基于领域本体的课件模型毕业设计论文 推荐.docx

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基于领域本体的课件模型毕业设计论文推荐

HUNANUNIVERSITY

毕业设计（论文）

设计论文题目：

基于领域本体的课件模型

学生姓名：

学生学号：

专业班级：

学院名称：

指导老师：

学院院长：

2008年5月26日

基于领域本体的课件模型

摘要

教育资源建设是教育信息化的基础，是需要长期建设与维护的系统工程。

因为教育资源具有复杂性和多样性，目前世界上有很多标准化（学术）组织都在致力于教育资源标准化的研究。

课件是教育资源的重要组成部分，构建可重用性高、互操作性好的标准化课件也是教育信息化中重要的一环。

本文采用领域本体技术，将实际的课件资源结构与课程模型中的课程领域的概念和概念间的关系形成映射，并采用OWL本体描述语言结合LOM元数据标准对课件的属性进行描述。

本文引入学习对象的概念，将课件看作学习对象，尝试借助学习对象的特性来提高课件的重用性、互操作性。

通过采用领域本体，学习对象等技术，从而得到可重用性高，互操作性好，便于共享的课件。

本文设计了课程制作系统中“学习对象检索”、“学习对象导入”两个组件，用以实现课件的检索和导入。

学习对象检索组件依据学习对象元数据映射成的检索条件，在资源库中检索符合制作者或者学习者所需的课件。

学习对象导入组件负责将课件导入资源库。

关键字：

课件；学习对象；LOM；领域本体；XML

AcoursewaremodelbasedonDomainOntology

Author:

HeSong

Tutor:

YangGuanZhong

Abstract

AsthebasisofE-learning,theconstructionofEducationalresourcesisasystemicprojectwhichneedslong-termconstructionandmaintenance.Nowadays,manystandardizationorganizationsareworkinghardatthestandardizationofEducationalresourcesbecauseoftheircomplexityandvariety.Coursewareisanimportantpartoftheteachingresource.ConstructingstandardizedcoursewarewhichhasgoodreusabilityandinteroperabilityisimportantpointofEducationinformation.

Thispaperapplythetechnologyofdomainontology,mappingthecoursewareresourcesmodelintotherelationshipbetweenconceptsinthedomainofcoursesinthecoursemodel,andusingOWLontologyweblanguagecombinationofLOMmetadatastandardattributestodescribetheattributeofcourseware.Thispaperintroducetheconceptoflearningobjects,treatcoursewareasalearningobject,trytousethefeatureoflearningobjecttoimprovethereusabilityandinteroperabilityofthecourseware.Throughtheuseoftechnologyofdomainontology,technologyoflearningobject,wecangethighreusability,interoperability,andeasilysharingcourseware.

Thispaperproductionsystemdesignedtwocomponentscalled“thesearchoflearningobject”“theimportoflearningobject”toachievethesearchandimportofcourseware.“thesearchoflearningobject”componentsisonthebasisofsearchconditionsthatlearningobjectmetadatamapinto.Learningobjects,neededbyproducersorlearners,shouldbefindoutfromthelibraryofresources.“theimportoflearningobject”componentsimportlearningobjectintolibraryofresources.

Keywords:

courseware;learningobject;LOM;domainontology;XML

1绪论

1.1研究背景

进入21世纪，计算机和网络技术得到了广泛应用，e-Learning打破了传统教学时间和空间限制，以丰富的教学资源、灵活多变的教学形式和先进的教学理念为人们提供了一种全新的受教育的方式。

e-Learning是当今国际国内教育发展新的生长点，也是现代教育技术的主流发展方向[1]。

由于e-Learning，特别是基于Internet的远程教育，具有地域广泛性、技术复杂性、文化多样性等特点，使得大量的网上学习资源难以实现共享，不同的学习系统也难以互相沟通。

虽然现行的网络技术已为学习资源在低水平上的自治与共享（例如通过HTTP和HTML）、学习活动的合作（例如通过各种网上通信工具）提供了基本技术条件，但是允许学习资源在课程知识和教学管理水平进行交换的标准却没有得到很好地认定，导致网上资源无法大范围的共享与交流。

1.2.国内外研究现状

1.2.1本体研究现状

本体是某个领域内（可以是特定领域的，也可以是更广的范围）不同主体（人、代理、机器等）之间进行交流（对话、互操作、共享等）的一种语义基础，它是共享概念的形式化精确描述，目的就是为了描述领域内部（领域本体）[2]甚至更广范围内的一些概念和概念之间的联系，使得这些概念和联系在共享的范围内有着明确唯一的解释，这样人、系统之间就可以进行交流。

如果把每一个领域抽象成一套概念体系，再具体化为一个词表来表示，包括每一个词的明确定义、词与词之间的关系（例如“用”“代”“属”“分”“参”关系等）以及该领域的一些公理性知识的陈述（例如“所有的期刊论文都是出版物”）等，并且能够在这个领域的专家之间达成某种共识，即能够共享这套词表，所有这些就构成了该领域的一个“本体”。

