基于語義Web的學科知識地圖的建構研究

【摘要】網絡資源的日益豐富，為網絡學習者提供更多瀏覽選擇的同時也增加了資源檢索的難度，如何優化和組織網絡學科資源，為學習者提供良好的資源導航，是現階段教育信息資源開發研究的熱點和難點。文章基于語義Web來描述學科資源及其之間的語義聯系，應用知識地圖整合、顯示其語義聯系，為學習者呈現形象、直觀的學科知識結構，提供高效、智能的資源呈現和導航服務，實現學科資源的精確定位，促進學習者對學科知識的查詢、理解與整體把握。

【關鍵詞】語義Web；學科知識地圖；本體；學科資源本體模型

【中圖分類號】G40-057 【文獻標識碼】A 【論文編號】1009—8097（2011）05—0110—05

信息技術的發展和網絡教育的普及，使各種網絡教育資源急速增長，學習者在瀏覽時往往會迷失在資源海洋中，找不到自己想要的學科資源，本文用本體為學科資源提供一個統一的規范模型，基于語義來描述學科資源及其之間的關系，保持相同資源語義上的一致性，并用知識地圖對網絡資源進行重組和整合，直觀、形象地描述了學科知識的結構，提供結構化的學科資源目錄，方便學習者對學科資源的檢索和瀏覽。文章詳細介紹了基于語義Web的學科知識地圖建構的架構、基于本體的學科資源模型的表示和存儲、語義學科知識地圖建構的工具、方法、步驟等內容，初步探索語義Web技術和知識地圖在學科資源建設方面的應用，為學科資源的整合、應用、共享與結構化呈現提供了有效的支持。

一 相關理論

1 知識地圖及其建構

知識地圖 （knowledge map），又稱認識地圖、認知地圖[1]，最早是由布魯克斯（B.C.Brooks）提出的。它通過對知識、概念等進行組織、描述，繪制成以各個單元概念為節點的知識圖，并通過可視化技術來顯示知識的有機結構。作為知識管理的一種有效方法和手段，知識地圖描述了知識之間的關系和獲取途徑，不僅能夠表示知識體系的層次結構，幫助使用者方便、快捷地找到所需要的知識，還能對學習資源進行導航，對學習過程進行引導。

知識地圖一般分為程序型、概念型、能力型、社會關系型四大類[2]。概念型知識地圖主要以組織或系統便于共享的通用術語、主題對知識內容進行分類顯示，并劃分知識間的層級關系，存儲關聯知識文檔之間的鏈接，提供知識向導。[3]

目前的概念型知識地圖大多是面向應用的，主要用于指示知識的位置，無法對學科間的關聯進行語義表達，基于本體的知識地圖不僅能語義描述學科知識間的聯系，以語義知識網的形式展現學科知識之間的聯系，使學習者直觀、清晰地了解學科之間的聯系，還能實現學科內容的共享、互操作和動態更新。本文建構的學科知識地圖就是基于語義的概念型知識地圖。

2 語義Web及其技術

語義Web是Berners-Lee于2000年12月18日在XML2000會議上正式提出的[4]，旨在使Web上的信息具有計算機系統可以理解的語義，從而更好地幫助計算機之間以及計算機與人之間的協同工作。也就是說，它使現在的Web成為一種能理解人類語言的智能網絡，通過對Web上海量的異構信息進行有效地分類、繼承、集成、復用、協作和管理，實現資源的共享、兼容，使用戶可以迅速準確地找到需要的信息，為我們提供動態的、智能的訪問和導航。

本體作為RDF（S）的擴展和延伸，用于描述應用領域的概念、概念之間豐富的語義關系，解決語義表達、信息共享、語義理解、知識重用等問題，是現階段語義Web研究的重點和熱點。本文中應用語義Web和本體來語義標注和描述資源的概念、屬性及資源之間的關系，消除學科知識的二義性，實現學科資源的共享、重用，建構基于語義Web的學科知識地圖，為用戶提供、呈現基于語義的學科資源導航。

二 基于語義Web的學科知識地圖的建構過程

1 學科語義知識地圖架構圖

圖1是學科語義知識地圖建構架構圖，架構圖由資源層、語義層和顯示層構成，資源層存儲的是實際的學科資源，語義層通過對學科知識進行語義定義、描述、標注和整合形成學科知識本體模型，顯示層以網狀結構呈現學科知識節點間的關聯，把基于語義的學科知識地圖可視化地展示給用戶。其中，語義層作為語義表達學科資源和定義資源間語義聯系的模塊，是實現學科知識地圖語義呈現的關鍵。

