（计算机应用技术专业论文）网络教学系统的知识组织及其导航研究.pdf

摘要 随着i n t e m e t 的发展，网络教学得到了越来越广泛的应用，学生 可以不受时间和空间的限制参加网上学习。在高校，网络教学也作为 教师教学的辅助工具和学生学习的认知工具引入课程当中，以提高教 育和教学效率。然而，网络教学面对的学生存在着极大的差异性，这 就决定了网络教育必定是一种个性化教育，而课程领域知识组织和学 习导航方法是个性化网络教学系统中的基本问题，包含了知识表示、 信息系统的体系结构、信息检索和推理算法等内容。 论文从课程领域知识自身的特点和学习的普遍规律出发，分析了 课程知识的结构，研究了在o n t o l o g y 框架下的领域知识的组织模型； 研究了课程一知识单元一知识点一素材四层结构的课程知识体系结 构；研究了领域知识本体的分类方法，定义了四类概念；设计了网络 教学系统中的知识组织和管理的本体概念网一一知识点集一一教学 素材库三层结构，使知识组织、知识呈现和知识资源既相互独立又彼 此联系，从而实现了知识共享、知识联想、内容自动合成和灵活多变 的目的，为网络教学系统实施“因材施教 提供了知识基础。设计了 用户模型、教学模型及各种智能导航策略和算法，为网络教学系统实 现智能化和个性化教学提供了一种方法，体现了建构主义的教学理念 和以人为本的服务宗旨。在以上的基础上，以( ( v f p 数据库程序设计 课程为应用实例，对个性化的网络教学系统的构建进行了探索性的实 践研究。 论文最后对个性化网络教学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：知识组织，网络教学，个性化，概念网，学习导航 a b s t r a c t wl t ht h ea d v e n to ft h ei n t e r n e t ，n e t w o r kh a sb e e nw i d e l ya p p l i e dt o t e a c h i n gf i e l da n ds t u d e n t sc a nt a k eo n l i n el e a r n i n gw i t h o u tc o n s t r a i n t so f t i m ea n ds p a c e n e t w o r kt e a c h i n gh a sb e e ni n t r o d u c e di n t oc u r r i c u l a r c o u r s e sa sa na s s i s t e dt o o li nt e a c h e r s t e a c h i n ga n da sac o g n i t i v et o o li n s t u d e n t s s t u d yi no r d e rt oi m p r o v ee d u c a t i o na n dt e a c h i n ge f f i c i e n c y h o w e v e r ，t h e r ei sab i gd if f e r e n c ea m o n gs t u d e n t si nn e t w o r kt e a c h i n g ， w h i c hd e c i d e so n l i n ee d u c a t i o ni su n d o u b t e d l yak i n do fi n d i v i d u a l i z e d e d u c t i o n c u r r i c u l a rf i e l d k n o w l e d g eo r g a n i z a t i o n a n d l e a m i n g n a v i g a t i o nm e t h o da r ef u n d a m e n t a lp r o b l e m si ni n d i v i d u a l i z e dn e t w o r k t e a c h i n gs y s t e m ，i n c l u d i n gs y s t e m a t i z e d s t r u c t u r eo f k n o w l e d g e e x p r e s s i o na n di n f o r m a t io ns y s t e m ，i n f o r m a t i o nr e t r i e v a la n dr e a s o n i n g a l g o r i t h m ，a n ds oo n w eh a v ea n a l y z e dt h es t r u c t u r eo fc u r r i c u l a rk n o w l e d g ef r o mt h e p e r s p e c t i v eo ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fc u r r i c u l a rk n o w l e d g ei t s