基于RDFS的教學(xué)資源庫的分析與設(shè)計(jì)

衛(wèi)小偉,殷鋒社,焦 蕾

摘 要:領(lǐng)域知識庫是教學(xué)內(nèi)容的源泉和教學(xué)決策的依據(jù)。圍繞計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng),研究了領(lǐng)域知識庫的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。結(jié)合計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)課程的自身特點(diǎn),研究了如何對領(lǐng)域知識進(jìn)行科學(xué)、合理的劃分,并建立了領(lǐng)域知識樹;采用框架表示法表示知識,并給出基于RDFS的領(lǐng)域知識庫的設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞:RDFS;教學(xué)資源庫;知識獲取;知識表示

中圖分類號:TP31文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2009)19-195-04

Analysis and Design of Teaching Resource Storehouse Based on RDFS

WEIXiaowei1,2,YIN Fengshe3,JIAO Lei3

(1.Shaanxi Transportation Professional Technology College,Xi′an,710018,China;

2.Electronic and Control Institute,Changan University,Xi′an,710061,China;3.Shaanxi Textile and Garment Institute,Xianyang,712000,China)

Abstract:The domain knowledge library is the course content fountainhead and the teaching decision-making basis.The encompassment computer application foundation experiment teaching system,design and realization of the domain knowledge library are studied.According to daracteristics of computer application foundation curriculum,how to scientific divide domain knowledge and the domain knowledge tree is established.Using the frame method express knowledge,and design method based on RDFS domain knowledge library is proposed.

Keywords:RDFS;teaching resource storehouse;knowledge gain;knowledge expression

在IPCATS系統(tǒng)中,教學(xué)資源庫的結(jié)構(gòu)極為重要。教學(xué)資源庫是教學(xué)、學(xué)習(xí)中的知識和經(jīng)驗(yàn)的存儲器,它包含了專家多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)、心得體會和研究成果,在學(xué)習(xí)系統(tǒng)中具有十分重要的作用,也是IPCATS的基礎(chǔ)。RDFS作為一種新的網(wǎng)上數(shù)據(jù)交換的標(biāo)準(zhǔn),將RDFS應(yīng)用到現(xiàn)代遠(yuǎn)程教學(xué)中是遠(yuǎn)程教學(xué)平臺的必然趨勢。

1 教學(xué)資源庫概述

在教與學(xué)的活動中,師生是活動和認(rèn)知的主體,而知識便是活動的客體,教學(xué)的精髓是師生針對知識所進(jìn)行的系列活動。在這個過程中,教師如何針對教學(xué)任務(wù)及學(xué)習(xí)對象的特點(diǎn)分解及合理組織教學(xué)計(jì)劃表述的知識是整個教學(xué)活動能否成功的關(guān)鍵。同理,對于IPCATS系統(tǒng),建立學(xué)科知識庫和專家知識經(jīng)驗(yàn)庫是實(shí)現(xiàn)智能教學(xué)導(dǎo)航,從而實(shí)現(xiàn)個性化教學(xué)的基礎(chǔ)。專家知識、經(jīng)驗(yàn)庫就是從領(lǐng)域或?qū)W科的專家、教學(xué)專家那里獲得專門的知識、經(jīng)驗(yàn),然后用一定的形式表示知識,最后存儲到數(shù)據(jù)庫中而形成的。該庫實(shí)際上是教學(xué)、學(xué)習(xí)中的知識和經(jīng)驗(yàn)的存儲器。系統(tǒng)對學(xué)生幫助的大小、是否有效,基本上取決于系統(tǒng)的專家知識庫。知識庫中的知識越完全,越能真實(shí)地再現(xiàn)專家的思維過程、方法等,則學(xué)習(xí)系統(tǒng)的智能水平就越高。

2 教學(xué)資源庫的構(gòu)成

教學(xué)資源庫存放的是有關(guān)教學(xué)內(nèi)容的專業(yè)知識及關(guān)于知識的知識即元知識。整個教學(xué)資源庫中的教學(xué)資源按用途分成兩類:

<教學(xué)資源>::=<教學(xué)內(nèi)容知識>|<元知識>

<元知識>::=<知識點(diǎn)的屬性描述>|<知識點(diǎn)之間關(guān)系的描述>

因此,教學(xué)資源庫包括元知識庫和教學(xué)材料庫兩個部分,而元知識庫又包括知識點(diǎn)屬性庫和知識點(diǎn)關(guān)系庫,它們構(gòu)成了個性化教學(xué)系統(tǒng)中的主要知識表示。

