05 毕业论文_正文23.doc

工 湖南大学毕业设计(论文) 第 IV 页目 录第1章 绪论11.1 研究背景11.2 国内外研究现状21.3 论文的意义和主要工作41.3.1 论文意义41.3.2 主要工作41.4 本文的组织结构5第2章 系统相关概念62.1 学习环境的概念62.1.1 课程的概念82.1.2 课程与学习环境的关系102.2 学习对象的概念112.2.1 什么是学习对象112.2.2 学习对象的结构模型122.2.2 学习对象元数据相关标准132.3 本体技术的概念及应用142.3.1 本体的概念142.3.2 本体的分类152.3.3 本体的应用162.4 XML技术的运用182.5 小结19第3章 课程建模203.1 课程构建模型中的学习对象203.1.1 元学习对象203.1.2 复合型学习对象233.2 课程构建架构253.2.1 课程构建模型中的课程层253.2.2 课程构建模型中的章节层263.2.3 课程构建模型中的知识点层273.3 课程构建模型的建模283.4 课程本体的编码303.5 小结33第4章 总体设计与实现344.1 引言344.2 需求分析344.2.1 设计目标344.2.2 开发工具与平台354.3 总体框架364.4 功能设计与实现394.4.1 课程树的生成组件394.4.2 课程树编辑组件414.4.3 领域本体（OWL）文件的导入及显示模块434.4.4 课程树的打开与保存组件454.4.5 学习对象路径信息保存组件474.4.6 学习对象的检索与导入组件484.5 图形界面设计494.5.1 课程主界面494.5.1 学习对象检索界面524.6 小结52结 论53参考文献55致 谢57插图索引图2.1 学习对象结构12图3.1 元学习对象结构图21图3.2 复合型学习对象结构24图3.3 课程结构图25图3.4 课程内容组织图26图3.5 章节层内容组织图27图3.6 知识点内容组织图27图3.7 本体的建立及应用28图3.8 课程本体30图4.1 课程制作系统的体系结构图37图4.2 课程制作系统的软件框架图38图4.3 课程树示例图40图4.4 导入OWL本件40图4.5 显示课程树41图4.6 课程树节点添加42图4.7 课程树节点的删除43图4.8 导入本体文件44图4.9 查看本体44图4.10 课程树的保存46图4.11 课程树的打开46图4.12 学习对象元数据的搜索48图4.13 学习对象元数据的读取49图4.14 系统主界面50图4.15 学习对象检索界面52附表索引表2.2 LOM元数据14表3.1 不同层次的知识表示方法17湖南大学软件学院工 湖南大学毕业设计(论文) 第 58 页第1章 绪论1.1 研究背景进入21世纪，计算机和网络技术得到了广泛应用，e-Learning打破了传统教学时间和空间限制，以丰富的教学资源、灵活多变的教学形式和先进的教学理念为人们提供了一种全新的受教育的方式。e-Learning是当今国际国内教育发展新的生长点，也是现代教育技术的主流发展方向1。由于e-Learning，特别是基于Internet的远程教育，具有地域广泛性、技术复杂性、文化多样性等特点，使得大量的网上学习资源难以实现共享，不同的学习系统也难以互相沟通。虽然现行的网络技术已为学习资源在低水平上的自治与共享（例如通过HTTP和HTML）、学习活动的合作（例如通过各种网上通信工具）提供了基本技术条件，但是允许学习资源在课程知识和教学管理水平进行交换的标准却没有得到很好地认定，导致网上资源无法大范围的共享与交流。在传统教学过程中,人们已经深刻认识和体会到教学资源是教学成功最为关键的因素之一。优良教学资源不仅使教师的教学达到事半功倍的效果，更可使学习者真正学到需要的知识。高校远程教育成功的先决条件是拥有大量优秀的教学资源。对于我国日趋开放的教育环境而言，亦即需要在网络上提供大量的多元化教育资源，以满足不同的学习需要，从而使学习者在教师协助下能够根据自身特性和兴趣选择学习内容，激发学习者的学习动机和兴趣，克服传统教育中存在的教材落后的尴尬局面。单纯靠增加各类教育资源的手段来无限制地扩充远程教育系统中的各类教学内容将受到资源的多样性、术语的多变性以及其它因素的制约，因此在远程教育系统中建立一个完备的知识学习网络其难度相当大。国外高校远程教育提供的资源形式通常是电子教案或课件，国外公司网络教育提供的资源形式通常是课件，我国目前提供的网络教育资源形式通常也是课件2。由于学科之间、相关课程之间存在的相互渗透和交叉性，课件或教案的组成内容和形式决定了在资源内容建设上的重复性工作。随着教学资源的急剧增加，如何使教学资源的开发和设计成为一项增值工作是人们日渐关心的问题，这也是现代教育系统发展到一定阶段面临的新问题。如果将教育资源设计成以知识点为单位的学习对象，然后根据学习对象构造出各种可能的学习内容，这样既可以满足学习的需要，又可以扩充和丰富教学资源3，加快远程教育建设进程。