维普资讯 http://www.cqvip.com 现代远距离教育 ２００７年第３期 总第１ｌｌ期 基于本体的个性化Ｅ—Ｌｅａｒｎｉｎｇ研究 赵嫦花，刘革平，黄如民 （西南大学重庆４００７１５） 【摘要】本文研究了在开放的知识空间中利用本体构建个性化Ｅ—Ｌｅａｎｒｉｎｇ系统的方法与 技术。文中，首先讨论了Ｅ—ｌ＿￣ｕｎｉｎｇ中本体的理论模型，包括知识实体、知识技术和知识管理 三个维度；在此基础上，提出了基于本体的个性化Ｅ—Ｌｅａｒｎｉｎｇ系统结构；探讨了在开放的知识 空间中使用本体来支持个性化Ｅ—ｌ＿ｅａｍｌｎｇ的系统方法。 【关键词】本体；Ｅ—Ｌｅａｍｌｎｇ；个人知识空间；ＰＫＳ产生器 【中图分类号】ＴＰ３９Ｇ４３ 【文献标识码】ｃ 【文章编号】１００１—８７００（２Ｏ０７）０３—００６１—０３ 个性化Ｅ—ｌ＿ｅａｒｎｉｎｇ和Ｅ—Ｌｅａｍｉｎｇ中本体 也广泛地应用于知识管理和教育领域。 一、的三维模型 根据Ｇｕａｒｉｎｏ以领域依赖度对本体进行划分的 方法可将本体分为顶级本体、领域本体、任务本体 １、个性化Ｅ—Ｌｅａｒｎｉｎｇ 和应用本体。本文提出的Ｅ—ｌｅａｒｎｉｎｇ中本体的理 个性化Ｅ—Ｌｅａｒｎｉｎｇ可以重新认识学习者在学 论模型试图从三个维度清晰地划分本体的构成，有 习中的特点，它的实现在于个体、社会和技术三个 效分析本体在Ｅ—ｌｅａｒｎｉｎｇ系统中起到的不同作用， 方面的结合。个体方面强调根据个人的兴趣、需 这三个维度包括知识实体、知识技术以及知识管理 要、思维方式和行为方式等进行学习。个性化Ｅ— （如图１所示）。作为知识实体，通过顶级本体和领 Ｌｅａｍｉｎｇ包括了个性化学习目标的确定、个性化学 知识管理 习资源的查找和个性化的学习行为等。然而，个性 ｆ 化Ｅ一￣ａｍｉｎｇ并不是指孤立的个人学习。作为社 困一知识实体 ／ 会中的一员，学习者需要不断地与老师、同学以及 知识技术 专家进行交流和合作来提高他们自己的知识水平和 图１．Ｅ—Ｌｅａｍｉｎｇ中本体的三维模型 能力。技术作为工具能够更好地帮助个性化学习的 域本体为学习者提供结构化的学习内容；作为知识 实现，例如通过一些界面良好的接口让学习者更加 技术，利用任务本体帮助确定学习目标、分析学习 方便地获取资源，分享其他学习者的成果和智慧。 环境、组织学习资源、提供学习过程导航等；作为 ２．Ｅ—Ｉ＿ｅａｍｉｎｇ中的三维本体模型 知识管理，依托应用本体提供了知识共享、重用和 本体（Ｏｎｔｏｌｏｇｙ）最早是一个哲学的范畴，后 知识的自我进化功能等，知识的自我进化还处于理 来随着人工智能的发展，被人工智能界给予了新的 论研究阶段，它主要是实现知识的智能化创建、组 定义。当前在人工智能领域普遍认同Ｓｔｕｄｅｒ于１９９８ 织、更新等。本体的理想化三维模型将能很好地支 年提出的概念：本体是指共享概念模型的明确的形 持在开放的知识空间里实现个性化Ｅ—Ｉ＿￣＇ｎｉｎｇ。 