基于語義環境的高校網絡教育資源組織模式研究

陶宇煒 謝愛娟 封紅旗

摘 要：文章依據語義Web的理論與技術，結合教育資源建設技術規范（CELTS-41），構建了基于語義Web的高校網絡教育資源組織架構，以實現網絡教育資源語義互操作、資源協作支持與深層語義的知識發現。

關鍵詞：語義環境；網絡教育；組織模式

中圖分類號：G640 文獻標識碼：A 文章編號：1002-4107（2016）07-0053-03 我國的網絡教育在促進高等教育信息化建設中發揮了重要作用。國內高校投入資金、技術和人員，從基礎設施建設，到教育信息技術平臺、網絡教育管理信息系統建設，為師生提供課件發布、在線答疑、布置和提交作業等網絡教育資源服務。然而，從對本科類和高職類國家精品課程的網絡資源使用調查情況看，許多精品課程資源制作質量較低，使用煩瑣，互動效果不佳，以致網絡教育資源實際利用率較低，有的甚至處于閑置狀態。

為此，借鑒語義Web理論和技術，對分布、異構的網絡教育資源進行語義標注和資源本體的構建，在網絡教育資源之間建立語義關聯，實現資源交互和推送服務，有效解決網絡教育資源瓶頸問題。

一、語義Web的內涵及特點

語義Web是對現有互聯網的擴展和延伸，將網絡資源以層次化結構加以定義和描述，解決分布、異構網絡資源之間互操作問題。語義Web包括基礎設施層、元數據層、本體層、代理層。基礎設施層包括組成語義Web的資源的存儲、訪問方式和語法表達。基礎設施層的Unicode使用國際通用的字符集處理網絡資源的統一編碼。URI（統一資源標識符）用于標識網絡資源名稱及其屬性。元數據層提供網絡資源類型、屬性及其關系的規范性描述。元數據層的XML+NS（命名空間）+XML Schema以結構化語法描述網絡資源數據內容和結構信息。RDF和RDF Schema提供描述網絡資源及資源之間相互關系的語義模型。本體層在元數據層基礎上定義網絡資源概念及概念之間的邏輯關系。本體層的Ontology（本體）描述網絡資源及資源之間的語義關系，在人機之間形成同一概念語義上的一致。代理層表達語義Web的安全和信任機制。代理層的Logic提供基于本體層的公理和推理規則，進行基于語義的搜索和服務。Proof為執行Logic的推理規則提供認證機制。Trust采用加密和安全機制，確保網絡資源的可信任度和資源交互的安全性。

XML（可擴展標記語言）、RDF（資源描述框架）、Ontology作為資源表示方法已經被廣泛應用[1]，它們定義了計算機可理解的類及屬性等，并用唯一的資源標識符進行資源標注，為在更高層次進行異構系統交互、資源互聯和共享、提升網絡資源發現、傳遞質量提供了新的途徑[2]。基于XML和RDF/RDF Schema，語義Web提供本體和邏輯推理規則，實現網絡資源的語義標注和推理，將網絡資源有效地分類、繼承、協作和組織，能夠實現網絡資源共享和應用集成。

二、網絡教育資源的語義描述

網絡教育資源具有分散、松散耦合、表現形式多樣、動態性強的特點。實現網絡教育資源的交互和共享，必須建立網絡教育資源統一標準（規范），對網絡教育資源進行語義描述。目前，網絡教育資源語義描述通常采用資源元數據和資源本體。

（一）元數據

元數據提供網絡教育資源數據的規范化描述。元數據定義網絡教育資源的所有數據元素。元素是資源的內容、格式及屬性的描述符，如都柏林核心元數據集描述網絡教育資源的標題、創建者、關鍵詞等屬性。

XML和RDF是網絡教育資源元數據描述采用的方式[3]。可擴展標記語言XML定義網絡教育資源的結構。XML支持NameSpace（命名空間），網絡教育資源可以定義為特定的URI，較好地支持分布資源描述和多重語義集成。

資源描述框架RDF提供描述網絡教育資源的概念和概念間關系的模型。RDF三元組（主體、屬性和客體）對應于資源名稱、資源屬性和屬性值。在RDF基礎上制訂的RDF Schema規范化表示資源的抽象層次和概念結構，支持構建資源本體。