2.1 知識點(diǎn)之間的關(guān)系

由教學(xué)過程本身可知,知識點(diǎn)之間這種支持程度是一個模糊概念,所以將其分為5級,即:聯(lián)系不緊密、聯(lián)系不太緊密、一般、聯(lián)系比較緊密和聯(lián)系緊密,用一個隸屬度函數(shù)μ(x)sus={0.2/1,0.4/2,0.6/3,0.8/4,1/5}來度量,μ(x)sus的值越大說明知識點(diǎn)之間的聯(lián)系越緊密。對于先前文獻(xiàn)中所定義的參考關(guān)系,只需將μ(x)sus的值取得小一些,其實(shí)質(zhì)可仍然看作是一種支持關(guān)系。

因此,知識點(diǎn)之間的關(guān)系可表示如下:

<知識點(diǎn)關(guān)系>::=<層次關(guān)系>|<支持關(guān)系>

<層次關(guān)系>::=<父知識點(diǎn)>|<子知識點(diǎn)>

<支持關(guān)系>::=<前導(dǎo)知識點(diǎn)>|<后繼知識點(diǎn)>|<支持程度>

由以上的分析可知,知識點(diǎn)之間的關(guān)系無法用一種單純的樹形結(jié)構(gòu)來表示,因?yàn)閱渭兊臉湫谓Y(jié)構(gòu)只能表示層次關(guān)系,卻很難清楚地表示知識點(diǎn)之間的支持關(guān)系,而若用單純的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)來表示,則會造成知識點(diǎn)之間的層次關(guān)系不明顯,并且會使推理算法過于復(fù)雜。因此,在這里采用一個總體樹/局部圖的知識組織模型,如圖1所示。

圖1 教學(xué)資源庫的知識組織模型

從圖1中可以得知,節(jié)點(diǎn)1是節(jié)點(diǎn)2、3的父節(jié)點(diǎn),2、3節(jié)點(diǎn)是1節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)。2、3節(jié)點(diǎn)與1節(jié)點(diǎn)是“與”關(guān)系;4、6節(jié)點(diǎn)與2節(jié)點(diǎn)是“或”關(guān)系;1節(jié)點(diǎn)是2、3節(jié)點(diǎn)的前驅(qū)知識,而節(jié)點(diǎn)3表示的知識點(diǎn)又是4、5、7、8節(jié)點(diǎn)的前驅(qū)知識, 4、5、7、8節(jié)點(diǎn)表示的知識點(diǎn)是3節(jié)點(diǎn)的后繼知識。

2.2 知識點(diǎn)屬性

知識點(diǎn)的屬性包括知識點(diǎn)編號、類型、難度、重要程度和要求掌握的水平等。知識點(diǎn)編號的目的是用于學(xué)習(xí)和查找,故應(yīng)具有惟一性,是精確概念。知識點(diǎn)類型可以按照加涅(Gagne)分類理論分為:事實(shí)、概念、規(guī)則、高級規(guī)則和認(rèn)知策略[4]。雖然分類具有很大程度的模糊性,但是由于知識點(diǎn)類型的劃分與學(xué)科建設(shè)有關(guān)。在具體的ITS教學(xué)/學(xué)習(xí)系統(tǒng)中,把它看作是精確概念。其他屬性認(rèn)為是模糊對象,其中,知識點(diǎn)難度和重要程度分為三級,用隸屬度函數(shù)表示分別為:μ(x)ease={0.30/1,0.60/2,1/3}和μ(x)imp={0.30/1,0.60/2,1/3};要求掌握水平用定義模糊中心數(shù)(c,r,p)的方法來表示,可以更科學(xué)和更準(zhǔn)確地描述教學(xué)大綱對知識點(diǎn)的掌握要求。(c,r,p)可以解釋為:落在以c為中心,r為半徑的“超球”之中的可能度為p。具體的(c,r,p)求取方法是根據(jù)積累已經(jīng)通過考試學(xué)生的成績構(gòu)造數(shù)據(jù)樣本,進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析求得?？梢源致哉J(rèn)為通過考試即達(dá)到教學(xué)大綱的要求掌握水平。假設(shè)樣本服從正態(tài)分布,可以根據(jù)積累樣本數(shù)據(jù),求出均值x1、樣本方差S21,并確定一個檢驗(yàn)置信度P1(例如取0.05水平)。用(x1,S21,P1)作為(c,r,p)的估計(jì),描述教學(xué)大綱對知識點(diǎn)的要求。由此,可以得出知識屬性庫的關(guān)系模型,這是一個模糊值關(guān)系數(shù)據(jù)模型。在該關(guān)系模型中,為了考慮各知識點(diǎn)與其教學(xué)材料的關(guān)系,除了知識點(diǎn)屬性值外,還設(shè)有一個課件名稱域。用SQL語言描述模型如下:

