袁滿 曹陽 陳萍



[摘? ?要] 教育是典型的知識密集型領域,因此,進行領域知識的共享研究對教育領域的發展非常重要。多年信息化的歷史經驗告誡我們:共享的前提是必須對領域資源實施標準化。盡管我國教育領域研發了系列教育元數據標準,但是從智慧教育的需求來看,這些標準普遍表現為缺乏語義、比較零散、體系不夠完善等。隨著近些年知識圖譜的提出,為教育資源的知識整合發展提供了重要的技術手段。然而,目前知識圖譜構建的主要焦點在構建技術方面,忽視了構建中的標準化問題。長此以往,領域將會構建出很多“知識孤島”。為解決這些問題,本文在對國內外教育領域內標準進行研究的基礎上,以系統理論為依據提出并構建了一個集預定義詞匯的W3C語義Web標準、頂層詞匯標準和領域詞匯標準于一體的三層架構模型——教育資源知識圖譜標準詞匯參考模型。基于該模型建構知識圖譜,不僅為教育領域數據的標準化提供標準詞匯參考,而且也為規范構建教育領域知識圖譜提供了參考。
[關鍵詞] 教育資源; 知識圖譜; 詞匯; 知識融合; 標準化
[中圖分類號] G434? ? ? ? ? ? [文獻標志碼] A
[作者簡介] 袁滿(1965—),男,黑龍江大慶人。教授,主要從事知識組織與教育資源標準化研究。E-mail:yuanman @nepu.edu.cn。
一、引? ?言
過去40多年信息化進程中,由于各個領域對標準的建設都缺乏足夠的重視,使得各個領域信息資源建設普遍缺乏標準支撐,所以導致領域“信息孤島”嚴重泛濫,也包括教育領域。眾所周知,各領域為整合這些“信息孤島”而花費了大量人力、財力和物力,這給領域的信息化建設留下了深刻的歷史教訓。可見,標準在領域信息化中的重要地位。尤其是新興技術的崛起,如人工智能和大數據等在教育領域的應用,為當下及未來智慧教育的進一步發展提供了技術支撐,因此,從數字化向智能化轉型在教育領域也被提到了重要的日程。在數字化時代,是數據標準在支撐著信息化,而進入智能化時代必將用知識標準支撐智能化。在教育領域,國際上對教育技術標準研究的機構有許多,諸如美國、國際組織和歐洲等,他們都研發了系列教育技術相關標準。其中美國標準研發的典型機構與項目包括美國航空工業計算機輔助訓練委員會(AICC)、美國高級分布式學習研究項目(ADL)、美國全球學習聯合公司(IMS)、美國教育部教育統計中心(NCES)、美國Internet內容分級協會(ICRA)等。國際標準化典型機構包括都柏林核心元數據研究行動(DCMI)、IEEE學習技術系統標準化委員會(IEEE-LTCS)、國際標準化組織(ISO-JTC1/SC36)、萬維網聯盟(W3C)以及國際課件證書標準(ASTD-ELC)等。歐洲網絡教育技術標準機構及項目包括歐洲遠程教學創作與銷售網聯盟(ARIADNE)、促進歐洲社會教育與培訓中使用多媒體工程項目(PROMEETEUS)、歐洲標準化委員會/信息系社會標準化系統(CEN/ISSS)、歐洲諒解備忘錄(MoU)、在線教育系統元數據擴展標準(GEMSTONES)和英國學習管理工具標準(TOOLMOL)等。在國內,為適應時代發展,2010年發布的《國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010—2020年)》提出“加快教育信息化進程”“制定教育質量國家標準”“建立完善國家教育基本標準”[1],強調了標準對于教育信息化的重要性;2017年發布的《關于深化教育體制機制改革的意見》再次強調要“完善教育標準體系”。由此可見,知識共享對教育信息化的重要性。
知識圖譜作為人工智能知識組織與表示的最新技術,是新時代作為知識表示的最具潛力的發展方向。由于知識圖譜是以語義Web七層協議為基礎的,所以在知識圖譜中表示知識的核心與關鍵是其中的本體層。本體提供了預定義共享詞匯,即提供了整套的元本體規范。眾所周知,知識圖譜是由模式層與數據層構成的,其中模式層由本體來定義。由此可見,盡管語義Web七層協議棧自底向上,全部由W3C給出標準化定義,但是并不代表由本體所表示的領域知識就一定是標準化的。如果要使領域的知識表示的模式層也是標準化的,那么就必須采用領域標準。隨著當下語義標準化技術的發展,國際上一些機構發布了許多用來表示語義的本體事實標準或法律意義上的本體標準。這些本體標準中,有許多是通用領域的標準,因此,可以作為教育領域的標準之一予以采用。知識圖譜不僅克服了傳統元數據標準存在的語義缺乏問題,而且還能夠解決數據語義的互聯互通問題,利用這一新技術能夠建立教育資源中知識的表示標準,從根本上避免“知識孤島”的再次產生。