（二）本體

本體是對應用領域中的共享概念模型的明確的形式化規范性說明[4]。本體通過定義共享的、通用的應用領域的概念以及概念之間的關系，描述應用領域概念的語義，為實現人和計算機之間的雙向和多向交流提供通用的規范，解決可擴展標記語言XML和資源描述框架RDF對網絡教育資源概念描述上產生的歧義。

本體是解決網絡教育資源共享、系統互聯的關鍵。通過本體提供語義Web標注網絡教育資源的元數據，使網絡教育資源表達一定的語義信息，支持搜索引擎、智能代理等應用程序；應用程序通過對本體的解析、本體自身的推理能力理解網絡教育資源語義信息，提供基于語義信息理解的智能服務。本體描述語言OWL通過定義良好的語法和語義，支持有效推理表達能力，較好實現網絡教育資源的語義表達和語義推理[5]。

三、網絡教育資源的元數據標準

從20世紀90年代中期開始，國際標準化組織相繼發布的教育資源元數據標準主要有DC（Dublin Core，都柏林核心）元數據標準、LOM（Learning Object Metadata，學習對象元數據）規范、Learning Resource Metadata（學習資源元數據）標準，為網絡教育資源的交互提供了技術支持。

我國借鑒國際標準化組織發布的教育資源元數據標準，結合我國教育信息化發展狀況，建立了教育信息化技術標準體系（CELTS）。《教育資源建設技術規范》（CELTS-41）以LOM規范為核心，定義了教育資源元數據的具體結構，包括必須數據元素（LOM核心集），通用可選數據元素，與某類資源屬性相關的分類擴展數據元素[6]。對我國的網絡教育資源建設、管理和應用具有重要的指導作用。

四、高校網絡教育資源的組織框架

按照教育資源元數據標準，結合語義Web層次架構，通過對網絡教育資源元數據進行語義描述和網絡教育資源本體構建，建立網絡教育資源概念與概念之間的關聯關系，形成網絡教育資源知識庫，利用SiLRi推理引擎等工具提供的智能服務，如智能檢索、分類查詢、智能代理等，最終實現對分布、異構的網絡教育資源的交互、共享和重用。基于語義Web的網絡教育資源組織架構如圖1所示。

（一）網絡教育資源的語義標注

教育資源庫中存儲的網絡教育資源包括課件類資源（如PPT、Flash文件）、文檔類資源（如Word、Excel、PDF 文件）、媒體類資源（如圖片、音頻、視頻文件）等。網絡教育資源組織架構首先對資源進行必要的格式化預處理（關鍵詞提取），按照《教育資源建設技術規范》（CELTS-41），將網絡教育資源的標題（Title）、作者（author）、關鍵詞（Keywords）、資源類型（Type）、資源描述（Description）、資源大小（Size）、發布日期（Date）等作為必須數據元素，定義網絡教育資源元數據實例結構，形成資源元數據庫。

其次，利用本體在網絡教育資源元數據之間形成的自動映射機制，建立網絡教育資源對象、屬性及資源對象之間的復雜語義關聯關系，構建網絡教育資源知識結構的本體概念模型。通過對網絡教育資源進行基于語義的抽象、描述和標注，將不同類型、領域知識的網絡教育資源組織成知識網絡。

最后，將經過預處理的網絡教育資源獲得的語義信息存入資源知識庫，利用搜索引擎開展語義內容重構，形成學科領域知識網絡，實現知識資源語義層面組織。

（二）網絡教育資源的本體管理

網絡教育資源本體管理包括網絡教育資源本體的構建、一致性檢驗、本體解析、本體存儲等。

網絡教育資源庫的資源進行語義標注后，自動生成相應的標注xml文檔，存儲在資源本體庫。從資源本體庫可以獲取資源語義信息和概念之間的關系。經過語義標注的資源語義信息作為資源本體中各類資源的實例，這樣就在資源元數據和資源本體中的實例間建立起映射關系。

