摘 要：本文提出了以元數(shù)據(jù)為核心創(chuàng)建ICAI知識(shí)庫的方法，并結(jié)合《信息安全》課程群的ICAI知識(shí)庫（以下簡(jiǎn)稱“知識(shí)庫”）的建立，闡述了元數(shù)據(jù)的本質(zhì)，分析并指出了它對(duì)創(chuàng)建ICAI知識(shí)庫產(chǎn)生的影響。

關(guān)鍵詞：元數(shù)據(jù) ICAI知識(shí)庫 實(shí)現(xiàn)

中圖分類號(hào)：TP392 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-8454（2007）12-0057-03

一、引言

目前，智能輔助教學(xué)（ICAI，Intelligence Computer Assisted Instruction）系統(tǒng)的前端實(shí)現(xiàn)日漸靈活。然而，在后端如何更好地構(gòu)造ICAI知識(shí)庫、保證ICAI知識(shí)庫中數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與一致性、保證ICAI知識(shí)庫適應(yīng)學(xué)校教育規(guī)模的發(fā)展、有效管理ICAI知識(shí)庫等問題逐漸突出，處理不好，就會(huì)使ICAI系統(tǒng)面臨一個(gè)知識(shí)爆炸的困境，從而導(dǎo)致信息環(huán)境下的教學(xué)無所適從，教師難于駕馭整個(gè)教學(xué)過程，學(xué)生難于構(gòu)建目標(biāo)知識(shí)。

采用元數(shù)據(jù)（meta data）技術(shù)能較好地解決上述矛盾。近幾年，元數(shù)據(jù)技術(shù)越來越受到領(lǐng)域知識(shí)專家的重視，并推出了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品。[1-6] 但是將其引入到建立知識(shí)庫系統(tǒng)中的時(shí)間還很短，在實(shí)際應(yīng)用中，人們對(duì)元數(shù)據(jù)知識(shí)還缺乏深入理解。

二、元數(shù)據(jù)的概念

在希臘語中，字首“meta-”意味著在其他事物中“伴隨”或“超過”之意。Meta-data的字面意思就是指伴隨數(shù)據(jù)或超越數(shù)據(jù)之上的數(shù)據(jù)。[7] 應(yīng)用到文中可認(rèn)為：元數(shù)據(jù)是指“描述數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)”，它包含所描述數(shù)據(jù)的大小、來源、時(shí)間、內(nèi)容摘要、派生、用法等多種信息，其主要目的就是對(duì)指定數(shù)據(jù)進(jìn)行有意義的模型化描述。

在知識(shí)庫中，元數(shù)據(jù)通常由資源、屬性、屬性值、操作規(guī)則和聯(lián)合操作規(guī)則五項(xiàng)內(nèi)容組成，如圖1所示。其中，資源可以是任何使用URI（統(tǒng)一資源標(biāo)識(shí)符）標(biāo)識(shí)的內(nèi)容，它可以包含多個(gè)屬性和多種操作規(guī)則，每個(gè)屬性有一個(gè)確定的屬性值。當(dāng)有兩種及以上操作規(guī)則時(shí)，就需要聲明它們之間的聯(lián)合操作規(guī)則。若沒有定義任何操作規(guī)則，則元數(shù)據(jù)僅由資源、屬性和屬性值三項(xiàng)內(nèi)容構(gòu)成。

通過對(duì)元數(shù)據(jù)的管理可以實(shí)現(xiàn)對(duì)分布存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)資源進(jìn)行分類、聚合和集中控制，能夠?qū)崿F(xiàn)資源共享。

信息環(huán)境下，教學(xué)資源十分豐富，數(shù)據(jù)到處可見，各種不同的ICAI系統(tǒng)也需要大量的原始數(shù)據(jù)支撐。教師和學(xué)生都面對(duì)著如何從這些原始數(shù)據(jù)中獲取重要知識(shí)的問題。要使它們變?yōu)橛袃r(jià)值的知識(shí)，就必須完全掌握其所擁有的特性，如數(shù)據(jù)的內(nèi)容、來源、類別、提取規(guī)則、與其它數(shù)據(jù)的關(guān)系及在教學(xué)中的作用等。只有在了解和掌握這些內(nèi)容后，數(shù)據(jù)才能夠被充分利用，才能夠真正實(shí)現(xiàn)ICAI系統(tǒng)的教學(xué)功能。

在ICAI系統(tǒng)中，把元數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫文件中形成一個(gè)元數(shù)據(jù)庫（簡(jiǎn)稱元庫），通過對(duì)元庫的管理可以掌握整個(gè)知識(shí)庫中數(shù)據(jù)的存在狀態(tài)、屬性特征，以及對(duì)數(shù)據(jù)的操作規(guī)程等重要信息，為教學(xué)決策分析提供高效和有價(jià)值的數(shù)據(jù)資源。