本文在對國內外教育知識圖譜及相關領域元數據標準研究基礎上,以W3C語義Web標準協議棧為基礎,深入地研究了國際、國內與教育領域相關的詞匯標準,包括元數據詞匯標準和本體詞匯標準,提出了一種將國內外多種標準詞匯融合為一體的教育領域標準詞匯參考模型,利用該模型來指導教育領域知識圖譜的構建。盡管該參考模型是基于教育領域提出的,但它對于其他領域的知識圖譜標準構建同樣具有借鑒意義。
二、國內外教育詞匯標準研究
(一)教育資源元數據標準研究現狀
1. 國外關于教育資源元數據標準的研究
學習資源共享和系統互操作的根本解決措施是教育資源標準化。國際上對教育資源標準化的研究始于1960年代末,當時的政府和學術界針對學習資源的可共享性、可互通性以及系統的互操作性提出了一系列的標準和規范。這些標準相互借鑒、相互兼容并逐漸完善,從而形成了一系列具有影響力的研究成果,并在實踐中逐漸被采納和應用,其中有一些典型國家和組織代表,諸如美國、歐洲以及標準化組織等。
美國相關標準研究:1993年,AICC就提出了CMI(計算機管理教學互操作指導規范)[2],后來美國國防部(DoD)在ADL項目中又借鑒了此標準,并且建立了SCORM(可共享課程對象參考模型)[3]。1996年,EDUCOM又設立了IMS組織[4],并一直進行一系列IMS標準的研究制定工作。后來的許多標準都引用了IMS的標準文檔,比如IEEE/LTSC和SCORM等。1998年,NCES設立了SPEEDE/ExPRESS研究項目[5],并由此產生了一套適用于電子教育的電子數據交換標準。此外,由非營利性組織RSCA發展而來的ICRA,其主要目標是研究網頁內容的分級研究及推廣的標準。除此之外,美國其他網絡教育技術相關標準研究還有Microsoft LRN(學習資源交換),2009年發布的CEDS的通用教育數據標準的研究計劃,研究的最終目的是通過對數據的規范來提高教育質量和改善教育問題。這些標準化組織多年來一直進行著標準的研究制定工作,2013年ADL發布了Experience API規范。近幾年IMS又制定了電子學習檔案規范[6]。
歐洲相關標準研究:ARIDNE是一個從事網絡教育技術標準研究的組織,研究方向一直是教學法的建模和標準化研究,它與著名的IMS一同推進了LOM的國際標準化[7],促進了多媒體工程在社會教育與培訓過程中的使用,多媒體、多語種與學習者模型都作為其重點研究對象;另外還有CEN/ISSS,也與多個組織有廣泛的合作,并共同進行標準的研究工作,如IMS、IEEE LTSC、ISO SC36等;還有由歐盟資助的GESTALT工程項目,一直以來致力于一個大規模的教育信息化系統的開發研究,通過對IEEE LOM V2.5、IMS V1.0、ARIADNE V2.0等標準進行分析研究,最終產生了GEMSTONES(在線教育元數據擴展標準)。
國際組織的相關標準研究:1995年,在都柏林發起了一項DCMI研究行動,其于2008年成為一個進行電子數據對象標準相關研究的組織[8],隨后,成立了一個教育工作小組DC-E,他們從電子圖書元數據標準中篩選出15個元素作為學習對象的數據元素。它的標準目前已經被國際廣泛采用和參考。1996年,IEEE-LTCS開始了學習技術標準的研究制定工作,目標是促進學習資源的開發、使用、維護及互通,最終在2002年發布了IEEE P1484系列標準,此標準覆蓋范圍很大,其中包括教育、培訓、學習技術和元數據等,其中有一項標準IEEE 1484.12于2011年發布,在該標準的基礎之上,隨后產生了LOM(學習對象元數據標準)[9],目的是通過定義一個元數據模型,讓學習者或教育者可以快速準確地發現學習對象,并在評估和使用方面提供支持,基于此來實現學習對象的共享和互換;2015年—2019年,IEEE P1484系列又相繼發布了一些標準。除此之外,日本的先進學習基架協議會、W3C的相關標準如XML、RDF、SMIF、PICS、P3P、ASTD在2001年推出的E-Learning課件證書標準等等。ISO/IEC JTC1/SC36 負責制定學習、教育和培訓領域信息技術(ITLET)國際標準,在2013年—2016年分別發布了ISO/IEC 2382-36:2013、ISO/IEC 20006-1:2014、ISO/IEC 20006-2:2015和ISO/IEC TR 18120:2016等系列標準。
