馮瑤,馮錫煒

(遼寧石油化工大學(xué) 計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院,遼寧 撫順 113001)

基于元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的語(yǔ)義化教育資源本體庫(kù)構(gòu)建與實(shí)現(xiàn)

馮瑤,馮錫煒

(遼寧石油化工大學(xué) 計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院,遼寧 撫順 113001)

為解決當(dāng)前教育資源庫(kù)在通用性和共享性的不足,結(jié)合CELTS元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn),利用本體技術(shù)設(shè)計(jì)了一個(gè)語(yǔ)義化的教育資源本體庫(kù)。參照元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建教育資源本體,對(duì)學(xué)科領(lǐng)域知識(shí)進(jìn)行語(yǔ)義分析和關(guān)聯(lián)構(gòu)建學(xué)科知識(shí)本體,對(duì)教育資源實(shí)例做語(yǔ)義標(biāo)注,并通過(guò)推理機(jī)Jena實(shí)現(xiàn)了本體推理和查詢。為教育資源庫(kù)的語(yǔ)義搜索及智能服務(wù)奠定基礎(chǔ)。

元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)；本體；教育資源；Jena

近年來(lái)E-Learning正被廣泛關(guān)注,專業(yè)教育資源庫(kù)建設(shè)對(duì)E-Learning有著非常重要的作用和意義。但當(dāng)前Web上的各種教育資源良莠不齊,缺乏標(biāo)準(zhǔn),不能很好的重用和共享；同時(shí)資源的知識(shí)組織缺乏語(yǔ)義關(guān)聯(lián),無(wú)法進(jìn)行智能服務(wù)。

教育資源元數(shù)據(jù)能夠?qū)Y源進(jìn)行形式上以及內(nèi)容上的描述,為教育資源標(biāo)注提供了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)外對(duì)其標(biāo)準(zhǔn)的研究開(kāi)始于 20世紀(jì) 90年代,其中影響較大的有:IEEE LOM、ADL SCORM、Dublin DC。我國(guó)在2000年11月成立了全國(guó)信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)教育分技術(shù)委員會(huì)（CELTSC, Chinese E-Learing Technology Standardization Committee）,制定了符合我國(guó)國(guó)情的教育資源元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn) 《CELTS-31學(xué)習(xí)對(duì)象元數(shù)據(jù)規(guī)范》［1］和《CELTS-41教育資源建設(shè)技術(shù)規(guī)范》［2］。本體作為語(yǔ)義Web的重要組成部分,是共享概念模型的明確的形式化規(guī)范說(shuō)明［3］。本體不僅可以提供教育資源的組織框架,還可以反應(yīng)教育資源相關(guān)領(lǐng)域的概念關(guān)系。

文中參考多個(gè)現(xiàn)有教育資源庫(kù)及國(guó)家專業(yè)目錄標(biāo)準(zhǔn)確定學(xué)科知識(shí)層次劃分,以CELTS-31和CELTS-41兩個(gè)教育資源元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為藍(lán)本,將元數(shù)據(jù)進(jìn)行知識(shí)關(guān)聯(lián),利用本體技術(shù),以“Java課程設(shè)計(jì)”為例,給出了一個(gè)語(yǔ)義化教育資源庫(kù)本體庫(kù)模型,并實(shí)現(xiàn)了推理和查詢。

1 本體構(gòu)建

文中參考CELTS元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建教育資源本體和學(xué)科知識(shí)本體。教育資源本體提供了描述資源的組織框架,通過(guò)這個(gè)框架來(lái)對(duì)資源進(jìn)行標(biāo)注。學(xué)科知識(shí)本體將學(xué)科知識(shí)中所有的概念劃分,形成分類層次結(jié)構(gòu),并通過(guò)概念間的語(yǔ)義關(guān)聯(lián)實(shí)現(xiàn)對(duì)資源的查詢和檢索。

