（计算机软件与理论专业论文）本体在elearning系统中的应用研究.pdf

摘要 摘要 随着i n t e m e t 的迅速发展和全球对终身教育的需求，以异步教育方式为主要 特征的e l e a r n i n g 正成为i n t e m e t 上的一种重要应用，它使不同时间、不同地点 的人们开展高效率的学习成为可能。 但目前的e l e a r n i n g 系统普遍存在学习资源无法重用与共享，及学习效果差 的问题，这些问题的解决都要求语义采用明确、一致的方式表达。元数据标准是 为了统一资源的描述而提出的规范，本体是为了解决语义问题、实现某种程度的 共享与重用而提出的技术，因此，本文使用元数据和本体从学习资源的描述、组 织及基于语义的学习资源查询等方面来解决上述问题。主要研究内容如下： 1 元数据标准。为了统一学习资源的描述，研究了描述教育资源的元数据 标准，根据系统的需要，采用d c - e d u c t i o n 元数据来描述资源。 2 本体技术。研究了本体的构建、本体的表示、本体的解析和本体的查询。 本文构建了四种本体：课程本体、内容本体、上下文本体和结构本体；本体的表 示采用w 3 c 推荐的最新标准o w l ( w e bo n t o l o g yl a n g u a g e ) ；本体的解析主要 是解析本体中的类、属性和约束；本体的查询主要采用基于图的查询以及基于 r d q l ( r d fq u e r yl a n g u a g e ) 的查询。 3 基于本体的e l e a r n i n g 系统框架模型o e l s 。提出了一个基于本体的 e l e a r n i n g 系统框架模型o e l s ( o n t o l o g y - b a s e de l e a r n i n gs y s t e m ) ，旨在使准 确和快捷地搜索到与学习需求相关的教学内容、统一教学资源标准、提高教学资 源的重用性、实现个性化学习成为可能。 4 学习资源的语义标注。采用了基于元数据和本体的资源语义标注以及将 资源标注描述文件与原始资源分开的标注方法，实现了标注的灵活性。 5 学习资源的导航检索。提出了根据课程本体、内容本体、上下文本体和 结构本体对学习资源进行分类组织的方法，并研究了相应的算法。学习资源之间 的概念导航给学习者提供一种直观的检索资源的方式。 6 学习资源的语义检索。研究了如何根据用户输入的知识点去检索语义上 相同、相近的学习资源，并给出了相应的算法。通过同义词处理及语义相关检索 来提高查全率和查准率，进而提高学习效率。 7 检索结果分类排序。主要研究了根据知识点的相关度对语义检索返回的 摘要 结果进行分类排序的算法。 8 o e l s 系统原型。开发了一个o e l s 原型系统，并对当前正在开发的原 型系统傲了介绍。该系统突出了本体和语义的支持。使教学资源的重用及高效率 的在线学习成为可能。 关键词：e l e a r n i n g ，元数据，本体，语义标注，语义检索 垒! ! ! 坠! ! a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n t e r n e ta n dg l o b a lr e q u i r e m e n tf o ri i f e e d u c a t i o n ，e - l e a r n i n gw h i c hp r o v i d e sa s y n c h r o n o u se d u c a t i o nh a sb e e n b e c o m i n ga ni m p o r t a n ta p p l i c a t i o no ni n t e r n e t e - l e a r n i n ge n a b l e sp e o p l e f r o md i f f e r e n tp l a c ea n da td i f f e r e n tt i m et ol e a r ne f f i c i e n t l y h o w e v e r ，t h e r ea r es o m ec o m m o np r o b l e m so ft h ec u r r e n te - l e a r n i n g s y s t e m s ，s u c ha sl e a r n i n gr e s o u r c e su n r e u s e da n dp o o rl e a r n i n gr e s u l t s i no r d e rt or e s o l v et h e s ep r o b l e m s ，s e m a n t i c si sr e q u i r e dt ob ee x p r e s s e d i naf o r m a la n du n a m b i g u o u sw a y m e t a d a t as t a n d a r di st h e c r it e r i o n p r o p o s e df o ru n i f y i n gt h ed e s c r i p t i