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面向个性化学习的网上自助教学系统的本体研究 面向个性化学习的网上自助教学系统的本体研究 摘要 随着i n t e r n e t 的发展，现代远程教学在教育领域中 发挥着越来越重要的作用，教学资源作为一种可共享资 源，为读者提供了极具价值的信息。但是在传统的现代 远程教学系统中，当使用搜索引擎对教学资源进行搜索 时，往往会检索到许多不相关的信息，而且不同的读者 会得到相同的搜索结果。导致读者难以查找到与需求相 关的资源，难以实现相关资源的语义融合和较高的找准 率和找全率，使得传统的现代远程教学系统不能为读者 提供个性化服务，不能实现学生的个性化学习。这是由 于传统的现代远程教学系统对资源的表示不具有语义 信息，机器不理解这些信息表示的内容，在作者表达的 信息空间和读者要浏览的信息空间之间缺少一种统一 的联系机制。 针对目前现代远程教学系统中存在的不足，本文结 合国家自然科学基金项目面向资源自动发现的网络信 息空间结构化模型研究，提出厦向个性化学习的网上 自助教学系统。该教学系统基于某一个特定领域对教学 资源进行语义描述，使其具有机器可以理解的语义信 息。同时本文提出一种新的教学模式一一网上自助教学 模式，使学生能够进行自主地和自助地学习，解决传统 的现代远程教学系统中由于没有改变以教师为中心的 授课方式，而产生的统一的教学模式和学生自我设计的 矛盾。其创新点在于：1 、引入本体对教学资源进行语 义描述；2 、实现个性化搜索和浏览；3 、提出一种新的 面向个性化学习的网上自助教学系统的本体研究 “自助”教学模型，解决统一的教学模式和学生自我设 计的矛盾；4 、实现教学资源的组成部分的显示形式定 义和操作权限描述；5 、面向领域知识的自助教学系统。 本文引入本体对面向个性化学习的网上自助教学 系统进行本体分析和本体建模，同时使用本体描述语言 o w l ( w e b o n t o l o g yl a n g u a g e ) 对教学资源进行本体描 述，从而支持计算机解析、w e b 网传输和基于语义的查 询。并与该基金项目的另一个子项目基于领域知识的 网络信息个性化浏览空间的模型研究结合起来，实现 个性化浏览。本文最后以一个应用实例，验证了该系统 的可行性，体现了其应用价值。 关键词：本体，网上自助教学系统，领域知识，概念， 属性 面向个性化学习的网上自助教学系统的本体研究 t h eo n t o l o g yr e s e a r c ho fs e l f h e l p t e a c h i n gs y s t e mb a s e do nw e bf o r p e r s o n a l l z e ds t u d y a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n to fi n t e r n e t ，m o d e r n d i s t a n c e l e a r n i n gi sp l a y i n gam o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l ei nt h e e d u c a t i o n a lf i e l d a n d a ss h a r e d r e s o u r c e ，t e a c h i n g r e s o u r c ec a no f f e rv a l u a b l ei n f o r m a t i o nt or e a d e r b u ti n t h et r a d i t i o n a lm o d e r nd i s t a n c e l e a r n i n g ，w h e n u s et h e s e a r c h i n ge n g i n e t os e a r c hf o rt e a c h i n gr e s o u r c e s ，i to f t e n s e a r c hal o to fu n c o r r e l a t e di n f o r m a t i o n a n dd i f f e r e n t r e a d e r sw i l lr e c e i v et h es a m es e a r c hr e s u l t w h i c hc a u s e r e a d e rt ob ed i f f i c u l tt of i n do u tr e s o u r c ec o r r e l a t e dw i t h w h a th ew a n tt o d i f f i c u l tt or e a l i z er e l e v a n ts e m a n t i c m e r g ea n df i n d i n gr a t i n ga c c u r a t e l y a n dl o o k i n gf o rt h e w h o l er a t i n gh i g ho fr e s o u r c e a n dm a k et