上圖中，資源層通過對數據庫和網絡中結構化、半結構化、非結構化數據和隱性知識進行關鍵字提取等操作，來完成對學科資源的預處理。語義層通過對預處理后的數據進行語義定義、描述和標注，建構各學科的學科本體庫，然后根據學科間固有的聯系，對各學科本體庫進行語義整合和合并，將原本異構的領域本體聯系起來，形成學科資源本體模型，顯示層將學科本體模型映射為知識地圖，并將各學科本體間的語義關聯也映射到本體知識地圖中，用可視化技術全局呈現學科知識地圖的關系網絡。

2 學科資源本體模型

為了便于學科知識和資源的整合、更新，整個建構過程動態地組織資源，并采用知識點作為資源描述的基本單位。每個知識點指向若干個相關的學習資源，包括HTML文件、PPT、視頻、音頻及其它形式的學科資源，這些學科資源按照相關性和存儲格式的不同來存放。若干個相關度大的知識點的集合構成子內容（例如“章節”），而若干個子內容組成一個學科內容（例如“課程”），各學科內容之間的關系按學科內容之間或學科課程的相關性等參數來記錄的。每個知識點有屬性及其屬性值，如知識點標號，知識點主要內容、知識點的呈現方式（PPT、HTML、音頻、視頻等）、知識點要求的掌握程度（了解、理解、掌握、熟練掌握）、知識點的教學目標（記憶、理解、應用）、知識點采用的教學策略（協作、合作學習等）等屬性。知識點之間也有各種各樣的關系，如包含關系、前驗關系、后繼關系等?？偵纤?，一個學科知識點可以看作是一個11元組：（A，B，C，D，E，F，G，H，I，J，K），其中：

A：知識點的標識號，模型中每個知識點的編號是唯一的，用來識別知識點；

B：知識點關鍵字集，可用于檢索本知識點的關鍵字集；

C：知識點的說明部分，概述本知識點的主要內容及本知識點在學科課程中的重要性，便于學習者瀏覽和查詢學科內容；

D：知識點的描述部分，指向知識點內容文件的指針；

E：知識點關系，描述本學科知識點與其相關知識點之間的關系，包括：

先驗關系：學習該知識點需要掌握的預備知識點；

后繼關系：本知識點可以作為哪些知識點的預備知識點；

包含關系：在本知識點中包含了哪些知識點；

相關關系：知識點之間的關系，可以是先驗、后繼、包含等關系，也可以是屬于同一個子內容或學科內容的除以上關系外的知識點；

F：知識點的教學方法和呈現方式，知識點所采用的教學策略和資源的呈現方式，包括PPT、HTML、音頻、視頻等分類；

G：知識點的示例部分，指向知識點的示例文件的指針；

H：知識點的測試部分，對學習本知識點的學生測試其對該知識點的掌握程度的試題集；

I：該知識點要求的掌握程度，包括了解、理解、掌握、熟練掌握，由此可以作為劃分通過閾值的依據；

J：進入閾值，只有當所要求的先驗知識點的加權平均得分不小于進入閾值時才允許學習該知識點；

K：知識點要求達到的目標，包括記憶、理解、應用等值，用于指示該知識點所要求達到的認知能力的層次。

本文中的學科資源語義模型用網狀結構來存儲，如圖2所示，采用這種存儲方法，不僅對學科資源和知識點間的關系做了深入的描述和呈現，體現出各學科資源和知識點間承上啟下的關系，又照顧到各學科、知識點間的橫向和縱向聯系，保持學科結構的系統性，也方便學科知識地圖直觀、形象地呈現，為瀏覽者從全局上、總體上掌握學科內容提供平臺，為學習者提供了智能化的學科內容、資源導航。

三 學科本體知識地圖建構方法及步驟

1 本體知識地圖建構工具

本體的編輯和建構工具很多，經過分析、比較，本文選用Protégé作為本體描述和知識地圖呈現的工具。Protégé作為斯坦福大學開發的一個開放源碼的本體編輯器，支持多重繼承，提供對新數據的一致性檢查，與其它本體編輯工具相比，它具有以下特點：

（1）界面風格與普通Windows應用程序風格一致，易于用戶操作。Protégé提供了一個圖形化的界面用于建構類、屬性和關系，本體結構以樹型的層次目錄結構顯示，使得用戶可以更加專注于概念層次上的本體模型構建。用戶可以通過點擊相應選項來編輯或增加學科類、學科子內容類、屬性等本體元素，能直接對本體進行檢查、瀏覽、編碼和修改，也能進行簡單的推理和查詢服務。

