國外關聯數據教育應用項目研究與啟示

[摘 要] 國外興起的關聯數據研究已經引起了學術界的廣泛關注，同時也得到了政府、媒體、教育、企業等各領域的積極參與。為從國外項目角度了解關聯數據教育應用最新進展，本文通過文獻研究首先介紹了關聯數據相關概念，然后從項目研究內容、關鍵技術應用和成果等角度介紹了SemTech、mEducator和LUCERO等三個國外典型的關聯數據教育應用項目，并對它們作了比較分析。最后，結合我國教育資源建設現狀，對如何利用關聯數據解決教育資源共享問題提供了一些建議。

[關鍵詞] 關聯數據； 教育應用； 國外項目； 語義網； 教育資源共享

[中圖分類號] G434 [文獻標志碼] A

[作者簡介] 吳鵬飛（1982—），男，山東兗州人。館員，碩士，主要從事計算機教育應用和數字圖書館系統開發等研究。E-mail：wupengfei_2000@163.com。

一、引 言

Web環境下的數字化學習資源的建設基本上經歷了從最開始的盲目建設到后來的規范化設計開發，從最初的Web1.0時代的專家或機構集中生產到 Web2.0 時代的“群建共享”，從最初的“資源孤島”到后期的“資源共享”。[1]學習資源是數字學習時代中的核心要素，是整個教育生態系統的重要基礎組成部分。然而，不管是Web1.0還是Web2.0時代，Web環境下的學習資源總是以海量、動態、異構、分布等方式存在于網絡空間中，教育學習資源的混亂無序、獨占隔離、簡單重復、缺乏共享、檢索低效等問題[2]給教育領域提出了巨大的挑戰。針對教育學習資源的建設與共享問題，國內外學者和機構提出了不同的學習資源信息模型，如積件、[3]IEEE LOM、[4]SCORM、[5]IME-LD、[6]IME-CC、[7]學習元[8]等。

關聯數據[9]是一種語義網輕量級實現模型，自互聯網之父Tim Berners-Lee在2006年提出以來就已經引起了學術界的廣泛關注，同時也得到了政府、媒體、企業等各領域的積極參與。那么，關聯數據這種新的網絡信息資源組織模型將對教育領域有何影響？對我國教育資源建設與共享有何影響？為從國外項目角度了解關聯數據教育應用最新進展，本文在介紹關聯數據相關概念基礎上，通過文獻研究從項目研究內容、關鍵技術應用等角度介紹了SemTech、mEducator和LUCERO等三個國外典型的關聯數據教育應用項目，并對它們作了比較分析。最后，結合我國教育資源建設現狀，對如何利用關聯數據解決教育資源共享問題提供了一些建議。

二、關聯數據概述

（一）概念提出

2006年互聯網之父Tim Berners-Lee在繼1998年首次提出語義網之后又提出“Linked Data”的概念，并在《關聯數據構建筆記》等一系列文章中分析了Web的發展和演化，提出了當下發展數據網絡（Web of Data）的思想，其認為關聯數據基于分布式數據集和其自主定義內容格式，利用標準的本體知識表示與SPARQL檢索協議，采用可逐步擴展的機制來實現可動態關聯的知識對象網絡，并支持語義知識組織和知識發現。[10]2007年，ChrisBizer與Richard Cyganiak向W3C SWEO提交關聯開放數據 （Linking Open Data，LOD）的項目申請后，關聯數據才被學界所熟知。[11]

關聯數據是一種推薦的最佳實踐，用來在語義網中使用URI和RDF發布、分享、連接各類數據、信息和知識，發布和部署實例數據和類數據，從而可以通過HTTP協議揭示并獲取這些數據，同時強調數據的相互關聯、相互聯系以及有益于人機理解的語境信息。[12]對于關聯數據，其中URI（Universal Resource Identifier）是統一資源標識符，用于唯一標識Web上可用的資源名稱，資源分為信息資源和非信息資源，例如Html網頁、圖像、郵件、視頻片段、程序、Word或PDF文檔等是信息資源，而人、地點或概念、類和實體等則是非信息資源；RDF（Resource Description Framework）資源描述框架用于Web資源的描述。關聯數據以RDF模型來表達實體、屬性及其關系，通過一系列的三元組來實現，每個三元組包括主語、謂詞和對象等三個部分。主語是URI所標識的資源，對象是與主語有關的其他資源的標識符，謂詞表示主語和對象之間的關系。