CREATE TABLE KBATTRIBUTE &

(KPNO# SMALLI NT NOT NULL,/* 知識點(diǎn)編號*/

KPTYPE SMALLINT,/* 類型 */

KPEASE NUMERIC(3,2), /* 難度 */

KPIMP NUMERIC(3,2), /* 重要程度 */

KPX1 NUMERIC(5,2) /* 均值 */

KPS1 NUMERIC(5,2),/* 方差 */

KPP1 NUMERIC(3,2),/* 置信度 */

COURSE CHAR (16) ) ; /* 課件名稱 */

2.3 知識點(diǎn)鏈接關(guān)系描述

知識點(diǎn)之間的關(guān)系可以用知識點(diǎn)之間的鏈接數(shù)據(jù)庫來表示。在某一學(xué)科中各知識點(diǎn)的鏈接關(guān)系描述了該學(xué)科的知識體系。知識點(diǎn)的鏈接關(guān)系是雙向的,有上行和下行之分。一個知識點(diǎn)的上行知識點(diǎn),即樹結(jié)構(gòu)中的父結(jié)點(diǎn);下行知識點(diǎn),即樹結(jié)構(gòu)中的子結(jié)點(diǎn)。由教學(xué)和學(xué)習(xí)過程本身可知,知識點(diǎn)之間關(guān)系的緊密程度不同,可以把它處理成一個模糊對象,用鏈接確信度來度量,用S(x)表示且0

S(x)=1, x=必學(xué)知識點(diǎn)

0.5,x=選學(xué)知識點(diǎn)

知識點(diǎn)鏈接數(shù)據(jù)庫的具體內(nèi)容,用SQL描述如下:

CREATE TABLE KBLINK &

( KPNO# SMALLINT NOT NULL,/* 知識點(diǎn)編號 */

FNODE SMALLINT,/* 上行知識點(diǎn)編號 */

SNODE SMALLINT,/* 下行知識點(diǎn)編號 */

FKPS NUMERIC(2,1), /* 上行鏈接確信度 */

SKPS NUMERIC(2,1) ); /* 下行鏈接確信度 */

在這樣的一個鏈接關(guān)系數(shù)據(jù)模型中,會出現(xiàn)一個父結(jié)點(diǎn)和多個子結(jié)點(diǎn)的情況。另外,也會有一個父結(jié)點(diǎn)和一個子結(jié)點(diǎn),多個父結(jié)點(diǎn)和一個子結(jié)點(diǎn),以及沒有父結(jié)點(diǎn)或者沒有子結(jié)點(diǎn)的情況等。

2.4 教學(xué)資源庫的結(jié)構(gòu)模型

教學(xué)資源庫由知識體系庫和教學(xué)材料庫組成。

教學(xué)材料庫的主要目的是構(gòu)成學(xué)習(xí)環(huán)境并向?qū)W習(xí)者提供支持學(xué)習(xí)過程的各種條件,該庫的主要內(nèi)容為與各知識點(diǎn)對應(yīng)的相關(guān)課件,當(dāng)通過某種搜索策略得到一個待學(xué)習(xí)的知識點(diǎn)編號時,就可以從知識點(diǎn)屬性庫中獲得與該知識點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的課件名稱,并可以以此名稱作為入口參數(shù),來調(diào)用已經(jīng)編寫好的多媒體課件,進(jìn)行教學(xué)講解或練習(xí)等教學(xué)、學(xué)習(xí)活動。因此,整個教學(xué)資源庫的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 基于RDFS的教學(xué)資源庫元模型

為了提高教學(xué)資源的共享和復(fù)用,本系統(tǒng)為教學(xué)資源建立了本體庫,并選擇RDFS語言來描述。本體描述語言經(jīng)歷了從XML Schema到RDF Schema,再到DAML+OIL,以及W3C最近推出的OWL的過程,語言的表述能力在不斷增加。相比較,用XML Schema表示語義顯得過于單薄。而RDF Schema雖然在表達(dá)能力和邏輯嚴(yán)格性方面不如OWL等語言,但是其技術(shù)相對成熟和簡單,所以采用RDF Schema(RDFS)語言來描述本系統(tǒng)的教學(xué)資源本體,以教學(xué)資源庫為例,介紹基于RDFS的教學(xué)資源描述方法。

圖2 教學(xué)資源庫結(jié)構(gòu)模型

3.1 教學(xué)資源模型設(shè)計(jì)

一般來說,一本講述特定教學(xué)資源的書本大都采用章、節(jié)、小節(jié)的形式將教學(xué)資源進(jìn)行細(xì)分,因此,提出一種教學(xué)資源的層次型組織模型,如圖3所示。