学习对象作为一种可重用的教学资源不针对某门课程，而是能够融入其它上下文应用中形成不同的学习内容，即根据一定的方法组建出满足各种需要的学习内容，这样不但可以为课程的学习建立出一个良好的学习环境也可以最大限度地发挥学习对象的作用，从而体现学习对象的价值4。本论文的内容正是在这样一种背景下提出并进行的，目前引入学习对象来对课程框架设计的研究不多，可借鉴和参考的案例几乎没有。我们利用可重用学习对象思想，以教育学理论为基础进行课程组建方法的探索和研究。1.2 国内外研究现状国外对课程资源的研究：人们对于课程资源的研究首先是对课程目标、课程内容来源的研究。杜威、博比特、查特斯等一批课程研究的先驱对此作出了长期而深入的研究。R.W.泰勒在前人研究基础上，在其名著课程与教学的基本原理5中明确提出了课程目标的三个来源:对学生的研究、对当代社会生活的研究、学科专家的建议。到了20世纪七十年代美国的课程研究者开始关注有关课程资源的开发与利用问题。如沃伦、托尼等在1975年提出了在课程设计时利用资源的一般步骤6:1.开展社会调查，揭示应具备的知识、技能和素质；2.审查各种课程材料；3.确定知识、技能及素质。在课程与教学的基本原理发表25年后，泰勒在准备对该书作修改而发表看法时再次提出，要“改善整个教育系统”就需要“充分利用学校的资源” 他还进一步解释说，这些资源包括在学术领域里受过训练的教师、书籍和图书馆、实验室和工场。他在为国际教育百科全书撰写课程资源条目时从目标资源、教学活动资源、组织教学活动资源、制定评估方案的资源四个方面表述了课程资源，从而使课程资源问题浮出水面。 今天，国外对课程资源开发与利用的研究已经渗透到各门学科的教学实践层面中，对于科学课程资源的研究更是颇多关注，其中以美国最为典型。这一点在美国科学教育的“2061计划丛书”中得到了充分的体现，几乎每本书中都专门介绍了美国已构筑成的科学课程资源系统并提出了开发与利用的具体建议。国内对课程资源的研究自教育部出台基础教育课程改革纲要（试行）的颁布并明确提出“积极开发并合理利用校内外各种课程资源”之后，国内逐渐开始了关于课程资源的研究。国内的这些研究中，尤以吴刚平、范兆雄、徐继存等一批学者的研究较为系统。吴刚平指出，课程资源的概念7,8有广义与狭义之分。“广义的课程资源指有利于实现课程目标的各种因素，狭义的课程资源仅指形成课程的直接因素”。他在通过不同角度对课程资源的种类进行了划分的基础上，提出了课程资源开发与利用的一般途径。吴刚平的研究在很大程度上得到了国内学者的认可，也为随后的课程资源研究打开了思路。徐继存、段兆兵等人从课程资源的来源、性质、物理特性、呈现方式等不同角度对课程资源作了更为详细的分析，并进而提出了课程资源开发与利用的原则9:开放性原则、经济性原则、针对性原则、个性原则。从而为人们对课程资源的开发与利用的实践提供了理论上的指导。1.3 论文的意义和主要工作1.3.1 论文意义为了搭建了一个良好的课程学习环境来对学习资源库中的学习对象进行管理，并将属于同一领域的学习对象按照一定的关系合理的组织起来形成一门专业性强、知识面广的课程。本课题的主要任务是在学习对象的基础上，结合学习资源构建标准、领域本体建模技术来构建一种课程模型并依据该模型实现一个课程制作系统。1.3.2 主要工作1.通过研究学习对象技术、领域本体、课程资源和学习环境提出一种课程构建模型。利用领域本体建模，从结构和内容上讨论建立可重用性高、共享性好、易于检索的课程资源的方法。2.使用领域本体依据课程构建模型定义了一个课程模板。3.在模型基础上实现一个课程制作系统。在该课程制作系统中主要责负：主界面的设计、课程树的生成与编辑、课程的打开保存等模块。（注：系统由我和何松两人完成，后者主要责负学习对象的创建、导入、检索等功能）1.4 本文的组织结构本文首先分析了国内外学习对象，领域本体和学习资源研究的状况以及存在的不足，通过对学习对象元数据（LOM）的仔细研究，提出一个基于学习对象的课程制作模型，并利用领域本体技术来建模，使用XML结合LOM元数据来描述模型，在课程制作过程中引入面向对象的思想并通过对关键模块的设计与实现的分析描述了课程制作系统的完整实现过程。本文主要分为以下几个部分：第一章 绪论，讨论了国内外研究现状及论文的主要研究工作，并给出本文的组织结构。第二章 学习环境的概念、课程概念及两者间的关系。并对课程构建中使用的学习对象、本体等相关技术进行介绍。第三章 在理解LOM和借鉴开发经验的基础上，实验性地创建一个课程构建模型为课程的开发和设计提供一个可参考的模板。第四章 给出基于学习对象的课程构建系统的设计和实现过程，并对研究成果进行了总结。在本文的结尾部分对架构的不足和待改进之处进行了分析和总结，对下一步的工作前景进行了展望。