（二）關聯數據特點

關聯數據強調建立已有信息的語義標注和實現數據之間的關聯，它具有框架簡潔、標準化、自助化、去中心化、低成本的特點，為構建人機理解的數據網絡提供了根本性的保障，為實現語義網奠定了堅實的基礎。[13]關聯數據構建和實現有四個基本原則：使用URI作為任何事物的標識名稱；使用HTTP URI讓任何人都可以訪問這些標識名稱；當有人訪問某個標識名稱時，提供有用的信息；盡可能提供相關的URI。[14]關聯數據的構建和實現原則要求關聯數據在構建過程中要滿足四個基本條件：URI唯一標識、HTTP協議訪問、集成內部相關資源和集成外部相關資源，從而使得內部、外部資源相互關聯，內部資源融入網絡，網絡資源集成到內部，這樣可以方便用戶查詢，提高用戶發現和拓展網絡信息資源的能力。

關聯數據作為語義網的一種輕量級實現形式，已經成為語義網絡環境下知識組織、知識關聯、知識集成、知識共享與知識服務的一種新的模式、工具和途徑，這使語義互聯網研究又向前邁進了一步。

（三）關聯數據云

關聯數據自2006年提出以來，引起了學術界極大的關注，特別是近三年的國際學術會議如ISWC、LDOW、WebDB、AAAI、ALA等都對關聯數據研究給予了極大的關注，并多次舉辦有關的主題會議。[15]與此同時，美國國會圖書館、瑞典國家圖書館、美國政府網關data.gov、英國政府data.gov.uk、BBC、紐約時報、DBpedia等其他政府、媒體、企業相關領域組織也積極參與關聯數據的研究與應用。短短五年間的發展，現在已經初具規模和影響，從2007年5月開放關聯數據（LOD）云圖中僅有的12個開放數據集和5億個RDF三元組，截至 2011年 9 月，關聯數據云（LOD Cloud）含有295個開放數據集，310 億個RDF 三元組，5 億個 RDF 鏈接，如圖1所示。

圖1 關聯數據云圖[16]

三、國外關聯數據教育領域典型研究項目

盡管關聯數據已引起了各個領域的廣泛參與，但是目前在教育領域應用關聯數據的項目還不多。[17]筆者通過文獻研究從項目研究內容、關鍵技術應用和成果等角度介紹了如下三個國外典型的關聯數據教育應用項目。

（一）SemTech項目

1. 項目研究內容

SemTech[18]（Semantic Technologies for Learning and Teaching）項目是由JISC（the Joint Information Systems Committee，英國聯合信息系統委員會）資助，主要針對什么是語義技術、有哪些教育相關的語義技術工具應用、在英國高等和基礎教育領域實際應用的語義工具和服務是什么、語義工具和服務在學習、教學和支持服務方面的價值是什么，以及在未來高等教育中如何應用和改進語義工具等問題，在對英國教育領域語義工具和服務調查研究基礎上提出了教育領域應用語義技術路線圖。

項目定義了軟語義技術（Soft Semantic Technologies，包括標簽和主題圖）和硬語義技術（Hard Semantic Technologies，包括RDF、FOAF、SKOS、Triples等機器自動處理技術），并且利用本體區分了關聯數據和傳統元數據在表達資源間存在的關系上的不同，將調研的36種相關的語義工具和服務按教育功能分為四個大類：協作創作和標注、搜索和匹配、資源庫與虛擬學習環境、知識模型和關聯數據技術。

