江南大学图书馆 2008 年 10 月

基于本体的教学资源库的构建研究

江南大学图书馆江南大学图书馆彭奇志 彭奇志 2008.102008.10

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大纲• 1.本体与教学资源库 • 2.教学资源库的结构与功能分析 • 3.本体构建与描述• 4.教学资源库的 OWL本体实现

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Research on the Construction of Ontology-based

Teaching Resources Library • Aiming at the problems existing in the storage and

management of teaching resources, such as the difference of the development standard, the shortage of universality to share and reuse, the author introduces the theories and methods of ontology into the development of the teaching resources database of Information Retrieval curriculum. By designing and analyzing the framework function and the curriculum knowledge structure of the teaching resources database ， the author constructs the ontology of the curriculum teaching resources library and presents the ontology conceptualization description. Using Protege3.3.1 as ontology modeling tool, the author realizes the OWL ontology of the teaching resources database.

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问题的提出• 一是教学资源开发周期长，需要多媒体技术支持，人力物力消耗大；

• 二是开发标准不统一，开发出来的教学资源通用性不强，难以共享、重用；

• 三是教学资源的单元信息抽取较困难，数据的提取查询难以实现等 [1]。

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1.本体与教学资源库• 1.1 什么是本体？• 本体（ Ontology ）是共享概念模型的明确的

形式化说明 [3]。• 本体论定义了现实中存在的实体（称为概念或

类）及实体之间的相互关联（或称为角色或关系）。

• 本体是共享的、概念化的、明确的、形式化的规范说明。具体说明如下：

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本体 (Ontology)是共享的、概念化的、明确的、形式化的规范说明• 共享 (shared)--指组织、团队、项目、领域范

围内共同接受的概念• 概念化 --指领域中现象和事物的抽象模型• 规范 (specification)--是对领域中概念或知

识的限制与约束• 明确 (explicit)--指概念的类型、概念间的关

联与约束• 形式化 (formal)--指描述本体的无歧义的自然

语言和人工语言。

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1.2 本体在教学资源库构建中的作用• 实现三方面的共享：• 一是资源内容的共享 --即资源库之间相互提供资

源，同时从对方获取自己所没有的资源；• 二是技术的共享 --不同组织或个人各自建立自己

的资源库，只要遵循同一标准、相同的资源表示方式和资源属性标记方法，就可以共享同一接口；

• 三是概念的共享 --确保在领域中建立、维护和使用知识的不同对象共享相同的概念，实现语义上的理解。

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2 结构功能分析• 2.1 教学资源库的结构功能分析• 首先，教学资源库用户通过身份认证系统访问用

户信息库，通过认证后，所有的合法用户都可以浏览教学资源。

• 对于在系统中注册的学生，可以浏览、下载学习资源、在线测试及上传作业等，并且可以进入“师生互动交流平台”提问和对教学资源发表评论 。

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Y

资源添加

资源修改

资源删除

资源审核

资源库建库

浏览资源

下载资源

在线测试

用户管理

权限分配

课程管理

可复用教学资源库

教学文档库

题

库案

例

库

网络课件库

实

习

库

多媒体素材

库（含文本、

图形图像、

视频、音频、

动画。）

上传作业

教师 学生 管理员

《信息检索》可复用教学资源

检索理论

检索方法

检索策略

电子图书

电子期刊

文摘数据

库 特种资源

共享资源

软件维护

统计分析

数据备份

师生互动交流工具

讨论组

新闻组

网上博客

电子邮件

聊天室

加密解密

状态监控

日志审核

N

注册

验证

用

户

登录

综合利用

管理工具

支撑平台

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• 对于注册的教师，除了拥有学生所具有的权限外，还可以提交、修改和删除教学资源或验证教学资源的正确性，在线或离线答疑；

• 对于系统管理员，可以管理和验证各类用户，分配用户权限，进行课程的设置，信息发布和系统安全管理等。

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• 该网络教学资源库包括题库、教学案例库、网络课件库、实习库、多媒体素材库和教学文档库[4]，他们均由《信息检索》课程各章节和知识点实例构成。

• 针对教学资源的使用和管理，系统认定只有在系统中注册的用户才能对资源库进行相应的操作，并根据三类用户设置了不同的权限。

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2.2《信息检索》课程知识组织结构• 课程知识组织结构指的是课程内容的组织形式，