（2）是一個可擴展、跨平臺的工作環境，模塊劃分清晰，提供完全的API接口，用戶可以在Protégé中插入插件擴展其功能，如插入RacerPro來擴展推理功能。插入可視化插件，如OWLVlz、Ontoviz和TGVlzTab等，來生成和顯示基于本體的知識地圖和學科結構。

（3）支持具有JDBC1.0驅動的數據庫，便于學科資源和知識地圖的導入和存儲。

（4）支持本體語言對本體進行輸入和輸出，并且可以免費下載使用。

2 本體知識地圖建構方法與步驟

本文用Protégé作為學科本體知識地圖建構和呈現工具，具體建構過程主要包括以下幾個步驟：

確定學科知識地圖的范圍。根據學科應用的專業領域、面向的學習者來確定學科知識地圖的領域和范圍，并根據領域范圍對學科內容和資源進行收集整理，通過對相關領域材料的收集、分析來確定資源范圍中所包含的學科類、學科子內容類及知識點類。

本體分析。確定學科領域內知識點、術語的概念、屬性及其之間的關系，并用領域內的標準術語對這些概念、屬性、關系進行定義。如定義學科內容和知識點的屬性，包括知識點的標識號、關鍵字集、說明部分、描述部分、測試部分、知識點要求的掌握程度、知識點要求達到的目標等。定義學科之間、內容之間、知識點之間的關系，包括先驗關系、后繼關系、包含關系、相關關系。

建立學科資源本體框架?；谝陨系谋倔w分析，對學科知識進行本體描述和分層，創建學科資源模型的層次框架。由于OWL廣泛的定義詞匯、詞匯之間的語義關系的功能，如類型之間的不相交性、基數、等價、枚舉類等，并有一定的推理能力，所以本文選用OWL語言來描述學科資源本體。文中采用從頂到下的方法建構資源本體框架，并在創建本體框架后，為學科資源模型添加屬性和實例，即為創建的學科內容類添加實體資源，為類屬性添加屬性值。

生成知識地圖。利用Protégé的信息可視化技術和可視化插件OWLVlz、Ontoviz、TGVlzTab，根據用戶的需要生成各種視圖，呈現學科語義知識地圖。

知識地圖評價。從準確性、清晰性、一致性、完善性和可擴展性等多個方面對本體知識地圖進行有效的評估，并對知識地圖不斷地進行調整和完善 。

圖3和圖4應用Protégé依據以上建構語義知識地圖的步驟，建構基于語義Web的計算機學科知識地圖，并用TGVlzTab插件呈現資源的結構、屬性、關系的網狀圖。

四 結束語

語義Web和知識地圖作為資源定義、知識管理的方法和工具，在資源描述和開發中已有應用，本文把二者結合起來，建構基于語義Web的學科知識地圖，不僅為學習者提供具有語義關系的學科資源結構圖，而且通過本體對學科資源及其關系進行定義，實現資源的結構化存儲和互操作，為學科知識地圖的構建、維護和呈現提供基礎。本體的使用減少了學科資源的重復建設和表達歧義，實現了資源的共享、重用。

參考文獻

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[2] 李麗，陳丹華.高校圖書館學科知識地圖的構建[J].圖書館學刊，2010，(5):3-5.

[3] 鄭方林，王以寧.知識地圖在教育信息資源建設中的應用[J].軟件導刊，2010，(1):75-76.

[4] 宋煒，張銘.語義網簡明教程[M].北京:高等教育出版社，2005.

[5] 劉鳳娟.基于語義網的自適應學習系統中領域模型的研究[D].吉林:東北師范大學年碩士畢業論文，2007.

[6] 尉遲文珠.淺談遠程開放教育學習資源知識地圖的創建[J].天津電大學報，2009，(3):22-24.

The Construction of Semantic Web-based Subject Knowledge Map

SHI Lei

(Distance Teaching Center，China Central Radio and TV University， Beijing 100031，China)

Abstract: Today as the network resources increasingly rich， it provides learners more browsing choice of network resources also increased the difficulty of retrieval resources， how to optimize and organize network subject resource， to provide good resource navigation for learners， is the hotspot and difficulty of the education resources research and development. This paper based on semantic Web to describe subject resources， to establish the semantic contact between subject resources， application knowledge map integrate and shows its semantic links， offer image， intuitive subject structure， provide efficiently and intelligent resources show and navigation services， realize accurate location of the subject resources， promote learners to inquiries， understanding and overall grasp of the Subject knowledge.

Keyword: semantic web; ontology; subject knowledge map; ontology-based subject resources model

收稿日期：2011年4月1日

編輯：紅葉