学习设计中学习目标的研究与应用

湖南大学 硕士学位论文 学习设计中学习目标的研究与应用 姓名 陈春磊 申请学位级别 硕士 专业 软件工程 指导教师 杨贯中 20070701 硕士学位论文 II 摘 要 随着信息互联网技术的发展 作为一种新兴的教育形式 网络教育是国内 外教育发展的新方向 受到越来越多的重视 e learning的产生和发展更加速了 网络教育的盛行 作为目前世界上对e Learning标准投入最深最积极的组织 IMS 制定出的规范类别也最多 其中IMS学习设计规范提供了一种描述方法 说明学 习者在学习环境中 以一定的顺序进行学习活动以达到预定的学习目标 学习目 标是学习设计中非常重要的元素 它是学习者关于要执行的学习活动预期结果所 要达到的标准 要求所作的规定或设想 学习者可以通过制定的学习目标来找寻 所需要的学习资源 以满足其欲进行学习活动的条件 本文将描述逻辑语言作为一种形式化语言来对学习目标进行描述 并应用 到领域本体的知识点中 本文的主要工作如下 首先 通过对本体与领域本体理论的研究 利用软件工程中的螺旋模型法 构建了计算机网络课程的核心领域知识本体 然后 通过对教学目标特点与功能的分析 对教学目标分类及其编写模式 的研究 找出了教学目标与学习目标之间的关系 并将教学目标的分类方法与编 写模式应用到学习目标当中 其次 分析了学习目标的组成结构与层次结构及其相关属性 并将学习目 标与学习活动 角色 先决条件等相关概念之间的关系进行分析和总结 构建学 习目标的概念模型与信息模型 通过对这些属性的形式化定义来形式化描述学习 目标 最后 开发一个实验系统 即个性化学习系统中的学习目标模块 该模块 在计算机网络课程的领域知识本体基础之上 实现了对领域知识本体中某知识点 学习目标的分析与制定 用户可通过该模块制定知识点学习目标 且该模块能够 返回一个结果供用户选择 该结果为学习者用户进行学习活动所需要的学习资 源 关键词 IMS 学习设计规范 学习目标 描述逻辑 领域本体 个性化学习 学习设计中学习目标的研究与应用 III Abstract With the development of Internet technology network education becomes a new direction of development of education at home and abroad which receives more and more attentions and which accelerated by e learning As the most active organization that is responsible for e learning standardization IMS establishs lots of specifications IMS s learning design Specification gives a description method which describes the learning objective which learner can gain by executing some learning activities orderly in the learning environment Learning objective is the key element of learning design and it is the provision or assumption which made by learner to meet the standards or requirements of learning activities Learners can make up learning objective to search learning resources to meet the conditions of learning activities This paper described the learning objective with the logic language as a formal language and applied into the domain ontology Includes following outcomes Firstly after the study on ontology and domain ontology constructed key domain knowledge ontology of computer network course Secondly after the analysis of the feature and functionality of pedagogical objective and by studing the classification and writing patterns of pedagogical objective gained the relationship between pedagogical objective and learning objective and applied the classification