h et r a d i t i o n a l m o d e r nd i s t a n c e l e a r n i n g u n a b l et oo f f e r p e r s o n a l i z e d s e r v i c ef o rr e a d e r s ，c a n tr e a l i z et h a ts t u d e n t s p e r s o n a l i z e ds t u d y ，b e c a u s e t h et r a d i t i o n a lm o d e r n d i s t a n c el e a r n i n gd o e sn o th a v es e m a n t i ci n f o r m a t i o nt o t h e e x p r e s s i o n o f r e s o u r c e s ，t h ec o m p u t e r d o e sn o t u n d e r s t a n dw h a ti n f o r m a t i o ne x p r e s s e s t h e r el a c kak i n d o fu n i f i e dm e c h a n is mo fc o n t a c t i n gi n s p a c et h e a u t h o r e x p r e s s e sa n ds p a c et h er e a d e rb r o w s e s v 面问个性化学习的网上自助教学系统的本体研究 t h i s p a p e r c o m b i n e st h ef u n d p r o j e c t o fn a t i o n a l n a t u r a ls c i e n c e ar e s e a r c ho nas t r u c t u r e dm o d e lo f n e t w o r k e di n f o r m a t i o n s p a c e f o ra u t o m a t i cr e s o u r c e d i s c o v e r y ，p r o p o s et ot h es e l f - h e l pt e a c h i n gs y s t e mb a s e d o nw e bf o rp e r s o n a l i z e d s t u d ya i m i n gt o t h ed e f i c i e n c y e x i s t i n gt o t h em o d e r nd i s t a n c e l e a r n i n ga tp r e s e n t t h e t e a c h i n gs y s t e m d e s c r i b e s t e a c h i n g r e s o u r c ew i t h s e m a n t i cb a s e do nac e r t a i n s p e c i f i e f i e l d ，a n dm a k ei t h a ss e m a n t i ci n f o r m a t i o nu n d e r s t o o d b y t h em a c h i n e m e a n w h i l et h i sp a p e rp u t sf o r w a r dak i n do fn e wt e a c h i n g m o d e s e l f - h e l pt e a c h i n g m o d ew h i c hm a k e ss t u d e n t s s t u d y a u t o n o m o u sa n d s e l f - h e l p i n g ， s o l v e st h e c o n t r a d i c t i o nb e t w e e nu n i f o r mt e a c h i n gm o d ea n ds t u d e n t s e l f - d e s i g n i nt h et r a d i t i o n a lm o d e r nd i s t a n c el e a r n i n g t h ei n n o v a t i o n sa r e ：1 s e m a n t i cd e s c r i b e t o t e a c h i n g r es o u r c e sw i t h o n t o l o g y ； 2 r e a l i z e p e r s o n a l i z e d s e a r c h i n gf o r a n db r o w s i n g ；3 p r o p o s et oak i n do fn e w s e l f - h e l pt e a c h i n gm o d e l ，s o l v et h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e