o no fr e s o u r c e s ，a n do n t o l g o yi st h e t e c h n o l o g yp r o p o s e df o re x p r e s s i n gs e m a n t i c sa n dr e a l i z i n gac e r t a i n e x t e n to fr e u s i n ga n ds h a r i n g s o ，i nt h i sp a p e r ，m e t a d a t aa n do n t o l o g y a r eu s e dt or e s o l v et h e s ep r o b l e m sf r o mt h ed e s c r i p t i o na n do r g a n i z a t i o n o fl e a r n i n gr e s o u r c e s ，a n ds e m a n t i e b a s e di n f o r m a t i o nr e t r i e v a l t h em a i n r e s e a r c h e sa r ef o c u s e da sf o l l o w s ： 1 r e l e v a n tm e t a d a t as t a n d a r d s i no r d e rt ou n i f yt h ed e s c r i p t i o n o fl e a r n i n gr e s o u r c e s ，w es t u d yt h er e l e v a n tm e t a d a t as t a n d a r d st h a t d e s c r i b ee d u c a t i o n a lr e s o u r c e s b yt h er e q u i r e m e n to fs y s t e m ，w ea d o p t d c e d u c a t i o nm e t a d a t at od e s e r i b et h er e s o u r c e s 2 o n t o l o g y t h er e l e v a n tt e c h n o l o g i e si n c l u d et h ec o n s t r u c t i o no f o n t o l o g y ，t h ee x p r e s s i o no fo n t o l o g y ，t h ep a r s i n go fo n t o l o g ya n dt h e q u e r yo fo n t o l o g y i nt h i sp a p e r ，t h ef o u rk i n d so fo n t o l o g i e sa r e c o n s t r u c t e d ：c o u r s eo n t o l o g y ，c o n t e n to n t o l o g y ，c o n t e x to n t o l o g ya n d s t r u c t u r eo n t o l o g y o w l ( w e bo n t o l o g yl a n g u a g e ) i su s e dt oe x p r e s st h e s e o n t o l o g i e s t h ep a r s i n go fo n t o l o g yi n c l u d e st h ep a r s i n go fc l a s s ， p r o p e r t ya n dr e s t r i c t i o n g r a p h b a s e dq u e r ya n dr d q l b a s e dq u e r ya r e i n t r o d u c e di nt h eq u e r yo fo n t o l o g y 3 o n t 0 1 0 9 y b a s e de - l e a r n i n gs y s t e ma r c h i t e c t u r e ( o e l s ) i v ep r o p o s e a no n t o l o g y b a s e de - l e a r n i n gs y s t e ma r c h i t e c t u r e t h ea r c h i t e c t u r em a y a b s t r a c t e n a b l et h es e a r c h i n go ft h el e a r n i n gr e s o u r c e sr e l e v a n tt ol e a r n i n g r e q u i r e m e n tp r e c i s e l ya n df a s t ，t h eu n i f y i n go f t h ed e s c r i p t i o no f l e a r n i n gr e s