and writing patterns of pedagogical objective into the learning objective Thirdly analysed the components structures and attributes of learning objective and studied the relationship between learning objective and learning activities roles prerequisite and so on constructed the concept model and information model of learning objective and formalized the learning objective by formalized the atrributes Finally developed a demo system learning objective module for learning system which based on the computer network course knowledge ontology and implemented analysis and establishment of learning objective Users can establish learning objective on certain knowledge by that module which can return a result the learning resource users needed for their learning atctives for user to choose Key Words IMS learning design Specification learning objective description logic Domain Ontology individualized learning 学习设计中学习目标的研究与应用 VII 插图索引 图 2 1 计算机网络本体中部分概念的层次结构 15 图 3 1 学习设计的概念模型 24 图 3 2 学习设计的信息模型 26 图 3 4 学习单元的结构 27 图 4 1 学习目标组成结构图 37 图 4 2 学习目标层次结构图 38 图 4 3 学习目标集组成结构图 38 图 4 4 课程概念树 38 图 5 1 学习目标概念模型 40 图 5 2 IMS 学习设计规范简要信息模型 42 图 5 3 学习目标信息模型 43 图 5 4 TCP 协议实例的 UML 活动图 45 图 6 1 需求分析用例图 51 图 6 2 Prot g 编辑界面示意图 53 图 6 3 学习目标模块设计图 54 图 6 4 学习目标制定过程设计图 55 图 6 5 学习目标制定过程主要组件结构图 56 图 6 6 制定学习目标页面 57 图 6 7 分配学习活动与资源页面图 59 图 6 8 用户学习结果图 60 硕士学位论文 VIII 附表索引 表 2 1 四种基本关系及其描述 9 表 2 2 ALC 的语法及语义 19 表 4 1 认识动词分析模式分层与认识动词表 33 表 6 1 用户 A 在不同学习活动中的知识点测试成绩 59 I 湖湖 南南 大大 学 学位论文原创性声明 学 学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果 除了文中特别加以标注引用的内容外 本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品 对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担 作者签名 日期 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本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 学校保留并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 被查阅和借阅 本人授权湖南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 1 保密 在 年解密后适用本授权书 2 不保密 请在以上相应方框内打 作者签名 日期 年 月 日 导师签名 日期 年 月 日 学习设计中学习目标的研究与应用 1 第 1 章 绪论 1 1 研究背景与意义 21 世纪 以网络通信技术和多媒体技术为核心的信息技术正在改变着人们 的生活环境和生活方式 而知识的日新月异 信息的不断更新促使我们所处的社 会必须向学习型社会转变 传统的学习方式和学习策略不断受到冲击 与此同时 网络和多媒体技术也为这种转变提供了契机 为教育的发展注入了新的活力 使 教育的发展产生了质的飞跃 思科系统公司首席执行官约翰 钱伯斯 JohnC hambers 认为 因特网成长最巨 而且日后促成变革的最大动力的就是 E Learning 将网络和教育二者结合起来的 E Learning 