圖3 教學(xué)資源層次結(jié)構(gòu)圖

圖3中各結(jié)點(diǎn)均為知識點(diǎn),屬于KNode范疇。KNode(Knowledge Node,知識點(diǎn))是教學(xué)過程中傳遞教學(xué)信息的基本單元的一個抽象,它可以是理論、原理、概念、定義、范例和結(jié)論等。它是其他所有知識單元(SKNode,UKNode,AKNode)的原型,類似于面向?qū)ο笾械幕? UKNode(Unit Knowledge Node,單元知識點(diǎn)),相當(dāng)于“章”;UKNode由若干個SKNode(Section Knowledge Node)組成,SKNode相當(dāng)于“節(jié)”;SNode同樣由若干個AKNode(Atom Knowledge Node)組成,AKNode是原子知識點(diǎn),相當(dāng)于“小節(jié)”, AKNode不可再分。

由以上的分析可知,知識點(diǎn)之間的關(guān)系無法用一種單純的樹形結(jié)構(gòu)來表示,因?yàn)閱渭兊臉湫谓Y(jié)構(gòu)只能表示層次關(guān)系,卻很難清楚地表示知識點(diǎn)之間的支持(有序)關(guān)系,而若用單純的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)來表示,則會造成知識點(diǎn)之間的層次關(guān)系不明顯,并且會使推理算法過于復(fù)雜。因此,在這里采用一個總體樹/局部圖的知識組織模型,如圖4所示。

圖4 教學(xué)資源庫的知識組織模型

3.2 知識點(diǎn)屬性的構(gòu)造

知識點(diǎn)模型體現(xiàn)了知識點(diǎn)本身所具有的性質(zhì)、作用以及相互關(guān)系等,包括知識點(diǎn)的編號、種類、難易程度、重要程度、要求掌握程度、前導(dǎo)知識點(diǎn)和后續(xù)知識點(diǎn)等。用一個多元組(KNID,KNN,KNK,KND,KNIm,KNC,KNP,KNPK,KNSu,KNT)來表示知識點(diǎn)的屬性。其中:

KNID: 表示知識點(diǎn)標(biāo)識號,惟一確定此知識點(diǎn);

KNN: 表示知識點(diǎn)的名稱,一般是該知識點(diǎn)的名稱或標(biāo)題,用于概述說明本知識點(diǎn)所表達(dá)的知識內(nèi)容;

KNK: 表示本知識點(diǎn)的關(guān)鍵字集合,主要用于學(xué)習(xí)本知識點(diǎn);

KND: 表示知識點(diǎn)的難度,它是一個模糊概念,分為5級,即容易、較容易、一般、較難和難,其值由領(lǐng)域?qū)＜掖_定;

KNIm: 表示知識點(diǎn)的重要程度。知識點(diǎn)的重要程度也是個模糊概念,將其分為3級,即不重要、一般和重要,其值由領(lǐng)域?qū)＜掖_定;

KNC: 表示本知識點(diǎn)的具體內(nèi)容,是指向該知識點(diǎn)具體內(nèi)容文件的指針,知識點(diǎn)的具體內(nèi)容由文本、表格、圖形(圖像)等素材組成,存放在教學(xué)材料庫;

KNP: 表示包含此知識點(diǎn)的知識點(diǎn)(即父知識點(diǎn));

KNPK: 表示此知識點(diǎn)的前導(dǎo)知識點(diǎn)(即有先序關(guān)系的兄弟知識點(diǎn));

KNSu: 表示此知識點(diǎn)的后繼知識點(diǎn)(即有后序關(guān)系的兄弟知識點(diǎn));

KNT: 表示知識點(diǎn)的通過閾值,用于通過學(xué)生對測試題目的回答判斷是否通過本知識點(diǎn)的學(xué)習(xí)。只有在學(xué)習(xí)本知識點(diǎn)以后,測試與本知識點(diǎn)相關(guān)的試題的得分不低于此值時,才允許離開本知識點(diǎn)進(jìn)入下一知識點(diǎn)的學(xué)習(xí)。域值越大,說明知識點(diǎn)的重要性越高。

每個知識點(diǎn)可根據(jù)實(shí)際情況擁有上述全部或部分屬性。

3.3 使用RDFS描述教學(xué)資源本體

(1) 教學(xué)資源總體結(jié)構(gòu)本體

教學(xué)資源點(diǎn)本體(DBO)中的核心概念包括KNode,UKNode,SKNode和AKNode。圖5描述的是教學(xué)資源點(diǎn)本體的層次結(jié)構(gòu)。它表示資源http://local host/dbo#UKNode(單元知識點(diǎn)),http://localhost/dbo#SKNode(節(jié)知識點(diǎn)),http://localhost/dbo#AKNode(原子知識點(diǎn))是資源http://localhost/ dbo#KNode (所有知識點(diǎn)的抽象)的子類。

圖5 教學(xué)資源點(diǎn)本體層次結(jié)構(gòu)

使用RDFS語言對圖5的教學(xué)資源點(diǎn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述的部分代碼如下:

xmlns:dbo="http://localhost/dbo#"

xmlns:rdfs="http://www.w3.org/2000/01/rdf-schema#">

…