n u n i f o r m t e a c h i n g m o d ea n ds t u d e n t s e l f d e s i g n ；4 r e a l i z et h a tt h ed i s p l a yf o r md e f i n eo ft h ec o m p o n e n to f t e a c h i n g r e s o u r c e sa n dt h e d e s c r i b i n g o f o p e r a t e t h e a u t h o r i t y ；5 s e l f h e l pt e a c h i n gs y s t e m o fb a s e do n d o m a i nk n o w l e d g e t h is p a p e r c a r r i e so n o n t o l o g i c a la n a l y s i sa n d o n t o l o g i c a lm o d e l i n g i n t r o d u c et o s e l f - h e l pt e a c h i n g s y s t e m b a s e do nw e bf o r p e r s o n a l i z e ds t u d yb yu s i n g o n t o l o g y a n d d e s c r i b e t e a c h i n g r e s o u r c e s o n t o l o g i c a l m o d e l b yu s i n g t h a t 1 a n g u a g eo w l ( w e bo n t o l o g y l a n g u a g e ) ，t h u ss u p p o r tc o m p u t e ra n a l y z i n g ，w e b v 1 n e t w o r k t r a n s m i t t i n g a n d i n q u i r y b a s e do ns e m a n t i c c o m b i n e t o g e t h e r w i t ho t h e r s u b p r o j e c t a n e t w o r k e d i n f o r m a t i o n p e r s o n a l i z e db r o w s i n gs p a c e b a s e do n d o m a i n k n o w l e d g e r e a l i z e p e r s o n a l i z e db r o w s i n g t h i s p a p e rh a s v e r i f i e dt h e f e a s i b i l i t y o ft h i s s y s t e mw i t ha a p p l i c a t i o n i n s t a n c e f i n a l l y ，h a v e r e f l e c t e di t s u s i n g v a l u e k e y w o r d s ：o n t o l o g y ；s e l f h e l pt e a c h i n gs y s t e m b a s e do nw e b ；d o m a i nk n o w l e d g e ；c o n e e p t ；p r o p e r t y v j 面向个性化学习的网上自助教学系统的本体研究 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，祟尚严谨学风。所￥交的学位 论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中己明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的作招及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：l 欺坼 日期：i 册3 月口 面向个性化学习的网上自助教学系统的奉体研究 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留井向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学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。 本学位论文属于 保密口，在年鳃密后适用本版权书。 不保密曰。 学位论立作者签名：7 奇、毛哥 指导教师签名 f 日期：0 j 哆耳月，墨 日期：7 一。f 年弓片日 面向个性化学习的网上自助教学系统的奉体研究 第一章绪论 1 1 引言 随着l n l e r n e t 的发展，远程教学从传统的广播、电视教学 开始向基于网络的现代远程教学发展。现代远程教学可以使教 师和学生之问交互式的教学过程突破时间和空间的限制，在教 育领域中发挥着越来越重要的作用。 