o u r c e s ，t h ei m p r o v i n go ft h er e u s i n go fl e a r n i n gr e s o u r c e s a n dt h er e a i z i n go fp e r s o n a l i z e dl e a r n i n g 4 ，l e a r n i n gr e s o u r c e sa n n o t a t i o n w eu s et h es e m a n t i cr e s o u r c e a n n o t a t i o nb a s e do nm e t a d a t aa n do n t o l o g y t om a k et h ea n n o t a t i o nf l e x i b l e e n o u g h ，an e wm e t h o dt h a ts e p a r a t e st h ea n n o t a t i o na n dr a wr e s o u r c ei s a l s oi n t r o d u c e d 5 t h en a v i g a t i o no f1 e a r n i n gr e s o u r c e s t h em e t h o do fc l a s s i f y i n g l e a r n i n gr e s o u r c e si nt e r m so fc o u r s eo n t o l o g y ，c o n t e n to n t o l o g y ，c o n t e x t o n t o l o g ya n ds t r u c t u r eo n t o l o g yi sp r o p o s e d t h ec o r r e s p o n d i n ga l g o r i t h m i si n t r o d u c e d t h en a v i g a t i o np r o v i d e sa ni n t u i t i o n i s t i cr e t r i e v a lw a y f o rl e a r n e r s 6 t h es e m a n t i cr e t r i e v a lo f1 e a r n i n gr e s o u r c e s w es t u d yh o wt o r e t r i e v et h es a m ea n dr e l e v a n tl e a r n i n gr e s o u r c e si ns e m a n t i c s ，a n d i n t r o d u c et h ec o r r e s p o n d i n ga l g o r i t h m t h ed i s p o s a lo fs y n o n y ma n dt h e s e m a n t i cr e l e v a n tr e t r i e v a li n c r e a s et h ep r e c i s i o na n dr e c a l l ，a n dt h u s i m p r o v el e a r n e r s l e a r n i n g 7 t h es o r t i n go fr e t r i e v a lr e s u l t s w ef o c u s e do nt h es o r t i n g a l g o r i t h mi nt e r m so fk n o w l e d g ep o i n tr e l a t i v i t y 8 ap t o t o t y p es y s t e m w ed e v e l o p eap r o t o t y p es y s t e m t h eo n g o i n g p r o t o t y p es y s t e mi si n t r o d u c e d ，w h i c hh a sb e e nf o c u s e do no n t o l o g y e x p r e s s i o na n ds e m a n t i cp r o c e s s i n g ，a n de n a b l e st h er e u s i n go f1 e a r n i n g r e s o u r c e sa n ds t u d e n t s l e a r n i n gh i g he f f i c i e n t i y k e y w o r d s ：e - l e a r n i n g ，m e t a d a t a ，o n t o l o g y ，s e m a n t i ca n n o t a t i o n ，s e m a n t i c r e t r je v a v 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻 读学位期问论文工作的知识产权单位属于西北大学。