三、元數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)知識(shí)庫的影響

1.不用元數(shù)據(jù)技術(shù)時(shí)可能產(chǎn)生的問題

一個(gè)專家系統(tǒng)是否成功，關(guān)鍵在于知識(shí)的表示和知識(shí)庫的建立。[8] 開發(fā)一個(gè)好的ICAI系統(tǒng)是非常困難的，不僅需要投入大量的人力和物力，還需要一定的技術(shù)和時(shí)間，這對(duì)任何學(xué)校來說都不容易。然而，如果不考慮元數(shù)據(jù)及管理，則還會(huì)遇到下列三個(gè)問題：

（1）對(duì)知識(shí)庫中數(shù)據(jù)的誤解

在教學(xué)資源存入知識(shí)庫前，必須對(duì)其進(jìn)行加工、重組和優(yōu)化，以保證存入知識(shí)庫中的數(shù)據(jù)具有確切含義。但是，由于存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)、操作規(guī)則以及教師或?qū)W生的變化等諸多因素的存在，仍有可能導(dǎo)致人們對(duì)知識(shí)庫中數(shù)據(jù)的誤解。

在ICAI系統(tǒng)中，知識(shí)被定義在圖2所示的層次結(jié)構(gòu)中的第4層。第1層（或稱原子層）是噪聲，它由幾乎沒有意義或難于理解的事項(xiàng)組成；第2層是數(shù)據(jù)或稱元噪聲，它是從噪聲中提取的具有一定潛在意義的事項(xiàng)，是對(duì)噪聲的描述；第3層是信息或稱元數(shù)據(jù)，它是對(duì)數(shù)據(jù)加工后使其具有確定意義的數(shù)據(jù)，是對(duì)數(shù)據(jù)的描述；第4層是知識(shí)或稱元信息，它是從信息中提取的具有特定含義的信息，是對(duì)信息的描述；第5層是描述知識(shí)的知識(shí)——元知識(shí)，它是從知識(shí)中提取的專門化知識(shí)。

從圖2中可以看出，上層是對(duì)下層的提煉結(jié)果，下層是上層的轉(zhuǎn)化形式。

例如，以下是由30個(gè)數(shù)字組成的信息編碼數(shù)據(jù)：

238065716932534956455350481128

如果沒有任何定義，這些數(shù)字就是一些令人費(fèi)解的內(nèi)容，可能被看作噪聲；如果對(duì)噪聲進(jìn)行描述并指明它是一個(gè)編碼，則它就變成了數(shù)據(jù)；如果對(duì)數(shù)據(jù)再進(jìn)行描述并定義一個(gè)規(guī)則1，那么用規(guī)則1對(duì)數(shù)據(jù)加工后，就會(huì)產(chǎn)生具有明確含義的信息：PAGE 518-520；若對(duì)該信息進(jìn)一步描述，就會(huì)得到專門化的信息，即知識(shí)。

規(guī)則1的內(nèi)容如下：

1）從左至右每?jī)蓚€(gè)數(shù)字分為一組；

2）忽略所有小于32的兩位數(shù)；

3）用ASCII字符代替兩位數(shù)。

在上述示例中，如果上層對(duì)下層的描述定義不確定（或者說不采用元數(shù)據(jù)技術(shù)），則上層對(duì)下層的理解就會(huì)因人而異了，不同描述顯然會(huì)產(chǎn)生不同的結(jié)果，對(duì)數(shù)據(jù)真正含義的誤解是難免的。所以，要保證系統(tǒng)的推理邏輯的正確性，就必須明確知識(shí)庫中存有哪些數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)的來源以及數(shù)據(jù)所代表的真正含義和價(jià)值，從而有效發(fā)揮ICAI專家系統(tǒng)的作用。

（2）“知識(shí)超市”孤島

在知識(shí)庫中，我們把培養(yǎng)專業(yè)人才的某種職業(yè)能力所需要的跨學(xué)科的知識(shí)集合稱為知識(shí)超市，一個(gè)知識(shí)超市對(duì)應(yīng)一種職業(yè)能力，一個(gè)知識(shí)庫由若干個(gè)知識(shí)超市構(gòu)成，各知識(shí)超市間具有一定的相關(guān)性和互操作性，并且信息共享。ICAI系統(tǒng)就是通過控制知識(shí)超市來實(shí)現(xiàn)對(duì)信息資源管理的。

如果不用元數(shù)據(jù)技術(shù)，則可能導(dǎo)致各知識(shí)超市間在構(gòu)造上和操作規(guī)則上存在差異，其數(shù)據(jù)交換和共享難以實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而產(chǎn)生一個(gè)個(gè)孤立的知識(shí)超市（即：“知識(shí)超市”孤島），使整個(gè)知識(shí)庫中的數(shù)據(jù)一致性受到嚴(yán)重威脅，將會(huì)極大降低知識(shí)庫的應(yīng)用效率，并增加了對(duì)知識(shí)庫的管理難度。