e l fa n dt h e g e n e r a ll a w so fl e a m i n g w eh a v es t u d i e do r g a n i z a t i o nm o d eo ff i e l d k n o w l e d g ei n t h ef r a m eo fo n t o l o g y w eh a v es t u d i e ds y s t e m a t i z e d s t r u c t u r eo fc u r r i c u l a r k n o w l e d g ei nf o u r l a y e rs t r u c t u r eb a s e do n c u r r i c u l a rk n o w l e d g e ，c h a p t e r sa n d s e c t i o n s ，k n o w l e d g en o d e sa n d m a t e r i a l s w eh a v ea l s os t u d i e df i e l dk n o w l e d g ec l a s s i f i c a t i o nm e t h o d so f o n t o l o g y ，d e f i n e df o u rc o n c e p t s ，a n dd e s i g n e dak n o w l e d g eo r g a n i z a t i o n m o d e lo ft h r e e - l a y e rs t r u c t u r eb a s e do nc o n c e p tn e t w o r k ，k n o w l e d g e n o d e sa n dt e a c h i n gm a t e r i a l s t h u sw ec a na c h i e v et h e p u r p o s eo f k n o w l e d g es h a r i n g ，k n o w l e d g ea s s o c i a t i o n ，a u t o m a t i cf o r m a t i o n o f c o n t e n ta n df l e x i b i l i t yo fc o n t e n t k n o w l e d g ef o u n d a t i o nc a nb ep r o v i d e d i na p p l y i n gt h ep r i n c i p l eo f t e a c h i n ga c c o r d i n gt os t u d e n t s a p t i t u d e i nn e t w o r kt e a c h i n gs y s t e m w eh a v ed e s i g n e du s e rm o d e l ，t e a c h i n g m o d ea n dv a r i o u si n t e l l i g e n c e n a v i g a t i o ns t r a t e g i e s a n d a l g o r i t h m s ， w h i c ho f f e r san e wm e t h o df o rn e t w o r kt e a c h i n gs y s t e m si n t e l l i g e n c e a n di n d i v i d u a l i z e d t e a c h i n g a n de m b o d i e st h e t e a c h i n g i d e ao f c o n s t r u c t i v i s ma n dh u m a n o r i e n t e ds e r v i c e p r i n c i p l e t a k i n g “v f p n d a t a b a s e p r o g r a md e s i g n i n g c o u r s e e x p l o r a t i v ea n dp r a c t i c a lr e s e a r c hi n t o n e t w o r kt e a c h i n gs y s t e m f o ri n s t a n c e ，w eh a v eh a da n t h ec o n s t r u c t i o no fi n d i v i d u a l i z e d f i n a l l y , w eh a v eh a da ne x p e c t a t i o no ft h e f u t u r ed e v e l o p m e n t p r o s p e c t s o fi n d i v i d u a l i z e dn e t w o r kt e a c h i n g s y s t e ma n d h a v e p u t f o