.2 获取概念并定义层次关系 . 20 4.2.3 确定类的属性并建立类之间的关系 . 21 4.3 形式化编码和构建 . 26 4.4 本体评测及进化阶段 . 30 4.5 本体的存储 . 31 第 5 章 基于本体的语义推理设计与实现 . 33 5.1 语义推理的逻辑基础 . 33 5.1.1 描述逻辑简述 . 33 5.1.2 描述逻辑的推理 . 33 5.2 语义推理技术的规则 . 34 5.2.1 单调规则 . 34 5.2.2 非单调规则 . 36 5.3 语义推理的设计及实现 . 37 5.3.1 非单调规则的设计 . 37 5.3.2 语义推理的实现 . 40 第 6 章 总结与展望 . 41 6.1 论文总结 . 41 6.1.1 研究结论 . 41 6.1.2 存在的不足 . 41 6.2 论文展望 . 42 参考文献 . 43 附录 . 45 攻读硕士学位期间发表的论文及获奖 . 51 致谢 . 52 教育技术学专业图书领域本体构建研究 1 第 1 章 绪论 本章首先概述了当前教育技术学专业课程建设的主要现状，分析教育技术学专业课程 设置的特点，然后参照领域专家关于专业课程设置的分类标准，将本体技术的思想应用到 教育技术学专业课程图书资源建设中去，最后给出了论文的组织结构。 1.1 研究背景 在万维网之父 berners-lee（蒂姆伯纳斯-李）创建的以超文本标记语言（html） 为基础的 www 技术之后，有效地解决了不同平台的多媒体资源共享问题，使 internet 成 为世界上最大的信息资源和全球范围内传播信息的重要渠道，但是随着人们对信息检索的 查全率、信息的自动交换和处理的准确率等要求的不断提高，现有的技术已经达不到人们 当前要求。于是，蒂姆伯纳斯-李在 1998 年 9 月提出了语义万维网的概念，并依据网络 层次机构模型，提出了语义万维的总体框架。根据蒂姆伯纳斯-李的观点，语义本体技 术是在继承传统知识表征技术的同时，对它的变革和延伸，本体技术的广泛应用，不仅有 助于信息资源的存储及共享，而且还能为其他学科的研究发展提供方法论与技术指导。 1.1.1 专业课程设置存在的问题 通过深入分析与比较中美教育技术学专业的课程设置特点，发现了我国目前有些学校 在专业课程设置方面存在的不足，具体有包括如下三条。 (1) 课程内容陈旧。由于部分教学人员知识结构单一、部分学习者对教育技术学学科 性质和理论体系认识有所偏差，导致教育技术理论及实践研究的逻辑起点的错位。 (2) 实训课程少。教育技术学是实践性极强的学科，教学规律和教学原理在教学活动 过程中需要实训的检验，通过实训课程还能发现教学模式、教学方法等新的方法性要素。 但是，以往的教育技术学学习者因为种种客观原因，未能充分认识到教育技术实训课程， 对理论研究的服务功能，只是一味强调理论研究，缺乏实训锻炼 1。 (3) 课程设置缺乏灵活性。有些学校在课程设置过程中存在专业课程盲目建设，内容 宽泛，缺乏领域专家的指导，专业课程内部缺少明确的、为大家所普遍接受的专业培养方 案和人才标准 2。 1.1.2 图书本体在课程设置中重要性 在教育技术学领域中引入本体技术，不仅可以帮助学习者更加明确教育技术学的研究 目的、研究对象、研究范畴，而且还可以帮助研究者拓宽教育技术学学科的研究方法，充 实教育技术学课程的知识体系，夯实教育技术学的学科基础。因此，只有将有关本体技术 与课程体系构建相结合，才能保证课程内容的完整性，体现与时俱进理论品质 3。 在教育技术学专业课程中引入本体技术，可以注意以下三个方面。 教育技术学专业图书领域本体构建研究 2 (1) 核心概念唯一性 根据领域本体知识开发工具的要求，核心概念在进行去重、归并、分类抽取时须具有 同级概念互不相交，子类概念继承父类概念等特点。通过这种方法既方便学习者查询，又 为本体领域专家的形式化构建模型提供概念基础。 (2) 课程设置的实践性 任何真正的理论无不是来自实践并回到实践中去的认识活动。脱离实践的理论只是主 观想象而并非严格意义上的理论 4。