（3）“知識(shí)超市”僵化

在以就業(yè)為導(dǎo)向的高職教育體系中，職業(yè)教學(xué)要緊緊圍繞就業(yè)市場(chǎng)的變化而變化。根據(jù)職業(yè)市場(chǎng)變化，職業(yè)能力的培養(yǎng)方向要及時(shí)調(diào)整，教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)環(huán)境、教學(xué)方法也要適時(shí)變化，學(xué)習(xí)方式要變，教學(xué)管理要變。任何內(nèi)容的改變都將影響著知識(shí)庫中的內(nèi)容、結(jié)構(gòu)和操作規(guī)則。因此，知識(shí)庫系統(tǒng)必須具有應(yīng)對(duì)各種變化的能力，才能保持其在高職教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)和價(jià)值。

如果不用元數(shù)據(jù)技術(shù)，則可能產(chǎn)生“知識(shí)超市”僵化現(xiàn)象。這時(shí)，由于各知識(shí)超市間是相互孤立的，沒有互操作性，難于統(tǒng)一管理，所以，對(duì)知識(shí)庫的更改必須針對(duì)所有知識(shí)超市的結(jié)構(gòu)和規(guī)則進(jìn)行，甚至需要重寫某個(gè)知識(shí)超市。這就意味著要滿足因就業(yè)市場(chǎng)變化而改變的教學(xué)需求，還要追加更多的資金和資源投入。

2.應(yīng)用元數(shù)據(jù)技術(shù)時(shí)帶來的優(yōu)勢(shì)

（1）模型化

把定義數(shù)據(jù)及其相關(guān)信息的元數(shù)據(jù)集中管理可以形成基于中心的元數(shù)據(jù)定義和結(jié)構(gòu)化的元數(shù)據(jù)組織模型。這種模型有利于防止知識(shí)庫中數(shù)據(jù)及相關(guān)信息的重復(fù)定義，有利于對(duì)分布存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)統(tǒng)一描述和集中管理，使被管理的數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中具有確定性和唯一性。

運(yùn)用元數(shù)據(jù)管理技術(shù)可以迅速消除各知識(shí)超市間在構(gòu)造上和操作規(guī)則上存在的差異，也可消除來自不同教學(xué)系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上的影響。通過使用定制的應(yīng)用模型，能夠由系統(tǒng)控制產(chǎn)生滿足特殊要求的元模型并支持其擴(kuò)展。如果采用標(biāo)準(zhǔn)的API接口，則這些元模型還可以使系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)信息跨平臺(tái)共享并能實(shí)現(xiàn)對(duì)各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與操作規(guī)則的統(tǒng)一管理。

（2）自動(dòng)化

查詢和報(bào)表功能：借助命名查詢和報(bào)表生成程序能夠準(zhǔn)確地將查詢程序傳遞給其它工具，使查詢程序的生成與執(zhí)行自動(dòng)化。同時(shí)，能夠產(chǎn)生所需要的報(bào)表，以提供更多有價(jià)值的決策支持信息。

另外，通過特定工具還可以實(shí)時(shí)查詢系統(tǒng)中所有數(shù)據(jù)的定義，以幫助使用者對(duì)所獲數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行深入理解。

分析功能：借助影響分析功能可以完全無限制地進(jìn)行元數(shù)據(jù)定義和導(dǎo)航定義。通過影響分析可以方便地確定所描述數(shù)據(jù)的相關(guān)信息，為數(shù)據(jù)的重用和維護(hù)提供了規(guī)范化的操作。

（3）靈活性

借助詳細(xì)的數(shù)據(jù)定義和元數(shù)據(jù)的映射邏輯圖，使命名方法和被定義信息的重用更為靈活，從而降低數(shù)據(jù)的冗余度和開發(fā)成本，提高數(shù)據(jù)的共享性和開發(fā)效率。

四、以元數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建立知識(shí)庫的過程

1.必須考慮的問題

（1）當(dāng)教學(xué)中相關(guān)要素（主要指教師、學(xué)生和環(huán)境資源）改變而引起ICAI系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)或操作規(guī)則變化時(shí)，如何維護(hù)和確保系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的一致性？

（2）當(dāng)ICAI系統(tǒng)中某些定義被改變時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)將會(huì)發(fā)生哪些變化？

（3）每個(gè)可能的變化將會(huì)影響什么地方？

澄清上述問題對(duì)于建立具有集中控制特性并實(shí)現(xiàn)資源共享的知識(shí)庫非常重要。它能讓系統(tǒng)開發(fā)者開拓視野，創(chuàng)建較理想的數(shù)據(jù)描述模型和操作規(guī)則。