1.1 CELTS標(biāo)準(zhǔn)

CELTS-31的核心也就是定義一組學(xué)習(xí)對(duì)象的基本數(shù)據(jù)元素,包括九大類別50多個(gè)元數(shù)據(jù)項(xiàng),并根據(jù)元素的通用性確定了必須數(shù)據(jù)元素和可選數(shù)據(jù)元素［4］。九大類別包括:通用,生存期,元元數(shù)據(jù),技術(shù),教育,權(quán)利,關(guān)系,評(píng)注,分類［1］。每個(gè)類別下都有很多子元數(shù)據(jù)項(xiàng),例如在“通用”下有“標(biāo)識(shí)符”、“標(biāo)題”、“聚合度”等描述項(xiàng),用于集合了對(duì)學(xué)習(xí)對(duì)象進(jìn)行整體描述的通用信息。同時(shí),對(duì)于每一個(gè)描述項(xiàng),都有數(shù)據(jù)大小、次序、取值范圍、數(shù)據(jù)類型等約束。通過(guò)這些描述,可以對(duì)一個(gè)學(xué)習(xí)對(duì)象各方面信息進(jìn)行全方位的展現(xiàn)。CELTS-41對(duì)教育資源重新明確劃分為9類:案例,試卷,課件,媒體素材,文獻(xiàn)資料,題庫(kù),常見(jiàn)問(wèn)題解答,資源目錄索引,網(wǎng)絡(luò)課程［2］。本文參考CELTS-41的教育資源分類,再結(jié)合CELTS-31的通用數(shù)據(jù)模型,構(gòu)建教育資源本體。

1.2 教育資源本體

通過(guò)對(duì)元數(shù)據(jù)項(xiàng)及其與教育資源間的關(guān)系進(jìn)行分析和抽象,找出語(yǔ)義關(guān)聯(lián)性,定義類及類的屬性,建立教育資源本體。教育資源本體參考 CELTS-41確定類和層級(jí),參考CELT-31確定類的屬性關(guān)系。首先確定本體的類和層級(jí),采用CELTS-41的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)教育資源進(jìn)行分類,包括案例、試卷等九大類作為本體的核心類,核心類下設(shè)子類。本文使用Protege4.3構(gòu)建本體,用OWLViz插件以圖的形式展示本體類的層級(jí)關(guān)系。如圖1所示。

圖1 教育資源本體核心類及部分子類Fig.1 Education resource ontology core classes and some subclasses

本體的類及層次確定以后,要確定本體類之間的屬性關(guān)系。本體的屬性分為數(shù)據(jù)屬性 （DataProperty）和對(duì)象屬性（ObjectProperty）兩部分。數(shù)據(jù)屬性（DataProperty）的主要內(nèi)容是:名稱（Name）、值域（Range）和定義域（Domain）。數(shù)據(jù)屬性的值域?yàn)閿?shù)據(jù)類型,例如 char型,float型等。對(duì)象屬性（ObjectProperty）主要特征為:相同屬性（Same_As）、互逆屬性（Inverse）、相等屬性（Equivalent_Property）、定義域（Domain）、值域（Range）和不同屬性（Different_Froin）,對(duì)象屬性表示本體概念間的邏輯關(guān)系。

對(duì)CELTS-31的每一個(gè)子元數(shù)據(jù)項(xiàng)進(jìn)行分析,若標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定元數(shù)據(jù)項(xiàng)的值為文字值（數(shù)字,字符型,日期等）時(shí),該數(shù)據(jù)項(xiàng)作為數(shù)據(jù)屬性。比如子元數(shù)據(jù)項(xiàng) “標(biāo)題”（title）、“標(biāo)識(shí)符”（identify）、“日期”（date）、“語(yǔ)言”（language）、“位置”（location）、“最低版本”（minimumVersion）,“最高版本”（maximumVersion）等作為數(shù)據(jù)屬性；若元數(shù)據(jù)項(xiàng)連接兩個(gè)資源實(shí)體時(shí),定義為對(duì)象屬性。比如“關(guān)系”元數(shù)據(jù)項(xiàng)下的“類型”子數(shù)據(jù)項(xiàng)描述了學(xué)習(xí)對(duì)象之間的關(guān)系,例如 “部分關(guān)系”（haspart）、“版本關(guān)系”（isversionof）、“參考關(guān)系”（isreferenceby）等,將它們作為對(duì)象屬性。資源與知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)系hasConcept也定義為對(duì)象屬性。