r w a r ds o m es u g g e s t i o nf o rf u r t h e r i m p r o v e m e n to ft h i s t h e s i s t h e o r e t i c a ls t u d ya n dp r a c t i c a ld e v e l o p m e n t k e y w o r d s ：k n o w l e d g eo r g a n i z a t i o n s ，n e t w o r kt e a c h i n g ， i n d i v i d u a l i z a t i o n ，c o n c e p tn e t w o r k ，l e a m i n gn a v i g a t i o n 1 1 1 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本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，除了论文中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，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 童诌董 日期：垃年月丝日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：妞 导师签名：罩支 1 7 tj 朝：，越年卫月 硕士学位论文第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 i n t e m e t 的发展为网络教育与网络教学带来了巨大的发展机遇与挑战，网络 教学也随之成为研究热点。从上世纪九十年代开始，学生在网络上利用多媒体进 行学习的新型教育模式已悄然兴起【l 】。有越来越多的基于w e b 的教学系统应用到 教学中，智能计算机辅助教学( i n t e l l i g e n tc o m p u t e ra s s i s t e di n s t r u c t i o n ，简称 i c a i ) 已成为教学手段现代化改革的一个重要方面。 因材施教一直是教学中倡导的基本原则。然而，在课堂教学中，要让教师根 据每个学生的特点因材施教，显然是不可能的，教师只能满足大多数学生的需要。 互联网的发展不仅为学习者提供了自主选择学习材料和学习方式的机会，而且为 教师提供了丰富详细、种类繁多的教学资源，为其实现多样化、因材施教的教学 策略提供了契机。然而，在w e b 教学系统应用中，大多数系统给所有的学生提 供同样的学习资源，很少考虑到不同的学生因知识背景、学习目标、兴趣偏好等 因素而引起的对课程材料的不同需求，更少考虑到学生的个人特征会随着学习进 展而发生变化，所以学生不能像课堂学习中那样得到教师的个性化的帮助和指 导，也很难体现因材施教，容易导致低效的学习进程，不利于提高学习者学习的 积极性。因此，当前基于w e b 的教学系统研究的一个重点是增加他们的智能性， 而智能性最重要体现在教学系统是否能够实现个性化教学。个性化教学作为一种 新的学习观，是伴随着近些年来教育改革的发展，针对传统教育大统一的弊端提 出来的。个性化教学是针对学习者的个人需求、环境、心理、知识等特征实施的 教学。就其实质，在海量信息环境下，个性化教学要体现教学内容的个性化，最 终体现在教学内容的动态性上，即学习者从学习开始就可以自己设定学习内容和 学习进程，这样，学习可以不依照教材的编排顺序进行，而是可以选择自己所需 要的或自己感兴趣的内容进行学习。同时，在网络教学中，教师的职责已经不可 能再是单纯的传授知识，教师的任务更多的体现在“导”上，教师将成为学生学 习的组织者【2 】。在网络上，学习的进度难度都要由学生个体选择，这就要求学习 者有自觉性，这就需要教师去组织、帮助学生形成适合自身的学习方法习惯等， 不断激励学生向前，保证某个阶段的基本发展要求达标。因此，人们试图建造出 个像人类教师一样具有“思维能力的计算机导师，它能够了解学习者的知识 水平、认知能力和学习能力等个性化特点，它能够理解教什么，以及如何教，并 能根据学习者的差异合理安排教学内容、调整教学策略，实施“因材施教”。智 硕十学位论文第一章绪论 能计算机辅助教学系统要想模拟人类教师的思维进行教学活动，首先必须拥有大 量的专门知识，并能有效地利用这些知识自适应地进行教学活动f 3 】。领域知识的 组织形式、存储方式等对整个教学系统的智能性的高低起着至关重要的作用【4 】。 因此，要开发一个高质量的智能计算机辅助教学系统，关键在于构建一个高效的 领域知识结构来组织、存储领域知识，完整地表示知识内容，客观地反映知识之 间的内在联系。 现有的各种网络课程、辅助教学系统等技术的研究也在向个性化和智能化方 向发展【5 】。实现智能化和个性化教学的基础是知识的组织方式，以及建立在这个 基础上的个性化学习导航。所以如何组织教学资源并引导学生进行有效的学习就 成为一个大家关注的问题1 6 j 。