于延，馬曉迪（哈爾濱師范大學(xué)，哈爾濱150025)）

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基于本體的C語(yǔ)言課程知識(shí)建模

于延，馬曉迪
（哈爾濱師范大學(xué)，哈爾濱150025)）

摘要：針對(duì)高校高級(jí)語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)課程，探討了知識(shí)庫(kù)本體的概念和構(gòu)建，設(shè)計(jì)了基于本體的知識(shí)表示形式。實(shí)踐表明：基于本體構(gòu)建的知識(shí)模型可以有效地表示知識(shí)結(jié)構(gòu)，有利于智能教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：本體；C語(yǔ)言；知識(shí)表示

目前，人工智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一就是知識(shí)的表示方法，此方法在智能教育、智能決策、智能系統(tǒng)分析等各個(gè)領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用。

不同的知識(shí)表示方式，決定了知識(shí)和知識(shí)之間關(guān)系的表示、不同系統(tǒng)之間知識(shí)信息的共享和復(fù)用。筆者在多年的C語(yǔ)言教學(xué)過(guò)程中，一直在努力研究開(kāi)發(fā)一種“實(shí)用又好用”的智能教學(xué)系統(tǒng)。而構(gòu)建智能教學(xué)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)就是要構(gòu)建一種形式化的、語(yǔ)義化的知識(shí)表示方法，這對(duì)于知識(shí)構(gòu)建、學(xué)習(xí)者自主性學(xué)習(xí)、知識(shí)的智能管理具有十分重要的作用。為了研究智能教學(xué)系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)，提高教學(xué)系統(tǒng)的智能性、可擴(kuò)展性和可復(fù)用性，本文研究了一種基于本體的C程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言知識(shí)模型，為智能教學(xué)系統(tǒng)提供理論基礎(chǔ)。

1　本體

本體(Ontology)是在語(yǔ)義知識(shí)層面上描述人工智能領(lǐng)域系統(tǒng)常用的建模工具，是共享概念模型明確的形式化規(guī)范說(shuō)明［1］。在人工智能領(lǐng)域，特別是對(duì)智能教學(xué)系統(tǒng)的研究，知識(shí)點(diǎn)元數(shù)據(jù)的表示和組織，利用本體思想構(gòu)建知識(shí)模型是非常恰當(dāng)?shù)摹?/p>

某領(lǐng)域M內(nèi)有多個(gè)不同的主體，這些主體之間要進(jìn)行信息交流，本體可以看作是它們之間進(jìn)行信息交流的語(yǔ)義基礎(chǔ)，是這些主體概念和概念之間關(guān)系的描述。這些描述信息可形式化地用二元組M(S，T)來(lái)表示。其中，S可以看作是領(lǐng)域M中的概念集合；T是領(lǐng)域M內(nèi)所有概念之間關(guān)系的集合。本體通過(guò)對(duì)領(lǐng)域內(nèi)知識(shí)庫(kù)的建立，通過(guò)描述知識(shí)庫(kù)中各知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)系，對(duì)知識(shí)內(nèi)容進(jìn)行邏輯擴(kuò)展推理，從而完成對(duì)隱性知識(shí)的挖掘［2］。

目前，描述本體的語(yǔ)言主要有KIF、OWL、Loom等，常用的開(kāi)發(fā)工具主要有Ontolingue、ODE、Proté gé、WebOnto等［3］。

2　適合本體描述的教材

為便于用本體理論構(gòu)建C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)知識(shí)體系，我們編寫(xiě)了《C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)案例教程》教材，在清華大學(xué)出版社出版。該教材最大特點(diǎn)是優(yōu)化內(nèi)容編排，采用“章-節(jié)”二級(jí)目錄結(jié)構(gòu)，每小節(jié)由若干相對(duì)獨(dú)立又相互關(guān)聯(lián)的“知識(shí)單元組成”，形成獨(dú)特的“章-節(jié)-知識(shí)單元”體系。

教材將傳統(tǒng)C語(yǔ)言教材進(jìn)行知識(shí)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，通過(guò)“章-節(jié)-知識(shí)單元”的設(shè)計(jì)，使每個(gè)知識(shí)單元規(guī)模適當(dāng)、相對(duì)獨(dú)立。幾乎每個(gè)知識(shí)單元都以程序案例開(kāi)始，讓學(xué)生先認(rèn)識(shí)程序、再學(xué)習(xí)知識(shí)。

3　構(gòu)建C語(yǔ)言知識(shí)本體

構(gòu)建C語(yǔ)言知識(shí)本體就是把C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)課程合理地分解成相對(duì)獨(dú)立的知識(shí)點(diǎn)，并定義知識(shí)點(diǎn)之間的邏輯關(guān)系，從而提供可共享、可重用、可提供個(gè)性化解決方案的資源。其中，知識(shí)點(diǎn)包括基本概念、語(yǔ)句、例題和練習(xí)等，根據(jù)《C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)案例教程》教材的“章-節(jié)-知識(shí)單元”體系及各知識(shí)單元能力要求，可抽象出如圖1所示的知識(shí)結(jié)構(gòu)。