学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被 查阅和借阅。学校可以将本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和汇编本学 位论文。同时，本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文 章一律注明作者单位为西北大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：耋! l 兰垒兰指导教师签名：墓洹 年月日训”6 年占月胛日 西北大学学位论文独创性声明 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。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，本论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得西北大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。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 说明并表示谢意。 学位论文作者签名：壹】工夕l 1 年月日 第1 章绪论 1 1e - l e a r n i n g 概述 1 1 1 研究背景 第1 章绪论 目前，万维网正在改变着人类活动的许多领域，包括学习领域。传统的学习 方式都体现出以下特征 1 】： 教育者驱动。教师选择内容和授课方式，并安排学习日程和学习进度。 线性学习。教师按一种预先安排好的顺序讲授知识，学习者不能偏离这 个顺序。 依赖于时间和地点。在特定的时间和地点来学习。 因此，这种学习方式不能满足个性化学习的需求，它关注的是大量学习者的 参与。虽然这种传统的学习方式是有效的，并在大多数情况下被采用，但是它并 不适合于每一个有潜力的学习者，而因特网的出现加快了实施新的教育过程的步 伐。 在高等教育领域已经看到了因特网带来的变化。越来越多的大学为学习者提 供更为灵活的学习方式。据美国联邦教育部国家教育统计中心对高等教育机构远 程教育的调查，1 9 9 7 1 9 9 8 年，美国5 0 2 0 所大学中有1 6 9 0 所提供远程教育课程， 占高等学校总数的3 4 。约1 6 6 万学生注册接受各种形式的远程高等教育，占所 有类型高校在校生总数( 约为1 4 3 4 万) 的1 1 ，6 ，而这些数字正在逐年上涨。 除了高等教育领域。e - l e a r n i n g 也对企业培训和终身学习活动产生了更大的 影响。在1 9 9 8 年，i d c ( 国际资料公司) 发布研究报告，e l e a r n i n g 当年占整个 培训市场份额的2 1 ，而面授培训占7 5 ，其它类型培训占4 ，现在全美5 0 0 大企业中已有接近6 0 开始以e l e a r n i n g 作为教育训练的主要辅助工具。组织 的竞争力得以提高的一个关键性的支持机制就是员工技能的提高。部门需要一个 及时的，满足他们特殊需要的学习过程，理想的情况是能够将这个学习过程与日 常的工作结合起来。这种需求与传统的学习不兼容，而e l e a r n i n g 却可以很好地 解决这一问题。 目前，e l e a r n i n g 正以其高效的培训效率、个性化的课程设置、灵活的学习 第i 章绪论 时间安排，特别是经济的培训成本赢得了世人的青睐。 1 1 2e - l e a r n i n g 的定义 根据美国教育部2 0 0 0 年度“教育技术白度书”的比较权威的论述【2 1 ，关于 “e l e a r n i n g ”这一概念，有以下几种不同的说法： e l e a m i n g 是一种受教育的方式包括新的沟通机制和人与人之间的交互作 用。这些新的沟通机制是指：计算机网络、多媒体、专业内容网站、信息搜索、 电子图书馆、远程学习与网上课堂等。 e l e a r n i n g 指的是通过因特网进行的教育及相关服务。 e l e a r n i n g 提供了学习的随时随地性，从而为终身学习提供了可能；学生在 e l e a m i n g 中是以一种全新的方式进行学习。 e - l e a r n i n g 将改变教师的作用和师生之间的关系，从而改变教育的本质。 e l e a r n i n g 是提高学生批判性思维和分析能力的重要途径。 e l e a r n i n g 日a - v “很z 好地实现某些教育目标，但不能代替传统的课堂教学。 e l e a r n i n g 不会取代学校教育，但会极大地改变课堂教学的目的和功能。 北京师范大学何克抗教授在总结上述说法的基础上，给出了一个比较权威， 比较完整的定义：“e l e a r n i n g 是指通过因特网或其他数字化内容进行学习与教 学的活动，它充分利用现代信息技术所提供的、具有全新沟通机制与丰富资源的 学习环境，实现种全新的学习方式；这种学习方式将改变传统教学中教师的作 用和师生之间的关系，从而根本改变教学结构和教育本质【”。” 