然而，在学习者的学习过程中，现有的网络教学系 统始终处于非主流的辅助地位1 7 】，所以提出一种有效的知识组织方式来组织教学 知识并结合合理导航策略来引导学习者学习已成为当务之急。本文就是在这样的 背景下提出网络教学系统的知识组织及其导航的研究与应用。 1 2 国内外研究现状 网络教学系统研究现状 1 9 5 9 年美国i b m 公司研制成功世界上第一个计算机辅助教学系统，标志着计 算机辅助教学的起步。1 9 6 0 年伊利诺斯大学研究成功的计算机教学系统p l a t o fp r o g r a m m e dl o g i cf o ra u t o m a t i ct e a c h i n go p e r a t i o n ) 成为当时世界上最大的计算 机辅助教学系【8 】。卡内基梅隆大学卡波纳( c a r b o n e l l ) 建立了第一个地理化教学系 统s c h o l a r 系统，它采用语义网络知识表示，能指导学生学习南美地理，它有 两个特点：能处理意外的学习询问和组织不同水平的教学，标志着智能计算机辅 助教学( i c a i ) 的兴起。又女h e x c h e c k 系统能提供逻辑、集合论和定理的证明等 方面的大学完整课程，系统使用方便，能进行简单的自然语言人机对话。这些系 统把研究的重点集中在学生模型与教师模型的精确表示上，系统已可以构造反映 学生学习状况的学生模型与体现教学方法与教学风格的教学模型，并且均有一定 的智能性。2 0 世纪9 0 年代以来，计算机多媒体技术、网络通信技术以及人工智能 技术的发展，为基于建构主义学习理论的多媒体教学环境的构建提供了有效的技 术支持，数字化学 - - - ( e l e a m i n g ) 迅速成为人们崇尚的一种学习方式 9 1 。但是，在 网络环境下，教学材料的选择和组织往往缺乏系统的设计，容易造成e l e a r n i n g 学习者的认知超载和网络迷航。为了提高网络学习效率和学习质量，一些智能教 学系统的研究专家开始转向网络环境下的适应性学习支持系统研究l lo 。适应性学 习支持系统是针对个体学习过程中的差异性而提供的适合个体特征的一种支持 2 硕士学位论文 第一章绪论 学习的系统。近年来，我国不少学者开始对适应性学习支持系统进行研究，例如 开放的、通用的适应性学习支持系统外壳a t u t o r s i l i 】。又如祝智庭、王陆两位教 授的“个性化课件生成技术及相关工具，这个项目开发了个性化教学的多媒体 课件制作和生成工具，为不同个性特征的教师和学生进行智能化教学提供了技术 手段。 知识组织研究现状 知识组织( k n o w l e d g eo r a n i z a t i o r ) 就是对知识的本质及知识之间的关系进行 有序揭示l l 引，即知识序化，这个序化过程的前提是必须充分考虑用户的需求及用 户吸收利用信息、知识的模式和规律。目前，学者对知识组织研究开展得还是比 较广泛的，不仅涉及知识组织的概念、知识组织的原理和原则、知识组织的方式 方法，而且还涉及知识组织的分类法、主题法、o n t o l o g y 、主题地图、元数据方 法等多个方面。国外对知识组织的研究和实践已经进行得比较深人【1 3 】，表现为有 四股力量在推动整个知识组织研究的进行：一是以w 3 c ，i s k o 为代表的国际性 组织，提出了一系列的技术标准和规范，并在全世界范围内，以会议、项目、研 讨等形式进行推广；二是以美国国会图书馆、英国大英图书馆等大型图书馆、博 物馆、档案馆为主的信息机构，他们积极地在自己的领域进行试验，并取得了一 定的成果；三是以麻省理工学院、哥伦比亚大学、康奈尔大学、杜克大学、格但 斯克技术大学等大学及其研究所为代表的学院派，借助大学本身雄厚的技术实力 和大学图书馆对知识组织的迫切需求，开展了一系列的研究项目；四是以g o o g l e ， i b m ，m i c r o s o f t ，h p 等公司为代表的商业组织。一方面他们具有很强的技术研发 实力，另一方面他们也掌握着主流的计算机软件产品，对知识组织研究的影响很 大。国外在知识组织技术的研究主要突出以语义网为代表的相关技术研究、以知 识组织系统推动知识组织发展的研究和以搜索引擎为代表的知识组织方式的研 究。 2 1 世纪以来，国内对知识组织技术的研究逐渐走向深入i l4 1 。国内学者已认 识到了知识组织的重要性，以蒋永福、王知津、李秀云、王子舟等人为代表的一 批学者，对知识组织进行了深入的探讨，张晓林、盛小平、王军等学者的加入， 拓宽和加深了知识组织的研究广度和深度。特别在信息科学领域，o n t o l o g y 以特 定领域的知识资源作背景，通过某领域的形式本体可将该领域的知识组织起来， 构成基于o n t o l o g y 的知识研究体系，在知识组织与知识处理中具有较大的学术 意义和广泛的应用价值，因而受到越来越多的关注。在网络辅助教学上，目前国 外许多流行的网络教学系统利用概念网组织课程内容i ”l ，在国内，由罗三定教授 等人对概念网进行了更深入和实用的研究。概念网吸收了知网、积件、概念层次 网络等知识组织和表示的优点，采用面向对象的方法，将概念、概念词集、概念 硕十学位论文第一章绪论 属性、概念行为和概念描述封装到概念节点中，利用概念关联表示概念间的语义 和关联关系【1 6 】1 1 7 】【1 引，概念网是一种有效的知识组织和表示方法。 