第2章 系统相关概念2.1 学习环境的概念目前在不同的领域中对学习环境的概念存在多种不同的理解。在教学论中，教学环境往往被定义为“由学校和家庭的各种物质因素构成的学习场所”或“课堂内各种因素的集合”（田慧生，1996，p5），主要内容是家庭、学校、课堂中的物质因素，而文献中往往又把教学环境称之为学习环境（田慧生，1996，p5）。因此教育技术学理论中的学习环境也往往成为教学环境的代名词，没有涵义上的区别，如美国教育技术学家Knirk.F.G（1979, 引自田慧生，1996）就明确将学习环境定义为“由学校建筑、课堂、图书馆、实验室、操场以及家庭中的学习区域所组成的学习场所”。但是，我们认为不管是教学环境还是学习环境都绝不仅仅是物质环境，它们都包含着物质之外的教学模式、教学策略、学习动机、学习氛围等因素。二者的区别在于教学环境是突出以“教”为主的环境，而学习环境是强调以“学”为主的环境。因此，本文讨论的学习环境有其特定的内涵，绝不仅仅是“学习赖以进行的物理环境”，更不只是讨论如何美化校舍、如何在教室中布置课桌椅等。还包括对教学过程中采用的教学模式、策略、方法等因素。国内外专家学者有关学习环境的观点有多种：（1）威尔逊（Wilson，1995）提出的学习环境场所观。他认为学习环境是一个学习者可以相互合作、相互支持的场所，在那里他们使用各种工具和信息资源参与问题解决的活动，以达到学习目标。此外，威尔逊还把学习环境分成三类：计算机微世界、基于课堂的环境（促进积极学习的丰富环境、抛锚式教学）、开放的虚拟环境。（2）珀金斯（Perkins，1991）对学习环境进行了要素分析。他认为所有的学习环境，包括传统的课堂，都是由一些组成部分或功能构成：信息库（Information banks）信息的来源或仓库。符号簿（Symbol pads）建构和操纵符号和语言的表面。现象域（Phenomenaria）呈现、观察和操纵现象的区域。建构组件（Construction Kits）已打包的内容组成部分集合，用于组装和操纵。任务管理者（Task managers）诸如设定任务、提供指导、反馈和指导中的变化的环境元素，如教师或学生。（3）杨开城（2000）认为将学习环境定位于学习场所，未能反映建构主义学习环境的核心内容。因此，他把建构主义学习环境概括为是一种支持学习者进行建构性学习的各种学习资源（不仅仅是信息资源）的组合。其中学习资源不仅包括信息资源、认知工具、人类教师等物理资源外，还包括任务情境等软资源。任务情境在学习环境中起着集成其它各种学习资源的作用。这种学习环境的资源组合观更注重智力环境、软环境的作用。（4）武法提（2000）认为学习环境不是一个静态概念，这种误解来源于“学习环境仅仅是物质环境”的判断。事实上，学习环境是一个动态概念，它与动态的学习进程是紧紧联系在一起的，因此他认为学习环境是学习活动展开的过程中赖以持续的情况和条件。根据这个定义，学习环境的要素就不仅仅是支撑学习过程的物质条件（场所、学习资源），而且还包括教学模式、教学策略、学习氛围、人际关系等非物质条件。（5）李芒（2003）在武法提提出学习环境的条件说（物质条件和非物质条件）的基础上，进而认为学习环境的非物质条件主要是指人与人、人与物质环境相互作用而产生的心理环境，也称为软环境或精神环境。而物质条件一般是指物理环境，或称硬环境和物质环境。在物质环境与心理环境对学习和教学的影响方面，李芒认为，心理学习环境对学生学习所产生的影响、起到的作用是决定性的，物理学习环境对学习和教学的影响必须通过心理学习环境才能发挥积极作用。（6）诺顿和维贝格（Norton & Wiburg，2002）认为学习环境应包括物理、知识和情感三个方面，即进行教学的物理空间（物理环境）、支持学习目标的软件、工具（知识环境）和与学习结果一致的体现适合学生的正确的价值氛围（情感环境）。（7）日本学者加藤幸次（1995）提出，学习可以在三种环境中进行，第一是人的学习环境，整体来说，教师是学习环境的主角，而教材、教室等都是辅助系统。第二是物理性的学习环境，学生按照物理性空间的认识产生学习活动，所以教师要顺着学习的生活习惯、学习方式，创始问题引起学生对学习环境的兴趣，并运用自己能力解决学习问题，这是教育者应该考虑的环节。第三是潜在的学习环境，即文化环境。他认为学习活动一定会受到文化、氛围的影响，营造一种非意图的但有价值的学习环境是相当重要的。学习环境不是简单物理意义上的场所，而是学习资源和人际关系的组合。其中既有丰富的学习资源，又有人际互动的因素。在本文中，课程被定义为学习环境了一个组成部分。由课程资源，人两者组成一个简单的学习环境。2.1.1 课程的概念“课程”一词，拉丁语词根的意思是指“跑道”。关于课程的概念10，较为常见的解释是“学习的进程”，也就是说不是静态的跑道，而是动态的跑的过程。即使人们都同意“学习的进程”这样的解释，但不同的课程观也存在着不同的理解。1.