1 1 3e - l e a r n i n g 的特征 与传统学习相比，e l e a r n i n g 表现出以下特征： 学习者驱动。以学习者为主体，教师起辅助指导作用。 非线性学习。学习者根据需要可以随时调整学习过程。 不依赖时间和地点。学习者可以根据自己的情况选择合适的时问和地点。 从学习效果上来讲，e l e a r n i n g 具有传统教学所无可比拟的优势。根据美国 教育协会，于1 9 9 9 年采样研究了传统面授教学和e l e a m i n g 方式教学的效果( 样 本来源：美国陆军，旌乐公司，联邦快递公司，i b m 公司) ( 见表1 1 ) 来看， 2 第1 章绪论 e l e a r n i n g 不仅缩短了学生的学习时间，提高了信息内容的长期记忆力，而且可 以提供极其丰富的学习资源。但是师生之间的情感交流、同学之间的友好互助、 团结协作及成长过程中的环境、氛围等等，这些都是e l e a r n i n g 无法替代传统教 育的地方。可以预见，未来的e l e a r n i n g 将是传统教育的重要补充，两者将并存， 主要表现在【4 】= 内容结果 学习曲线( 学习新技巧知识所需总时间)e - l e a z n i n g 比传统方式加快6 0 内容保持力( 信鼠内容的长期记忆力)e - l e a r n i n g p d 传统方式提高2 5 6 0 学习收获( 接收的新信息总量)e - l e a r n i n g 比传统方式增加5 6 连贯性( 学员在学习关键知识的一致性)e - l e a r n i t t g 比传统方式增强5 0 6 0 培训时问( 掌握同样知识所需的时间)e - l e a r n i n g 比传统方式减少3 0 传递中的偏差( 教学过程中的信息偏差) el e a r n i n g 比传统方式减少1 0 表1 1 传统面授教学和e l e a r n i n g 教学方式的效果比较 ( 1 ) 满足人们求知的欲望 即使是在发达国家，现有高校尚不能完全满足人们求学的需求。我国高等教 育的规模更是十分有限，而受经济、师资力量等因素的限制，高校的数量和规模 短时间内不可能迅速扩大。传统高等教育规模和培养能力的严重不足，可通过网 络大学来加以弥补与补充。利用网络将普通大学现有师资、教材、设备等充分共 享，使更多的人能够接受高等教育，培养社会急需的高层次人才。 ( 2 ) 有利于教育的均衡发展 由于历史原因和经济发展水平的差异，我国教育资源尤其是高等教育资源主 要集中在大中城市和东中部地区，并导致大中城市人才密集而小城市和农村地 区高等教育资源不足，教育专x _ l k i - j 类不齐全，高等学历人才极度贫缺。网络教育 不受限于地域，并能够集中最优秀的教师资源，使最优质的教育达到全国各地， 可以不受地域限制地培养高层次人爿，对师资力量薄弱地区的学校也是有益的参 考和补充。远程网络教育打破了传统教育的办学模式，打破了城市化地域限制， 使高等教育学历人才向多方位均匀分布发展，极大弥补了传统教育的不足。 ( 3 ) 有助于构建终身学习体系 信息时代，新知识、新事物随时随地都在大量涌现，终身学习成为必须， i n t e r a c t 则为终身学习提供了强有力的支持。在未来若干年内，教育将从学校走 向家庭，走向社区，走向任何信息技术普及到的地方，因特网将成为没有围墙的 第1 章绪论 学校，网络化学习将成为人们日常生活的有机组成部分。 1 2 文献综述 1 2 1e - l e a r n i n g 研究现状 e l e a r n i n g 方面的研究主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 网络教育技术标准研究 目前，进行网络教育技术标准研究的组织有很多，美国主要有a i c c ( 美国 航空工业计算机辅助训练委员会，a v i a t i o ni n d u s t r yc b tc o m m i t t e e ) i s 、a d l ( 美 国高级分布式学习研究项目，a d v a n c e dd i s t r i b u t e dl e a r n i n gi n i t i a t i v e ) 1 6 、i m s ( 美国全球学习联合公司) 【7 】等。a i c c 最早提出计算机管理教学( c m i ) 规范， 现成为广泛采用的行业标准；美国国防部( d o d ) 的a d l 项目借鉴m c c 的c m i 标准建立了可共享课程对象参考模型s c o r m ( s h a r a b l ec o u p eo b j e c tr e f e r e n c e m o d e l ) ；i m s 是在1 9 9 6 年由e d u c o m ( 美国大学校际交流委员会) 设立的一 个研究项目，已经建立了内容包装规范、元数据规范等。欧洲的网络教育技术标 准研究主要有a r i a d n e ( 欧洲远程教学创作与销售网联盟) i s 等，我国与2 0 0 1 年开始启动了教育信息化技术标准研究项目，成立了中国教育信息化技术标准委 员会( c e l t s c ) ，通过跟踪国际标准研究工作和引进相关国际标准，并根据我 国教育的实际情况修订与创建各项标准，最终形成“中国教育信息化技术标准体 系( c e l t s ) ”【9 】。