学习导航研究现状 网络教学系统的导航功能是影响系统质量一个很重要的因素。导航可以在学 习者学习过程中提供有效的引导，从而提高学习者的学习效率【旧l 。从2 0 世纪8 0 年代开始，一些学者对网络环境下的学习导航问题进行了深入的研究【2 0 】，并逐渐 形成了一些有代表性的理论。一般说来，网络学习导航包括：外部导航和自我导 航。外部导航从外部帮助学习者控制学习行为的设计，如通过模块导航、通过检 索导航、通过图形化浏览器导航、通过提示和帮助导航等等。一些相关研究表明， 在超文本学习材料中提供图形化浏览器可以将学习者的注意力吸引到一些重要 的概念及其相互关系上来。还可以通过促进学习者短时记忆中的信息编码来帮助 他们组织新信息，并将这些信息和长时记忆中的相关信息整合在一起。在超文本 中置入各种适应性建议、提示和帮助信息也是学习导航的主要形式。自我导航指 的是学习者根据学习任务的要求设定学习目标，选择符合学习目标要求的学习内 容，在学习过程中对自己的学习过程进行有意识的监视与控制。尽管i c a i 系统 的形式各不相同，但主要由四部分组成：知识库( e x p e r tk n o w l e d g e ) 、学生模型 ( s t u d e n tm o d e l ) 、教师模型( t u t o r i a lm o d e l ) 以及人机接口( i n t e r f a c e ) ，但在大多 数网络教学系统的四个模型构建过程中都存在不同程度的“导航迷失”【2 lj 。导 航迷失直接导致了个性教育的失败，或者说因材施教的失败。 1 3 课题研究内容 从以上的研究现状来看，现有的网络教学系统大多从学习者的角度来构建， 重点在于怎样建立友好的人机界面，引导学生自主的学完相关课程，但是对于如 何实施“因材施教并没有好的方法，针对网络教学系统研究中的不足，本文旨 在研究网络教学系统中的领域知识的组织和个性化学习导航方法。具体来说本文 主要从以下几个方面进行较为深入的探讨： 1 领域知识组织方面 1 ) 从领域知识自身的特点出发，研究领域知识的组织模型一一本体概念网。 2 ) 从计算机科学与技术专业课程知识的结构特点和学习的普遍规律出发， 研究四层结构的课程知识体系结构和领域知识本体的分类方法。 3 ) 提出网络教学系统中的知识组织和管理的本体概念网一一知识点集一一 教学素材库三层体系结构，使知识组织、知识呈现和知识资源既相互独立又彼此 联系，从而实现了知识共享、知识联想、内容自动合成和灵活多变的目的，为网 4 硕士学位论文 第一章绪论 络教学系统实施“因材施教提供了知识基础。 2 在学习导航和原型系统设计方面 1 ) 设计用户模型，为实施“因材施教 提供依据。设计教学模型，根据用 户的学习特征和学习记录，作出最佳教学决策，选择出有针对性的教学内容和教 学方法，进行个别化教学。 2 ) 在用户模型和领域知识组织模型的基础上设计各种学习导航策略和实现 算法及个性化学习内容的建构方法，减少学习者无目的浏览的可能性，使学习者 按照最有效的学习路径来学习，实现了在教师引导下以学习者为主体的学习，使 整个学习过程具备了一定的自适应性和智能性。 3 ) 系统采用逻辑相对独立的三层结构：学习层、网络服务( 智能教学) 层 和数据层。采用b s 结构，用户只要能够访问i n t e m e t ，就能随时随地进入教学 系统学习或更新知识。开发工具采用m i c r o s o f t 公司的v i s u a ls t u d i o n e t 集成开发 环境，后台数据库采用s q ls e r v e r2 0 0 0 ，保证系统的可扩充性、可移植性、高 可靠性和安全性。以“v f p 数据库程序设计 为例，建立了其中部分章节的课程 知识模型，为网络教学系统的实现提供了知识支持和应用基础。 1 4 论文结构安排 本文的内容结构安排如下： 第一章作为全文的绪论，论述了本文的研究背景及意义、国内外研究现状， 确定本文的研究内容。 第二章从课程领域知识自身的特点出发，确定了课程领域知识的组织模 型，研究了概念结点模型和概念网络模型，研究了本体论思想和概念网络模型 相结合的本体概念网络模型，并以此模型作为网络教学系统的的知识组织模型。 第三章研究课程知识体系四层结构模型，以计算机科学与技术专业的具体 课程知识为例，研究知识本体的分类方法，定义了四类概念，并设计网络教学系 统中的知识组织和管理的概念网一知识点集一教学素材的三层结构。 第四章设计网络教学系统中的用户模型、教学模型及各种智能导航策略和 算法，为网络教学系统实现智能化和个性化教学打下基础，体现了建构主义的教 学理念和以人为本的服务宗旨。 第五章以“v f p 数据库程序设计 为示例课程，介绍网络教学系统设计和 开发。 硕士学位论文第一章绪论 1 5 小结 教学的网络化和个性化已是教学发展的必然趋势。如何组织和管理领域知 识、提供相应的学习导航是实施“因材施教 的关键所在。本章作为全文的绪论， 在论述了本文的研究背景及意义、知识组织和学习导航研究现状之后，确定了本 文所作的工作和章节内容安排。 