已经成为全球最流行的教 育理念 1 而另一方面 自主学习又逐渐成为社会 学校以及个人最为重视的一种学习 方式和生存发展方式 教育部在 面向 21 世纪教育振兴行动计划 中提出 实 施现代远程教育工程 形成开放式教育网 构建终身学习体系 在国内外远程教 育界 远程教育以学习者为中心 以学习者自主学习为主也已经达成普遍共识 并且不少实验研究己经表明 通过系统的教学指导 处于不同年龄阶段的学习者 都可以获得和使用某些自主学习策略 而且这些策略能够促进学习者对不同学科 内容的学习 E Learning 具有网络化 大众化 个性化 终身化等特征 这些特征为自主 学习提供更为广阔的天地 因为 E Learning 不仅能在单机环境下以多媒体手段 进行主动学习 而且能在局域网环境下以在线方式访问服务器或光盘塔 从网上 浏览或下载相关课程进行学习 还可以借助互联网 开展全球范围内的远程教育 和虚拟教学 2 这样一来 教与学不受时间 空间的限制 而且 E Learning 环境 具有很强的交互性 信息组织非线性 有利于学习者适应性控制和反馈 有利于 真实地反映并记录学习者的学习成绩与过程 学习者可以随时学习 自控学习步 调 实现真正灵活自由的学习 然而在 E Learning 环境为自主学习提供许多潜在优越性的同时 E Learning 发展不够成熟导致其结果并不像人们想象的那样乐观 虽然自主学习是 E Learning 的一大特色 但由于目前 E Learning 发展不够成熟 还存在共性的不足 像内容的枯燥 交互不够 学习者的归属感等问题都不同程度地影响着学习者 还有不少调查表明 目前的 E Learning 质量令人堪忧 究其原因多多 而其中 一点原因就是学习者缺乏适合 E Learning 环境下的自主学习的学习目标 硕士学位论文 2 网络学习环境与传统学习环境的不同之处在于 学生可以不受时间和空间的 限制 随时 随地完成双向交互式的学习活动 共享优秀的教育资源 突破了学 习的时空限制 网络学习环境所具有的这种分布式特点和强大的交互性为个性化 学习提供了技术上的可行性 丰富的网络学习资源更为个性化学习提供了相当强 大的支持 在网络学习环境中 各种学习资源变得触手可及 教师 学习伙伴 专家 各种活动都被重新定义为学习资源 可以不受时空限制进行优秀资源的共 享 不同文化背景 不同学习能力 不同学习风格 不同技能的学习者可以在任 何时间 任何地点 利用各种资源 以任何一种适合于自己的方式来进行学习 然而 网络学习环境受到时空的限制 师生准时空分离 没有了教师对学生 面对的适时监控 学习得以进行完全依赖于学习的学习动机 自主意识和自控力 所以网络学习是高度自主的学习 心理学和社会学很多研究以及一些关于网络学 习的调查表明 我国学生的元认知水平比较低 整体上呈现为缺乏独立性 缺乏 自主意识 自我控制能力较低的特征 比较依赖于集体授课的方式 普遍对网络 学习这种学习方式出现 水土不服 的现象 因此 面对自我控制水平较低的学 生群体 就要求网络学习系统能够利用适合的教学设计理论以及网络技术来建构 具有普遍意义的个性化网络学习环境模型 来辨别学习者的个性差异 提供个性 化的课程内容 并能够适时监控学生的学习过程 及时给予智能的学习建议和指 导 在传统的教学模式当中 学习目标做为衡量教学成果的最好标准 因此学习 目标在传统教学模式中扮演着非常重要的角色 教师或学生在进行了一系列的教 学活动之后 通常都要将教学成果和学习目标做一番对比 得到教学活动是否达 到预期效果的结论 从而对以后的教学活动的开展打下坚实的基础 而在 E Learning 中 在个性化学习系统中 教学者可以用自然语言制定学习者的学习目 标 但是系统却无法理解 这会使得用户无法与个性化学习系统进行有效的交流 而机器无法理解的学习目标也是个性化学习系统的一大瓶颈 因此对学习目标的 形式化描述在个性化学习系统中的研究与应用至关重要 这也是本文研究和论述 的重点 1 2 国内外研究现状 1 2 1 自主学习研究现状 自主学习的概念原属于教育哲学的范畴 3 20世纪60年代 随着认知心理学 和人本主义心理学的兴起与发展 西方教育家倡导把培养学习者的学习责任作为 教育的最终目的 3 随后 语言教育家加入自主学习的研究行列 外语教学界对 自主学习的讨论始于70年代中期 然而真正将自主学习这一概念引入外语教学的 学习设计中学习目标的研究与应用 3 首推Henri Holec 1981年Holec出版专著 自主性与外语学习 Autonomy and Foreign Language Learning 阐述了自主学习的概念内涵与实践 4 此后 对自主学习研究的热潮 便一浪高出一浪 到了80年代后期 自主学习的理论性研究已取得了丰硕成果 而到了90年代末 西方外语界对自主学习的研究与实践在其广度与深度上几乎与 80 年代流行的 交际语言教学法 不相上下 4 从总体上看 国外80年代的研究侧重于对自主学习的界定以及培养学习者独 立能力和自主学习能力的实践方面 5 90年代起 西方学者除继续研究自主学习 的理论依据 实施策略与实践结果外 开始尝试从政治文化和心理等不同层次探 讨促进语言学习的问题 并重新强调促进学习者自主的社会化学习和合作学习方 式的重要性 5 1 2 2 学习目标研究现状 教学是一种师生共同参与的有组织 有目的的特殊认识活动 