摘  要 现有教学资源大多提供了对领域知识的静态描述，不利于对概念的语义检索和有效导航。本体可以明确表示和组织领域知识，方便机处理。本文介绍了网络教学的现状，分析了课程本体构建、辅助教学系统的设计，对本体在辅助教学上的应用进行了探索。    关键词 本体；E-learning；OWL 

1  引言

    网络是一种通过技术的应用在教师和学生之间实现教学资源的转化和教学活动开展的教育形式。这种技术就是基于计算机应用的多种媒体技术以及通讯技术等的综合，在教与学之间通过互联网和万维网等完成教与学的交互，并辅之以多种教学媒体资源的综合应用^{[ 1 ]}。对比传统的教学方式，E-learning学习者的学习时间和地点比较自由，且具有资源共享和交互性的突出优势。    现有被广泛使用的网络课件是一种预先定义好的资源，只支持对内容的简单检索。若需要对课程概念及其关系进行更好的定义，可以采用元数据对学习材料进行组织的方法。目前在E-learning领域采用的元数据标准有 IEEE LOM 等标准。这些标准可以把把学习资料的关系连接起来，但是它存在“仅仅建立在元数据之上，缺乏语义”的缺点^{[ 2 ]}。结果造成无法集成其他作者的材料，对语义检索支持也不够。本体作为一种知识表示和组织的手段，具备解决这些问题的能力。

2  本体

    本体（Ontology）是源自的概念。在信息领域，Gruber关于本体的定义很好地表现出本体的本质属性，即“本体是概念模型的明确的规范说明”^{[ 3 ]}。本体提供了目标世界的公共词汇，为信息的描述和交换提供适当的数据结构，同时它也是元数据的基础，可以对元数据进行解释和转换，确保元数据之间的语义互操作。特别是本体所建模型通常是现实世界的抽象，本体提供模块所需的概念和关系^{[ 4]}。本体分类中的领域本体是依据领域来表述特定领域的静态知识。利用本体所蕴涵的知识来进行推理，是以本体作为信息组织形式比传统数据库更智能化的优点。    OWL(Web Ontology Language)是W3C组织于2004年2月正式推出的一个专门用来描述本体的语言。OWL的语法也是基于XML，用来描述文档中术语的明确含义及其之间的关系。通过OWL语言表示的本体不仅可以充分利用语言内建的术语构造类、实例等抽象概念或者概念间的继承、相交等关系，还可以导入利用其它现有的本体。对教学系统而言，本体既可以用来对课程本身的概念体系进行定义，也可以对其它学习资源进行组织，从而实现一定程度的语义检索和有效的学习导航。

3  本体在网络教学上的应用分析

3.1  构建辅助教学的知识库

    本体是构建知识模型的有效方式。对于具体的课程而言，涉及到的工作包括概念定义和资源组织两个方面。每个概念的定义要包括它的含义、子概念、父概念、每个类的实例、概念间的各种关联、概念与外部资源的关联。对每门课程的各单元，可以按照传统教学的编排，归纳出概念对应的各个类以及类的实例。例如数据结构学科排序概念里面的插入、冒泡、快速排序等实例。在设计本体知识模型时还可以定义学习目标和学习重点。    主题图（Topic Map）是由ISO提出并维护的一种知识表示方式。主题图的缺点是它以间接方式表示其下层的本体，没有清楚和形式化地对本体进行描述；同时主题图限制语言目前还处于早期的开发阶段,相关规范还不完善。美国Winston Salem 州立大学开发了用于E-learning的主题图工具（Topic Map 4 E-learning）。可以借鉴该工具在课程设计和组织方面的思路，但目前它不提供对OWL本体文件的导出。    目前最流行的OWL本体构造工具是斯坦福大学的Protégé，它提供了图形化的编辑界面，也包括对本体所描述的各种关系进行可视化显示的插件。由于它支持中文，且目前一般课程内容的设计也不涉及太复杂的逻辑关系定义，因此可以手工编辑把现有的文字资料转化为OWL文件。

3.2  系统的结构

    对基于本体的辅助教学平台，可以按照下面图1的方式设计，分为服务层、推理层、本体层、数据层四层:图1 系统层次结构图    各层的介绍如下：    (1) 数据层指现有各种资源，包括教学视频，图片，word文件，ppt文件或其他多媒体教学资源；    (2) 本体层是对领域概念的定义，通过本体编辑工具构造，还应定义概念相应的外部资源的链接，添加的本体层就是该系统与其他类似教学系统的不同之处：通过本体层对资源和概念进行组织，并对用户的请求进行处理；     (3) 推理机能够对初始本体进行处理，通过自定义规则或者内在规则，能获得原有本体隐含的知识；    (4) 服务层把推理层的结果以更灵活的方式展现给使用者，方便学生的浏览和检索。    OWL格式的本体文件可以用惠普公司的Jena 工具或者开源的OWL API进行操作，两种工具功能相似。就推理机的选择而言，Jena包括内置的推理机，既可处理OWL的术语又能自定义规则。已经成为商业软件的Racer 推理机功能强大，但需要付费才能长期使用。美国马里兰大学的OWL DL推理机Pellet也是一种专业推理机，它作为开源软件不断地由维护人员改进，值得研究使用。