美国小威廉姆多尔说：“我将有意识地试图从过程发展、对话、探究、转变的过程的角度而不是从内容或材料(跑道)的角度出发来界定课程。”“以强调人与跑的过程，以及个体在学习的过程中，在转变与被转变的过程中的体验。这一观点既包括内容也包括过程，内容体现在过程之中，成为过程的一部分。”后现代课程观认为，课程是一种开放的系统，教学过程不仅是教师传授知识的过程，而且是师生在相互对话、交流的过程中探索未知，建构他们自己的课程，并使师生共同得到发展。这样，学习则成为意义创造过程之中的探险活动。2.美国新教育百科辞典对课程的解释“课程系指在教师指导下学习者学习活动的总体。” 其中包含了教育目标、教学内容、教学活动乃至评价方法在内的广泛的概念。3.课程是（书面的）活动计划杰出的课程理论家麦克唐纳（Macdonald）指出，学校教育应概念化为四个系统的相互作用。第一个系统是教（teaching），定义为各个个性系统（即教师）的专业倾向行为。第二个系统是学（learning），由学生进行的教师认为与学习任务有关的活动所组成。麦克唐纳把这两个系统组合成为第三个系统即教学（instruction），定义为在其中出现正规的教和学行为的活动背景，换言之，就是教一学系统（teachinglearning system）。他指出，虽然分别进行的教和学是个性系统（Personality system），但它们的组合即教学则是社会系统（social system）。学校教育的第四个系统是课程系统（curriculum system），跟教学一样也是社会系统。课程系统由最后成为一门课程的那些个别单位所构成，而麦克唐纳把一门课程定义为活动计划，即指导教学的计划。4.我国课程研究专家对课程的解释课程是教师、学生、教材、环境四因素动态交互作用的“生态系统”。学生与教师的经验是课程；生活是课程；自然是课程。分门别类的教材只是课程的一个因素，只有在和其他因素融合起来，成为课程“生态系统”的有机构成的时候，这个因素才发挥应有的作用。从以上列举的一些国内外课程的概念可以看出，课程概念是动态的、发展的，没有人可以预料明天的课程会如何定义，事实上没有人可以对课程下一个兼顾各种研究和思考需要的定义。而定义的初衷也只是使研究在一定范围内展开。本文中笔者认为课程是学习内容和围绕内容有计划开展的活动所构成的学习经历（learning experience）。2.1.2 课程与学习环境的关系E-LEARNINGNEWTECHNOLOGYDEFINITIONS（2001）中对学习环境的概念是这样界定的：学习环境（Learning Environment）是一种一揽子解决方案的软件，设计用来促进企业的在线学习。它包括了本学习环境中课程的学习管理系统应有的功能，但是不能跟踪非本学习环境中的课程。一套学习环境具有如下特征，有一个允许学生进入选课的界面，在课程教学期间可以在该环境中停留。该程序通常包括一个持续数周的课程的学术模型和一些自学部分。该学术模型通常由一个教师推动，在该教学环境中学生可以通过小组举行讨论研习会。许多学习环境通常包括为教师创建课程方便而提供的编辑功能。由前一节所述：课程是教师、学生、教材、环境四因素动态交互作用的“生态系统”。因此学习一门课程就需要一个相关的课程学习环境。在这个学习坏境中，可以方便有效的进行课程的教与学。本文就是要现实一个课程学习的平台（课程制做系统），该平台就相当于一个课程学习环境。老师可以在平台上面进行课程的制作。学生可以在平台上学习已制作好的课程。2.2 学习对象的概念2.2.1 什么是学习对象学习对象是在结合面向对象的计算机科学思想以及有关教学理论基础之上而产生的一种新型计算机辅助教学构件。面向对象的计算机科学思想使一个构件（component）能够在多种情境下重复有效地使用，这种具有高度价值的思想也就是蕴含在学习对象之后的基本理念：教学设计者可以建立适当大小的能在不同学习情境下多次重复使用的数字化教学构件。这种可重用、易组合的教学资源构件不同于传统的书本、录像带等教学媒体，也先进高级于现有水平的数字化教学资源，它应该能够为许多人在不同时间、地点都能接触并利用；此外，那些由多个学习对象集成的教学信息可以相互组合并快速更新，这就是学习对象与现有教学资源之间的根本不同之处。最早出现的“学习对象”（Learning Object）术语是1994年CedMA（Computer Education Management Association）协会会长H.Wayne Hodgins的一篇论文“Learning Architectures, APIs, and Learning Objects”的标题中。而2000年，他负责领导的IEEE P 1484学习对象元数据工作小组则正式采用“Learning Object”一词来描述这种可重用的学习资源构件。电气电子工程师协会（IEEE）在1996年成立国际性组织“学习技术标准委员会”（LTSC）来开发和推进教育技术标准的研究。