在这个过程中 对学生而言 教学方法 组织形式 学习对象乃至教师和其他成分 都是他掌握 知识 技能 发展智力 最终形成个性的工具和中介 7 在目标 过程 手段 结果这个教育的三段式中 不同的教育理论家研究的侧重点有所区别 例如 前苏联和俄罗斯的教育理论家对教育过程倾注了巨大心力 并获得举世公认的成 就 而美国的教育学者却对教学结果情有独钟 对制约教学结果的教学目标进行 了十分深入细致的探讨 从而将目标的制定与结果的评价联系在一起 为教师的 具体教学活动提供有效指导 其中 在教学目标分类方面的成就最为世人瞩目 在教学目标分类学方面的开创性工作 是由芝加哥大学教授B S Bloom等人在50 年代初期完成的 一大批美国教育学家也作出了自己的贡献 纵观国内外教学领域对教学目标的研究 大多研究学者在研究教学目标的分 类 编写等相关方向 像在20世纪50年代初的布卢姆教学目标分类法 格朗伦教 学目标观 安德森和梅耶的教学目标观 始于20世纪60年代的日本教育学家目标 分类观 6 等分类法和认识动词分析模式 行为目标模式 热衷模式 6 等教学目标 的编写模式 国内对于教学目标分类的研究主要借鉴国外 且以中小学教育为主 形成规 模始于80年代末 在认知领域 我国学者将布卢姆的六级分类转化为中学四级即 记忆 理解 运用 综合和小学三级即记忆 理解 运用 在情感领域 将原来 的五级目标转化为四级分类即接受 反应 爱好和个性化 关于心智动作技能领 域的目标分类研究相对较弱 有人将辛普森的七级分类转化为中小学的四级分类 即知觉 定势 熟练 自动化 6 我国学者在教学目标编写方面的研究较少 主 要借鉴 应用国外的研究成果 如皮连生在 目标导向教学的理论与实践 中应 硕士学位论文 4 用了加涅的五成分目标陈述法 6 但很少有人对学习目标的描述进行研究 尤其是对其进行形式化描述方面的 研究 教学目标与学习目标大致相同 其不同之处在于执行者 教学目标的执行 者包括教师和学习者两种 而学习目标只是针对学习者来进行 而在网络环境下 的自主学习过程当中 学习活动的主角应该是学习者 教师只是起到辅助教学作 用 因此本文进行的对学习目标形式化描述方面的研究变得的非常具有现实意 义 1 2 3 本体研究现状 本体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 自 被提出以来就引起了国外众多科研人员的关注 并在计算机的许多领域得到了广 泛的应用 8 9 如知识工程 数字图书馆 软件复用 信息检索和Web上异构信 息的处理 语义Web 等 目前本体的研究主要集中在以下三个方面 理论上的 研究 主要研究概念及其分类 本体上的代数 信息系统中的应用 主要包括处 理信息组织 信息检索和异构信息系统互操作问题 本体作为一种能在知识层提 供知识共享和重用的工具在语义Web中的应用 本体的理论研究包括概念和概念分类 本体上的代数 最有代表性的是 Guarino等人对概念的分类所做的深入和细致的研究 10 他们从一般的意义上分 析了什么是概念 概念的特性 概念之间的关系以及概念的分类 提出了一套用 于指导概念分类的可行理论 基于这个理论 他又提出了本体论驱动的建模方法 在理论上为建模提供了一个通用的模式 由于本体具有良好的概念层次结构和对逻辑推理的支持 在处理信息组织 信息检索和异构信息系统互操作问题中有广泛应用 11 12 目前本体应用在信息检 索中的著名项目包括 Onto 2Agent 13 Ontobroker 14 和SKC 15 这三个项目也分 别代表了3个方向 Onto 2Agent的目的是为了帮助用户检索到所需要的WWW上 已有的本体 主要采用了参照本体 参照本体是以WWW上已有的本体为对象建 立起来的本体 它保存有各类本体的元数据 Ontobroker面向的是WWW上的网页 资源 目的是为用户检索到所需要的网页 这些网页含有用户所关心的内容 SKC 是一个正在进行的项目 其目标是解决信息系统语义异构的问题 实现异构的自 治系统之间的互操作 该项目希望通过在本体上建立一个代数系统 用这个代数 系统来实现各本体之间的互操作 从而实现异构系统之间的互操作 为了提高Web信息检索的质量 可以为Web上的资源附加上计算机可以理解 的内容 便于计算机处理 即给出一种计算机能够理解的表示资源的手段 基于 这种考虑 Berners Lee在XML2000会议上提出了语义Web 语义Web的目标是使 得Web上的信息具有计算机可以理解的语义 满足智能软件代理 Agent 对WWW 学习设计中学习目标的研究与应用 5 上异构和分布信息的有效访问和检索 Berners Lee为未来Web发展提出基于语义 的体系结构 语义Web体系结构 该体系中从底层到高层分别为UNICODE 和 URI XML RDF Ontology Logic Proof Trust 其中核心层为XML RDF Ontology 这3层用于表示Web 信息的语义 XML和RDF在处理语义上存在的两 个问题 同一概念有多种词汇表示 同一个词汇有多种概念 含义 本体通过 对概念的严格定义和概念之间的关系来确定概念精确含义 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Web中 本体具有非常重要的地 位 是解决语义层次上Web信息共享和交换的基础 