（1）協作創作和標注

協作創作和標注工具如Mymory（允許用戶頁面級和文本級標注）、Debategraph（討論圖）、PROWE（基于FOAF本體的學術協作）、Compendium（在線討論話題可視化顯示）、AWESOME （基于語義Wiki和內部語義搜索的協作高等教育領域知識發現）等，具有支持協作寫作與不同級別的資源標注和匹配、支持討論和支持語義推理等特征。

（2）搜索和匹配

搜索和匹配工具，如Yahoo！、SearchMonkey、Watson、Twine等支持FOAF、Dublin Core詞表和RDF資源標準并提供高級搜索和匹配，使得資源庫搜索更加高效，Yahoo！、SearchMonkey和Google利用Web資源作者提供的元數據微格式（如RDFa、eRDF）來為用戶提供搜索服務。

（3）資源庫與虛擬學習環境

資源庫大部分采用知識模型和關聯數據技術整合各種數據源，并基于關聯數據發布平臺如D2R Server、TALIS等提供了RDF和SPARQL端點檢索，例如Gutenberg 項目和DBLP資源庫就是利用D2R Server將關系數據庫通過SPARQL端點發布成RDF關聯數據。

（4）語義工具和服務

語義工具和服務主要提供了教育數據分析與推理、集成與互操作、相關學習資源學習活動的支持、跨課程的學習與教學活動支持等功能。

2. 關鍵技術應用

在調查的英國高校中有14個已經采用語義Wiki支持教學活動，例如英國萊斯特大學的JISC資助的PROWE Wiki項目采用FOAF代替了原有的復雜的元數據模式。開放大學的Cohere Compendium、Debategraph等項目采用RDF和其他語義技術。JISC資助的AWESOME項目將語義Wiki和教學感知推薦結合用來增強學術寫作，并在利茲大學、考文垂大學和班戈大學中得到了應用。南安普敦大學利用RKBExplorer提供人物、角色、課程、講座等實體信息。南安普敦大學和牛津大學通過SPARQL端點發布研究項目關聯數據。大多數的教育資源庫平臺多采用DSpace、EPrints、D2R、SIMILE RDFizers等關聯數據擴展技術和平臺實現跨機構教育資源關聯創建與發布。

3. 項目成果

項目在對語義工具與服務和英國高校中語義技術應用調查的基礎上提出了教育語義技術應用路線圖，如圖2所示。[19]路線圖具體分為三個階段：關聯數據應用、基于本體的搜索與匹配應用、教學情境感知應用。關聯數據應用階段主要基于RDF格式關聯數據的抽取、轉換、映射、發布和消費技術來實現機構內部關聯數據發布與機構外部關聯數據集成整合，為后續工具提供數據基礎。基于本體的搜索與匹配應用階段主要基于本體映射推理實現跨機構教育關聯數據資源的搜索、發現、匹配與推理來支持教學和科研工具。教學情境感知應用是路線圖的最高階段，在前兩個階段的基礎上實現更高級的教育應用，如跨學科的知識共享、批評性思維訓練、教學情境敏感的可視化知識地圖等，更好地創新教學模式、教學方法與教學活動，促進整個教育領域的變革。但是開放關聯教育數據應用面臨的首要挑戰就是教育機構關聯數據的公開發布，這也是決定關聯數據教育應用的關鍵。另外還要面對全球性教育本體協作創建、教育機構內部關聯數據發布版權問題等。

圖2 教育語義技術應用路線圖

（二）mEducator項目

1. 項目研究內容

mEducator[20]是由歐洲eContentplus基金資助的項目，其針對許多歐盟教育學術機構豐富的醫學教育資源缺乏標準化的內容共享機制導致的資源發現和利用問題，在評估電子學習領域的現有標準IEEE Learning Object Metadata（LOM）、extension Healthcare LOM、IEEE LOM in RDF、Dublin Core之后，提出基于本體和RDF關聯數據的mEducator元數據概念模型，并開發了MELINA+（面向Moodle）、MILES+（面向Drupal）、LinkedLabyrinth+（面向Open labyrinth）、Metamorphosis+（面向社會性網絡與教育資源的關聯服務接口）等教育資源庫平臺語義關聯平臺，以便使醫學教育資源被整個歐洲學術機構發現、檢索、共享和重用。

