鞏利艷+孫力

摘 要 本體具有較強的概念層級描述和邏輯推理能力，作為知識表示和描述的有效形式正得到各領域的廣泛關注。在描述本體起源及拓展的基礎上，重點探討本體技術在教育領域的研究及應用現狀，主要包括教育知識管理、語義映射、個性化服務和教育資源規(guī)范性描述等幾個方面，并對研究者來源進行分析，最后提出本體教育領域應用研究應結合教育理論優(yōu)勢和技術實踐優(yōu)勢的建議。

關鍵詞 本體；教育本體；e-learning；知識庫；學習資源

中圖分類號：G640 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）18-0009-05

Application of Ontology in Education： An Overview//GONG Li-yan， SUN Li

Abstract As an effective knowledge representation tool， ontology has been receiving widespread attention in various fields. In this paper， the author mainly researches the origin and development of the ontology， especially the application of ontology in education， including educational knowledge management， semantic mapping， personalized service and educational resources representation and so on. Besides， the author analyzes the distribution of the researcher. Finally， the author suggests that we should combine the educational theory and technology practice to realize the value of ontology in education.

Key words ontology； educational ontology； e-learning； knowledge base； learning resource

1 引言

本體（Ontology）概念最初起源于哲學，在哲學中，本體是對真實世界客觀存在物的系統描述。20世紀90年代初，隨著信息和網絡技術的發(fā)展，人們將本體術語引入人工智能、知識工程等領域，用以進行知識表示、推理的研究，“本體”概念成為人們研究的熱點。目前，有關本體理論及其應用的研究逐步增多，而有關本體概念起源與發(fā)展及其應用現狀的綜述性文章相對較少。本文通過梳理現有研究文獻，對本體的起源、拓展、功能、分類等內容進行闡述，并重點對其在教育領域的研究現狀進行綜述，以期為其他研究者提供參考。

2 本體概述

本體哲學溯源 在西方哲學中，本體是德國哲學家康德唯心主義哲學的重要概念，指與現象對立的不可認識的“自在之物”。在中國古代哲學中，不同哲學派別對本體內容的理解不同，但有關本體根本的觀點是一致的，即本體不是某種具體的存在，也不是脫離具體存在的抽象共相，而是一種規(guī)律系統[1]。本體（本體事物）是人類通過哲學思想認識活動從混沌自然中發(fā)現、界定、彰顯和產生出來的，以人類思想理性或人類生存發(fā)展意識作為統帥，以判斷和推理作為形式、以語言作為媒介的人類思想認識活動，是具有名稱、時間、空間、價值等特殊規(guī)定，具有發(fā)現、界定、彰顯、區(qū)分、抽象和產生各種事物的能力，具有事情或形而上者的容貌，有別于天地萬物的具體事物[2]。

本體科學擴展 隨著人工智能領域的發(fā)展，部分學者發(fā)現本體術語具有強大的知識表示和關聯推理能力，借助本體進行知識表示及知識關系描述，儼然成為新一代知識管理的發(fā)展方向，研究者紛紛對其概念進行闡釋。表1所示為部分代表性定義。雖然不同學者的定義有所不同，但從中可總結出：本體規(guī)范化描述了領域術語詞匯、概念以及概念之間的關系，是對專業(yè)領域知識體系的形式化說明。

本體基本功能 本體是哲學領域中的術語，用于描述事物的客觀存在，由于其具有數據結構良好、語義互操作性強、推理能力高等特點，后來被引入人工智能、知識工程等領域。在本體的應用研究中，不同領域研究者所采用的分類方法不同，應用的側重點不同，最終體現的本體功能也有所差異。筆者根據已有研究，對其功能進行總結和分析，可分為以下三個方面。

1）實現知識共享和復用。不同知識庫所采用的知識表示和編碼方式不同，導致知識的共享性極差，因此，知識庫的構建需要很大的工作量，且所構建的知識庫后期維護及更新困難。為減小知識庫構建的代價，知識復用問題成為知識庫構建過程中必須解決的重點問題，獲取某一領域的關鍵術語，構建該領域的共用知識成為解決上述問題的關鍵。本體能夠規(guī)范描述某領域內實體的屬性、類型、功能及不同實體之間的關系，這使得不同知識庫之間的互操作協議的制定成為可能，進而保證了知識庫的靈活性和可擴展性。在實現本體知識復用的基礎上，系統開發(fā)者可構建特定領域知識結構并實現與其他系統的交互，最終實現知識獲取、描述、推理等知識管理與服務。