它的学习对象元数据工作小组在2000年提出了一个工作定义（本文称之为广义定义）来描述这种小的教学构件：“学习对象是任何数字或非数字化的实体，这种实体可以在技术支持学习的过程中被利用、重用或作为参引”技术支持的学习实例包括基于计算机的训练系统、交互式学习环境、智能计算机辅助教学系统、远程学习系统、合作学习环境等，而学习对象的例子包括在技术支持学习的过程中用到的多媒体内容、教学内容、学习目标、教学软件及软件工具，以及参考到的个人、组织或事件等等。2.2.2 学习对象的结构模型我们结合学习技术标准委员会（LTSC）提出的学习对象的广义定义将其概括为：学习对象是基于单一的目标，建立在静态或交互式内容和教学实践活动上以元数据标识的新型辅助教学构件。根据定义给出学习对象的组成成分11如下图2.1所示：图2.1 学习对象结构学习对象可以看成由这五个元素构成：学习目标、元数据、学习内容、练习、评估 。学习目标：描绘学习者完成学习对象的学习后将获得的成果，是从学习内容中抽取出来的。元数据：用来描述学习对象信息的元数据文件。学习内容：静态的或交互式的学习内容。练习：针对学习内容的练习活动。评估：用于检测学习者对学习内容掌握程度的活动。2.2.2 学习对象元数据相关标准学习对象元数据（Learning Object Metadata），指的是学习对象中关于教育资源的描述信息。学习对象元数据相关标准非常多，包括DC、LOM、IMS MD、SCORM和CELTS3 等。这些元数据规范标准之间不是绝对独立的，而是有着相当紧密的关系。DC是最先产生的元数据标准，其他元数据规范标准都是在DC的基础上扩展而成的。IMS向IEEE的LTSC提交了IMS MD,LTSC在IMS MD基础上建立了LOMv1.0基本框架，形成了LOM草案。之后，IMS宣布IMS MD遵守LOM标准。SCORM模型中的元数据部分(以下简称SCORM MD)不是独立的，而是融入到它的CAM (ContentA ggregationModel，内容聚集模型)子规范中，它是在LOM和IMS MD的基础上形成的，它遵守LOM.下面主要介绍一下DC和LOM元数据标准。学习对象元数据标准-LOM学习对象元数据的标准经历了一个不断适应远程教育开展现状、针对性越来越强的过程。现在国际较为通用的为LTSC的LOM标准，其研究重点是管理、定位和评价学习对象所需的一套最小属性集。LOM 标准通过定义一个统一的元数据模型，为学习者或教育者等对学习对象的查找、评估、获取和使用提供支持。同时也支持学习对象的共享和互换LOM主要规范了九个方面的数据信息：1通用信息（General） 2生存周期（Lifecycle）3元元数据信息（Meta MetaData关于数据的数据）4技术信息（Technical）5教育信息（Educational）；6价值信息（Cost）7关联信息（Relation）8注释信息（Annotation）9归类信息（Classification）元数据的绑定：表2.2 LOM元数据类别说明通用（General）对学习对象进行整体描述的通用信息生存期（Lifecycle）与学习对象的历史和现行状态有关的属性及对学习对象的发展起到作用的个人和组织元元数据（Meta-metadata）关于元数据记录本身的一些信息技术（Technical）学习对象的技术要求和特征教育（Educational）学习对象的教育和教学特征权利（Rights）有关学习对象知识产权和使用条件的信息关系（Relation）该学习对象同别的学习对象的关系信息评注（Annotation）教学使用上对该学习对象的一些评价，以及这些评价的作者和创作实践等分类（Classification）该学习对象在特定的分类系统中所处的位置绑定是指从一个框架或规范到另一个框架或规范的应用或映射。具体讲就是用一种具体的形式来表示概念上的数据模型,如XML 绑定等等。只有这样,才能在实现时具体地表示对象的元数据实例,才能对元数据的实例进行各种操作。2.3 本体技术的概念及应用 在本系统中，本体主要是运用领域本体对具体的课程进行建模，并描术了课程，学习对象两者之间的关系。2.3.1 本体的概念本体（Ontology）最早是一个源于哲学的概念，是一种对“存在”的系统化解释，用于描述事物的本质。本体的概念和方法被IT领域采用，用于知识表示、知识共享和重用。直观地讲，本体是一个实体，是对某领域应用本体的方法分析、建模的结果，即把现实世界中的某个领域抽象为一组概念及概念之间的关系，本体的本质是概念模型。本体可以表示不同的事物: 术语表和数据词典、叙词表和分类法、 框架和数据模型、形式本体和参考等。一个本体其实就是一个用某种本体语言表达的控制词表, 该语言以语法规则限定了词表术语表达具体领域内容的方法, 该语法形式上规定了本体控制词表的术语如何共同使用。