为了培养具有创新实践能力的新型技术人才，保证专 业课程全方位多领域的发展，在解决教育技术学专业课程设置内容落后等突出问题时，我 们可以在专业图书的选择上多注重书籍的时效性， 多关注和引入新颖、 权威的理论和技术， 促进学科的良性发展。 (3) 课程体系的灵活性 通过设置基于语义关系的图书本体不仅可以为课程设置提供知识框架，而且还可以为 课程内容的选择和扩充，提供语义推理的支持，从而使课程体系的设置更加的灵活多变 5。 1.2 国内外研究现状及发展趋势 1.2.1 研究现状 随着现代科学技术的飞速发展，教育技术学作为一门理论与实践相结合的交叉学科， 在不断吸收现代教育学、教育心理学、管理和经济理论以及其他相关研究成果的基础上， 以新技术的应用为导向，开拓创新，极大的推动了学科的覆盖领域，为本体技术应用提供 了广阔的平台。 在国外，本体技术首先是作为一种知识获取和构建的工具出现于教育和培训领域。如 美国斯坦福大学使用专业本体构建工具prot g ，通过描述学习资源的元数据，构建了一个 基于本体的课件资源编辑器。国内，关于本体理论研究较晚，许多研究者在继承教育技术 学理论基础的同时，结合描述言语的逻辑与推理、知识本体等理论，提出了一些独到的本 体研究方法。例如在教育技术学学科定义和定位方面，李龙运用本体论的思想，阐述了教 育技术学学科的基本概念，明确了教育技术学性质 4。在教育技术学领域内的逻辑与推理 方面，何克抗、郑旭东以教育技术学的定位和逻辑为起点，指出教育技术学的逻辑起点是 “借助技术的教育” 6 7。在教育技术学系统设计领域，王晓东、高宏卿根据网络教学系统 中遇到的的疑难问题，设计了基于ontology 疑难问题答疑知识库 8。在教育技术学本体的 构建方法上，魏顺平、何克抗通过设计目标对象术语部件之间的关系来自动发现术语之间 的属种关系和并列关系，提出了一种基于术语部件的自动领域本体构建方法。从以上可以 看出，本体技术在教育技术学系统理论、智能答疑系统、领域本体开发方法等诸多方面的 应用，发挥应有的作用。 1.2.2 发展趋势 教育技术学专业图书领域本体构建研究 3 为了能更好的符合教育技术学专业全方面、多样化的发展的要求，教育技术学在课程 设置上在保持以专业核心课程、专业基础课程和专业方向主干课程的结构与内容为主的基 础上，还需要开放式的讨论与合作研究。 教育技术作为一门交叉学科。不仅需要传统的教育学、教育心理学以及信息传播理的 支持。而且还应该与信息科学和人工智能等领域相结合，可以进一步扩展它的应用领域。 因此，可以将知识工程领域中的人工智能，学科知识的推理机理等，作为教育技术学学科 建设的一个重要研究方向。 1.3 论文研究的主要工作及组织结构 1.3.1 论文研究的主要内容 论文的研究主要采用对比研究和专家访谈相结合的方法，通过分析已有的本体构建方 法，结合软件工程领域中软件生命周期的过程，设计和开发适合教育技术学专业课程中图 书领域的本体，并将构建的本体实现简单的语义推理，主要的研究路线如图 1-1 所示。 图 1-1 论文研究路线图 1.3.2 论文组织结构 第一章是绪论部分，该部分主要介绍了教育技术学专业课程设置的背景，概述了国内 外关于本体技术在教育技术学领域研究现状，提出了文章研究内容、目的和意义。 第二章是技术理论基础部分，该部分主要介绍系统实现时需要涉及的基础理论，如本 体的定义、本体的分类、本体技术开发方法以及可应用领域等。 第三章是领域本体的设计部分，该部分主要介绍了基于 sdlc 的本体图书构建方法、 提出了模型的设计步骤，为下一步实现语义推理功能提供方法论基础。 第四章是专业领域图书本体设计部分, 该部分主要将本体模型引入到教育技术学专业 领域图书本体的构建当中去，设计了本体的存储方式，实现了图书本体的数据库存储。 教育技术学专业图书 领域本体研究 教育技术学领 域本体研究现状 教育技术学领 域本体研究方法 教育技术学领 域本体存储研究 教育技术学领 域本体推理研究 概念唯一性和 课程的灵活、 实效 基于 sdlc 的 本体开发方法 本体的关系 数据库存储 基于本体的语义 推理技术 教育技术学专业图书领域本体构建研究 4 第五章是基于本体语义推理的设计与实现部分，该部分主要介绍基于本体图书信息的 语义推理规则，根据语义推理规则，设计实现了基于图书本体的语义推理功能。 