有关国际组织的标准化研究主要有d c m i ( 都柏林核心元数 据研究行动) 1 0 1 、i e e e l t s c ( m e e 学习技术系统标准化委员会) 、 i s o j t c l s c 3 6 ( 国际标准化组织) 1 2 1 、w 3 c ( 万维网联盟) 、a s t d e l c ( 国 际课件证书标准) i t 4 ，其中d c m i 建立了d c 元数据规范及d c e d u c a t i o n 元数 据规范，i e e e l t c s 建立了系统架构与参考模型、学习者模型、学习对象元数据 标准i e e el o m 等。目前应用较多且相对较为成熟的标准有d c 、i e e el o m 、 内容包装规范和s c o r m 规范等。 ( 2 ) 体系结构方面的研究 i e e e l t c s 建立了学习技术系统架构( i e e el t s a ) 标准，付德字在参考i e e e l t s a ( l e a r n i n g t e c h n o l o g ys y s t e m a r c h i t e c h t u r e ) 标准的基础上研究了有利于提 第1 章绪论 高学习质量的e - l e a n r i n g 系统的结构模型 1 5 】，论述了影响学习质量的关键环节， 并针对e l e a n r i n g 系统的复杂性，介绍了一种分层设计的方法，为设计高质量标 准的e l e a r n i n g 系统提供了参考。 另外，李孙新、崔光佐和s t o j a n o v i e 也根据具体的系统需求提出了相应的体 系结构【1 6 , 1 7 , 1 8 。 ( 3 ) 理论、模型方面的研究 我国在e l e a r n i n g 方面的研究有相当一部分还处于理论研究阶段，如秦磊的 我国高校网络教育的现状与对策研究1 1 9 、金芳的网络信息资源分类组织研 究【2 0 】、金琴的提高网络教育资源利用效率研究【2 l 】、邢冰的知识管理在 网络教育资源管理中的应用研究【2 2 、罗吴的元数据在网络教育中的应用研 究1 2 3 峰，这些文章从不同的侧面对e l e a r n i n g 进行了研究。另外王真星提出 了基于本体的计算机支持的协同学习模型2 4 1 ，以及使用本体解决跨学科的知识 描述问题，为资源提供语义标注以及使用户对资源进行语义查询的思想，但这些 研究还处于理论研究阶段。 国外进行理论、模型方面的研究主要是上面介绍的标准研究，其他方面的研 究不是很多，有研究学习者本体的【2 5 】、研究测试本体的2 6 1 、以及研究学习目标 和设计基本原理的【2 7 】等。 ( 4 ) 实现技术方面的研究 我国在e l e a r n i n g 系统实现技术方面的研究主要集中在x m l 和元数据的应 用上 2 3 , 2 8 , 2 9 , 3 0 , 3 1 】，大都研究的是x m l 或元数据在教学系统中的应用，近年来也 出现了一些研究语义网技术的文章 1 6 , 1 7 j 。其中，x m l 和元数据的应用相对成熟， 而语义网技术的应用还处于探索、研究阶段。 国外在该方面的研究主要集中在语义网技术的应用上，应用最多的就是其中 的本体技术 1 8 , 3 3 , 3 4 , 3 5 , 3 6 】。 由此可见，e - l e a r n i n g 系统的实现技术已由x m l 和元数据过渡到语义网中 的本体。 1 2 2 存在问题分析及解决方法 e l e a r n i n g 系统是现代远程教育及c b t ( c o m p u t e r - b a s e dt r a i n i n g ) 的平台 第l 章绪论 具有强劲的发展前景。尽管市场中已经有很多e l e a r n i n g 或者与e l e a r n i n g 相近 的产品，但这些产品普遍不成熟，存在很多问题，这些问题主要包括以下几个方 面： ( 1 ) 学习资源标准不统一，这导致不同的系统之间不能进行学习资源交换， 不能有效实现学习资源的重用和网上搜索。 ( 2 ) 大部分现有的e l e a r n i n g 系统缺乏统一的明确的概念化知识表示，隐 含的知识表示使教学资源难以共享和重用，导致教学资源的重复开发，造成大量 财力、人力的浪费。 ( 3 ) 学习效果不理想，从学习资源的设计到学习模式的设计都不能满足学 习者的要求，不能实现学习者按需学习、个性化学习、协作学习、快乐学习的需 要。 ( 4 ) 静态网页，缺乏交互。很多网站的教学内容是简单的将教科书的内容 电子化后存放在网站上，学习者浏览网页裁像翻书一样，由于缺乏交互性无法激 发学习者主动的学习兴趣。 ( 5 ) 检索效果差。纵观国内外的e l e a r n i n g 系统，尤其是国内的e - l e a r n i n g 系统，只提供对某个课程的检索，而不提供对某个知识点的检索；另外，目前的 检索方法主要是基于关键词的机械式匹配来检索，此方法有两个缺陷：查不全、 查不准，系统往往不能给用户提交满意的结果。 针对上述问题，本文提出以下解决方法： ( 1 ) 采用元数据标准描述资源。