2. 國內關于教育資源元數據標準的研究
資源共享的前提是資源的規范化,我國在教育信息化的號角吹響以后,緊跟時代步伐,2000年成立了DLTSC(現代遠程教育技術標準化委員會)[6],在2002 年又經過批準成立全國信息技術標準化技術委員會教育技術分技術委員會CELTSC(China E-Learning Technology Standardization Committee),研究出了符合我國特色的一系列CELTS規范和遠程教育技術標準體系結構, 此體系結構被分為指導類、學習資源類、學習者類、學習環境類和教育管理類五類。根據作用范圍不同,這些標準又可以分為通用規范與專用規范,其中通用類范圍適用對象廣泛,與此同時,還為用戶留下了適用于自己的發展空間,使用戶在統一的框架下,可以選擇以及改進部分數據項目,而另一個是指對于特定領域來說約束力更強的規范。這些標準大部分根據國際IEEE1484借鑒而來。近些年,隨著信息技術在教育領域的應用,學者對于應用的規范也更加關注,而此規范不僅可以應用于遠程教育系統,也適用于其他教學系統。此規范中,面向教育資源的國內標準有CELTS3、CELTS42、CELTS41和CELTS9等,其中CELTS41的側重點在于將資源開發者的開發行為、制作要求和應用的功能等要求進行規范,它將教育資源分為媒體素材、網絡課程、試題庫、試卷、課件、案例、文獻資料、常見問題解答、資源目錄索引9種類型。CELTS3主要參照IEEE LOM,通過定義一個統一的數據模型,描述學習對象和保障學習對象之間的語義互操作。CELTS42以DC元數據為主要參考,旨在提供一個統一的教學資源數據模型,該模型主要面向基礎教育,該規范包含了23個數據元素,其中有11個必需的數據元素,有 12 個是可選數據元素,另外還包含了限定詞匯和編目詞匯表。CELTS9則以IMS 和 ADL SCORM 兩個規范為參照對象,它主要定義在網絡化學習中的學習內容之間進行互操作時需要的數據結構以及如何對學習內容進行包裝。除此之外,我國在2013年發布了《電子圖書元數據》[10],目的是規范電子圖書的元數據構成、元素和屬性。同年,還立項了“信息技術學習、教育和培訓 教育中的電子課本需求”。2016年,為了規范我國電子課本與電子書包的可持續發展,正式發布了對電子課本與電子書包的標準體系研究,另外,《中小學數字教材元數據》標準以數字教材為描述對象,在元數據結構上的設計以《電子圖書元數據》為基礎,規范了中小學數字教材的開發和管理以及應用。教育部教育信息化技術標準委員會在2017年又發布了《GB/T 35298—2017信息技術學習、教育和培訓 教育管理基礎信息》和《GB/T 33782—2017信息技術學習、教育和培訓教育管理》。我國一直積極參與國際標準化組織的相關標準的制定工作,如ISO/IEC TR 24725-1:2011、ISO/IEC TR 24725-3:2010、ISO/IEC TR 18121:2015和ISO/IEC TR 18120:2016等。
資源標準化和教育信息化都是一個不斷推進的過程,教育資源建設的開發者需要在實踐過程中不斷探索,資源共享的前提是資源的標準化,只有教育資源標準化工作和教育信息化同步進行,我國教育資源的建設及網絡教育的普及才能順利向前推動[11]。
(二)關于教育領域本體的研究
1. 本體定義與標準詞匯的關系