6 硕士学位论文第二章领域知识组织模型 第二章领域知识组织模型研究 人们学习知识是从对概念的认识开始的，认识的概念越多，对概念的内涵及 其概念之间的联系的把握越深，那么认识的知识也越丰富。 概念结点是概念网的基本元素，可以采用概念结点来表示知识对象。一条完 整的知识通常涉及到多个概念的组合，这种复杂的关系可以采用概念网络模型来 表示。 2 1 知识的抽象 概念( c o n c e p t ) 是反映事物本质属性的思维形式，或者说是本质属性的概括， 是人们在实践中认识客观事物时，从事物许多属性中发现其本质，并抽象出该类 事物所共有的、具有决定意义的那种属性，以概念的形式固定下来的结果心2 l 。当 概念不再被细分，即不再深入考察时，这个概念被称为原子概念，否则称为复合 概念。 现代认知主义理论认为，新知识的学习是从对概念的认识开始的。人类生活 在客观环境中，受到各种信息产生的种种刺激。人们对客观事物的认识过程一般 是从个别到整体，从局部到全局，循序渐进、逐渐积累的过程。在积累了一定知 识后通过大脑分析判断，按照事物的各种特性进行分类、聚合，形成反映事物本 质的抽象概念。概念具有内涵和外延，并且随着主观、客观世界的发展而变化。 知识和概念很相似，都是对事物的描述。但概念描述的是事物的个体，知识则着 眼于事物i 日j 前因后果的关系，也就是说，知识是对多个概念间的关系的一种描述。 在描述概念时，不可避免地涉及到其它概念，即不可避免地提及该概念与其它概 念的关系，所以概念与知识的表示可以采用类似的形式。 2 2 知识对象特性分析 网络教学系统为学生提供了一种新型的学习环境，无论是教还是学，都是针 对某一领域知识的，在网络教学系统中领域知识定义为课程知识。确立领域知识 组织模型，首先必须对领域知识的知识对象特性进行分析。领域知识对象属于人 造知识体系，因此有良好的结构性。例如知识点、知识模块、课程等等，如果它 们统一被称作知识对象，这些对象具有如下一些特性： 7 硕士学位论文第二章领域知识组织模型 1 概念性 领域知识对象从知识特性上可分为两类：概念的和理论的，也就是我们常说 的概念和原理。概念的复杂形式称为概念性知识结构，领域知识的概念和原理可 以用概念统一抽象和表征乜钔，即领域知识对象可以用概念命名，其结构对应着概 念的结构。 2 可分性 知识是有结构的，学习是分步骤的，并且可以是不完整的。例如，对图的学 习，在“离散数学 中先学习图的定义、性质、图的一些基本性质、图的矩阵表 示及图的运算等，在“离散数学”的后续课程“数据结构”中再学习图的存储结 构、图的遍历、图的各种应用及其算法等，由浅到深，由部分到全面。正是由于 知识的可分性，学习内容才可以根据学习者的知识结构灵活构建，根据学习者的 要求灵活选择。 3 整体性 如图2 1 是“图的知识结构，它可以由图的定义、性质、矩阵表示、分类、 及其运算、算法组成。学习“图 必须完整的掌握上述内容，所以各个部分又构 成一个不可分割的整体。 图 困 困 匝困 盈 困臣困 图2 - 1 图的知识结构 4 关联性 领域知识对象之间具有明显的相互关联性，关联关系是指先导、条件、因果 等等。如图2 2 是“无向图 与“树的关系示意。 图2 - 2 无向图与树的关系 图中方节点表示知识对象，椭圆节点表示关联。“连通、无回路 是无向图 8 硕十学位论文 第二章领域知识组织模型 的两个属性，“生成子图 和“导出子图 是对无向图的操作，操作的结果产生 “树 。领域知识具有很好的结构性，知识对象之间是具有层次性的。 2 3 领域知识组织模型 2 3 1 领域知识组织模型的确立 领域知识涉及众多复杂的概念，概念之间又有复杂的关系，如何表示概念的 内涵，如何表示概念之间的关系等是领域知识表示和组织的重要任务，因此，网 状结构的知识体系在各种知识的组织手段上起着重要的作用。知识结点可粗可 细，可以是一个概念，也可以是一框架或是一个子网，联系可以是一种联系，也 可以是多种联系，概念与概念之间联系在一起构成复杂的知识系统。概念结点可 以作为一个整体描述知识结点，而概念网的层次结构性适合表示领域知识的结构 性和系统性，概念网规范的网状结构可以表示知识对象之间的各种关联关系。因 此，概念网络是最适合表示大型复杂知识网络的知识模型。 2 3 2 概念结点模型 由知识及概念的特性可看出，由知识抽象出来的概念具有很强的面向对象的 思想。为此采用a b c d r 五元组的概念结点模型来表示知识对象，如图2 3 所示。 概念结点模型a b c d r a 属性( a t t r i b u t e ) i b 行为( b e h a v e ) i c 概念测( c o n c e p t ) l d 描述( d e s c r i p “o n ) l l r 关联( r e la l i o n ) ( k r ) i 图2 - 3 概念结点模型 概念结点包括属性( a t t r i b u t e ) 、行为( b e h a v e ) 、概念词( c o n c e p t ) 、描述 ( d e s c r i p t i o n ) 和关联( r e l a t i o n ) 五部分，概念是五元组的统一体。采用概念的 五元组结点模型来表示和封装知识对象的合理性和优越性体现在以下方面： 1 ) 符合人们的认知结构。