1.3 學(xué)科知識(shí)本體

學(xué)科知識(shí)本體分為學(xué)科層次領(lǐng)域本體和課程知識(shí)點(diǎn)本體。學(xué)科層次領(lǐng)域本體對(duì)學(xué)科層次進(jìn)行劃分。以計(jì)算機(jī)學(xué)科領(lǐng)域?yàn)槔?本文參考國(guó)家《學(xué)位授予和人才培養(yǎng)學(xué)科目錄》、《學(xué)科分類與代碼國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)表》,結(jié)合所在學(xué)校本科生培養(yǎng)計(jì)劃以及本科生、研究生課程,確定了計(jì)算機(jī)學(xué)科領(lǐng)域的層次劃分,將計(jì)算機(jī)學(xué)科分為計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)、人工智能、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)軟件、計(jì)算機(jī)應(yīng)用5個(gè)大方向類。每個(gè)大方向類下面還有小方向類,其中計(jì)算機(jī)軟件類下設(shè)操作系統(tǒng)、程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言、數(shù)據(jù)庫(kù)3個(gè)小方向子類,程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言子類又下設(shè)一些課程子類。

課程知識(shí)點(diǎn)本體將課程劃分為具體知識(shí)點(diǎn)集并對(duì)其進(jìn)行語(yǔ)義關(guān)聯(lián),通過(guò)知識(shí)點(diǎn)間的語(yǔ)義關(guān)聯(lián)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)資源的推理和查詢。本文以程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言類下的課程 《JAVA程序設(shè)計(jì)》為例,構(gòu)造課程知識(shí)點(diǎn)本體,參考國(guó)內(nèi)多本JAVA程序設(shè)計(jì)教材以及網(wǎng)絡(luò)課程,將知識(shí)對(duì)象劃分為頂層核心知識(shí)點(diǎn)集、第一級(jí)子知識(shí)點(diǎn)集,二級(jí)子知識(shí)點(diǎn)集,并歸納出九個(gè)頂層知識(shí)點(diǎn)類,分別是程序基礎(chǔ)、面向?qū)ο?、異常處理、集合與泛型、多線程、I/O流、圖形界面、網(wǎng)絡(luò)編程、數(shù)據(jù)庫(kù)編程。一、二級(jí)子知識(shí)點(diǎn)類100多個(gè),基本覆蓋整個(gè)《JAVA程序設(shè)計(jì)》課程的全部知識(shí)內(nèi)容,如圖2所示。

圖2 《Java程序設(shè)計(jì)》課程知識(shí)點(diǎn)本體（部分）Fig.2 Part of the“Javaprogramming”course knowledge ontology

根據(jù)課程特點(diǎn),對(duì)知識(shí)點(diǎn)間關(guān)系進(jìn)行分析抽象,確定本體類的屬性關(guān)系。將《JAVA程序設(shè)計(jì)》課程知識(shí)點(diǎn)本體的數(shù)據(jù)屬性定義為知識(shí)點(diǎn)的描述 （discription）、 學(xué)科層次（subjectLevel）、重要程度 （significanceLevel）、難度級(jí)別（difficultLevel）等。同時(shí)定義了該課程本體的類之間的同位關(guān)系（hasParaconcept）、父子關(guān)系（hasSubconcept）、依賴關(guān)系（hasPreconcept）3種最基本的關(guān)系以及知識(shí)點(diǎn)與資源之間的關(guān)系（hasResource）作為對(duì)象屬性。類和屬性建立之后,用實(shí)例對(duì)本體進(jìn)行填充。知識(shí)點(diǎn)實(shí)例如圖3所示。

圖3 《Java程序設(shè)計(jì)》課程知識(shí)點(diǎn)本體實(shí)例Fig.3 “Java programming”course knowledge ontology instances