2）促進計算機對自然語言的理解。自然語言是人類進行社會活動和思維交流的主要工具，在自然語言的發(fā)展中，不同的詞可表示同一個含義，同一個詞也可表達多個含義，同一概念可從多個角度進行解釋。計算機語言是人與計算機實現通信的語言，是人機交互的基礎，但因為計算機無法理解自然語言的不同語義，所以人與計算機之間存在極大的交流障礙。本體能夠挖掘出大量的隱性信息資源并實現準確高效的語義關系描述和呈現，這為計算機理解自然語言、實現人機交互提供了有效途徑。endprint

3）提供科學規(guī)范的信息描述標準。信息系統是實現信息采集、處理、傳遞、存儲和維護的信息資源管理系統。在信息系統的開發(fā)中，信息資源是系統實現信息使用、管理和維護的基礎，對信息資源進行標準化、系統化描述，可有效減少系統兼容性差、檢索效率低等問題。元數據因具有數據結構良好的特點而得到研究者的青睞，但元數據重點描述信息的外在特征，而不能完全解決信息系統之間的語義異構問題。本體在某種程度上可看作“元”元數據，提供了不同元數據間的映射機制，進而可實現異構系統間的互操作。將本體引入元數據進行信息描述，可彌補元數據異構性差、難以進化的缺點，進而將收集到的數據按照要求格式存儲于元數據庫中以方便數據提取和編碼，為后期信息系統服務尤其是信息檢索、處理等提供了基礎。

本體具體分類 目前本體的研究已經非常廣泛，本體分類的方法有很多種，但還未形成統一的標準，國內外學者按照研究視角不同對本體進行了分類。目前研究引用較多的本體分類如表2所示。在分類中最具代表性的是Guarino

和Pérez的分類方式。其中，Guarino以詳細程度和領域依賴度兩個維度為基礎：描述建模對象的程度高則稱為詳細程度高，其對應的本體稱為參照本體；描述建模對象的程度低則稱為詳細程度低，其對應的本體稱為共享本體。按照領域依賴程度的高低，本體可以分為頂級（top-level）本體、領域（domain）本體、任務（task）本體和應用（app-lication）本體。Pérez則是在分析總結前人研究的基礎上歸納出10種本體，該方式是對Guarino的分類方式的細化和拓展。

3 本體相關研究

按照知識體系、研究對象和研究內容分，科學主要分為自然科學和人文社會科學，有關本體的研究不外乎這兩大知識體系。本研究列舉了本體在自然科學和人文社會科學中的應用，如表3所示。

從知識體系角度分析本體應用研究可得出，無論是自然學科還是社會學科，研究者都重視各領域本體知識庫的建設，并進行了本體構建方法、構建工具、本體進化以及基本本體的語義檢索、個性化推薦等方面的研究。

4 教育領域本體相關研究

教育是一種旨在實現人認識自我和適應自然的社會實踐活動，其本質在于促進人的全面發(fā)展。有關教育本體的研究大多是哲學層面上的本體含義，即研究教育的價值、課程的存在及教育本質回歸等。如代建軍[3]指出，把握教育的時代價值取向，實現教育工具職能、本體職能和生存職能的整合，必須以尊重教育的生存職能為前提；郭思樂[4]認為，課程本體應當從符號研究回歸到符號實踐中，不能只關注符號的形式而脫離實踐；高偉[5]提出教育本體的回歸即為教育生存本體的回歸的觀點；劉若谷[6]指出，學生的幸福成長即為教育價值的本體回歸。

20世紀90年代初，本體概念得到延伸，形成計算機領域的科學“本體”概念，即對領域概念及概念間關系的規(guī)范描述。本體術語的引入對各個學科的研究都具有極強的應用價值，教育領域也不例外，諸多學者紛紛將本體概念應用到教育研究中。通過文獻梳理，可以得出教育領域本體研究主要體現在以下幾個方面。

知識管理 知識是人類對自然界和人類社會探索結果的總和。人們通過知識傳遞與創(chuàng)新實現教育的全過程，知識系統的構建在教育體系中占有十分重要的地位。在教育知識管理的研究中，不同知識系統采用的知識表示和編碼方法不同，所構建出的知識庫之間亦具有異構性，無法實現知識的共享和復用，嚴重阻礙了知識的傳遞與發(fā)展。為解決以上問題，教育領域專家引入本體術語，利用本體所具有的良好的邏輯推理能力和概念層級關系，進行知識獲取、表達、共享等的研究。