可以认为, 叙词表和分类法是一种有语法的简单语言(尽管实际上没有)。通常此种语言没有形式化,某种意义上说是没有形式化的语义。但是, 可以用UML 或形式化的本体语言创建一个模型, 并且有相同的意义。本体的目标是促进机器之间或机器与人之间的交流, 而可控词表、分类法、叙词表主要是规范人与人之间的知识交流。本体论的概念包括四个主要方面12:1.概念化(conceptualization) : 客观世界现象的抽象模型,其表示的含义独立于具体的环境状态;2.明确(explicit) : 概念及它们之间联系都被精确定义;3.形式化(formal) : 精确的数学描述, 计算机可读;4.共享(share) : 本体中反映的知识是其使用者共同认可的,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。尽管定义有很多不同的方式, 但是从内涵上来看, 不同研究者对于本体的认识是统一的, 都把本体当作是领域(可以是特定领域的, 也可以是更广的范围) 内部不同主体(人、机器、软件系统等)之间进行交流(对话、互操作、共享等) 的一种语义基础, 即由本体提供一种明确定义的共识。这种共识的目标主要是为机器服务。2.3.2 本体的分类本体的分类明确了不同本体之间的区别与联系, 虽然目前尚没有统一的本体分类方法,但较有代表性的分类方法有以下2种：1. N.Guarino提出了以详细程度和领域依赖度2个维度作为对本体划分的基础。详细程度高的称为参考( reference)本体,详细程度低的称为共享(share)本体。依照领域依赖程度,可以细分为顶级(top-level)、领域(domain)、任务(task) 和应用(application) 4类13。其中:顶级本体: 描述最普通的概念及概念之间的关系,如空间、时间、事件、行为等,与具体的应用无关,其他种类的本体都是该类本体的特例。领域本体: 描述特定领域(电信、汽车等)中的概念及概念之间的关系。任务本体: 描述特定任务或行为中的概念及概念之间的关系。应用本体: 描述依赖于特定领域和任务的概念及概念之间的关系。2. A.G.Prez在分析和研究了各种本体分类法的基础上, 归纳出10 种本体: 知识表示本体、普通本体、顶级本体、元(核心) 本体、领域本体、语言本体、任务本体、领域-任务本体、方法本体和应用本体。这种分类法是对Guarino 提出的分类方法的扩充和细化,但这10 种本体之间有交叉, 层次关系划分不够清晰。2.3.3 本体的应用 目前本体已经广泛应用于计算机及其相关领域。本体的功能及其应用领域可以概括为3 类:1.作为知识表示方法, 应用于知识工程和知识管理等。本体统一了领域中的术语和概念, 从而使知识共享和重用成为可能。如欧盟IST 资助的On-To-knowledge 项目开发了基于本体的知识管理工具集。2.作为系统分析方法, 应用于信息建模、面向对象分析和数据库设计等。本体建模过程澄清了领域知识的结构, 为信息系统的分析和设计提供了基础。3.作为信息语义的形式化表示方法, 应用于异构信息集成、多智能体系统、语义Web等。本体用显式、形式化的方法描述了领域中概念的结构以及概念之间的关系。基于本体可以实现基于内容的访问、异构信息语义层的集成和互操作。 本体与其他知识表示方法的区别:本体作为一种知识表示方法,与谓词逻辑、框架(frame) 等其他方法的区别在于他们属于不同层次的知识表示方法14 , 如表3.1所示。表3.1 不同层次的知识表示方法层次原语解释特征例子逻辑层谓语函数任意形式化一阶谓语逻辑认识层结构关系 任意结构性 语义网络、框架本体层本体关系 约束意义 本体概念层概念关系 主观概念化 概念语言层语言术语 主观语言依赖 汉语、英语例如，要表示“有1只红色的苹果”这一断言。逻辑层提供的知识表示原语是谓词和函数,可以表示为 x.apple(x)red(x)。但是对于谓词和函数的解释是任意的,谓词apple(x),red(x)也可解释为其他的含义。在认识层,如框架、语义网络等知识表示方法,提供了基本的认知结构，如概念、属性等,但是对于什么是概念、什么是属性等并没有指明。因此可以认为apple是概念,而red是它的颜色属性;也可以认为apple和red都是概念,他们之间通过color关系连接。在本体层,通过对领域实体的概念分析,确定了概念的结构和概念之间的关系,即确认apple为概念,它应有一个color属性,取值可以为red。而在概念层,将概念作为一个整体看待,概念的结构已经在本体层确定,即apple是已存在的概念,apple(red)表示红色的苹果。在语言层则使用具体的某种语言,如英语和汉语表示知识。因此,本体表达了概念的结构、概念之间的关系等领域中实体的固有特征,即“共享概念化”,而其他的知识表示方法如语义网络等,可以表达某个体对领域中实体的认识,不一定是实体的固有特征。