1.4 語(yǔ)義標(biāo)注

本體構(gòu)建后,需要將教育資源本體同課程知識(shí)點(diǎn)本體間建立關(guān)聯(lián)關(guān)系,將資源實(shí)例同知識(shí)點(diǎn)關(guān)聯(lián)起來(lái)。在課程知識(shí)點(diǎn)本體中使用對(duì)象屬性 hasResource實(shí)現(xiàn)從知識(shí)點(diǎn)到教育資源的關(guān)聯(lián),在資源本體中使用對(duì)象屬性 hasConcept實(shí)現(xiàn)從教育資源到知識(shí)點(diǎn)的關(guān)聯(lián),用本體對(duì)資源進(jìn)行語(yǔ)義標(biāo)注,形成資源實(shí)例庫(kù)。如圖4所示。

圖4 教育資源語(yǔ)義標(biāo)注Fig.4 Education resource semantic annotation

2 本體查詢和推理

Jena［5］是HP實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的語(yǔ)義Web應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)包,用于支持語(yǔ)義網(wǎng)應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)。它可以解析RDF、RDFS、OWL等基于XML語(yǔ)法的文件進(jìn)行解析,且提供了相應(yīng)的API函數(shù),能夠操縱與檢索本體模型,同時(shí)也提供基于規(guī)則的推理機(jī)。SPARQL［6］的查詢規(guī)范已經(jīng)成為W3C的推薦標(biāo)準(zhǔn),其相對(duì)于本體的作用類似于 SQL對(duì)于關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的重要性,是對(duì)RDF、OWL本體進(jìn)行查詢的首選語(yǔ)言［7-9］。但SPARQL無(wú)法進(jìn)行語(yǔ)義推理,如果想得到更為全面準(zhǔn)確的檢索,可通過(guò)制定推理規(guī)則并建立推理模型。

本體推理和查詢過(guò)程如下:

1）裝載模型:

2）自定義推理規(guī)則:

3 語(yǔ)義查詢結(jié)果分析

為驗(yàn)證該方法的可行性,本系統(tǒng)搜集了100個(gè)Java程序設(shè)計(jì)的不同類型的資源,包括文檔、視頻、音頻等,用protégé4.3按照1.4節(jié)介紹的方法對(duì)資源作語(yǔ)義標(biāo)注。以Java語(yǔ)言為基礎(chǔ),用Jena API（V2.6.2）作為本體推理和查詢開(kāi)發(fā)包,考查資源的查全率和查準(zhǔn)率。

查全率=（查出的相關(guān)資源數(shù)量/查詢系統(tǒng)中相關(guān)資源總量）×100﹪

查準(zhǔn)率=（查出的相關(guān)資源數(shù)量/查出的資源總量）×100

以查詢“面向?qū)ο蟆钡馁Y源為例,資源庫(kù)中與“面向?qū)ο蟆毕嚓P(guān)的資源35個(gè)。為便于比較,我們將傳統(tǒng)的關(guān)鍵字查詢與語(yǔ)義查詢作對(duì)比,查詢結(jié)果如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較Tab.1 The experimental results to compare

對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,查全率方面,由于視頻等媒體資源較多,所以采用普通的關(guān)鍵字查詢查全率不高,而語(yǔ)義查詢通過(guò)領(lǐng)域本體對(duì)資源做了語(yǔ)義標(biāo)注,能夠查詢到不同類型的資源,查全率較高。查準(zhǔn)率方面,關(guān)鍵字查詢時(shí)只匹配關(guān)鍵字詞匯,相關(guān)的資源因?yàn)闆](méi)有匹配關(guān)鍵詞匯未被查詢出來(lái),查準(zhǔn)率不高。而語(yǔ)義查詢能夠查詢到與查詢?cè)~同義概念,上下位概念的所有資源,查準(zhǔn)率較高。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了基于元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的高校教育資源庫(kù)語(yǔ)義模型系統(tǒng),建立了教育資源本體和學(xué)科知識(shí)本體構(gòu)成的教育資源本體庫(kù),對(duì)教育資源進(jìn)行語(yǔ)義標(biāo)注形成資源庫(kù),并對(duì)資源庫(kù)提供語(yǔ)義查詢服務(wù)。但是文中的語(yǔ)義查詢依賴于本體、資源語(yǔ)義標(biāo)注以及推理規(guī)則的構(gòu)建,而且本文的資源庫(kù)規(guī)模較小,因此針對(duì)較大規(guī)模資源庫(kù)的本體構(gòu)建,并且在此基礎(chǔ)上進(jìn)行語(yǔ)義搜索等個(gè)性化服務(wù)是下一步要研究的目標(biāo)。