2.建立知識(shí)庫的過程

以元數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建立知識(shí)庫的過程主要是一個(gè)重復(fù)創(chuàng)建元數(shù)據(jù)和構(gòu)造知識(shí)超市的過程，如圖3所示。經(jīng)過這樣的循環(huán)往復(fù)，以元數(shù)據(jù)為核心的知識(shí)超市就會(huì)逐步建立了。

在圖3中，數(shù)據(jù)源由許多經(jīng)過加工的具有潛在意義的數(shù)據(jù)組成。這些數(shù)據(jù)具有異構(gòu)性和存儲(chǔ)獨(dú)立性，可通過URI標(biāo)識(shí)進(jìn)行鏈接確定。每個(gè)數(shù)據(jù)可能是一個(gè)課件、一個(gè)網(wǎng)站或一個(gè)文件，也可能是一個(gè)網(wǎng)頁、一條記錄或一個(gè)數(shù)字等。職業(yè)能力是對(duì)知識(shí)的描述，是知識(shí)超市中各種知識(shí)的綜合體現(xiàn)。

元數(shù)據(jù)的創(chuàng)建是針對(duì)數(shù)據(jù)源中的數(shù)據(jù)，其創(chuàng)建內(nèi)容包括：定義數(shù)據(jù)的來源、定義數(shù)據(jù)的屬性和屬性值、定義數(shù)據(jù)的操作規(guī)則、聲明數(shù)據(jù)的聯(lián)合操作規(guī)則。

知識(shí)超市的構(gòu)造是針對(duì)元數(shù)據(jù)操作的，主要涉及以下三方面內(nèi)容：

（1）確定知識(shí)，即：對(duì)元數(shù)據(jù)進(jìn)行描述。同創(chuàng)建元數(shù)據(jù)類似，需要定義元數(shù)據(jù)的來源、定義元數(shù)據(jù)的屬性和屬性值、定義元數(shù)據(jù)的操作規(guī)則、聲明元數(shù)據(jù)的聯(lián)合操作規(guī)則。

（2）向知識(shí)超市遷移數(shù)據(jù)。在明確知識(shí)后，通過元數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、轉(zhuǎn)換、凈化、分類和聚合處理后加載到知識(shí)超市中。

（3）定制前端界面。通過元數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)用于展示知識(shí)超市中數(shù)據(jù)及相關(guān)信息的界面。

五、結(jié)束語

事實(shí)上，元數(shù)據(jù)一直是存在的。人們對(duì)某事物的看法和特征描述就是一個(gè)元數(shù)據(jù)，這種元數(shù)據(jù)或者保存在人腦記憶中或者存儲(chǔ)在電腦文件中。通過元數(shù)據(jù)，人們可以很快認(rèn)識(shí)并掌握相關(guān)事物的屬性特征和操作規(guī)則。如果沒有高質(zhì)量的元數(shù)據(jù)，人們就不能在短時(shí)間內(nèi)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行確切的分析，甚至永遠(yuǎn)得不到有價(jià)值的結(jié)果。

元數(shù)據(jù)只是信息層面的數(shù)據(jù)描述方法，其基本思想可以擴(kuò)展到數(shù)據(jù)層、知識(shí)層和元知識(shí)層。在知識(shí)庫中，信息層面重點(diǎn)描述教學(xué)資源及其結(jié)構(gòu)關(guān)系，知識(shí)層面重點(diǎn)描述教學(xué)概念及其邏輯關(guān)系，元知識(shí)層面重點(diǎn)描述職業(yè)能力及評(píng)價(jià)。

圖3所示的過程與教師完成教學(xué)任務(wù)的工作過程極其相似。首先，教師按照一定的教學(xué)模型對(duì)教學(xué)資源（包括培養(yǎng)方案、教學(xué)大綱、教學(xué)計(jì)劃、講稿等）進(jìn)行認(rèn)真分析并設(shè)計(jì)出教案，即創(chuàng)建元數(shù)據(jù)；然后，根據(jù)教案對(duì)教學(xué)資源做進(jìn)一步分析、精煉和歸納得出有關(guān)知識(shí)，并以某種形式將其表現(xiàn)出來，從而給出知識(shí)的確切含義，即構(gòu)造知識(shí)超市；不斷重復(fù)這個(gè)過程，直到完成全部教學(xué)要求；最后，對(duì)教學(xué)和學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握程度進(jìn)行綜合分析與評(píng)價(jià)。正是這種高度的相似性以及元數(shù)據(jù)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，使得以元數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建立的知識(shí)庫系統(tǒng)更貼近現(xiàn)實(shí)教學(xué)，系統(tǒng)管理更加方便、靈活。

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