现代远程教学中存在着很多教学资源，这些教学资源包括 音频、视频、文本、表格、源代码等多种形式。但是在传统的 现代远程教学系统中，当使用搜索引擎对教学资源进行搜索 时，往往会检索到许多不相关的信息，而且不同的读者会得到 相同的搜索结果。导致读者难以查找到与需求相关的资源难 以实现相关资源的语义融合和较高的找准率和找全率，使得传 统的现代远程教学系统不能为读者提供个性化服务，不能实现 学生的个性化学习。这是由于传统的现代远程教学系统对资源 的表示不具有语义信息，机器不理解这些信息表示的内容，在 作者表达的信息空间和读者要浏览的信息空阆之间缺少一种 统一的联系机制。 因此，本文提出面向个性化学习的网上自助教学系统。该 教学系统基于某一个特定领域对教学资源进行语义描述，使其 具有机器可以理解的语义信息，使得读者更容易找到所需信 息，而且不同的读者可以根据自己的需求查找到自己所需要的 信息，实现学生的个性化学习。同时本文提出一种新的教学模 式一一网上自助教学模式，提出“自助”的概念，使学生能够 进行自主地和自助地学习，解决传统的现代远程教学系统中由 于没有改变以教师为中心的授课方式，而产生的统一的教学模 式和学生自我设计的矛盾。 本文将首先分析目前远程教学系统的不足，从而提出面向 个性化学习的网上自助教学系统。并引入本体对面向个性化学 面向个性化学习的网上白助教学系统的本体研究 习的网上自助教学系统进行本体分析和本体建模，同时对教学 资源基于领域知识库进行本体描述。 1 2 研究背景 1 2 1 传统的现代远程教学存在的问题 远程教育( 或远距离教育) 是英文d i s t a n c ee d u c a t i o n 的 中译名。d i s t a n c ee d u c a t i o n 这一概念于l9 世纪7 0 年代在国际 教育赛开始流行，在8 0 年代初弓 入我国( ”。远程教育通常指师 生凭借媒体所进行的非面对面的教育，从本质上来说，远程教 育是一种与传统的学校面授教育不同的教育形式，其本质特征 是“教的行为与学的行为在时空上是分离的”。远程教育经历 了函授教学、广播电视教学、网络教学( 现代远程教学) 等阶 段，本文讨论的是现代远程教学。 现代远程教学就是以通信和信息技术为基础，使教师和学 生之间交互式的教学过程可以突破时间和空间的限制，从而实 现教学的目的。 传统的现代远程教学系统不支持个性化学习，主要体现在 以下几个方面： ( 1 ) 教学资源表示缺少语义描述，不支持个性化搜索和 浏览 在现代远程教育的实施过程中，教学资源是整个系统的一 个重要组成部分，它突破了传统教育资源在人员、地域、时空 上的多重限制，提供大量、全面、开放的资料，为网络教育的 成功提供了必要保障。 远程教学系统中存在着很多资源，而在传统资源管理方式 下，缺少对数据内容进行描述的元数据。信息资源缺少统一的 语义描述，机器很难理解数据的内容。自然语言处理技术。 ( n a t u r a ll a n g u a g ep r o c e s s i n g ，n l p ) 在这个领域展开了大量 的研究，但是依然面临着巨大的困难，信息查询的找准率和找 面向个性化学习的网上自助教学系统的本体研究 全率很难进一步提高，并且难以实现相关资源的语义融合。如 何使被管理信息资源具有应用程序可以理解的含义，方便用户 查找到与需求相关的信息资源，并根据信息资源所具有的领域 知识，实现信息资源的语义融合，这些问题是信息资源管理所 面临的挑战。如何有效整合网络教育资源以使其为教育和教学 所用，已经成为远程教育研究领域的一个重要课题。 由于资源缺少语义信息描述，目前的搜索引擎一般基于关 键字进行查询。搜索引擎是根据读者所输入韵关键字在已经建 立的数据库中查找相关数据并显示查找结果。这样使得搜索引 擎不仅具有低的查准率和查全率，而且不同的读者使用相同的 关键字查询得到的结果是完全一样的。但是，不同用户的需求 是不一样的，而且所得到的查询结果并不都是读者需要的信 息，不支持个性化搜索。例如，读者需要查询和“线性表”相 关的教学资源，但是“栈”和“队列”也都录属于“线性表” 这个概念。在基于关键字的搜索时，只会搜索到教学资源中包 含“线性表”的内容，而不会搜索到与“栈”和“队列”相关 的其他内容，并且不同的用户都会得到同一搜索结果。 ( 2 ) 没有解决统一的教学模式和学生自我设计的矛盾 目前的网络远程教学中，无论是基于实时方式的视频会 议，还是基于非实时方式的课件学习，学生学习的内容、学习 的形式都是按照既定的模式进行。学生通过视频会议实时地获 得教师的授课信息，只是相当于传统的课堂教学在空间上的扩 展，没有改变以教师为中心的授课方式。教学课件是按照教学 课件制作者的思维来编排整个课程系统，不同的学生面对的是 相同的课程安排，没有解决统一的教学模式和学生自我设计的 矛盾。 ( 3 ) 缺乏对教学资源的组成部分的显示形式定义和操作 描述 对于相同的教学资源，传统的现代远程教学系统通常以相 面向个性化学爿的网上自助教学系统的本体研究 同的形式显示出来，而且看到的是相同的内容。 教学资源由不同的组成部分构成。对于相同的教学资源， 不同的用户往往希望得到不同的显示形式，看到不同的界面； 而且不同的用户也希望根据自己的需求看到与其相关的不同 的组成部分，而不是看到所有的内容。