圖1　C語(yǔ)言知識(shí)單元圖Fig.1　C language knowledge unit chart

4　C語(yǔ)言本體在Proté gé的表示

C語(yǔ)言課程的基本知識(shí)點(diǎn)經(jīng)過(guò)以上層次化分析，每個(gè)知識(shí)點(diǎn)已經(jīng)基本具備規(guī)模適當(dāng)、相對(duì)獨(dú)立的特點(diǎn)。為了更有效地研究基于本體的教學(xué)設(shè)計(jì)，為了更好地整合教學(xué)資源，課題研究小組采用本體編輯軟件Protégé實(shí)現(xiàn)了課程的知識(shí)表示。本文定義了3個(gè)基本類(lèi)目，分別是知識(shí)結(jié)構(gòu)、能力要求和教學(xué)資源。其中在知識(shí)結(jié)構(gòu)類(lèi)中設(shè)置了13個(gè)子類(lèi)，分別代表每一章的具體內(nèi)容；在能力要求類(lèi)下設(shè)置了“認(rèn)識(shí)、理解、領(lǐng)會(huì)、運(yùn)用、創(chuàng)新”5個(gè)子類(lèi)，表明對(duì)學(xué)習(xí)者的能力要求；在教學(xué)資源下暫時(shí)設(shè)置了“程序案例、習(xí)題、微視頻”3個(gè)子類(lèi)，如圖2所示。

圖2　C語(yǔ)言知識(shí)點(diǎn)本體Fig.2　C language knowledge point ontology

其中能力要求的5個(gè)子類(lèi)分別對(duì)應(yīng)以下含義

認(rèn)識(shí)：要求學(xué)生至少要認(rèn)真閱讀2遍，才能達(dá)到認(rèn)識(shí)的目標(biāo)。

理解：要求學(xué)生能理解知識(shí)點(diǎn)或程序清單中的代碼，針對(duì)此知識(shí)點(diǎn)在面對(duì)教師或同學(xué)提問(wèn)時(shí)能自如回答，要求學(xué)生對(duì)相關(guān)程序代碼上機(jī)練習(xí)至少1次。

領(lǐng)會(huì)：要求學(xué)生能達(dá)到為其他學(xué)生講解該知識(shí)點(diǎn)或程序清單的能力，能恰當(dāng)運(yùn)用教學(xué)方法和手段，并且能理清與關(guān)聯(lián)知識(shí)點(diǎn)的關(guān)系，要求學(xué)生對(duì)相關(guān)程序代碼上機(jī)練習(xí)至少2次。

運(yùn)用：要求學(xué)生對(duì)相關(guān)程序代碼上機(jī)練習(xí)至少3次以上；能在不參照任何資料的情況下，獨(dú)立完成程序代碼的錄入、調(diào)試和執(zhí)行；對(duì)此單元的知識(shí)點(diǎn)和代碼能達(dá)到為其他學(xué)生脫稿講解。

創(chuàng)新：要求學(xué)生根據(jù)本單元內(nèi)的程序代碼，能舉一反三，自行查找資料設(shè)計(jì)同類(lèi)問(wèn)題，自行分析解決，并最終編寫(xiě)程序代碼，調(diào)試運(yùn)行。

5　結(jié)語(yǔ)

在目前的人工智能領(lǐng)域，本體是知識(shí)建模的一種積極有效的方法［3］。將本體方法和技術(shù)引入智能教學(xué)系統(tǒng)的研究和開(kāi)發(fā)，是一條非常有效的途徑，可以很好地描述知識(shí)以及知識(shí)之間的關(guān)系，并且可以方便地挖掘隱性知識(shí)，以達(dá)到知識(shí)擴(kuò)展和復(fù)用的科學(xué)目的。

參考文獻(xiàn)：

［1］劉垣，顧君忠.本體理論及其在E-Learning中的應(yīng)用［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2012，29（4）：114-127.

［2］馬斌.基于本體的VB語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)知識(shí)表示方法研究［J］.電腦開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，2012，25（11）：6-8.

［3］金芝.知識(shí)工程中的本體論研究［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2001.

Research on Ontology-based C Language Knowledge Modeling

YUYan, MAXiao-di
(Harbin Normal University,Harbin 150025,China)

Abstract:The concept and construction of knowledge base ontology is discussed in this paper, and the form of ontology-based knowledge representation is designed.Practice shows that the knowledge model based on ontology can effectively represent the knowledge structure, which is conducive to the design and implementation of intelligent tutoring system.

Key words:Ontology; Clanguage;Knowledge representation

作者簡(jiǎn)介：于延（1976-），男，黑龍江哈爾濱人，碩士，副教授，從事智能教育與數(shù)字游戲研究。

基金項(xiàng)目：黑龍江省自然基金“泛在學(xué)習(xí)環(huán)境下集成情境的知識(shí)建模與知識(shí)管理技術(shù)研究”（F201319）；黑龍江省教育廳科技項(xiàng)目“基于多AGENT的智能教學(xué)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究”(12541247)；黑龍江省應(yīng)用開(kāi)發(fā)研究項(xiàng)目“支持情境感知的智能教學(xué)系統(tǒng)模型及應(yīng)用研究”；哈爾濱師范大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新基金項(xiàng)目

收稿日期：2015-12-27

中圖分類(lèi)號(hào)：TP312

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-8646（2016）02-0100-02