3.3  课程本体及相关推理模型的说明

    在基于的学习过程中，使用者按照章节学习内容，对于比较复杂的知识体系，容易混淆知识之间的联系。而目前提供的课件等资源无法让使用者把握个体概念在整体中的地位，影响了学生对知识的理解与应用。因此采用本体对领域知识建模时，必须以构建合理的知识体系为目标。通过对学习过程和教学内容的分析，可以得到具体学科中相互关联的概念组成的网状结构，这个结构应该由本体来表现。国外的中，提到本体可以分为内容本体(Content Ontology) 、上下文本体(Context Ontology)和结构本体( Structure Ontology) ^{[ 5]}。    在这种划分下的3种本体里，内容本体定义了领域概念及其在特定环境下的关系。最常用的关系就是subClassOf属性，由于这种属性具有传递性，所以可用来进行概念判定和检索。例如定义某种新发现未知属种的生物时，若是知道它拥有两栖类动物的基因时，就可通过推理机判定这种生物具备在水中生存的能力。因为在定义两栖类动物的时就可以声明该类具备canSwimming的属性，只要继承该类的新类别应该也获得了同样的属性。对同义词和近义词的处理也属于内容本体的定义。课程上下文本体可包括学习的目标、重点，该章节的必修前提知识点等内容。对于某个查找到的概念，应该提供与其关联的外部资源的链接。外部资源可以是本地的文件或者网络资源，两者都可以通过通用资源标志符URI（Uniform Resource Identifier）来标识。学习上下文本体可以给学习者推荐相关资源，在一定程度上解决了系统的封闭性问题，扩展了学生的思维。结构本体主要用来给学习者提供导航。通过定义概念间的前序知识、后继概念的等内容，可以明确地表达老师的学习策略，掌握学习进度。结构本体构造的关系能够影响学生的浏览次序，帮助学生获得对整个知识结构的认识。    推理机运用规则文件中的定义对原文件进行推理，从而得到原本体中没有直接定义的知识。推理机不仅能对OWL内在的各种本体关系进行，比如subPropertyOf，type等，而且支持自定义规则的推理。自定义规则定义更加丰富，可以包括反映现实世界的某种的传递或者逆反关系等，实现了对知识模型更灵活的操作，具有一定程度的智能。其中专业推理机Pelelt提供了KnowledgeBase类，能以统一的方式获得本体各种特性的统计数据，例如声明的数量、分类关系等，方便开发人员的使用。推理机可以层叠使用，可以把Pellet作为底层的推理机对原数据进行处理，上层再使用带有自定义规则的Jena推理机。层叠的方法一方面发挥了Pellet专业高效的优势，另一方面也充分利用了自定义规则灵活特点。这种层叠是目前使用开源软件能够实现的一种功能较强，结果较完备的语义推理机解决方案。在对推理结果要求不特别严格的情况下，用Jena工具自带的推理机就可以完成一般的推理任务。

4  系统实例

    使用Jsp+JavaBean，结合Jena提供的操作本体的API，就能够方便地构建一个辅助教学系统。教师需要做的工作主要是标识概念，最基本的就是对学科资源的概念含义、父概念、子概念进行定义。为实现一定的智能化，教师还可以对前向概念、后继概念、学习目标、学习重点、关联资源进行定义。这个过程是对原有资源的再次整理，利用protege工具标注生成一个具体学科的OWL文件后，就可以提交系统使用。    在实验中构建了一个数据结构学科本体的检索系统。该系统使用Tomcat作为web服务器，把构造的OWL本体文件保存在ontology目录下。目前主要用Java语言编写了对本体进行查询的OntoSearch类和进行显示OntoShow类。OntoSearch类对初始本体文件进行处理后得到一个推理模型，OntoShow类可以抽取本体文件中的comment特性给出具体概念的含义。系统可以动态地读取本体文件，直接生成本体文件的Jsp树形导航结构。同时提供了对概念的含义、实例等检索。检索时可以按照主、谓、宾的方式输入查询条件，提出类似“树性结构包括子概念”的检索请求。在检索到概念的同时，系统也给出了与查询目标相关的上下位概念等关联知识。它还通过Java Applet，把检索的结果在浏览器里面显示成由点线组成的图形结构，有利于学生对概念关系的理解。借助于本体，这个系统能给学生提供了一个动态关联的知识结构，方便学生理解概念间的关系以及找到要进一步研究的相关资源。

5  

    本体作为不断的语义网中的重要组成，具有以结构化的形式对课程信息进行组织和处理的优点，为改善网络教学提供了新思路。本文研究利用本体论对教学资源进行改造，在实现语义检索和有效导航的基础上，探索本体在辅助教学中的作用。下一步的工作将集中研究在用户检索词与本体概念的匹配算法，利用用户本体实现更好的学习导航。

文献

[1]黎军.网络学的理论与实践[M].北京:人民大学出版社,2006[2]刘卫红, 吴江.本体在E-learning系统中的应用研究[J].计算机应用研究.2006,23(4)：63-64，67[3]Gruber T R. A  Translation  Approach  to  Protable  Ontology  Specifications[J].  Knowledge Acquisition,1993,5(2):199-220[4]冯志勇，李文杰，李晓红.本体论工程及其应用[M].北京:清华大学出版社,2007[5] GrigorisAntoniou, Frank van Harmelen. The SemanticWeb Primer[M].Cambridge, MassachusettsLondon, England: TheMIT Press, 2004