例如：教学资源一一学 生提交的报告由不同的段落构成，不同的段落具有不同的语义 信息用户希望可以根据自己的需求看到特定的段落，而不是 所有段落。 虽然目前的现代远程教学系统可以根据不同的用户规定 其不同的读写操作。但是对于教学资源的不同组成部分不能根 据用户类别定义不同的操作权限。 1 2 2 目前的相关研究 ( 1 ) 语义w e b 和o n t o l o g y 为了实现面向机器理解的万维网，t i mb er n e r s - l e e 于2 0 0 1 年正式提出了语义万维网1 4 1 ( s e m a n t i cw e b ) 。语义万维网是当 前万维网的扩展，扩展之后，万维网上的信息具备良好定义的 含义，可以帮助人类和计算机更好地协同工作。语义万维网 的基本体系结构如图1 1 所示：语义万维网体系结构包括七层， 各层的基本功能和相互关系如下： 图1 i 语义万维网层次 ( 摘自b ! ! 乜；型堂型堡：堡3 ：q ! g 2 q 鱼】i 墨! 垦s q 2 2 苎：! b ! s ! i 垡5 二q ：! ! ! 盟1 ) u r i s 和u n i c o d ew e b 环境下的应用之间不可避免地需要 面向个性化学习的网上自助教学系统的本体研究 相互通信，以机器可读的格式传递或发布信息，这些信息中很 大一部分是对w e b 上资源的描述。x m l 、n a m e s p a c e 、x m l s c h e m a 在u r i 和u n i c o d e 之上，是x m l 及相关技术层。x m l 允许用户根据需要自定义一些“有意义的”标签，对所发布 信息的内容进行标记，并使用文档类型定义( d o c u m e n tt y p e d e f i n i t i o n ，d t d ) 或x m ls c h e m a 来约束这些标签的结构【6 。 r d f 、r d fs c h e m ax m l 层之上是数据互操作层一一资源描述 框架( 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 ，r d f ) 和r d fs c h e m a s 。 r d f 本身并没有规定语义，但是它为每一个资源描述体系提供 一个能够描述其特定需求的语义结构的能力。从这个意义上来 说，r d f 是一个开放的元数据框架18 1 。这个元数据框架定义了 一种数据模型，可以用来描述机器能理解的数据语义。r d f s c h e m a 规范用r d f 进一步定义了建模原语【9 1 ，提供了r d f 模 型中使用的一个基本类型系统。o n t o l o g yr d fs c h e m a 可以定 义类、予类、超类、特性、子特性以及它们的约束，如：定义 域( d o m a i n ) 和值域( r a n g e ) 等。因此，从某种意义上说，r d f s c h e m a 本身就是一种简单的知识本体( o n t o l o g y ) 语言。但是 r d f r d f s 对特定应用领域词汇的描述能力比较弱，需要进行 扩展，我们把这个r d f r d f s 之上的扩展层称为知识本体层。 d f e n s e l 等人认为【l0 1 ：知识本体逐渐引起人们重视的原因在 于知识本体能够在人们和应用系统之间达成对术语含义的共 享和共同理解。而对同一概念的语义共享和共同理解恰恰是构 建语义万维网的关键。l o g i c 、p r o o f & t r u s t 到目前为止，利用 r d f r d f s 以及对r d f s 进行扩展的一些知识本体语言可以 对万维网上的资源内容做出描述。仅有这些描述还远远不够， 基于语义的万维网应用还需要根据特定的规则从这些描述性 的知识中进行推理。逻辑层的目标就是提供一种方法来描述规 则j 。 0 n t o l o g y 通过对概念的严格定义和概念之间的关系来确定 面向个性化学习的网上自助教学系统的本体研究 概念精确含义，表示共同认可的、可共享的知识，从而解决上 面的问题。因此在语义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。 为了便于w e b 上应用程序使用方便，需要有一个通用的标 准语言来表示o n t o l o g y ，就像x m l 作为标准的数据交换语言一 样。目前正在开发中的语言有：s h o e 、o m l 、x o l 、r i b o w e b 、 r d f s 和0 i l 。 目前语义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 应用刚刚起步。 ( 2 ) 教育资源标准化的进展 九十年代以来，世界上有很多标准化( 学术) 组织都正在 致力于基于网络的教育资源标准化的研究，并起草了一些相应 规范，其中影响较大的有国际电子电气工程师协会学习技术标 准委员会( l t s c ) 编制的学习对象元数据模型( l o m ) 和 在线数字图书馆中心( o c l c ) 编制的都柏林核心元数据标 准( d u b l i nc o r e ) 。