趙呈領[7]等人研究了學科領域本體的構建方法，并構建出初中物理學科領域本體庫；魏順平[8]以教育技術學專業(yè)領域本體構建為例，提出基于術語部件的領域本體自動構建方法，為專業(yè)領域本體的構建提供了借鑒方法；謝明鳳[9]為遠程教育網絡課程建設提出基于本體的資源構建方法；顧勤[10]在分析遠程教育學科特點的基礎之上，進行了本體視域下網絡課程知識管理的研究；詹川[11]基于教育心理學，進行了課程知識本體模型構建方法的研究，提出方法單元和媒體片段的新概念，為e-learning系統具有智能化學習指導和個性化需求服務奠定了基礎；劉千卉[12]以信息管理為例，進行了學科領域本體的構建、更新與重用模式創(chuàng)新的研究；何偉和楊小平[13]以電子政務教育子領域為例，提出一種利用詞間語義關聯性擴展本體的方法。

從以上研究中可以看出，研究者有關教育知識管理的研究主要包括課程本體構建、學科本體構建、專業(yè)領域本體構建、遠程教育課程構建、本體擴展等幾個方面，從不同學科、不同層級進行了教育本體的研究，實現了教育知識的獲取、表述、傳遞、更新等知識管理內容。

語義映射、個性化服務 智慧網絡是e-learning的發(fā)展趨勢，而語義網的發(fā)展及應用為e-learning環(huán)境中網絡智慧化、服務個性化的要求提供了可能。語義網是由機器可理解的數據所構成的分布式體系結構，具有元數據表示、語義識別、信息自動處理等特點，可應用于網絡元數據映射、語義檢索、個性化推薦服務等領域。

1）網絡元數據表示、語義映射?，F在的網絡教學平臺中的學習資源數量巨大、種類繁多，但存在學習資源檢索困難、檢索內容缺乏語義支持、檢索結果冗余度大等問題，語義網用元數據格式進行數據表示，具有數據結構良好、可擴展性強的優(yōu)點，可為數據映射、語義檢索提供解決策略。吳鵬飛[14]等人實現了學習元平臺中學習關系數據到RDF數據語義映射，為學習資源的語義檢索、知識關系發(fā)現等服務提供了條件；位傳海和范太華[15]進行了基于本體的學習資源語義檢索系統的研究；馮瑤和馮錫煒[16]設計了基于本體的教育資源推理查詢原型系統，實現了較高的查全率和查準率。

2）學習資源個性化推薦服務。隨著網絡技術的迅猛發(fā)展，傳統的基于內容的在線學習系統已不能滿足學習者個性發(fā)展的需求，個性化學習的研究越來越引起人們的重視，尤其是個性化學習資源的推薦成為支持學習者個性發(fā)展的有效方法。李保強和吳笛[17]提出基于知識關聯的學習資源混合協同過濾推薦方法，實現了精確匹配用戶學習特征的學習資源個性化推薦；陶宇煒[18]等人構建了基于語義網格的教育資源協同平臺體系結構，實現了協作支持服務功能；徐雷和袁小群[19]利用語義技術構建了中小學歷史教育知識庫，并在此基礎上設計了歷史教育學習平臺，提供了教材精讀、知識檢索以及在線試題庫等功能；王曉艷[20]等人提出一種基于章節(jié)劃分的本體與轉移網絡方法，實現了耗時短、檢索效果好的答疑系統。endprint

由于人工智能、數據挖掘等技術的發(fā)展與普及，基于本體的語義網技術的研究與應用越來越受到人們的關注，教育領域研究者將其應用于網絡教育學習資源的語義映射和個性化服務建設中，為網絡教育的智慧化、個性化發(fā)展提供了基礎，同時為網絡教育學習支持服務的實現提供了方法和途徑。

教育資源規(guī)范性描述 隨著網絡學習系統的快速發(fā)展，數字化網絡學習資源呈指數形式增長，但由于不同開發(fā)者所采用的規(guī)范不一樣，導致開發(fā)出來的資源存在設計不規(guī)范、可重用性差等問題。為解決上述問題，眾多教育研究者將關注點轉移到網絡教育資源制作標準的研究上，并且出現AICC-AGR標準、ADL-SCORM標準、IMS標準等主流標準，但基于這些標準開發(fā)出的教育資源并不能有效支撐語義檢索、知識推理等個性化學習支持服務。本體術語較強的語義互操作性和邏輯推理能力，為個性化學習支持服務的實現提供了可能。