为课程学习、导航、信息组织等提供支持。使用本体建模时一般要针对具体的领域，首先分析具体领域的知识结构，把具体领域内的学习内容分解为一系列的知识点。然后，再去考察单个知识点对象的属性特征和各知识点之间的关系。

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• 《信息检索》课程的内容是由不同的章组成，每一章下面又划分为不同的小节，而每一小节又由不同的知识点所构成。

• 根据本体建模 SENSUS法，树顶层为根，底层为叶子，并按照编排的章节点关系画出课程知识结构图（如图 1 所示）。

• 一旦建立该课程的知识点，就可以进行知识点的抽取、构建和查询。

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图 1 《信息检索》课程知识结构

• 图 1

信息检索

第三章第二章第一章 第 m章

第一节 第二节 第三节

知识点 1 知识点 2 知识点 n…

…

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创建“ SDOL”本体• 由于《信息检索》包括的学习内容和知识点比较

多，针对《电子期刊》一章中的第三节“ SDOL全文电子期刊”进行知识点的分解，并分析出各知识点之间的关系，然后创建“ SDOL”本体。如图 2 所示，不同的节点分属于不同的层次。处于第 0 层的根节点“ SDOL”代表第三节；第 1 层的三个结点表示第三节分为三个小节；第 2 层列举检索方法的两个要点；第 3 层具体描述五种检索方式。

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图 2 SDOL 知识点分解1

SDOL

检索结果

检索案例检索方法概述

检索方式

简单检索 高级检索 专家检索快速检索浏览检索

检索技术

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3 本体构建与描述• 本体的构建，主要包括知识获取、分析、概念化

（概念抽取、术语确定）以及形式化等。• 概念术语要经过精心的选择，并且必须无二义性。• 构建用户、教学资源、资源库三种类型的教学资

源库本体。

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3.1 用户本体• 定义三类用户本体 (user ontology)：学生 (student)

本体、教师 (teacher)本体、管理员(administrator)本体。

• （ 1 ）学生 (Student)本体：学生本体可以下载和浏览存储在“教学资源库”本体中的所有学习资源，以及提出学习问题和发表评论等。

• （ 2 ）教师 (Teacher)本体：教师本体除了具有学生本体具有的所有功能外，还具有对学习资源进行管理的权限，包括提交、修改和删除教学资源，验证教学资源的正确性，在线或离线答疑等。只有教师可以提交及验证资源内容的有效性。

• （ 3 ）管理员 (Administrator)本体：负责管理和验证各类用户，分配用户权限，验证各类用户行为，进行课程的设置，发布教学信息，软件安全管理，对整个资源库进行日常事务的维护等。问题和评论由资源库管理员在日常维护中回答或分发给相应的教师。

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3.2 教学资源本体• 教学资源本体 (teaching resources ontology)通常根据不同的课程来确定，一般将课程中的每一知识点都看作一个概念，知识点之间的关系表现为概念之间的关系，每个概念还可以与网络中的学习资源相关联。

• 知识点的教学内容包括教学文档阅读、课件教学、案例讲解、实习、习题练习和测试等。

• 表现形式有文本、演示文稿、图形图像、动画、视音频等。

• 知识点之间的关系有多种，如前驱 - 后继关系、平行关系、相关关系、参考关系等。

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3.3 资源库本体• 定义五类资源库本体 (resources library

ontology) ：• （ 1 ）题库 (problem library)本体：练习和测试用题目。

• （ 2 ）案例库 (case library)本体。• （ 3 ）网络课件库 (network courseware

library)本体。• （ 4 ）实习库 (experiment library)本体。• （ 5 ）多媒体素材库 (multimedia library)本体：包括与课程学习相关的多媒体资源：文本资源、图形图像资源、视频资源、音频资源以及动画资源。

• （ 6 ）教学文档库 (teaching document library)本体：教学参考书籍、信息资源、学大纲和教案等。

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3.4 本体的概念化描述• Ontology应该用自然语言或人工语言对所定义的

术语给出明确、客观的语义定义。通过各种知识获取方法得到的领域本体的主要概念和关系，需要用精确无歧义的语言加以描述，生成该领域本体的核心语义内容 [5]。

• 定义　学生本体是一个九元组， O_S∷={S_id,S_name,S_subject,S_specialty,S_style, S_goal,S_skill,S_level,S_relation}

• 8 个概念集合：学生 id号、姓名、学科、专业、学习风格、学习目标、当前技能、层次。

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3.4.2 教学资源本体描述• 定义 教学资源 ( 知识点 ) 本体是一个九元