2. 關鍵技術應用

圖3 mEducator3.0 框架

為解決教育資源內容共享和重用，mEducator項目通過融合社交網絡和語義網絡技術，先后開發了基于Web2.0與Mashup技術的mEducator 2.0和基于語義網、關聯數據和關聯服務技術的mEducator 3.0，mEducator3.0系統框架圖如圖3所示。[21]系統共分為三層：Web教育關聯數據與服務層（教育關聯數據與Web服務）、教育關聯數據與服務層集成整合層（教育資源與服務關聯云）、教育關聯數據應用與表示層（具體教育應用）。

mEducator元數據概念模型是基于本體與RDF關聯數據進行描述的，圖4給出了mEducator中一個專利數據描述示例，[22]其中名字空間（http：//www.purl.org/meducator/ns/）用于標識資源類型，基于Bioportal ontology本體的主題和學科關聯，基于mEducator模式的教育情境和目標是資源的屬性，資源權限關聯共享協議Creative Commons，基于FOAF本體參引元數據創建者。

圖4 mEducator中專利資源描述

3. 項目成果

項目開發完成的mEducator3.0關聯服務環境可以自動整合、發現分布異構學習資源關聯系統中的服務和APIs并形成基于關聯數據RDF格式的關聯教育資源數據集，其最大的特色在于第一個真正將Web2.0社交網絡與基于關聯數據和語義技術的Web3.0結合起來并融入關聯醫學教育和關聯學習中，將開放資源和語義技術平臺開發應用到教育和學習中。MELINA+、MILES+、LinkedLabyrinth+、Metamorphosis+等教育資源庫平臺語義關聯模塊開發實現都是基于mEducator3.0。mEducator3.0通過融合社交網絡和語義網絡技術，整合學習管理系統和開放式教育資源庫，利用語義APIs提供教育資源關聯數據的創建、發布、描述、共享與語義關聯搜索等服務，并返回mEducator3.0模式元數據，使教師和學習者可以發現、組織、檢索、重用和共享醫學教育資源。同時mEducator3.0也已經在Second Life 中得到了應用，提供了基于語義的學習資源搜索。

（三）LUCERO項目

1. 項目研究內容

英國開放大學發起的LUCERO[23]（Linking University Content for Education and Research Online）項目，旨在利用關聯數據發布與挖掘技術對英國開放大學內部的分布異構學習資源庫進行選擇、抽取及結構化處理，整合發布關聯數據形成關聯云。

LUCERO 項目提出了三種不同的原型來挖掘教育資源：專家搜索系統（the OU Expert Search System），針對特定主題尋找最佳專家；伙伴學習系統（the Buddy Study System），基于Facebook人際網絡信息確定朋友共同的興趣并推薦潛在的課程資源，支持伙伴間的共同學習；關聯開放學習應用（Linked OpenLearn），提供課程與開放學習語義關聯，通過發現相關教育資源支持學習者的開放學習。

圖5 LUCERO工作流程圖

2. 關鍵技術應用

LUCERO工作流程圖[24]如圖5所示，具體分為收集、抽取、關聯、存儲和發布等五個階段。主要應用的技術有各種異構分布資源的收集、基于本體RDF格式數據抽取與清洗、三元組存儲于索引和通用、SPARQL端點搜索與應用。