目前用来描述教育资源的元数据标准有很 多( 详见2 1 3 节) ，本文采用应用较为广泛的d u b l i nc o r ee d u c a t i o n ( d c e d u c a t i o n ) 元数据标准对学习资源进行语义标注解决学习资源标准不统 一的问题。 ( 2 ) 使用本体表示课程知识。本体是共享概念的明确的形式化规范说明， 是为了解决语义问题、实现某种程度的重用和共享而提出的一种技术。本文采用 课程本体( c o u l s eo n t o l o g y ) 、内容本体( c o n t e n to n t o l o g y ) 、上下文本体( c o n t e x t o n t o l o g y ) 和结构本体( s t r u c t u r eo n t o l o g y ) 表示课程知识，并根据这四种本体对 教学资源进行所属课程、内容、上下文和结构四个方面的描述，解决教学资源的 共享和重用性差的问题。 第1 章绪论 ( 3 ) 提供个性化学习环境。通过考虑学习者的个性特征，激发学习者主动 的学习兴趣，最大程度的提高学习效果。 ( 4 ) 提供多种检索方式，并对检索结果进行适当的处理。本文通过实现导 航检索和语义检索来解决检索效果差的问题，并对其检索结果进行分类排序处 理，可以给用户返回更好的检索结果。 1 3 本文所做工作 在本次毕业设计中，笔者主要围绕本体在e l e a r n i n g 系统中的应用开展了相 关的研究与实践工作。主要工作涉及元数据标准研究、本体技术研究、语义标注、 以及检索等方面，具体工作如下： 元数据标准研究。主要研究元数据的定义、特点、描述教育资源的元数 据标准及元数据在网络教育中的应用等。 本体研究。主要研究本体的相关概念、本体的构建方法与准则、本体的 描述语言及本体的应用等。 本体的构建。主要研究本文提出的四种本体( 课程本体、内容本体、上 下文本体和结构本体) 的构建方法，本体的编辑工具使用p r o t e g e 3 0 。 本体的表示。主要研究采用w 3 c 推荐的最新标准o w l ( w e bo n t o l o g y l a n g u a g e ) 表示本体的方法。 本体的解析。主要研究使用j e n a 如何解析本体中的类、属性和约束。 本体的查询。主要研究两种查询模式：基于图的查询以及基于查询语言 r d q l ( r d fq u e r y l a n g u a g e ) 的查询。 提出一个基于本体的e l e a r n i n g 系统框架模型o e l s ，并开发了一个原 型系统。 语义标注。目前，自动语义标注是摆在语义w e b 和w i ( w e b i n t e l l i g e n c e ) 研究者面前的一项艰巨任务，由于技术上的局限性，本文主要研究如何根据 d c - e d u c a t i o n 元数据和已构建的本体通过人工的方式对教学资源进行语义标注。 导航检索的实现。主要研究如何对教学资源进行分类组织，以及基于本 体实现导航检索的算法。 语义检索的实现。主要研究如何根据用户请求去匹配语义上相同、相近、 第l 章绪论 相包含、相扩展的概念，以及基于本体实现语义检索的算法。 分类排序的算法。主要研究如何对语义检索返回的结果进行分类排序处 理及相应的算法。 1 4 本文组织结构 本文共六章，其中各章主要内容如下： 第一章是绪论。主要介绍了e l e a r n i n g 的研究背景、定义、特征及研究现状， 分析了目前e l e a r n i n g 系统中存在的问题，并给出了相应的解决方法，最后指出 了本文所做的工作及论文的组织结构。 第二章是元数据与本体技术。主要介绍了元数据的定义、特点、应用和描述 教育资源的元数据标准，以及本体的相关概念、描述语言、构建方法及其应用， 最后介绍了元数据和本体的关系。 第三章是基于本体的e - l e a r n i n g 系统框架o e l s 。本章首先介绍了系统的设 计目标，然后提出了基于本体的e l e a r n i n g 系统框架模型o e l s ，并描述了各个 模块的功能。 第四章是o e l s 关键技术研究。本章主要研究了系统实现时涉及到的关键技 术：本体的构建、本体的表示、本体的解析、本体的查询、以及语义标注、导航 检索、语义检索及分类排序的实现方法。 第五章是原型系统实现。本章首先介绍了系统开发平台及使用到的工具，然 后给出了系统运行的实例。 第六章是总结与展望。本章对本文的工作进行了总结，并对将来的工作进行 了展望。 第2 章元数据与本体技术 第2 章元数据与本体技术 2 。1 元数据及基于元数据的相关应用 2 1 1 元数据的定义 目前国内外研究领域对元数据含义的理解虽然存在认识深浅的区剐，但总体 上达成了共识。学者们大都认可“元数据是关于数据的数据”或“描述数据的数 据”的观点，但对于其具体含义，又有不同阐释 3 7 。 张晓林认为元数据是描述信息资源或数据等对象的数据，其使用目的在于： 识别资源，评价资源，追踪资源在使用过程中的变化，实现简单高效地管理大量 网络化数据，实现信息资源的有效发现、查找、一体化组织和对使用资源的有效 管理【3 8 】。 