目前语义Web是一个新兴的 研究方向 本体在其中的应用刚刚起步 有许多著名的大学和科研机构在从事这 方面的研究 著名的项目有OIL 16 SHOE 17 DAML 18 国内在本体研究方面起步较晚 但是近年来相关研究也逐渐兴起 在文献 19 中 提出了一种重用现有领域知识库知识构造新领域本体的方法 该方法充分利 用了领域知识模型以及领域本体相互之间存在的语义相关性 从语义匹配的角度 探讨了构造新领域本体的可能性 知识的形式化本体理论是中科院计算所重点项 目 国家知识基础设施 National Knowledge Infrastructure NKI 的三大研究内 容之一 20 中国科学院数学所陆汝铃院士承担的国家自然科学基金重点项目 常 识知识的实用研究 也属于通用知识本体的研究范畴 清华大学承担的973项目 海量信息的组织 管理 实现机制及其在数字图书馆中的应用研究 将逻辑数 据库和本体建模如何应用于XML数据建模和知识规范定义作为主要研究内容之 一 清华大学知识工程研究室将语义Web与智能Web服务 IWS 研究作为当前研 究的主要方向之一 浙江大学在语义Web和本体论方面有研究 特别是关于基于 语义Web和本体论产品信息集成和基于本体论的产品配置等 21 北京大学医学部 的心血管疾病知识库是本体构建在这方面的应用 农科院信息文献情报中心 关 于农业叙词表 希望引入本体相关技术 国土资源部 考虑在土地重新分类时利 用相关技术改造数据库 1 3 本文主要工作 本课题首先分析个性化学习系统中存在的有关学习目标描述及检验的一些问 题 对 IMS 学习设计规范进行研究 分析 IMS 学习设计规范的概念模型与信息 模型 结合模型中学习目标与先决条件 学习活动等相关因素之间的关系 对学 习目标进行结构上的分析 构建学习目标的概念模型 并利用描述逻辑语言 ALC 对该模型进行形式化描述 在描述中详细定义学习目标及先决条件 学习活动等 概念 并通过定义不同的权值来表现对不同知识点掌握的高低程度 本课题研究的总体目标是获取在个性化学习系统中学习目标的形式化描述的 技术与方法 改善目前个性化学习系统无法理解自然语言描述的学习目标的状 硕士学位论文 6 况 从技术层面来说 本课题研究着眼于探索在个性化学习系统中学习目标模块 的设计 主要包括如下内容 1 构建核心领域本体 通过对本体理论基本知识与构建领域知识本体本体的研究 采用螺旋模型法 初步建立计算机网络课程的核心领域知识本体 2 构建学习目标概念模型和信息模块 在分析与研究 IMS 学习设计规范概念模型与信息模型之后 对 IMS 学习设 计规范概念模型中的学习目标进行结构上的分析 并将其与学习活动 角色 先 决条件等相关概念之间的关系进行分析和总结 构建一个学习目标的概念模型和 信息模型 3 形式化描述学习目标 在构建好学习目标概念模型的基础上 在对国内外形式化方法的研究基础 上 本文利用描述逻辑语言对学习目标的概念模型进行形式化描述 这其中包括 对学习目标本身和与学习目标有关联的相关概念等的形式化描述 4 学习目标模块的设计 根据学习目标信息模型 研究个性化学习系统中学习目标模块的软件构架 并围绕要模块开发过程中遇到的关键问题 如知识本体的构建 对知识的掌握程 度等 进行分析 研究和探索 提供一些可行的解决方法和实现思路 1 4 本文组织结构 本文共分六大章节 第一章介绍了自主学习 学习目标和本体的研究现状 并从自主学习系统的 研究现状中 总结出当前系统中有关学习目标研究的不足之处 并提出了本文研 究的主要内容 第二章通过对本体的概念 建模原语 其分类及描述语言和建模工具的介绍 研究了本体理论的基本情况 然后介绍了领域本体的定义 并利用螺旋模型法来 构建计算机网络课程的核心本体 本章还对描述逻辑理论进行了概述 研究了描 述逻辑的基本描述语言及它的基本体系 最后总结了描述逻辑的应用 第三章通过对 IMS 学习设计的概念模型以及信息模型等相关问题的研究 介绍了 IMS 学习设计规范 第四章从教学目标的特点与功能 分类方法编写模式等方向研究了教学目标 的发展 并总结教学目标与学习目标之间的区别 最后通过对学习目标相关属性 的分析得出学习目标的组成与层次结构 第五章构建了学习目标的概念模型及信息模型 提出了形式化学习目标模型 的方法 并通过列举实例来对学习活动中的学习目标进行形式化描述 学习设计中学习目标的研究与应用 7 第六章对个性化学习系统中的学习目标模块进行了总体设计 并详细介绍了 学习目标的形式化描述在个性化学习系统中的应用 最后对实验结果进行了详细 分析 结束语 总结全文 并提出进一步研究的方向和重点 硕士学位论文 8 第 2 章 领域本体与描述逻辑 2 1 本体理论概述 2 1 1 本体的概念 Ontology 的概念最初起源于哲学领域 可以追溯到公元前古希腊哲学家亚 里士多德 它在哲学中的定义为 对世界上客观存在物的系统地描述 即存在论 是客观存在的一个系统的解释或说明 关心的是客观现实的抽象本质 22 在人工智能界 最早给出 Ontology 定义的是 Neches 23 等人 他们将 Ontology 定义为 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 后来在信息系统 知识系统等领域 越来越多的人研究 Ontology 并给出 