曾玲和丁新[21]為解決支持學習的資源組織原則問題，提出資源封裝的組塊分層理論，并在此基礎上進行了本體描述的研究；楊現民和余勝泉[22]提出一種學習元信息模型，以解決信息資源模型建設中忽略內容的進化信息、學習的過程信息、資源的語義本體描述信息等問題；陳伯棟[23]等人提出一種基于Ontology和Semantic Web技術的教育資源庫解決方案的框架，以解決資源重復建設、獲取壁壘高等問題；張滬寅[24]等人提出一種基于領域本體的電子學習資源庫模型，提高了電子學習系統的功效，實現了個性化的學習支持服務。

教育資源規(guī)范性描述是教育資源建設中至關重要的方向，是實現知識推理、知識發(fā)現、資源推薦等個性化學習支持服務的大前提。有關該方向的研究雖然一直不斷，但到目前為止始終未形成被各領域研究者廣為接納的規(guī)范。利用本體術語進行教育資源的規(guī)范性描述也是一種嘗試，該方法構建出的資源具有基于其他規(guī)范的資源所不具有的語義擴展性和推理能力，對于個性化學習支持服務的實現具有更好的支撐作用。

5 結語

作為一個新興的研究領域，本體技術的研究和應用還處于較低水平發(fā)展階段，在教育中的研究亦處于起步階段。本文嘗試對教育領域本體的研究及應用進行梳理，期望為后續(xù)研究提供借鑒。通過檢索和分析現有教育領域本體研究文獻可以得出，目前研究團隊主要來自于教育學、教育技術學、情報學、計算機科學等領域學者和專家。

其中，教育學對本體研究起步較早，但其主要研究的是教育本體、課程本質回歸等哲學層面本體內涵，而非計算機科學本體技術的含義。教育技術學領域學者則結合教育領域各學科特點及其專業(yè)所具有的技術優(yōu)勢，構建課程、學科、專業(yè)等領域本體知識庫，以期為后續(xù)基于本體知識庫實現知識資源的標準化描述、共享以及個性化學習支持服務等研究打下基礎。

情報學領域研究者基于情報學視角，對本體及其應用進行了包括本體庫構建、擴展、基于本體的語義檢索、資源推薦、圖書館知識管理與建設等的研究，教育領域是其本體研究的一個子領域，側重點在于本體構建方法、語義檢索、資源推薦、知識管理等方面。

計算機科學作為本體科學含義發(fā)展的起源地，不僅發(fā)現了本體所具有的抽象表述、邏輯推理能力，而且研究了本體技術概念、類別、功能、構建方法、描述語言、構建工具等從本體起源到本體應用的完整層級，為其他領域本體研究提供了堅實基礎。作為本體應用的領域之一，教育領域本體的研究同樣是計算機領域學者關注的主要研究方向，有關教育本體的研究主要在教育本體構建、信息管理系統、智能信息檢索系統、個性化信息服務系統等幾個方面。

本體的概念層級描述、邏輯推理能力的特性，決定了本體具有實現知識共享和復用、促進計算機對自然語言的理解、提供科學規(guī)范的信息描述標準的功能。就教育領域本體研究現狀來看，有關知識共享與復用的研究最為廣泛，即不同領域研究者紛紛結合各學科特點構建學科領域本體知識庫。有關語義檢索、個性化推薦等個性化服務的研究相對較少，且多為非教育領域學者，雖然研究成果應用性較強，但由于缺乏教育學理論支撐，對教育領域特征如學科特征、學習者特征等分析不足，因此，所研究成果未能顯著體現其教育功能。教育領域學者則因沒有強硬的技術支撐而無法實現本體的真正作用。如果能夠結合計算機領域、情報學領域的本體研究技術與教育領域的教育研究理論，將可真正凸顯出本體研究的意義，實現本體促進教育發(fā)展、完善教育服務的作用。

隨著智慧教育、個性化學習等的發(fā)展，教育本體的研究也會持續(xù)升溫。本體作為重要的知識組織方式，在智能化知識服務和個性化學習支持服務等方面將發(fā)揮重要作用。因此，高質量教育本體知識庫的構建，基于本體的知識生成、檢索等知識服務，以及個性化推薦、語義檢索等個性化學習支持服務，將成為教育本體的重要研究方向。

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