肖珑认为元数据“是用于提供某种资料的有关信息的结构化数据( s t r u c t u r e d d a t a ) ” 3 9 o 张智雄同志认为，元数据说得更具体一些，是指“描述任何i n t e m e t 数据和资源，促进i n t e m e t 信息资源的组织和发现的数据”【4 0 1 。李郎达同志引用 国际图联对元数据的定义：“元数据即描述资料的资料，可用来协助对网络电子 资源的辨识、描述、指示其位置的任何资料” 4 1 1 。刘嘉博士列举了5 个具有代 表性的元数据定义，并指出对元数据有必要进一步说明和解释：“元数据不一定 是数字形式的”，“元数据不只是与信息的描述相关”，“元数据可以来自各种不同 的资源”，“在信息对象或系统的生命过程中自然增加元数据”，“在元数据的常规 定义中，对前后出现的两个数据，应有较为宽泛的理解”t 4 2 1 。 2 1 2 元数据的特点 元数据具有如下特点： ( 1 ) 描述性：这是所有元数据最本质的特征。元数据是描述数据的数据， 它通过按一种约定俗成的规则来描述对象的手段来组织和管理信息资源。只有先 描述才会有组织和管理功能的发挥。 ( 2 ) 动态性：元数据不是静止不变的，它随着所描述对象的变化而变化。 第2 章元数据与本体技术 ( 3 ) 多样性：这是指元数据的类型多样。一个描述对象的元数据会有各方 面的特征。从不同的角度对其进行划分会产生不同的结果。 ( 4 ) 复杂性：这主要表现在两个方面：一方面，元数据既可以是集合概念 也可以是个体概念。元数据中还可以包括其他的元数据，另一方面，对不同的描 述对象，有些元数据项是必须有的，而有些却不一定强求，即强制性的元数据与 选择性的元数据共存。 ( 5 ) 多层次性：这方面是由元数据所描述对象的多层次决定的，另一方 面是由元数据使用对象的多层次性决定的。 ( 6 ) 支撑性：从某种程度上来说，元数据相对内容而言，处于次要的地位， 但又是必不可少的，起支撑的作用，它有效地维护所描述对象的原始性和完整性。 另一方面，元数据的支撑牲还表现在它与所描述对象的共存，能保证资源的长期 使用，在产生它的人、计算机系统乃至标准停用后，仍可继续使用。 2 1 3 描述教育资源的元数据标准 目前用来进行教育信息资源著录和标引的元数据标准主要有d c e d u c a t i o n 元数据、i e e el o m 元数据、g e m 元数据及我国的学习对象元数据信息模 型规范c e l t s 3 等。其作用在于：用户可以在不操作学习对象的情况下通过 元数据信息来了解学习对象的一些有用的属性，从而可以获取和更好地利用学习 对象；通过元数据所提供的信息，可以对学习对象进行有效的分类管理和查找： 用户可以从元数据信息中获取学习对象的评价信息，也可以把自己的评价加入 到元数据中，以便和他人共享；学习对象元数据为学习对象的互换和共享提供 支持】。下面简要介绍一下本文采用的d c e d u c a t i o n 元数据。 为有效地利用d c 元数据来描述教育资源，1 9 9 9 年8 月d c m i ( 都柏林核心 元数据首创计划) 建立了教育资源工作组( d u b l i nc o r ee d u c a t i o nw o r k i n gg r o u p ， d c e d w g ) ，于2 0 0 0 年l o 月提出了有关建议。该建议提出，直接将d c 元数据 集复用到d c e d 命名域上，并在d c e d 命名域内补充两个新元素a u d i e n c e ( 使 用资源的用户种类) 和s t a n d a r d ( 与资源相关的教育或训练标准) ，对d c r e l a t i o n 元素扩展一个限制属性c o n f o r m si o ( 资源所遵循的标准) ，复用i e e el o m 的三 个元素，即i n t e r a c t i v i t yt y p e ( 交互类型) 、i n t e r a c t i v i t yl e v e l ( 交互程度) 和t y p i c a l o 第2 章元数据与本体技术 l e a r n i n gt i m e ( n 常学习时间) 。2 0 0 2 年，d c e d 工作组向d c m iu b 提议为受众 元素增加一个新的限制属性l e v e l ，用以描述教育或培训l 部门，如学前教育。d c m i 教育元数据元素详见表2 - 1 【4 5 】： 元素名称r o f 属性 元素名称r d f 届性 瓷源名t i t i od c ：t “l e 权限r i g h t sd c ：r i g hc 8 创建者c r e a t o r叱：c r e a t o t关联r e l a t i o ”d cr e l e t i o n 主题s u b j e c t 资涌遵循标准肫1 a t i o n d e e dr e i a t i o f tc o n f o r m s u o l l r o r m st ot o 说明d e s c r i p t l o n 叱。d e s c r i p t i o n 出j 氍者p u b l i s h e rd c - p u b l i s h e r 使用资源的用户