對幾種代表性的本體構建方法，如TOVE（Toronto Virtual Enterprise）企業建模法、骨架法（Skeletal法）、METHONTOLOGY法、KACTUS工程法、SENSUS法、IDEF-5法、知識工程法（七步法）按軟件開發周期各流程進行分析比較發現，知識工程法（七步法）成熟度較高[7]。所以網絡教育資源本體的構建采用知識工程法（七步法），將資源元數據和本體構建過程建立對應的映射關系[8]。

知識工程法（七步法）構建本體的步驟為：（1）以CELTS-41《教育資源建設技術規范》為網絡教育資源元數據方案確定本體領域和范圍；（2）考慮復用已有的資源本體庫，與現有資源本體庫建立映射關系；（3）從資源元數據中提取資源數據元素和分類信息，列出資源本體中的重要概念；（4）根據資源元數據的分類，定義相應的類和類的層次體系，如文本類、媒體類等；（5）定義類的屬性（對象屬性、數據屬性和注釋屬性）；（6）對資源數據元素屬性進行約束，如類型、值域范圍等；（7）構建資源本體中類的實例和屬性關系。

按照知識工程法（七步法），采用本體編輯系統Protégé4.3進行本體概念類、關系、屬性和實例構建教育資源本體，使用支持本體描述語言OWL的本體編輯系統Protégé4.3集成的HermiT推理機對資源本體進行一致性檢驗，沒有出現本體語義沖突等情況，經過推理得到資源本體概念類的實例。

本體信息通過本體解析以OWL（Web本體語言）文件存儲在網絡教育資源本體庫，本體解析工具Jean提供了操作RDF/RDFS和OWL的API（應用程序編程接口），以及基于規則的推理引擎編程環境[9]。本體解析通過讀取網絡教育資源本體，使計算機理解資源本體結構，資源本體概念和概念之間的關系，以及資源本體概念的屬性和屬性的取值范圍。

本體的存儲方式有基于OWL文件的存儲、基于XML數據庫的存儲和基于RDF數據庫的存儲三種。本體編輯系統Protégé4.3生成OWL文件存儲本體信息，并支持RDF數據庫存儲。本體解析工具Jean提供數據庫存儲本體的接口，導入OWL本體，存儲到數據庫中，并通過數據庫訪問本體數據。

（三）網絡教育資源的推送服務

網絡教育資源推送服務是將存儲在資源知識庫中的知識及知識間的關系以語義圖的方式呈現給資源使用者，包括語義分析、語義匹配、推理引擎、服務接口等模塊。

資源使用者輸入資源查詢信息后，資源服務接口提供目錄檢索和智能推送兩種方式。目錄檢索是資源使用者通過資源目錄（或知識地圖）的方式來獲得相應的資源；智能推送是結合資源使用者使用行為日志（語義詞搜索、頁面瀏覽等），依據網絡教育資源本體，使用協同過濾推薦算法[10]，為資源使用者主動推送相關網絡教育資源的方式。

語義分析將資源使用者輸入或從資源目錄提取的關鍵詞按照資源本體術語表進行標準化處理后，采用前驅、后繼、相關、平行等方式進行語義擴展，實現知識資源的推送，提供資源使用者更豐富、高度相關的資源內容。

語義匹配采用基于本體的匹配器進行匹配操作[11]。網絡教育資源本體將資源內容列表和使用需求分開描述，為資源內容列表和使用需求定義一定的匹配規則，確保匹配結果的完整和準確。資源提供者根據查詢請求，將網絡教育資源提交給匹配器，匹配器接收資源使用者提交的請求后，利用匹配規則識別與使用需求相符的資源描述，查找相關的資源，并進行排序，返回資源使用者。

推理引擎采用SiLRi[12]，SiLRi是基于Java語言開發的采用RDF元數據推理的輕線程推理數據庫，允許在資源檢索式中合并事實查詢和資源本體概念，是較為理想的推理機制。

五、總結

通過引入語義Web理論和技術，依據《教育資源建設技術規范》（CELTS-41），利用元數據和本體進行網絡教育資源語義標注。采用知識工程法（七步法）構建網絡教育資源本體，將分布存儲、松散耦合、形式多樣的網絡教育資源相互關聯，結合資源本體解析、資源語義分析、資源語義匹配和推理，實現符合使用需求的資源推送。對于解決網絡教育資源多種異構、多重語義等引發的資源匱乏和有效利用問題，具有重要的實際意義。

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