这正是本体层与其他层次的知识表示方法的本质区别。本文引入领域本体技术，主要是为了之后在本体制作工具Protege_3.3.1中创建的一个TCP/IP课程owl实例中，详细的阐述课程框架结构，课程资源，学习对象三者之间的关系；并且在课程制作系统中，利用该关系，使学习对象的检索更加方便。2.4 XML技术的运用XML（Extensible Markup Language 可扩展标记语言）是用于数据交换的一种语言标准15，是W3C组织于1998年2月发布的标准。W3C组织制定XML标准的初衷是，定义一种互联网上交换数据的标准。在互联网世界，作为描述文档中数据及其结构的标记语言XML的用途主要有两个，一是作为元置标语言，定义各种实例置标语言标准；二是作为标准交换语言，担负起描述交换数据的作用。它具有SGML的灵活性和强大功能，并与广泛采用的HTML相结合。XML既可作为数据存储的机制，又可作为消息体，XML作为数据的“容器”具有天生的优点：XML的灵活性和扩展性使其可以对不同应用甚至是差异很大的应用间的数据进行描述；XML具有自我描述的特性，数据可以在不同的应用间进行交换与处理而不必要求相应的应用程序是针对该数据定制的； XML属于纯文本，可以作为与平台无关的数据格式；XML是开放的，能够在不同的用户和程序之间交换数据，而不论其平台如何；XML可以降低解析器的负荷，可成为各应用程序采用的信息互换的方法。XML并不是单独存在的，因为XML不只是用于一种数据格式的使用，它需要与多种相关的技术相互作用。XML的标准体系由一连串不同的“子标准”组成，它们共同定义和描述了文件表现与使用的各个层面。DTD即Document Type Declaration文档类型定义的简称。与HTML不同，XML没有自己固定标准的标记，用户使用自己的标记、属性或者是实体参考等就要自行定义它们。这些定义的工作就在DTD文档类型定义中进行。DTD为XML文档定义了该文档中应该或者是可以包含的元素、标记、属性和实体的一个清单以及它们之间的关系，即DTD为XML文档规定了一套专用的规则。 Schema是一种描述信息结构的模型，它是借用数据库中的一种描述相关表格内容的机制，它为一类文件树立了一个模式，这个模式规范了文件中Tag（标签）和文本可能的组合形式。XML Schema的目的是提供XML标记库，用来定义、描述和分类XML文档中的词汇。Schema相对于DTD的明显好处是XML Schema文档本身也是XML文档，而不是像DTD一样使用特殊的格式。这大大方便了用户和开发者，因为他们可以使用相同的工具来处理XML Schema和其他XML信息，而不必专门为Schema使用特殊工具。在本系统中，利用xml文件来保存课程树节点所对应课程资源的路径信息。2.5 小结本章通过：一，对学习环境及课程的概念进行讨论，给出本文中要在课程这个领域中来构建一个的学习环境。二，讲述学习对象与本体的概念，为下一章“课程构建”中课程资源，学习对象，本体三者结合形成课程模型提供相关的技术与理论基础。第3章 课程建模3.1 课程构建模型中的学习对象3.1.1 元学习对象元学习对象是教学内容的呈现载体，由一个或多个学习素材构成。我们在研究不同领域或国度的教学实践中发现，不论课程的组织结构如何，整个课程的内容均是由一系列最基本的知识点概念所组成，由此可见知识点就是组成课程这一有机体的原子。基于教育行业的习惯并结合学习对象的概念，本文中我们将元学习对象这个最小粒度的可重用学习对象定义为知识点， 学习对象是一种偏向内容的教学构件，它的内容设计应要满足良构重用的需要。这就是说一个学习对象应该能够独立完成此知识块的学习目标，而减少对外界的依赖。具体说来，有以下几点：面向对象并支持教学；根据特定的学习目标来设计；能够自给自足、自我包容内聚、独立存在；可聚合编列等。 元学习对象是围绕单个学习目标所建立的信息块，它将体现知识点教学内容的一系列学习素材封装组织在其中。由于元学习对象体现的是最小教学单元的内容，所以元学习对象也是最基本、可重用性最好的学习对象。学习素材是以元学习对象为载体呈现给用户的。元学习对象内部结构如图3.1所示，包括学习目标、学习素材列表、元学习对象的元数据描述、练习项和评估项。图3.1 元学习对象结构图元学习对象学习目标元学习对象的学习目标中是一系列的声明：描述了学习者学习该学习对象所能获得的学习成果，元学习对象的内容列表。学习目标使得元学习对象有了更加个性化的属性，从而为用户提供个性化的学习服务。学习素材学习素材是粒度最小的学习资源（asset）。它与学习对象之间的区别主要在于缺少学习目标和元数据这样的约束，以及练习和评估这样的学习活动项。通常我们按照学习素材物理资源组成成分分类可将学习素材分为：文本、音频、视频等，本文中给出另外一种分类方式。