目前對于本體公認的定義是 Studer在 1998 年給出的知識本體的定義:它是一種概念體系的明確的、形式化、可共享的規范[12];另外一個同樣被廣泛認可和采用的定義是Neches等人提出來的,他將本體定義為給出構成相關領域詞匯的基本術語和關系,并根據這些術語和關系來構成規定這些詞匯的外延規則的定義[13]。綜合Studer和Neches給出的本體定義可以看出:本體的實質即概念模型,尤其Neches是從標準化的角度闡述了本體的定義。本文正是將指定概念的指稱或名稱或術語統稱為標準詞匯。
三、教育知識圖譜標準詞匯參考模型與構建流程
(一)標準詞匯參考模型
通過對國內外通用領域、教育領域的各種元數據標準以及事實本體標準詞匯的匯總與研究,并以系統理論作為依據,融入語義Web標準體系,構建了用于指導構建教育領域知識圖譜的標準詞匯分類體系參考模型,整個標準詞匯組成了一個詞匯標準系統,該系統中的子系統是分層組織的,具體如圖1所示。
整個參考模型自底向上依次為第一層,即語義Web預定義詞匯層:本體序列化標準(W3C預定義的標準詞匯表);第二層是頂層標準詞匯;第三層是教育專題標準詞匯。其中第一層又包含兩個子層,第一個子層是元本體編碼標準;第二個子層是元本體規范。第一個子層由W3C定義了網絡資源唯一標識URI規范、UNICODE規范、XML規范、XML NS規范以及XML Schema規范等,這些都是基礎規范,為上層定義更高一級的語義表達語言奠定基礎。第二個子層由W3C制定的自底向上語義逐漸增強的RDF詞匯規范、RDFs詞匯規范以及OWL詞匯規范構成,最后利用這些規范實現對教育知識圖譜進行定義與序列化。
第二層是頂層標準詞匯,該層包含頂層元數據詞匯表與頂層本體詞匯表兩個子層。頂層詞匯表一般稱為通用詞匯表,從理論上講,該層提供的詞匯可以被任何領域所引用。其中頂層元數據詞匯子層包括都柏林核心集元數據(DCMI)、政府定位信息服務元數據標準(GILS)、機讀目錄格式元數據標準(MARC)以及國際標準書目著錄元數據標準(ISBN)等,值得注意的是,這里列的不全,還有諸如國際標準時間元數據、事件活動元數據等。頂層本體詞匯子層在國際上基本是作為事實或法律上的標準使用的,其中包含Schema.org本體,該本體中定義了組織機構、人、地點、日期、時間、期限、事件、商品等;Dbpedia、SUMO、YAGO、Wordnet、Hownet、FOAF、BIBO等,這些頂層本體中的一些詞匯可以作為標準直接引用。
第三層教育專題標準詞匯表包含兩個子層,一個是教育專題元數據詞匯子層,另一個是教育本體詞匯表子層。其中專題元數據詞匯子層包括教育領域各種元數據標準,該類標準最為豐富,它既包括國際上的一些教育元數據標準,也包括國內教育元數據標準。國際上一些典型的教育元數據標準有美國ACII提出的最早的計算機管理教學CMI標準、SCORM標準;歐洲及歐盟提出的IEEE LOM V2.5、ARIADNE V2.0系列標準;國際標準化組織建立的IEEE P1484和LOM標準; 國內最具代表性的機構就是CELTSC,它針對我國國情提出的CELTS系列標準,這些標準吸收了國際上DC、DCMI以及LOM等標準,其中包括學習對象元數據(CELTS-3)、簡單課程編列規范(CELTS-8)等圖譜。第三層中第二個子層是教育專題本體詞匯,它又包括兩個子層,目前,這里的教育本體詞匯尚未存在;對于此處的輕型本詞匯表主要是教育領域的分類法、敘詞表等,對于教育來講,其中的《教育主題詞表》收藏了教育各個主題的標準敘詞詞匯,這些都是構建教育知識圖譜的寶貴資源。
(二)教育知識圖譜構建流程
本體建模方法有很多,諸如骨架法、TOVE法、Methontology、斯坦福大學的七步法,其中以七步法應用比較多。本文以七步法為基礎構建教育知識圖譜,流程如下:
步驟1:確定構建教育知識圖譜的主題領域和范疇。
步驟2:復用本體,從所構建的教育知識圖譜標準詞匯參考模型中去檢索有沒有可復用的本體,分別在標準詞匯參考模型的頂層標準詞匯中的頂層本體詞匯和教育專題詞匯中的教育專題本體詞匯中去檢索可復用的本體。
步驟3:依據步驟1確定的主題范圍,通過需求分析確定該主題所有概念對應的專業術語,并列出這些專業術語。在術語列表的基礎上進行完善,自頂而下細化概念之間的關系,完善概念間的等級體系,定義概念屬性,最后建立類屬性。
步驟4:類和類的等級體系,到標準詞匯表參考模型中檢索出術語對應的標準詞匯,定義出類與類之間的層次關系,可以采用自底向上和自頂向下的方法,在定義過程中可以考慮約束、公理等的定義。