式化规范说明。本体的目标是捕获相关领域的知 二、基于本体三维模型的个性化Ｅ—Ｌｅａｒｎｉｎｇ 识，提供对该领域知识的共同理解，确定该领域内 系统架构 共同认可的词汇，并从不同层次的形式化模式上给 出这些词汇（术语）和词汇之间相互关系的明确定 １．个性化Ｅ—Ｌｅａｍｉｎｇ系统模型 义。本体可以为知识理解和运用提供一致性、精确 针对本体在个性化Ｅ—Ｌｅａｒｎｉｎｇ中的作用，本 性、不变性、可重用性和共享性支持，近年来本体 文提出如图２所示的基于本体三维模型的个性化Ｅ 【基金项目】本文得到重庆市自然科学基金“基于形式化本体的网络教育资源表示技术研究”项目的资助；本文系重庆市自 然科学基金项目“基于形式化本体的网络教育资源表示技术研究”研究成果之一。 【作者简介】赵嫦花，西南大学计算机与信息科学学院教育技术系研究生，助教。刘革平，西南大学网络教育学院副院长， 副教授，博士，硕士生导师；黄如民，西南大学计算机与信息科学学院硕士研究生，讲师。 ６１ 维普资讯 http://www.cqvip.com 一Ｉ＿ｅａｍｉｎｇ系统结构。该结构分为四层：数据存储 法”、循环获取法等。本系统采用比较成熟的知识 层、逻辑推理层、集成转化层、服务层。 譬昙 ｌ ‘ ［二 圈塑二］ ——苷蜀 高 —］ 。． ｉ墅±苎 １ｌ Ｉ堡叟 ｌ ．Ｊ ｌ竺些堕！！ｌ Ｉ ——±＆ 广一 ［ 图２．基于本体的个性化Ｅ—ｌ＿ｅ，ａｍｉｎｇ系统结构 数据存储层的资源库用于存放学习资源数据， 它可以有各种各样的存储方式，如ｈｔｍｌ页面、ｘｍｌ文档等。资源库中的数据由教学人员和学习者提 供，或者从分布于网络环境中的其他学习系统中获 取。本体库存放各类本体的基本概念及概念间的关 系，它是整个系统的重要组成部分。根据前面论述 的Ｅ—Ｉ．ｅａｍｉｎｇ中本体的三维模型以及不同本体所 担任的角色，我们将Ｅ—Ｌｅａｒｎｉｎｇ中的本体分成三 类，分别为领域本体、应用本体、Ｅ—Ｌｅａｒｎｉｎｇ任 务本体。领域本体根据学习目标为学习者提供主题 导航的基本内容；应用本体用来将基本的教学实例 结构化；Ｅ—Ｉ．ｅａｍｉｎｇ任务本体包括Ｅ—Ｌｅａｒｎｉｎｇ所 需要的基本技能和策略，主要涵盖分析整合后的关 于教师的经验智慧（教学方法、教学策略等）的数 据资源。其中领域本体是对领域知识的表示，它是 整个本体库的基础，为知识的共享提供支持。应用 本体和Ｅ—ｌ，ｅａｍｉｎｇ任务本体共同为个性化学习提 供策略支持。 逻辑推理层主要完成语义分析、语义推理等功 能。语义分析组件主要完成本体的概念相关度和相 似度分析；推理引擎组件完成对描述信息的语义进 行求解。 集成转化层在Ｅ—Ｉ．ｅ＿，ａｍｉｎｇ系统结构中起着承 上启下的作用，它主要将领域本体知识集成和转化 为合适的描述形式，并通过对收集的领域本体知识 进行处理，从而向服务层提供统一的语义服务。 服务层主要为学习者提供个性化学习空间，并 为学习资源提供交互接口。