了许多不同的定义 其中最著名并被引用得最为广泛的定义是由 Gruber 提出的 本体是概念化的明确的规范说明 24 W N Borst 25 对该定义也进行了引申 本体是共享的概念模型的形式化的规 范说明 Studer 等对上述两个定义进行了深入的研究 认为 Ontology 是共享概念模 型的明确的形式化规范说明 这包含 4 层含义 概念模型 conceptualization 明 确 explicit 形式化 formal 和共享 share 概念模型 指通过抽象出客观世界 中一些现象 Phenomenon 的相关概念而得到的模型 概念模型所表现的含义独立 于具体的环境状态 明确 指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 指 Ontology 是计算机可读的 即能被计算机处理 共享 指 Ontology 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 即 Ontology 针对的是团体而非个体的共识 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 Ontology 的目标是捕获 相关领域的知识 提供对该领域知识的共同理解 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 和词汇间相互关系的明确定 义 学习设计中学习目标的研究与应用 9 2 1 2 本体建模原语 Perez 等人用分类法组织了 Ontology 归纳出 5 个基本的建模元语 Modeling Primitives 26 1 类 classes 或概念 concepts 指任何事务 如工作描述 功能 行为 策略和推理过程 从语义上讲 它 表示的是对象的集合 其定义一般采用框架 frame 结构 包括概念的名称 与其他概念之间的关系的集合 以及用自然语言对概念的描述 2 关系 relations 在领域中概念之间的交互作用 形式上定义为 n 维笛卡儿积的子集 R C1 C2 Cn 如子类关系 subclass of 在语义上关系对应于对象元组的集 合 3 函数 functions 一类特殊的关系 该关系的前 n 1 个元素可以唯一决定第 n 个元素 形式 化的定义为 F C1 C2 Cn 1 Cn 如 Mother of 就是一个函数 mother of x y 表示 y 是 x 的母亲 4 公理 axioms 代表永真断言 如概念乙属于概念甲的范围 5 实例 instances 代表元素 从语义上讲实例表示的就是对象 另外 从语义上讲 基本的关系共有 4 种 表2 1 四种基本关系及其描述 关系名关系描述 part of表达概念之间部分与整体的关系 kind of表达概念之间的继承关系 类似于面向对 象中的父类与子类之间的关系 instance of表达概念的实例与概念之间的关系 类似 于面向对象中的对象和类之间的关系 attribute of表达某个概念是另一个概念的属性 如 价 格 是桌子的一个属性 在实际建模过程中 不一定要严格地按照上述 5 类元语来构造 Ontology 同时概念之间的关系也不仅限于表 2 1 列出的 4 种基本关系 可以根据特定领域 的具体情况定义相应的关系 以满足应用的需要 2 1 3 本体的分类 目前被广泛使用的本体有如下 5 个 Wordnet Framenet GUM SENSUS 硕士学位论文 10 Mikrokmos Wordnet 是基于心理语言规则的英文词典 它以 synsets 为单位组织 信息 所谓 synsets 是在特定的上下文环境中可互换的同义词的集合 Framenet 也 是英文词典 采用称为 Frame Semantics 的描述框架 提供很强的语义分析能力 目前发展为 FramenetII GUM SENSUS 和 Mikromos 都是面向自然语言处理的 GUM 支持多语种处理 包含基本的概念及独立于各种具体语言的概念组织方式 SENSUS 为机器翻译提供概念结构 包括 7 万多个概念 Mikromos 也支持多语 种处理 采用一种语言中立的中间语言 TMR 来表示知识 为了对 Ontology 进行有效的分类 Guarino 在文献 10 中提出以详细程度和 领域依赖度两个维度作为对 Ontology 划分的基础 详细程度是相对的 较模糊 的一个概念 指描述或刻画建模对象的程度 详细程度高的称作参考 reference Ontologies 详细程度低的称为共享 share Ontologies 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 Ontologies 等 4 类 其中 顶级 Ontologies 描述的是最普通的概念及概念之间的关系 如空间 时间 事件 行为等等 与具体的应用无关 其他种类的 Ontologies 都是该类 Ontologies 的特例 领域 Ontologies 描述的是特定领域 医药 汽车等 中的概念及概念之间的 关系 任务 Ontologies 描述的是特定任务或行为中的概念及概念之间的关系 应用 Ontologies 描述的是依赖于特定领域和任务的概念及概念之间的关 系 1999 年 在文献 