l9 9 6 ，由学术、政府和企业代表组成的l t s c 成立，并受到国际电子电气工程师协会资助，标号为i e e e p 1 4 8 4 【4 】。委员会的1 4 8 4 12 小组负责学习对象元数据规范的 制定工作，该小组对现有的标准进行了总结，形成了学习对 象元数据模型( l o m ) 。l o m 的最新版本是2 0 0 2 年7 月15 日发布的d r a f ts t a n d a r d 版。l o m 的元数据结构包括9 个数据 元素类别，4 7 个二级子数据元素。l o m 的数据元素不区分核 心元素( 或必须元素) 和扩展元素。 l9 9 5 年3 月，o c l c 和美国国家大型计算机应用协会 ( n c s a ) 组织了5 2 位来自图书馆、计算机和网络方面的专家 共同研讨开发了都柏林核心元数据标准。它规定了一个包 括15 个核心数据元素的最小集合，用于描述学习资源。这l5 个核心元数据元素分别是作者、覆盖、其它作者、臼期、描述、 格式、标识、语种、出版者、关系、权限管理、学科与关键词、 面向个性化学习的弼上自助教学系统的本体研究 标题和类型。现有的很多关于元数据的规范或多或少的受到都 柏林核心元数据标准的影响。都柏林核心元数据标准最新版本 是19 9 9 年7 月2 日发布的d u b l i nc or em e t a d a t ae l e m e n t s e t ，v 1 】版。 在世界范围，教育资源的元数据规范处于研究试验阶段， 并没有达到完善的程度。其中相对完备的是l o m 模型，它规 定了在网页页面中呈献学习资源时所应提供的一些基本元素， 但并没有规定这些元数据的实现，如它们的体系结构、编辑语 言、数据存取方法等。 1 2 3 课题背景 本课题是国家自然科学基金资助项目面向资源自动发现 的网络信息空间结构化模型研究的一个子课题。该项目针对 在w e b 网中难以发现期望信息资源的问题源头，构建一种直接 支持信息资源自动发现的网络信息空间结构化模型。提出结构 化网络信息空间的概念，研究支持这种概念的机制与技术，其 目标是引入一个模拟人类分类思维模式的全局统一结构，使机 器能够自主地进行联想，自动地把每一个读者的浏览空间和每 一个作者的表达空间联想映射地组织在一起，以利于网络信息 资源的自动发现和查找，使得每一位信息需求者都可以拥有一 个与其思维模式和习惯相容的完全个性化浏览空间成为可能。 该项目研究反映人类联想和分类思维特征的机器可联想 的信息单元模型，使每一个信息单元在网络环境下能够唯一地 标识；研究信息单元的语义描述机制，使机器能根据信息单元 的语义模拟人类思维活动对信息单元进行操作：研究支持结构 化网络信息空间的作者表达空间模型，使作者表达空间的信息 单元能够自动归入全局分类结构中的相应类别，使机器能对作 者表达空间中的信息单元进行联想搜索：研究基于结构化网络 信息空间的完全个性化浏览空间模型，建立读者信息需求的特 面向个性化学习的网上自助教学系统的本体研究 征模型，使机器能基于读者信息需求的语义在网络信息空间中 进行联想搜索。 1 3 面向个性化学习的网上自助教学系统的提出 传统的现代远程教学系统不支持个性化学习，主要体现 在：教学资源表示缺少语义描述，不支持个性化搜索和浏览： 没有解决统一的教学模式和学生自我设计的矛盾；缺乏对教学 资源的组成部分的显示形式定义和操作描述。 针对目前的现代远程教学系统中存在的不足，本文提出面 向个性化学习的网上自助教学系统。本文引入本体进行建模， 以支持学生的个性化学习。 面向个性化学习的网上自助教学系统的关键问题包括： ( 1 ) 面向个性化学习的网上自助教学系统的本体模型 提出一种新的教学模式一一网上自助教学模式，通过提出 “自助”的概念，使学生能够进行自主地和自助地学习。系统 的开发首先需要建立一个能够清晰、完整地表达用户观点的概 念模型。概念模型是对系统应用逻辑的清晰描述，它不仅是设 计人员之间以及设计人员与用户之间的有效交流工具，也是后 续开发工作的设计依据。本文将本体论应用在网上自助教学系 统的设计中，通过定义概念以及概念之间的关系进行本体建 模。 ( 2 ) 教学资源的数据本体建模 将教学资源的本体模型分为数据模型和操作模型。数据模 型基于都柏林核心元数据标准( d u b l i r lc o r e ) 进行本体建 模，通过对教学资源的数据模型进行本体描述，使其具有机器 可以理解的语义信息，使得读者更容易找到所需信息，实现信 息资源的语义融合，并且使得不同的用户可以根据自己的需求 查找到自己所需要的信息。 ( 2 ) 教学资源的操作本体建模 面向个性化学习的网上自助教学系统的本体研究 通过对教学资源的操作模型进行本体描述，使得对于相同 的教学资源，不同的用户得到不同的显示形式，看到不同的界 面；而且不同的用户根据自己的需求看到与其相关的不同的部 分，而不是看到所有的部分。同时对于教学资源的不同组成部 分根据用户类别定义不同的操作权限。 1 4 论文的主要工作内容 本论文针对网上自助教学系统研究中的关键问题展开研 究。论文是国家自然科学基金项目“面向资源自动发现的网络 信息空间结构化模型研究”的子项目，同时结合面向网络资源 自动发现的语义服务器研究和基于领域知识的网络信息个性 化浏览空间的模型研究等其他相关子项目进行研究，并引入该 子项目的面向领域的知识库进行建模。