学习助手服务主要结合 用户交互服务、数据存取服务、链接生成服务和本 体库等用以检索学习资源并生成个性化学习空间。 ２．系统实现的相关技术 （１）本体构建及形式化语言 一般来说。本体的构建方法有：知识工程方 法、系统开发生命周期法、Ｍｉｋｅ Ｕｓｃｈｏｌｄ＆Ｍｉｃｈｅａｋ Ｇｒｕｎｉｎｇｅｒ的“骨架”法、Ｇｒｕｎｉｎｇｅｒ＆Ｆｏｘ的“评价 ６２ 工程方法来实现。它主要包括以下几个步骤：①确 定本体的领域与范围；②列举领域中重要的术语、 概念；③建立本体框架；④设计元本体，重用已有 的本体，定义领域中概念及概念之间的关系；⑤对 领域本体编码、形式化；⑥本体的检验评价。 现有本体的描述语言有Ｏｎｔｏｌｉｎｇｕａ、ＣｙｅＬ、 Ｌｏｏｍ、ＲＤＦ、ＲＤＦＳ（ＲＤＦＳｃｈｅｍａ）、ＤＡＭＬ＋ＯＩＬ、 ＯＷＬ等。其中ＯＬＷ全称ｗｌｅｂ ｏｎｔｏｌｏｇｙ ｌａｎｇｕａｇｅ （Ｗｅｂ本体语言），是Ｗ３Ｃ（ｗ０ｒｌｄ ｗｉｄｅ Ｗｅｂ Ｃｏｎｓｏｒ． ｔｉｕｍ）推荐的语义互联网中本体描述语言的标准。 它相对ＸＭＬ、ＲＤＦ和ＲＤＦＳ等拥有更多的机制来表 达语义，能帮助更好地实现个性Ｅ—Ｌｅａｒｎｉｎｇ，本 系统采用ＯＷＬ语言来描述本体。一个具体的ＯＷＬ 本体包括：类、属性、实例、数据类型和一些注释 信息。下面是ＯＷＬ对类进行描述的实例： ＜ｏｗｌ：Ｃｌａｓｓ ｒｄｆ＝“Ｍａｎ”／＞ ＜ｒｄｆｓ：ｓｕｂＣｌａｓｓｏｆ ｒｄｆ： ｅ＝“＃Ｈｕｍａｎ”／＞ ＜／ｃｗｌ：Ｃｌａｓｓ＞ 它定义“Ｍａｎ”是“Ｈｕｍａｎ”的一个子类。 当前本体编辑器有Ｏｎｔｏｌｉｎｇｕａ，ｐｒｏｔｅ６ｇ６等， ｐｒｏｔ６ｇ６是由关国Ｓｔａｎｆｏｒｄ大学开发的本体编辑器。 其界面风格与普通Ｗｉｎｄｏｗｓ应用程序风格一致，易 学易用。本系统中的领域本体、Ｅ—Ｌｅａｒｎｉｎｇ任务 本体及应用本体就是通过Ｐｒｏ吆６来构建。Ｐｒｏｔ６ｇ６ 采用图形化界面，以多个页面分别支持ＯＷｌ Ｃｌｓａｓ． 、Ｐｒｃｐｅｒｔｉｅｓ、Ｆｏｒｍｓ、ＩｎｄｉｖｉｄｕａｌＳ、Ｑｕｅｒｉｅｓ等的编 辑。其中Ｃｌｓａｓｅｓ、Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ和Ｉｎｄｉｖｉｄｕａｌｓ页面分别 对应ＯＷＬ本体的类、属性和实例。 （２）推理技术 对本体的推理工具有Ｒａｃｅｒ、Ｊｅｎａ等，当前用得 最多的是Ｊｅｎａ，Ｊｅｎａ工具是一个Ｊａｖａ开发工具包， 由ＨＰ公司的Ｂｒｉｎａ ＭｅＢｒｉｄｅ开发，起源于早些时候 ＳｉＲＰＡＣ ＡＰ１的工作。Ｊｅｎａ本体解析器包括三部分， 对ＲＤＦ的解析、对ＲＤＱＬ的查询支持和对ＯＷＬ的解 析。Ｊｅｎａ１．２版本开始支持ＢＡＭＬ＋ＯＩＬ；从２００４年２ 月起，Ｊｅｎａ２．１版本开始支持ＯＷＬ文档的处理。由 于我们利用ＯＷＬ对本体进行描述，下面主要介绍 Ｊｅｎａ对ＯＷＬ的支持。