概念网组织知识方式采用的是符合人的认知结构 的，因为人的认知结构是网状的而不是直线的。 2 ) 有利于知识共享和重用。借助面向对象程序设计思想中的基类、派生类 的概念和继承的思想，下层知识对象可以继承上层知识对象的某些属性。 3 ) 通用性。知识的描述使用一致的概念结点方式，这样有较强的通用性， 而且便于课件资源的共享、检索，有利于提高重用率。 4 ) 可扩充性好。在概念结点模型中，概念属性可以方便的添加，根据学生 9 硕士学位论文第二章领域知识组织模裂 的个人情况，添加课件资源的难度等属性，指导学生进入不同学习路径。 下面对五元组的定义分别说明： 1 概念词 概念词( c o n c e p t u a lw o r d s ) 是一个术语集，它由概念名和别名或同义词构 成，在词的层面上对概念进行描述。其中，概念名是概念的标识，它的命名应该 注意的是准确性和唯一性。 1 ) 准确性。要能确切表达概念的实质含义，避免产生歧义，尽可能采用正 规的名称和学名。一般来说，知识对象的主题是对知识的高度概括，往往就是很 简洁的几个字，如“数组 、“指针等，要尽可能的用知识对象的主题作为概念 的名字。 2 ) 唯一性。各个概念应有一个独特的名字以区别于其它的概念。但是在一 个庞大的概念网络中，要保证唯一的命名常常有困难。为了保证唯一性要求，对 所有概念都赋予一个唯一的标识号，作为概念网概念检索用的索引值。 2 概念的属性 概念的属性( a t t r i b u t e ) 是概念的内在表现，是概念所表示事物的静态特性， 对每一个概念而言，它总是通过一定的属性来体现自己。属性用集合来表示，1 1 个分量表示从n 个侧面去表征概念的特性。 a = 口l ，口2 ，口。)( 2 - 1 ) 概念的所有属性中，有一个是本质，它能将自己与其它事物区分开来，本质 属性在知识检索中具有重要的意义。同时概念的属性也是知识分类的一个重要的 依据。 属性的发现在于对事物的观察，从什么角度观察就可以用该角度作为属性。 课程知识可以从适用于教学的角度来选取属性。属性的选择可以根据如下原则进 行： 1 ) 显著性。进行特征显著性排队，保留最为显著的若干项目，忽略其他， 例如( ( v f p 数据库程序设计中，“参数”就是“函数 的一个显著的属性。 2 ) 便于重用。已有的知识点可以作为另一个知识点的一个属性，如“参数” 可以是一个独立的知识点，同时也可以是“函数”的一个属性。教学中有很多是 不能再分割的知识点，称为元知识点，元知识点越多越利于重用。 3 ) 继承性。知识点的层次性很明显，传统教材各章节目录树就可以简单的 理解为知识层次树。在概念网络中，上层节点的属性是对从属它的所有下层结点 属性的抽象和概括，称为一般属性，一般属性在某一时间段内和一定的场合下， 可以确定为是不变的。从属的下层节点可以从上层概念继承得到，这时在下层节 点中就只要设置具有自己独有的特性的新属性。如“函数指针”作为“指针 下 l o 硕士学位论文第二章领域知识组织模型 的一个子概念，具有自己独特的属性。 4 ) 适用于特定教学环境。知识对象的形式和内涵是千差万别的，我们把他 们抽象为五元概念结点模型，为了体现其多样性，几乎所有的特性都可以放到概 念结点的属性集中。如知识对象的难度、重要程度、适用对象等。 属性值是某一特征上的量度，根据属性特征性质不同，通常可以取数值、逻 辑值、枚举值等。 3 概念的行为 概念的行为( b e h a v e ) 本质上也是一类概念特征，它主要是描述概念的动态 特性。概念的行为对概念产生了重要影响，它一方面改变了概念的属性，同时也 影响概念同其它概念之间的关系。概念的行为反映的是概念的动态属性，而概念 的行为体现概念之间复杂关系的原因是它们表现了基于对象思想描述问题的本 质性和灵活性。属性的值由操作来改变，对于面向对象的程序设计来说，属性的 值是由方法来改变的，也就是行为决定属性。同时，由属性的值的变化，可推演 出概念该采用什么样的行为。如文件有“读和“写 的行为，“写文件出错 是文件的“操作 属性发生了变化，引起“出错”，进行推理可能关联到“异常” 或“错误的概念，追查原因。 4 概念描述 概念描述( d e s c r i p t i o n ) 是指用来详细表述概念内容的文档。它具有各种形 式，如文字、图像、音频、动画和超级链接等。其中文字又包括概念的定义和相 关的描述，如对于理工科知识必须借助数学工具，特别是公式、图形、表格来准 确表达。描述可以是概念的典型素材集合，虽然简介性的描述和反映概念的具体 内容的文档是概念真实内容所在，但对于抽象的概念网络来说，实际上是一种附 属概念的文档，它只是解释和列举，并不揭示概念及关系的本质。揭示概念及关 系的本质是概念的属性、行为和关联。 5 概念关联 概念关联( a s s o c i a t i o n ) 是描述概念之间关系的，可以说概念的层次性、知 识性、概念网络的结构性都是依靠概念关联来表示的。一个典型的知识对象往往 涉及到多个概念，怎样有效的分析和描述这些知识对象之间的关联关系是概念网 用于教学的关键之所在。知识关联使概念网的内容变得很丰富、也很复杂。