组， O_TR ={TR_id,TR_name,TR_type,TR_le∷arninggoal,TR_learningadvice,TR_granularity,TR_significance,TR_interactivity ， TR_relation}

• 包括知识点 id号、名称、文档类型、教学目标、教学建议、知识点大小规模、重要程度、交互类型、知识点之间及与章节的关系。

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3.4.3 资源库本体描述• 教学资源库本体是一个五元组

O_RD ={RD_id,RD_coursename, ∷RD_libraryname,RD_mediatype,RD_instance} 。包括：

• （ 1 ） 5 个概念集合 : 资源库 id号、课程名、库名、媒体类型和实例集。

• （ 2 ）一个实例集。每个实例是由实例名字和实例的 url地址组成的二元组RD_instance ={I_name,I_url}∷ 。

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4 教学资源库的 OWL本体实现

• 本体对资源的描述采用资源描述框架 RDF （ Resource Description Framework）， RDF定义一个简单数据模型，通过给定的性质和性质的值来描述资源以及资源之间的联系。

• OWL (Web Ontology Language) 是 W3C 推荐的本体描述语言的标准，是为在 WWW 上发布和共享本体而提供的语义标记语言，作为 RDF的扩展，目的是提供更多的元语以支持更加丰富的语义表达，并更好地支持推理 [6]。

• OWL是在 DAML+OIL的基础上发展起来的，能够被用于清晰地表达术语的含义以及这些术语之间的关系，即本体间的关系。

• OWL基于 XML/XMLSchema 和 RDF/RDFSchema，弥补了RDF 与 XML仅能够表达网上机器可读的文档内容的不足 [7]。

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《信息检索》课程教学资源本体的部分OWL描述

• 采用 Protege3.3.1作为本体的建模工具，在得到本体的 OWL文件后，应用系统可以通过 Jena对其进行处理， Jena平台提供了对 OWL推理的多方面支持，包括解析、创建和查询 OWL模型等。

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《信息检索》课程教学资源本体的部分OWL描述 ：• <?xml version="1.0"?>• <rdf:RDF

xmlns="http://www.owl-ontologies.com/Ontology1210173838.owl#"

• ……• xmlns:owl="http://www.w3.org/2002/07/owl#">• <owl:Ontology rdf:about=""/>• <owl:Class rdf:ID="introduction">• <rdfs:subClassOf rdf:resource="#SDOS"/>• </owl:Class>• <Retrieval_Method rdf:ID="Mode"/>• <owl:Class rdf:ID="Model">• <rdfs:subClassOf rdf:resource="#Retrieval_Method"/>• </owl:Class>

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5.结论• 基于本体可以建立结构开放的新型教学资源平台，

实现异构资源库的互操作，解决资源孤岛问题，实现资源的集中管理和资源内容的分布存储，使之具有共享、分布、开放、支持各类异种资源库系统互操作等特性。

• 《信息检索》课程的教学随着教学内容的快速发展变化而使得教学资源的制作与更新频率很高，采用本体标准化的表达方式和规范化的工作步骤，建立基于本体的通用的规范的教学资源库，以实现资源的广泛共享和重用，并在概念上形成一致，将是该课程资源库建设与发展的重要方向。

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参考文献：• [1] Zhu Xinjuan, Zhang Wenyu, Li Xianfeng.Design of ontology-

based teaching resources libraries and courseware authoring system[J].Computer Engineering and Design,2007(3):1449-1450

• [2] Li Jing, ZHOU Zhurong, GAN Chengzhi.Research on ontology modeling of learning resources[J].Computer Engineering and Design,2008(1):251-253

• [3] Studer R, Benjamins V R, Fensel D. Knowledge engineering,principles and methods[J].Data and Knowledge Engineering,1998,25(1-2):161-197

• [4] Peng Qizhi.Design and Research on the Network Tutoring System of Information Retrieval Curriculum[J].Library and Information Service,2007(7):80-81

• [5]Zeng Ling, Ding Xin, Qiu Chongguang.System Model of Ontology Based Adaptive Learning[J].Journal of South China Normal University,2008(1):62-64

• [6]Yu Shuhao,Guo Xuejun.Research and Application of Teaching KB Based on Ontology[J].Computer Technology and Development,2007(8):162

• [7] Zhong Luo, et al.Implementation of Ontology in E-learning Resource Repository Based on Semantic Web[J].Computer Engineering,2007(4):282-284

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The EndThe End

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