步驟5:定義類的屬性,從步驟3選出的那些術語,除了表示類的術語之外,剩下的大多數就是類的屬性,研究并選出類的屬性。對類屬性進行全面定義,對于對象類屬性可以采用對象定義方法,當類屬性為數據屬性時,可以定義該數據屬性的類型、寬度、計量單位、約束等。
步驟6:創建實例,首先確定定義實例的類,確定一個具體的類,最后創建該類的一個實例,并添加這個類的屬性值。
步驟7:從步驟4到步驟6,這個過程可以利用現成的工具,例如Protégé工具,也可以手動建立,最后由標準詞匯參考模型中的本體規范對所構建本體進行形式化。
通過上述流程實現依據標準詞匯參考模型的教育知識圖譜的構建。
四、原型系統
(一)項目背景及系統的技術架構
原型實現中,融合推薦系統通用模型與自適應學習系統通用模型(AEHS)作為參考,提出了本項目的基于知識圖譜的學習資源可視化與個性化推薦系統架構,如圖2所示。系統架構主要由領域知識模型、學習者模型和可視化功能等組成,其中學習資源模型是一個領域知識庫,用于表示某個領域或某一門課程的知識結構;學習者模型用于表示學習者信息、用戶信息、關系信息、興趣偏好等知識;可視化功能主要用于知識的可視化。
(二)C語言學習資源與學習者知識圖譜的構建
1. C語言知識圖譜的構建
依據文中給出的知識圖譜構建流程,并根據“C程序設計”課程內容大綱進行術語的確定,總結出“C程序設計”的重要術語,同時將元數據規范的術語列表提取出來,接下來根據“C程序設計”課程主要知識結構進行類的級別的確定,依照標準詞匯參考模型中的CELTS42教育資源建設技術規范和DC元數據規范,基于課程資源屬性選擇需要的數據元素,擴展新的數據元素,確定相應的詞匯和分類方法,最后建立實例,并添加相應的數據屬性或者對象屬性,構建基于網絡學習資源屬性的元數據模型,所構建的C語言課程資源知識圖譜如圖3所示。
2. 學習者知識圖譜的構建
標準詞匯參考模型中的頂層本體詞匯有FOAF和Relationship。目前FOAF本體已經是一個比較成熟的本體系統,FOAF本體包含了多個類和屬性,其中類主要包括代理、文件、組織、聯機賬戶、人、個人信息文件、項目等,描述的內容非常詳細和廣泛。Relationship本體只有一個類,但包含30多個屬性,親屬關系、婚姻及居住關系、師承關系、工作關系、關系親疏、影響關系等,基本上涵蓋了人與人之間的所有關系。將FOAF和本體Relationship進行融合,融合后的本體含有類和屬性。FOAF本體定義了關于用戶、用戶關系以及相關活動的元數據,用于描述Web中的人、實體、他們之間的關系以及他們的行為所產生的內容。
五、結論與展望
本文對國內外教育領域相關數據標準進行了較為全面的研究,認為國內外教育數據標準的研究主要處于元數據標準研發階段。目前,盡管有些文獻提出并強調了教育標準語義化的重要性,但是還未見到系統的研究成果。隨著大數據與人工智能技術在教育領域的深度應用,人們越來越認識到教育知識共享的重要性。目前,無論是國際還是國內都研究了大量的教育元數據標準,隨著近十多年本體技術在各個領域的應用,國際與國內出現了一些事實或法律上的本體標準,再加之近幾年知識圖譜技術的提出與應用的流行,這些都為我國研究與建設標準化的教育領域知識圖譜創造了前所未有的條件。因此,為滿足我國教育領域當下及未來的教育智慧化對知識的迫切需求,研發我國教育領域的知識標準迫在眉睫。因此,在這種背景下,本文將國內外教育領域標準詞匯以及與教育相關的本體標準和W3C七層語義Web規范融合為一體,提出了教育標準詞匯參考模型。最后,結合具體項目構建了基于“C程序設計”的學習者模型和學習資源的知識圖譜,實現了對它們的可視化功能。本研究為未來教育知識圖譜標準化的研究提供了一種新思想,并得出結論:我國教育資源的標準化勢在必行!沒有融入標準而構建的教育知識圖譜,其生命周期不會很長,只有融入標準的教育知識圖譜才能為未來教育領域資源的融合、集成、共享及互操作奠定基礎。接下來,我們將對教育資源細粒度的元數據標準整合展開研究,以期為教育知識的融合探路。
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