第六章是论文的总结与展望部分，简要归纳了本文的思想和工作，提出了专业图书本 体的不足与改进之处，并对发展前景进行了展望。 教育技术学专业图书领域本体构建研究 5 第 2 章 本体构建的相关理论 2.1 本体的基础知识 本体术语是从哲学领域发展而来的，旨在解释或说明客观事物的组成及存在的本质。 近年来，伴随着因特网的快速发展，本体作为一种能在语义和知识层面上实现信息存储及 语义推理功能的理论，被人们提出以来以后渐渐成为研究者们的研究热点。 2.1.1 本体的定义 古希腊著名的哲学家亚里士多德曾经按照抽象逻辑的思维，将本体定义为存在的科 学，并将其分解为两部分，一部分是研究代表事物存在的本质，另一部分是研究客体对象 的理论定义，即整个现实世界的基本特征。近代，研究者们较多的将其理解为一种技术理 论即本体论 9。 近年来，本体技术作为一种最具潜力的科学技术，大量的被信息科学、人工智能、知 识工程等领域的专家和技术开发人员所使用。结合领域内发挥的重要作用和意义，专家们 给予本体许多新的含义。例如在人工智能领域，neches 等人将本体定义为“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。 ”事实上，人工智能建立本体的过程就是一个定义概念的过程，只是它与我们平时定 义概念的方法恰恰相反而已。在知识工程领域中，本体被认为是一种知识搜索和构建的智 能引擎。 来自于美国斯坦福大学的知识系统实验室的学者 tom gruber 在 1993 年提出了一 个被广泛接受的本体定义，其核心的思想是将本体理解为概念化的显式的表示，这种显式 的表示是在共同理解约定的基础上实现的。之后 studer 在 gruber 的基础上于 1998 年扩展 了本体的概念，即“本体是共享的，概念化的，显示形式化的规范说明” 10。在我国，相 关专家和学者在研究国外优秀成果的基础上，结合国内的研究现状，以实际应用背景为前 提，各自提出了优秀的本体概念。李景等人提出将本体作为知识组织的手段将其概括为资 源的声明、逻辑公理、概念集、属性关系及实例等。陆汝铃院士将本体理解为代表事物主 题的形式化和说明性的表示，具体从对象的名称概念，定义和组成部分之间的关系角度做 了详细的阐述 11。 2.1.2 本体的分类 国内外许多著名的研究者根据学科领域本体的需求，按照领域依赖程度、本体细化程 度、本体形式化程度、以及本体是否具有推理功能等陆续出现了许多分类方法。其中比较 著名的有 guarino 在 1997 年根据本体在构建过程中按照对象的依赖程度，将本体划分为 top-level-ontology（顶级本体） 、domain-ontology(领域本体)、task-ontology(任务本体)和 application-ontology(应用本体)四类。 (1) top-level-ontology（顶级本体） 教育技术学专业图书领域本体构建研究 6 在本体的描述过程中，主要用来表示一般的概念、发生的时间、指向的对象、过程事 件、行为状态等抽象的术语。 (2) domain-ontology (领域本体) 描述是特定领域中的概念和概念之间的关系，所属类的属性和关系对象的实例等。 (3) task-ontology(任务本体) 是在特定任务或行为中，对代表任务对象的概念及概念之间的关系的描述。 (4) application-ontology(应用本体) 是以本体的应用为最终的目标，构建适合目标对像应用的本体。 此外，著名的研究者 perez 和 benjamins 在研究了 guarino 分类方法的基础上，通过对 四类本体的扩充和细化，归纳出知识表示、通用、顶级、核心等为代表的十种类型本体。 但是由于他对本体分类的层次结构不够明细，未能得到人们的广泛应用。 2.1.3 本体的表示 一般来说，本体的体系结构应该包括三个基本要素，分