26 中 Perez 和 Benjamins 在分析和研究了各种 Ontologies 分类法的基础上 归纳出 10 种 Ontologies 知识表示 Ontologies 普通 Ontologies 顶级 Ontologies 元 核心 Ontologies 领域 Ontologies 语言 Ontologies 任务 Ontologies 领域任务 Ontologies 方法 Ontologies 和应用 Ontologies 这种分类 法是对 Guarino 提出的分类方法的扩充和细化 但是这 10 种 Ontology 之间有交 叉 层次不够清晰 2 1 4 本体描述语言 本体语言使得用户为领域模型编写清晰的 形式化的概念描述 因此它应该 满足以下要求 良好定义的语法 a well defined syntax 良好定义的语义 a well defined semantics 有效的推理支持 efficient reasoning support 充分的表达能力 sufficient expressive power 学习设计中学习目标的研究与应用 11 表达的方便性 convenience of expression 大量的研究工作者活跃在该领域 因此诞生了许多种本体描述语言 有 RDF 和 RDF S OIL DAML OWL 注 DAML OIL 不再单独列出 认为它是一 个过渡 直接介绍 OWL KIF SHOE XOL OCML Ontolingua CycL Loom 这里简单把它们归类如下 基于 AI 的 Ontology 表示语言 KIF Ontolingua Loom OCML FLogic CycL KIF 已经是美国国家标准 但是它并没有被广泛应用于互联网 作为 一种交换格式更多的应用于企业级 基于 Web 的本体描述语言有 RDF 和 RDF S OIL DAML OWL SHOE XOL 其中 RDF 和 RDF S OIL DAML OWL XOL 之间有着密切的联 系 是 W3C 的本体语言栈中的不同层次 也都是基于 XML 的 而 SHOE 是 基于 HTML 的 在 HTML 的一个扩展 2 1 5 本体建模工具 目前支持本体开发的工具多达数十种 功能各不相同 对于本体语言的支持 能力 表达能力 逻辑支持能力以及可扩展性 灵活性 易用性等都相差很大 根据这些工具所支持的本体描述语言 大致可以分为两种 第一种包括 Ontolingua OntoSaurus WebOnto 等 这三个工具的共同点是 都基于某种特定的语言 Ontolingua 基于 Ontolingua 语言 OntoSaurus 基于 LOOM 语言 WebOnto 基于 OCML 语言 并在一定程度上支持多种基于 AI 的本体描 述语言 第二种包括 Prot g 系列 WebODE OntoEdit OilEd 等 这些工具最大的 特点是独立于特定的语言 可以导入 导出多种基于 Web 的本体描述语言格式 如 XML RDF S DAML OIL 等 其中 除了 OilEd 是一个单独的本体编辑工 具外 其他都是一个整合的本体开发环境或一组工具 它们支持本体开发生命周 期中的大多数活动 并且因为都是基于组件的结构 很容易通过添加新的模块来 提供更多的功能 具有良好的可扩展性 2 2 领域本体构建 2 2 1 领域本体定义 从分类的角度 将知识分为陈述性知识和程序性知识 从结构的角度 知识 是由概念和概念间的关系组成 概念间的简单联系则构成了命题 命题同样也可 以通过各种联系构成复杂的结构 知识的表示形式是多样化的 但内容是统一的 无论是文本 图片 声音 影像形式 其表达的内容是统一的 就其作用范围来说 知识可分为常识性知识及领域内知识 27 本文研究的 硕士学位论文 12 就是教学领域的知识 在教学领域的知识一般都是某一学科课程的知识 老师一 般是按学科安排教学 学生也是按学科学习 在学习过程中 有各种教学资源 如教材 图片 视频 或者一个实物模型等支持学习的过程 本文对知识结构的做出如下定义 知识是由概念及概念间的关系构成 概念间的简单联系构成了命题 若干个 相关命题围绕某个主题构成了知识的内容 根据实际应用的情况 可进一步分为 若干个 知识点 2 1 节对本体理论进行了介绍 本体作为共享的概念模型的形式化的规范说 明 它反映的是某一领域的概念和概念之间的关系 在教学领域中 本文引入本 体的概念 并对领域本体做出如下定义 领域本体 Domain Ontology 是对学科概念的一种规范化的描述 描述了学科 概念 概念的属性 概念间的关系与约束 领域本体的建模 首先就是对领域知识进行规范化的说明 找出本学科中所 有的研究对象 进行概念化的分类 通过分类构成了以继承关系为基础的层级模 型 然后采用相关的知识表示方法表示并采用一定的方式存储 在教学领域 领域本体的分类主要是以学科知识的自然章节为基本依据 同 时也可通过知识间的横向联系来构建 2 2 2 领域知识本体构建方法 出于对各自问题域和具体工程的考虑 构造 Ontology 的过程各不相同 目 前没有一个标准的 Ontology 构造方法 领域本体的建设处于探索性研究阶段 在这个过程中仍然存在着很多问题 像需求不够充分无计划性 建设过程缺少规 范性 成果没有评价标准以及忽视本体的共享和重用等 