3. 項目成果

LUCERO項目在數據轉換之前確定了要重用本體詞匯，通過重用多種本體詞匯如AIISO ontology、Courseware ontology等來支持教育領域情境中的關聯開放數據生成與挖掘，實現教育資源數據最大程度的互操作。LUCERO項目提出在教育環境中應用關聯開放數據有三大優勢：免費開放Web教育資源的發布可以為創新教育應用提供關聯數據基礎；RDF結構化關聯數據格式為大規模機器自動處理提供保障；跨機構的教育資源的關聯為用戶訪問、使用和瀏覽教育資源提供了新的維度。最后指出高校需要創新知識發布、共享的機制和模式來為教育改革和學習提供服務。

四、國外研究項目比較分析

國外SemTech項目對英國教育領域語義工具和其教學服務應用開展了調查研究，并在此基礎上提出了關聯數據應用、基于本體的搜索與匹配應用和教學情境感知應用等三個階段的教育語義技術應用路線圖。mEducator項目針對醫學教育資源缺乏標準化的內容共享機制導致的資源發現和利用問題，在基于本體和RDF關聯數據的mEducator元數據概念模型基礎上開發了MELINA+、MILES+、LinkedLabyrinth+等多個教育資源庫平臺語義關聯平臺，以便使醫學教育資源被整個歐洲學術機構發現、檢索、共享和重用。LUCERO項目則是針對英國開放大學內部的分布異構學習資源庫，采用了基于關聯數據發布與挖掘技術對異構學習資源開展了內容選擇、抽取及結構化處理等實踐，目標是挖掘整合發布教育關聯數據形成關聯云，更好地支持高級學習應用。

通過對國外關聯數據教育領域典型研究項目介紹，可以發現，SemTech、mEducator和LUCERO研究項目的出發點都是從基于關聯數據與語義Web技術的最新視角來研究與解決教育領域中教育學習資源的組織、發現、檢索、推理、共享和重用問題，并致力于利用關聯數據支持語義Web環境中的教學活動、學習方法和學習模式的變革。同時關聯數據本身具有全球開放性、基于本體的語義關聯性和標準的分布動態知識組織等特性，這為機構內部教育資源和外部Web開放教育資源的集成整合、發現、共享和重用提供了良好的機遇。另外，本體和RDF格式關聯數據是這三個項目共同應用的關鍵技術，多種本體詞匯如AIISO、Courseware、FOAF等重用對于Web語義環境中教育資源語義一致性和關聯互操作至關重要；而基于RDF標準格式關聯數據是Web大規模數據機器自動處理的關鍵所在。最后，雖然SemTech、mEducator和LUCERO項目發起機構和具體應用實踐不同，但是它們都是更加注重強調教育和學習的本質，都強調了關聯以Web2.0為代表的社會人際關系網絡資源對于促進協作學習和教學活動的重要性，這更加回歸了學習的本質，不僅強調學習內容資源的開放語義關聯，而且更加重視人際關聯網絡對于學習活動的支持。

五、關聯數據對我國教育資源建設的啟示

2012年3月，中國教育部為推進落實《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）》關于教育信息化的總體部署，組織編制下發了《教育信息化十年發展規劃（2011—2020年）》（簡稱《規劃》）。《規劃》總體目標是要建設覆蓋城鄉各級各類學校的教育信息化體系，促進優質教育資源普及共享，推進信息技術與教育教學深度融合，實現教育思想、理念、方法和手段全方位創新，以教育信息化帶動教育現代化，是我國教育事業發展的戰略選擇，對于提高教育質量、促進教育公平、構建學習型社會和人力資源強國具有重大意義。[25]國家相關部門對教育信息化中教育資源普及共享、信息技術與教育教學深度整合作了明確部署，對于教育資源建設、共享與教學整合等具有重要的指導意義。但是當前我國教育資源建設與共享中也存在著諸多問題，針對存在的問題，我們或許可以從上述國外研究項目中獲得一些啟示。