基于高校教育资源的特点，根据知识和内容结构不同，将学习素材分成四种类型:(Concept)概念型、(Fact)事实型、(Process)过程型、(Principle) 原理型。1概念型学习素材：概念型学习素材是对一组对象，符号，观念或事件用单个地单词或术语进行定义，共享公共特征并只在无关系特征中有区别。例如：user用户，forms窗体，router路由，needs需求或PSTN公共开关电话网络。2事实型学习素材事实型学习素材是以声明或数据或详细对象等形式对具体事物进行唯一、明确的信息描述。例如：关于思科2500型路由器配置手册，关于华为2403 楼道交换机的参数。3过程型学习素材过程型学习素材是个体完成任务或做决定所要遵循的步骤顺序或用来描述事物是如何工作的事件流程。一个过程包括指导说明或目标还包括每一次执行相同步骤的行为。一个任务并不一定只能一个人完成；许多人或一个组织也可以加入。例如：如何登录一台计算机，鉴别数据链路层问题。4原理型学习素材原理型学习素材是对学员提供行动指南的任务指导。为学习者提供不同情境下的指导方针，通过各种实例和非实例的具体应用来培养学习者的思维能力。例如：设计一个多层开关网络。元数据元数据部分描述了关于元学习对象各方面的描述信息，使得本对象能够区别于其它学习资源，能够被快速准确地检索并引用。用于描绘学习对象信息的元数据标准很多，而我国是采用基于LOM元数据规范的CELTS-3来描述学习资源，因此本文提到的学习对象采用LOM元数据规范进行描述，同时本文根据我国的教学特色，扩展了教学重点和认知水平这2个描述学习对象的元数据。教学重点和认知水平是LOM元数据中未涉及的。教学重点表示整个学习对象中意义重大的知识或技能，通常是整个学习对象中最需要掌握的知识或技能。LOM元数据中难度项只能表达教学难点的概念，但对于教学重点无法描述，因为难点不一定是重点，重点不一定是难点。和学习目标的重要性一样，认知水平也是一个重要的元素来界定学习者如何记忆和使用他们通过学习所获取的知识和技能。和学习目标合在一起时，认知水平确定了学习者需要做什么来证明已经记忆或掌握了学习对象。 练习和评估一个学习对象应该能够独立完成此知识块的学习目标，因此元学习对象中的练习项和评估项不是可选项而是必须项。设计优秀的练习是学习对象中很重要的因素，给学习者提供大量的动手机会来使用刚刚在学习对象中学到的知识和技能可以帮助学习者巩固这些知识和技能，同时提供有效的回馈给学习者，可以保持学习者的学习热情。评估项是针对学习者对所学知识的掌握情况进行测试，学习对象的评估主要是围绕学习目标来建立的，评估中获得的绩效是衡量学习者是否达到学习目标的标准。3.1.2 复合型学习对象复合型学习对象体现了课程各级概念间的逻辑组织结构16。它是一个递归的结构，一系列元学习对象可以聚合成复合型学习对象，一系列的复合型学习对象可以聚合成更高级别的复合型学习对象。在这种结构下一门课程甚至课程下的各级概念都可以作为一个学习对象存在，课程制作者就可以针对任意粒度大小的学习资源进行重用。由图3.2可以知道复合型学习对象也是由学习目标、学习对象列表、元数据描述、练习项和评估项组成。图3.2 复合型学习对象结构学习目标 复合型学习对象的学习目标也主要是一些描述性声明，作用和元学习对象一样。学习对象列表 复合型学习对象可以引用元学习对象和其它聚合程度较低的复合型学习对象，这些被引用的学习对象通过一定的组织关系来表现复合型学习对象的内容和结构。在制定教学策略的过程中，教师通常会考虑各种概念的难易程度（一般根据概念难易程度由浅入深地进行教学）和概念之间的关系（在学习某概念时需要其它概念作为基础）。元数据复合型学习对象元数据部分描述了关于本复合型学习对象各方面的描述信息。使得本对象能够区别于其它学习资源，能够被检索并引用。同节，本文在此不再赘述元数据的具体内容。 练习和评估 复合型学习对象练习和评估的作用于元学习对象相同在此就不再赘述。3.2 课程构建架构课程构建模型采用分层的方法来设计课程结构，层次间关系用树型结构表示。内容结构的组织上则使用学习对象技术，将课程构建模型的每一层都看成是学习对象，将课程模块化，把课程知识点定义为元学习对象，课程的章节和课程定义为复合型学习对象，这样可以利用学习对象的重用性高、互操作性好等特性来提高课程的可重用性、易组合性和互操作性。利用学习对象资源库中各种的学习对象的组合来生成课程大大丰富了教育系统的内容。相对传统教育系统教学内容和方式从创作方式产生了重大变化。课程构建模型将课程结构分为三层：课程层、章节层、知识点层。课程是模型中最大的复合型学习对象，章节是由知识点聚合而成，知识点作为元学习对象是粒度最小的，不可分的学习对象，这三层都是依据学习对象的结构来组织的。课程的层次结构如图3.3所示图3.3 课程结构图3.2.1 课程构建模型中的课程层课程构建模型中课程层的元素（如图3.4所示）有：课程学习目标、课程元数据、教学重点、认知水平、章节（1-n）、课程练习和课程评估。图3.