为了 表示这些知识，我们把知识关联放到它涉及到的某个或几个重要的概念节结点中 封装起来，详细讨论知识关联，必然涉及到知识的网络模型，在2 3 3 小节中讨 论。 2 3 3 概念网络模型 1 概念网络基本模型 硕士学位论文第二章领域知识组织模型 概念网络的基本模型【2 5 】【2 6 1 的指导思想仅给出最本原的概念描述和概念关联 的基本框架，在基本结构框架下，根据领域专家对领域知识的理解和具体应用环 境的不同，其组织结构会有所区别，具有较大的自由度，方便知识的扩充和修改。 基本概念网模型示意图如图2 4 所示。 厂 i _ j o - - 概念 属性 概念关联 属性关联 图2 - 4 概念网模型示意图 概念网的基本数学模型可表示为： c n = c ，r )( 2 - 2 ) 其中，c 为概念结点的集合，c = c 。= ) ，a ，b ，c ，d 分别对应 概念节点的属性集、行为集、概念同义词集和概念描述集；r 为概念结点之间关 联的集合，r = h ，c ，c ) ，d ，是对结点c ，c f 间的关联的描述。 2 概念问的关联关系 知识本身之间具有层次结构关系，另外，从学习次序、学习导航的角度去观 察知识之间的关联，知识之间还具有语义依存的联系。因此，作为知识抽象出来 的概念具有如下的关系： 1 ) 概念间的层次结构关系。 从结构上分析，概念作为一个“类 具有以下结构上的关系【1 7 】：概念之间的 分类关系，即概念一般到特殊的关系( 继承关系) ；概念与概念之间的组成关系， 即整体到部分的关系；类概念和实例概念之间的一种静态连接，即实例联系。针 对这几种关系，分别给予解释： ( 1 ) 一般和特殊的关系。一方面揭示了事物间的一类有规律的联系，另一方 面可简化概念的描述，采用面向对象中继承的方法，可使下层概念自动具有上层 概念的可继承的属性和行为，因而也就可集中考虑下层概念的特有属性和行为 了。这种关系是传递的，即若概念a 继承概念b ，b 又继承c ，则a 也继承了c 的可继承的属性和行为。继承又分为单继承和多继承，如果概念只有一个上层概 念，则称为单继承，如果一个概念有两个或两个以上的上层概念，我们称之为多 继承。单继承反映的是一个层次结构，而多继承则是一个网状结构。在知识处理 中，多继承普遍存在于概念之间。 ( 2 ) 整体和部分关系。用于描述概念与其它概念之间的组成关系，即某个概 硕七学位论文第二章领域知识组织模型 念是另外些概念组装而成的。整体部分关系也是一种层次关系，广泛存在于 事物之间。整体是上层概念，部分是下层概念。部分概念本身也可是其它概念的 整体概念。整体一部分关系在组织知识体系划分层次时有如下几种主要形式： a ) 明显的包含关系。 b ) 属性的划分，知识体系按属性展开时，需要对概念的特有属性进行划分， 属性集扩大成予概念集，可以把概念的属性作为子节点。 c ) 行为的划分，概念也可以按行为展开，各行为划分也同样是概念的组成 部分。整体部分关系可使概念网络模型清晰地表达知识的复杂构成。 ( 3 ) 实例关系。概念问的实例关系就是类概念的实例化，概念的属性赋以适 当的值将得到具体概念。概念间的实例关系同概念间的一般和特殊关系有密切的 联系。从深层意义上看，可以认为一般特殊关系是一种不完全的实例关系，它 表现在对概念中的某些属性进行了实例化，而保留了一些未实例化的属性。 2 ) 概念间的语义依存关系。 概念与概念是彼此独立的，除了从属关系外，概念之间还存在多种依存关系。 如概念间限定关系、概念角色依存关系和兄弟节点关系等。其中概念间限定关系 包括属性限定、行为限定和关联限定。而概念角色依存关系是指某个行为发生时 概念与概念的关联。知识由概念和概念的组合表示，最常见的是兄弟节点的组合， 兄弟结点的组合遵循并列或列举、多属性限定、合并包含、序列组合等规则。 2 4 本体论思想与概念网的结合 2 4 1 本体论基本思想 本体论( o n t o l o g y ) 作为一种能在语义和知识层次上描述信息系统的概念模型 建模工具，在计算机许多领域得到了广泛的应用，如知识工程、计算机辅助教学、 知识检索等。 1 本体论简介 本体论最早是一个哲学术语，是客观存在的一个系统的解析和说明，被哲学 家用来描述事物的本质。后来知识工程学者借用了这个概念，在开发知识系统时 用于领域知识的获取【2 7 】。在人工智能领域最早给出本体论定义的是n e c h e s 等人， 它们认为本体论是“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【2 引。1 9 9 3 年，g r u b e r 给出了 o n t o l o g y 被计算机领域广泛接受的定义：即“o n t o l o g y 是概念模型的明确的规范 说明1 2 9 】。后来，b o r s t 在此基础上，给出了本体论的另外一种定义：“本体论 是共享概念模型的形式化规范说明”1 3 0 1 。s t u d e r 等对上述两个定义进行了深入 硕士学位论文第二章领域知识组织模型 的研究，认为本体论是共享概念模型的明确的形式化规范说明，本体论有四层含 义 3 1 l ：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