本文将本体引入该系 统，采用本体论的方法论进行建模，解决目前的网络远程教学 中存在的不足。将本体引入到远程教学中有羞广阔的应用前 景，但要达到这一目标还需要做许多研究工作，希望本文的工 作能为相关研究提供有益的帮助。 主要工作内容包括： ( 1 ) 面向个性化学习的网上自助教学系统的本体模型 由于传统的现代远程教学系统中由于没有改变以教师为 中心的授课方式，而产生的统一的教学模式和学生自我设计的 矛盾，没有体现学生学习的个性化发展。本文提出一种新的教 学模式一一网上自助教学模式，提出“自助”的概念，使学生 能够进行自主地和自助地学习。并用本体的分析方法对该系统 进行建模。 ( 2 ) 教学资源的数据模型的本体描述 通过对教学资源的数据模型进行本体描述，使其具有机器 可以理解的语义信息，使得读者更容易找到所需信息，实现信 息资源的语义融合，将分散在各种异构系统中的相关信息方 面向个性化学习的网上自助教学系统的本体研究 便、快速地融合后呈现给用户，使得不同的用户可以根据自己 的需求查找到自己所需要的信息。 ( 3 ) 教学资源的操作模型的本体描述 通过对教学资源的操作模型进行本体描述，使得对于相同 的教学资源，不同的用户得到不同的显示形式，看到不同的界 面；而且不同的用户根据自己的需求看到与其相关的不同的部 分，而不是看到所有的部分。同时对于教学资源的不同组成部 分根据用户类别定义不同的操作权限。 ( 4 ) 原型系统的设计与开发 设计面向个性化学习的网上自助教学系统的原型系统，实 现该系统的具体操作，通过引入本体描述实现面向领域知识的 资源表示和操作描述，体现学生学习的个性化，验证本文提出 的理论知识及面向个性化学习的网上自助教学系统可行的。 1 5 论文的组织结构 论文共分六章，各章节内容简述如下： 第一章绪论，首先说明论文的研究背景，介绍远程教学 系统目前的现状，并提出面向个性化学习的网上自助教学系统 的本体研究。最后介绍论文的工作内容和创新点，并给出论文 的组织结构。 第二章提出面向个性化学习的网上自助教学系统，介绍 本体的基本理论，并引入本体对该系统进行建模。 第三章对教学资源一一学生提交的报告进行本体建模。 通过对报告的数据模型和操作模型进行本体描述，不仅为该教 学资源添加机器可以理解的语义信息，也实现对该资源的个性 化操作，体现学生个性化学习。 第四章介绍本体建模工具p r o t 6 9 6 和本体描述语言，并进 行原型系统的设计与开发。 第五章面向个性化学习的网上自助教学系统的原型系统 面向个性化学习的网上自助教学系统的本体研究 的实例，验证本体在面向个性化学习中的应用。 第六章总结了本文主要研究工作及贡献，提出了进一步 研究的方向和展望。 面向个性化学习的网上自助教学系统的本体研究 第二章面向个性化学习的网上自助教学系统的 本体模型 2 1 “自助”教学模式的提出 当今社会已经进入信息社会，信息社会对高层人才培养和 高素质人才培训提出了新的要求，而信息技术又为发展教育、 培养专门人才和提高劳动力素质提供了机遇。目前的现代远程 教学中，无论是基于实时方式的视频会议【”，还是基于非实时 方式的课件学习，学生学习的内容、学习的形式都是按照既 定的模式进行。学生通过视频会议实时地获得教师的授课信 息，只是相当于传统的课堂教学在空间上的扩展，没有改变以 教师为中心的授课方式。教学课件是按照教学课件制作者的思 维来编排整个课程系统，不同的学生面对的是相同的课程安 排，没有解决统一的教学模式和学生自我设计的矛盾。 针对目前的现代远程教学中存在的这些不足，本文提出面 向个性化学习的网上自助教学系统，以鼓励学生在学习过程中 的自主性和自助性。这里的“自助”是指学生自己相互之间提 供学习的知识，每一个学生可以在其他学生所提供的知识集中 选择自己感兴趣的内容进行学习，使教学活动的中心由教师移 向学生。 面向个性化学习的网上自助教学系统为学生提供一个可 以自主学习、自助学习的异步式交互平台。该系统提出“自助” 的概念。体现教学模式的转变，如图2 1 所示。 面向个性化学习的网上自助教学系统的本体研究 传统的网络教学系 知识集 网上自助教学系 图2 一l 网上自助教学系统教学模式的转变 传统的网络远程教学仍然是以教师为中心，学生学习的内 容都是由教师直接或间接提供的。在面向个性化学习的网上自 助教学系统中，学生学习的内容是由学生自己相互提供的。学 生通过提交报告的方式，将学习内容发布到网上，从而形成了 一种网上资源一一知识集。学习的时候，学生根据自己的需求， 在知识集中自选内容进行学习和讨论。不同的学生按照其自我 设计，获取的知识和知识序列是不同的，从而可以使学生得到 个性化发展。 虽然是学生“自助”地学习，但不是盲目地学习，而是在 教师的指导下“自助”地学习。该系统提供教师在课堂以外对 学生进行指导的可能，通过学生在网上讨论的内容来发现教学 过程中值得注意的问题，可以使教师对学生的指导更有针对 性。 2 2 与传统现代远程教学系统的区别 ( 1 ) 引入本体就教学资源进行语义描述 本文引入本体对网络教学资源进行本体表示，添加机器可 以理解的信息，并使用本体对元数据进行表示和约束，对报告 进行格式制定和对约束进行严格的限制。使网络教学资源具有 机器可以理解的语义，用户可以快速查找到与需求相关的资 血向个性化学习的网上自助教学系统的本体研究 源，实现相关资源的语义融合和较高的找准率和找全率。 ( 2 ) 实现个性化搜索和浏览 通过对网络教学资源添加机器可以理解的语义，同时结合 面向网络资源自动发现的语义服务器研究和基于领域知识的 网络信息个性化浏览空间的模型研究等其他相关子项目进行 研究，实现和浏览。对生成的报告进行基于本体知识库的查询、 推理、个性化搜索和浏览。 ( 3 ) 提出一种新的“自助”教学模式，解决统一的教学 模式和学生自我设计的矛盾 学生通过提交报告的方式，将学习内容发布到网上，从而 形成了一种网上资源一一知识集。学习的时候，学生根据自己 的需求，在知识集中自选内容进行学习和讨论。不同的学生按 照其自我设计，获取的知识和知识序列是不同的，从而可以使 学生得到个性化发展。这里的“自助”是指学生自己相互之间 提供学习的知识，每一个学生可以在其他学生所提供的知识集 中选择自己感兴趣的内容进行学习，使教学活动的中心由教师 移向学生。 ( 4 ) 实现教学资源的组成部分的显示形式定义和操作描 述 通过构建教学资源的操作本体模型，使得对于相同的教学 资源，不同的用户得到不同的显示形式，看到不同的界面；而 且不同的用户根据自己的需求看到与其相关的不同的部分，而 不是看到所有的部分。同时对于教学资源的不同组成部分根据 用户类别定义不同的操作权限。 ( 5 ) 面向领域知识的自助教学系统 根据网络信息资源所具有的领域知识，实现信息资源的语 义融合，将分散在各种异构系统中的相关信息方便、快速地融 合后呈现给用户。 面向个性化学习的网上自助教学系统的本体研究 2 3 本体的基本理论 2 3 1 语义与本体的关系 语义问题的研究始于哲学家对“意义”的思考。最早的自 然派哲学家所关注的主题是大自然与它的循环与变化，以及寻 找构成物质世界不变的本原。后来巴门尼德【l7 1 提出了“能被思 想的与能是的是一样的”的著名论断。从此，哲学家们从 直接寻求物质世界的本原发展到从思维的逻辑规则中去寻找 世界本质。为了澄清概念，亚里斯多德创立了逻辑学，在名词 之间的相互关系上建立了逻辑推理，提出了著名的三段论：大 前提、小前提、结论。 对人类语言、文字、符号所包含语义的本质研究，则始于 语言学家。语言学研究1 20 1 认为：在认知发育的过程中，人类在 大脑中建立了对世界的基本看法一一概念树结构，并通过语言 来表达这种概念树结构。语言学对语义问题研究的基本思路是 从表达“语义”的基本单位一一词汇语义开始研究，而后达到 对句子甚至是超句的语义理解f2 l l 。语言符号的“形音一一义 一一物”三者之间的关系，通常用图2 2 所示的符号学语义三 角来表示： 张艇拯代 - 陌习 ii 图2 2 符号学语义三角形 哲学、语言学侧重于面向人类理解的语义研究，而数理逻 辑和计算机科学则更加侧重于面向机器( 应用程序) 理解的语 义研究。计算机科学家结合人工智能领域中有关知识本体 面向个性化学习的网上自助教学系统的本体研究 ( 0 1 1 t o l o g y ) 的研究成果，考虑将现实世界语义用形式语言来 编码，即通过知识工程师，将某个领域内被公众所认可的知识 用形式语言编码。机器通过将符号( 语义标签) 向语义形式 编码的映射来实现对符号的语义理解。 2 3 2 本体的定义 本体( o n t o l o g y ) 是一个哲学的范畴，后来随着人工智能的 发展，被人工智能界给予了新的定义。本体能够以一种显式、 形式化的方式来表示语义。提高异构系统之间的互操作性，促 进知识共享。在这个领域中，n e c h e s 等人27 1 ，最早对知识本体 作出定义：“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规则的定义”。这 个定义强调了本体是一种领域基本词汇的定义，将语言学研究 成果和人工智能领域知识表示联系起来。但是在人工智能领域 被普遍接受的却是s t u d e r 所作出的定义：知识本体是共享概念 模型的明确形式化规范说明【2 引。该定义包含4 层含义： 概念模型( c o l l ce p t u a l iz a t i o i l ) 通过抽象出客观世界中一些现象( p h e n d i n e l l o n ) 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。 明确( e x p l ic 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。 形式化( f o r m a l ) o n t o lo g y 是计算机可读的。 共享( s h a r e ) 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，它所针对的是团体而不是个体。 o n t 0 1 0 9 y 的目标是捕获相关的领域的知识，提供对该领 6 面向个性化学习的网上自助教学系统的本体研究 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， 2 3 3 本体的基本概念 本体论有“客观事物”和“概念事物”的概念。“客观事 物”是指客观世界中的真实事物。“客观事物”被人脑认识后 就变为人脑中的“概念事物”( 对象) 。人们通过事物的特性 来感