［1］信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)教育分技術(shù)委員會(huì).CELTS-31學(xué)習(xí)對(duì)象元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)［EB/OL］.［2012-08-13］.http://www.celtsc.edu.cn/content/jxzyl/40288b88391ed5fd01391eddc93d0014.html.

［2］信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)教育分技術(shù)委員會(huì).CELT-41教育資源建設(shè)技術(shù)規(guī)范［EB/OL］.［2012-08-13］.http://www.celtsc.edu.cn/content/jxzyl/40288b88391ed5fd01391edbb05d000e.html.

［3］Knowledge System Laboratory,Stanford University.What is an ontology［EB/OL］.［2011-05-10］.http://www-ksl.stanford.edu/kst/what-is-an-ontology.html.

［4］張靜鵬.基于語(yǔ)義web服務(wù)的個(gè)性化網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源服務(wù)系統(tǒng)構(gòu)建研究［D］.吉林:東北師范大學(xué),2010.

［5］HP LABS.Jena-A Semantic Web Framework for Java［EB/OL］.［2011-09-25.］http://jena.sourceforge.net/index.html.

［6］Eric P,Andy S.World Wide Web Consortium.SPARQL query language［EB/OL］.［2011-05-12］.http://www.w3.org/TR/rdfsparql-query/.

［7］紀(jì)兆輝.本體的查詢與推理研究［J］.微電子學(xué)與計(jì)算機(jī), 2011,10(28):52-55.JI Zhao-hui.Research on ontology querying and inference［J］.Microelectronics&Computer,2011,10(28):52-55.

［8］臧強(qiáng)，程立.基于ASP技術(shù)和SQL數(shù)據(jù)庫(kù)的成績(jī)查詢系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電子設(shè)計(jì)工程,2014(3):45-47，51 ZANG Qiang，CHENG Li.Designandimplementationof achievement inquires system based on ASP technology and SQL database［J］.Electronic Design Engineering,2014(3): 45-47，51.

［9］呂瓊帥，張國(guó)平.基于NoSQL的全文檢索系統(tǒng)研究［J］.電子設(shè)計(jì)工程,2014(22):49-51，55.LV Qiong-shuai，ZHANG Guo-ping.The research of full-text retrieval system based on NoSQL ［J］.Electronic Design Engineering,2014(22):49-51，55.

Construction and implementation of semantised education resources ontology libraries based on metadata standard

FENG Yao,FENG Xi-wei
（Computer and Communication Engineering College,Liaoning Shihua University,Fushun 113001,China）

In order to solve the absence of generality and sharing of the current education resources,Combining with the CELTS metadata standards,Semantised College Education Resources Ontology Libraries is designed in this paper using ontology technology.Construct education resources ontology by reference to metadata standard and Subject knowledge ontology by reference to Knowledge and semantic analysis in the subject area,and do semantic annotation of education resource instances.Then the ontology inference and query is realized by combining the ontology reasoning machine Jena.This will lay the foundation for education resources semantic search and intelligent services.

metadata standards；ontology；education resources；Jena

TN711

：A

：1674-6236（2015）18-0012-04

2014-12-08稿件編號(hào)：201412071

遼寧省普通高等學(xué)校本科教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目(UPRP20140914)；遼寧省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃立項(xiàng)課題(JG13DB077)

馮 瑤(1982—),女,遼寧撫順人,碩士。研究方向:語(yǔ)義網(wǎng),知識(shí)工程。