本文充分借鉴了软件工程的思想和经验 28 30 利用基于螺旋模型的原型法来 构建本体 本体的构建过程如下 1 需求分析 这个阶段要明确领域本体建设的目的 范围 用途和使用者 和软件开发类似 在本体建设的初期 应该首先了解其应用需求 一般可以 通过如下问题来明确需求 在哪个领域建立本体 建立本体的目的是为了什么样 的应用 目标用户有哪些 核心本体建设的时间要求 选择什么样的本体描述语 言 等等 在调研并回答了以上问题之后 本体建设人员基本上可以确定领域本体建设 的需求情况 为了指导后续工作 并方便和他人的交流 应该编写一份领域本体 建设的 需求分析规格说明书 以文档的形式明确需求分析的结果 作为该阶 段的成果 2 制定计划 在这个阶段 本体建设人员将充分了解现有资源 针对需求说明书中的各项 学习设计中学习目标的研究与应用 13 要求 制定出本体建设的 项目计划书 主要包括 建设目标 方法 任务分 配 时间要求等 项目计划书 在实际的本体建设项目中必不可少 却往往在 研究项目中被忽略 从而导致在实施过程中重新计划 3 实施领域本体的建设 这个阶段是领域本体建设的实施阶段 知识工人将按照 需求说明书 和 项 目计划书 的要求开始工作 在本体的建设过程中 比较流行的一种看法是 离不开领域专家的积极参与 甚至 理想的情况是由领域专家组来完成这件事 类似于大百科全书的编纂过 程 才能保证语义的正确性和完整性 但是 相对于大百科全书的编纂 本体 建设的工程更加浩大 计算机需要知识的形式化的精确定义 并且需要更多的关 联来进行推理 这又离不开IT人员的参与 二者的合作并不是一件容易的事情 在实践时 常常是一些对两方面的知识都有所了解又非专家的知识工人来做 为了支持这种情况 该方法论采用自底向上的本体建设方法 在得不到领域 专家大力支持的情况下 可以先由知识工人确定一些本体中的核心概念和关系 再通过后续的进化阶段扩展本体 实施阶段可以细分为以下步骤 1 领域信息的收集和分析 首先通过收集领域信息充分了解领域知识 信息来源包括专家 书籍 网络 甚至是其他的本体 2 重点概念和关系的确定 在充分了解领域知识之后 知识工人提出该领域中的重点概念和概念之间的 关系 并用精准的术语表达出来 经过领域专家的确认 作为领域本体的核心概 念集 由于领域专家的参与程度不同 知识工人的领域知识背景也参差不齐 这 个过程并不强求得到能反映领域知识的最关键最全面的概念及关系 确定的重点概念及关系一定是领域相关的 领域的边界往往是模糊的 相关 程度并不容易确定 这里只要求其相关程度可以解释 能够采用精准的术语表达上述重点概念及关系 建立领域本体的目的是为领 域内的知识交换提供共同的语义标准 因此 术语要经过精心的选择 既不能过 于口语化 又不能生涩艰深 尤其是应该无二义性的 3 形式化的编码 构建本体最终是为了让机器能理解现实世界中的概念和关系 为了实现这一 目标就必须对本体进行形式化编码 研究方面较多采用的都是基于逻辑的种种方 法 比较突出的是描述逻辑 目前流行的本体描述语言也都是以描述逻辑为基础 的 形式化编码阶段就是用选定的本体描述语言来编写本体 为了提高生产率 可以使用一些辅助工具来完成 这里建议采用标准的本体描述语言 可以更好的 实现本体的共享和重用 编码过程结束之后 应该把编码过程和编码结果以文档 硕士学位论文 14 的形式保存下来 为本体共享提供规范的文档 4 集成相关的现有本体 共享和重用是本体的一个主要特点 在建设本体时除了自己定义 也应该通 过调研找到该领域中现存的本体 加以重用 重用别的本体中已经建好的定义时 需要注意 查看元本体 选择适合自己概念模型的 选择和自己概念模型中的语 义和实现一致的术语定义 其中涉及的关键技术是 本体的映射 该阶段对应的文档是 集成说明书 针对每个集成的本体 该文档应描述 其元本体 术语集 形式化的本体描述 以及集成在自己本体中的位置等信息 4 确认与评价 经过以上阶段 已经建立了一个初步的核心本体 对应于软件开发过程的测 试阶段 本体也需要确认与评价 目前也没有本体确认和评价的标准方法 更谈 不上标准测试集 综合现有方法论中提出的本体评价指标 基本包括 正确性 一致性 可扩展性和有效性等 5 进化 经过确认和评价的本体是螺旋模型中一个阶段的成果 整个模型是螺旋上升 的 这非常符合本体进化的属性 领域知识几乎是无穷尽的 并且领域的边界是 模糊的 领域之间总是存在交叉 一次性建成大而全的本体是费时费力 对于一 般的研究机构和应用单位也是不现实的 只有通过原型法 先建立出核心的可用 本体 在使用过程中不断扩展 本体进化的方式可以是集成新的本体 由专家定义新的概念和关系 或者 通过机器学习等方法发现新的知识 2 2 3 核心领域本体的构建 根据计算机网络学科建设及教学科研的需求 本文着手整合计算机网络学科 领域的核心知识和相关知识 通过对计算机网络学科数字资源的搜集 整序 分 解 重组 按知识体系的关联性和整体性组成相互联系的计算机网络学科知识资 源系统 原型法强调 核心本体的建立并不需要完善全面 只要提出领域中比较重要 的概念和关系 作为以后进化的种子 经过调研和内部的讨论 初步建立起计算 机网络学科的领域核心本体 实施过程中的重要成果是 1 重点概念和关系的确定 计算机网络学科知识如此丰富 如何对其进行知识分类 确定其重点概念 是一个迫切需要解