Ｊｅｎａ对ＯＷＬ的解析包括本体 中类的解析、本体中属性的解析、本体中约束的解 析等。对本体文件进行解析之前，需要创建本体模 型，并将本体文档读人内存，载人已创建的本体模 型中。本体模型是Ｊｅｎａ ＲＤＦ模型的扩展，它提供了 处理本体数据的能力，创建本体模型可以通过使用 Ｊｅｎａ提供的Ｍｏｄｅ１ Ｆａｃｔｏｒｙ类来创建，比如创建缺省的 本体模型，利用ＯＷＬ语言示例如下： 维普资讯 http://www.cqvip.com ＯｎｔＭｏｄｅｌ ｎｌ＝Ｍｏｄｅｌ Ｆａｃｔｏｒｙ．ｃｒｅａｔｅＯｎｔｏｌｏｇｙＭｏｄｅｌ（）； 者进行特征分析和需求评估；也包含部分前测，如 本体模型创建完毕后，就将本体文档读入内 存，并载入已创建的本体模型中。例如要读人Ｄ 盘的领域本体文件１３ｅｓｏｕｌ￣ｅ．ｏｗｌ，首先应该创建本 体文档管理器ＯｎｔＤｏｃｕｍｅｎｔＭａｎａｇｅｒ类的一个对象 ｄｍ：ＯｎｔＤｏｃｕｍｅｎｔＭａｎａｇｅｒ ｄｍ＝ｎ１．ｇｅｔＤｏｃｕｍｅｎｔ－ 你选用的教学材料是什么？你已学过的相关知识等 等。然后通过ＰＫＳ产生器根据学习者的回答进行分 析和推理，结合本体库生成不同的个人知识空间。 ＰＫＳ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ Ｓｐａｃｅ，个人知识空间）产生 器集合了当前较成熟的Ａｇｅ．ｔ技术，具有智能化功 能，它可以自动收集学习者的多种学习特征数据和 学习者行为数据等，依据所收集的学习特征数据、 Ｍａｎａｇｅｒ（）； 然后将本体文件ｒｅｓｏｕｌ￣ｅ．ｏｗｌ增加到给定的 ＵＲＩ： ｄｍ．ａｄｄＡｌｔＥｎｔｒｙ（“ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｗ３．ｏｒｇ／ＴＲ／ 行为数据和媒体偏好数据等进行推理以获得个性化 数据，然后根据这些个性化数据查找学习资源及适 ２００３／ＣＲ—ｏｗｌ—ｇｕｉｄｅ一２００４０２１０／１１”。ｆｉｌｅ：Ｄ：／／ １３ｅｓｏｕｌｅｏｅ．ｏｗｌ”）； ｎ１．ｒｅａｄ（“ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｗ３．ｏｒｇ／ＴＲ／２００３／ＣＲ —ｏｗｌ—ｇｕｉｄｅ一２００４０２１０／１１”）； 这样就将本体文件载人内存，再通过对本体的 类、属性、约束等进行解析，实现对本体文件的 增、删、改、查等工作。 下面仅对本体属性的解析进行说明。Ｊｅｎａ给本 体的属性提供了两种接口ＯｂｊｅｅｔＰｒｏｐｅｒｔｙ和Ｄａｔａ． ｔｙｐｅｐｍｐｅｒｔｙ，比如要给具体的ｒａｓｏｕｒｔ３ｅ本体创建对 象属体Ｒｅｌａｔｅｄｃｏｎｔｅｎｔ则可以通过以下方式实现： Ｓｔｒｉｎｇ ｂａｓｅ＝“ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｏｗｌ—ｏｎｔｏｌｏ百ｅｓ． ｃｏｒｎ／ｒｅｓｏｕｒｃｅ．