（一）跨機構教育資源關聯數據發布

跨機構教育資源關聯數據發布是全球范圍內教育資源重用與共享的首要條件。我國教育領域各機構需要利用關聯數據這一語義環境的資源組織模型，將自身內部寶貴的教育資源轉換以關聯數據形式進行發布，并且盡可能地重用和關聯外部教育資源數據。通過跨機構教育信息資源關聯整合發布形成“教育關聯數據云”，可以為教育領域各種應用提供基礎條件。“教育關聯數據云”的語義關聯不僅可以整合全球開放的優質教育資源，而且可以在發現、重用、共享資源的同時開展不同模式的教育應用來促進學習模式的變革，提升全球知識創造力，從而加速全球范圍的知識創新步伐。我們需要創新知識發布、共享的新的機制和模式來為教育改革和學習提供服務。

（二）教育語義關聯知識發現整合服務平臺創建

教育語義關聯知識發現整合服務平臺創建是開展教學情境感知應用的關鍵。從英國開放大學LUCERO、歐洲mEducator等項目中可以發現，項目開發應用平臺都利用RDF資源描述框架和Ontology本體技術。其中RDF不需要詳細的知識庫模式或者本體就能檢索和整合不同的教育信息資源，而本體是形式化、規范化的概念及其關系描述，用于概念、知識共享與重用，同時也是機器自動推理的關鍵部件。目前全球范圍已經出現了許多本體，如Wordnet（語言本體）、Hownet（知網本體）、AIISO（學術機構內容機構本體）、Courseware（課件本體）、FOAF（朋友本體）等。我們在教育語義關聯知識發現整合服務平臺開發中應盡可能重用共享全球范圍內各領域已建立的成熟的本體詞匯，并根據具體應用設計開發教育領域屬于自己的本體。另外，在建構主義、聯結主義、社會情境建構、分布認知等學習理論指導下，還應注重將Web2.0社交網絡與基于關聯數據和語義技術的Web3.0結合起來，并融入教育語義關聯知識發現整合服務平臺的開發中，將資源網絡、社會網絡、學習者認知網絡緊密融合來支持不同教學情境中的教學和學習應用。

（三）教學情境感知應用

教育資源建設與共享的最終目的是要實現不同教學情境中教和學的應用，是關聯數據應用的最高階段。通過構建教育語義關聯知識發現整合服務平臺，實現教育資源開放語義關聯、智能搜索與推理、知識發現、共享與重用，在此基礎上開展不同形式更高級的教育應用，如基于開放知識庫的專家問答、伙伴協作學習、跨學科的知識共享、批評性思維訓練、教學情境敏感的可視化知識地圖展示等，更好地支持問題討論、項目學習的自主學習、協作學習、泛在學習和個性化學習等學習和教學活動，推動智慧學習、[26]按需學習等高級學習方式的發展，從而促進整個教育領域的變革。

關聯數據有利于教育領域機構內部教育資源和外部Web開放教育資源的語義集成、整合、發現、共享和重用，國外教育領域關聯數據研究正方興未艾。我國教育領域應密切關注國外關聯數據的研究進展，積極借鑒國外教育領域關聯數據項目經驗，利用本體和關聯數據相關生成發布和消費獲取技術，開發我國教育領域關聯數據特色服務項目和平臺，為我國教育資源建設、共享與教學應用整合服務。

六、總結與展望

從語義網到關聯數據的跨越源于多年的理論討論和實踐研究，從Web1.0到Web2.0及Web3.0，從HTML到XML，從RDF到Ontology、OWL，從單一文本資源到海量分布多媒體資源，語義化、智能化的互聯網是其發展的必然要求。關聯數據理論興起與發展必將推動語義互聯網的不斷成熟與完善，也必將帶動教育領域在教育資源組織形式、資源集成整合與發現、共享、重用等方面的變革。在英國聯合信息系統委員會、歐洲eContentplus基金會和英國開放大學等機構和組織的引領和帶動下，以關聯數據為代表的語義Web技術已經得到了國外教育領域的重點關注，相信在不遠的將來，會有更多的研究者和開發者利用關聯開放數據去發布、共享、重用教育學習資源，更好地創新教學實踐，相信我國在教育領域也會有更多的關聯數據研究項目和實踐。

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