ｏｗｌ＃”： Ｏｂｊｅｅｔｐｒｏｐｅｒｔｙ Ｐ ｍ．ｃｒｅａｔｅ ＯｂｊｅｃｔＰｒｏｐｅｒｔｙ（ｂａｓｅ ＋“ＲｅｌａｔｅｄＣｏｎｔｅｎｔ”）； ｎｌ是一个已定义的本体模型ＯｎｔＭｏｄｅｌ的对象。 三、案例研究：利用本体支持在线教与学 当前，网络课程（或基于Ｗｅｂ的课件）虽然 大多根据教学设计的原理开发设计，然而在系统开 发和应用的过程中还存在着一些问题，根本原因在 于课程的教学过程和资源组织实际上由设计者和开 发者决定。相应地，这些课程大部分真正能被完全 理解的也只能是开发者和设计者。虽然有些课程运 用了先进的教学设计理念，但是生成的固定模式和 静态地呈现方式使得资源无法重新组织和便于共 享。此外，系统的可维护性也很差。 我们在此应用基于本体的个性化Ｅ—１．ｅａｍｉｎｇ系 统来实现在线的教与学。构建如图３所示的教与学 模型；首先将知识内容从信息源中抽取出来，这里 的信息是由知识提供者（他们大多是学科专家和教 师，也可以是学习者）以幻灯片、网页、ＰＤＦ等形 式提供的。然后将抽取的知识构建成三类本体：领 域本体、应用本体、Ｅ—Ｉ￣－＇ｎｉｎｇ任务本体。这些本 体将直接决定主题资源和教学案例的组织和抽取。 个人学习者通过用户界面回答有关问题，即对学习 合学习者的路径，沿着不同的路径生成不同的个人 知识空间，即使具有相同特征的学习者也可能因为 路径的不同而得到不同的知识空间。这种基于本体 库的ＰＫＳ产生器不仅能够准确地实现知识的组织与 导航，而且通过对个性化Ｅ一［ｅａｒｎｉｎｇ中本体任务的 进一步细分最终更加有效地实现个人知识空间的生 成，并更好地对学习者的学习过程进行导航，促进 学习者知识建构，满足个性化学习的需要。 本体的使用使得教育资源具有动态分配的能 力。通过对基于本体的学习资源的组织能够动态地 分配学习资源并为学习者的学习提供灵活的路径导 航。这种动态分配不仅能确保Ｅ—１．ｅａｍｉｎｇ的个性 化而且可以为教师减轻负担。知识提供者通常是教 师。但也可通过鼓励学习者将他们的知识上传到资 源库中，丰富已有资源。本体可以从元数据和逻辑 层等多个层次上验证资源的正确性，如直接采用后 台的ＦａＣＴ系统来证明。继而，其它的学习者可以 共享这些知识。这种良好的推拉机制能在加强学习 系统各部分之间的联系的同时，为个人学习者提供 了个性化的知识空间。通过这个平台，学习者可以 进人符合各自学习特征和行为偏好的个人知识空间 进行个性化学习，也可以随时调整需求，改进自己 的个人知识空间的结构和内容表示形式。教师也只 需要专注于教学资源和教学策略等的提供以丰富本 体库，尤其是Ｅ—Ｉ．ｅａｍｉｎｇ任务本体，而不需要过 多地考虑资源的组织和教学策略的选择。这样既实 现了个性化Ｅ—ｌｅａｒｎｉｎｇ，同时减轻了教师的负担。 附ｆ嚣．雹 —ｆｄ 女 一 潦． 一蓬悼 匝曼亟 ——Ｉ ｒ＿一。 图３．利用本体支持在线教与学的系统模型 （本文责任编辑：陈新） ６３