最后，为了便于计算机理解和处理，需要用一定的编码语言（例如OWL）明确表达上述体系（词表、词表关系、关系约束、公理、推理规则等）。

在这个意义上，本体已经成为一种提取、理解和处理领域知识的工具，可以被应用于任何具体的学科和专业领域。

本体在人工智能中的运用由来已久，但在实际应用中效果不大。

Web的出现为本体提出了新的、更广泛的需求，也提供了一个建立真正全球化的、统一的、标准化的本体环境的途径。

1.2.2学习对象研究现状

学习对象作为一种可重用的教学资源构件，正在越来越受到国际教育技术学界的关注。

这种具有高度价值的教学构件（instructionalcomponent，或曰学习对象“learningobject”）将使大规模的高效教学开发得以实现，为教学资源的设计提供了一条很好的思路[3]。

从面向对象的思想引入教学领域之后，对这种具有可重用特性的教学构件的理解一直得到了不断发展，但对这种具有可重用特性教学构件（学习对象）的不同理解造成了交流上的困难与困惑。

为解决这种混乱现象，已有各种组织在建立学习对象标准化的研究。

例如：

ARIADNE，它的研究工作由欧盟提供财政支持；由美国Educom公司支持的“教学管理系统”（IMS-InstructionalManagementSystems）的项目研究；以及ADL（Advanceddistributedlearningnetwork）也在进行学习对象标准化[4]的研究等。

现在比较有影响力的标准和规范有：

LOM-Learningobjectsmetadata学习对象元数据[5]，ADL-SCORM可共享内容对象参考模型[6,7]等。

电气电子工程师协会（IEEE）在1996年牵头成立的“学习技术标准委员会”（LTSC），包括前述的各种区域性标准组织都在LTSC工作小组中有自己的代表。

LTSC致力于建立一个世界通用的国际化标准，以将全球的大学、公司及其它组织的教育技术，特别是它们的学习对象相融合互通。

在2000年，学习对象元数据工作小组（LOM-LearningObjectsMetadataWorkingGroup）基于IMS和ARIADNE联合提交的关于教育资源的元数据规范和建议提出了LOM。

LOM定义了网络教育资源的数据模型。

1.3论文的研究任务和主要工作

本课题的主要研究任务是在领域本体的基础上，建立一个课程模型，并依据该模型实现一个课程制作系统。

主要工作:

1.研究领域本体，研究学习对象技术的应用。

2.基于领域本体建立一个课程模型。

3.在课程模型的基础上，实现一个课程制作系统，并在课程制作系统中，利用学习对象技术，实现课件的检索和导入功能。

1.4本文的结构

本文主要分为以下几个部分：

第1章绪论，讨论了国内外研究现状及论文的主要研究工作，并给出本文的组织结构。

第2章领域本体的概念及应用。

第3章学习对象、XML、DOM等相关技术进行介绍。

第4章给出课程制作系统的设计和实现过程，侧重于学习对象的导入和学习对象的检索组件。

2领域本体的概念及应用

2.1本体的概念

本体（Ontology）最早是一个源于哲学的概念，是一种对“存在”的系统化解释，用于描述事物的本质。

本体的概念和方法被IT领域采用，用于知识表示、知识共享和重用。

直观地讲，本体是一个实体，是对某领域应用本体的方法分析、建模的结果，即把现实世界中的某个领域抽象为一组概念及概念之间的关系，本体的本质是概念模型。

本体论的概念包括四个主要方面[8]:

1.概念化（conceptualization）:

客观世界现象的抽象模型,其表示的含义独立于具体的环境状态;

2.明确（explicit）:

概念及它们之间联系都被精确定义;

3.形式化（formal）:

精确的数学描述,计算机可读;

4.共享（share）:

本体中反映的知识是其使用者共同认可的,是相关领域中公认的概念集,它所针对的是团体而不是个体。

2.2本体的分类

本体的分类明确了不同本体之间的区别与联系,虽然目前尚没有统一的本体分类方法,但较有代表性的分类方法有以下2种：

1）N.Guarino提出了以详细程度和领域依赖度2个维度作为对本体划分的基础。

详细程度高的称为参考（reference）本体，详细程度低的称为共享（share）本体。

依照领域依赖程度,可以细分为顶级（top-level）、领域（domain）、任务（task）和应用（application）4类[9]。

其中:

顶级本体:

描述最普通的概念及概念之间的关系,如空间、时间、事件、行为等,与具体的应用无关,其他种类的本体都是该类本体的特例。

领域本体:

描述特定领域（电信、汽车等）中的概念及概念之间的关系。

任务本体:

描述特定任务或行为中的概念及概念之间的关系。

应用本体:

描述依赖于特定领域和任务的概念及概念之间的关系。

2）A.G.Pérez在分析和研究了各种本体分类法的基础上,归纳出10种本体:

知识表示本体、普通本体、顶级本体、元（核心）本体、领域本体、语言本体、任务本体、领域-任务本体、方法本体和应用本体。

这种分类法是对Guarino提出的分类方法的扩充和细化，但这10种本体之间有交叉，层次关系划分不够清晰。

2.3本体描述语言

OWL（WebOntologyLanguage）是W3C开发的一种网络本体语言，用于对本体进行语义描述。

它适用于这样的应用，在这些应用中，不仅仅需要提供给用户可读的文档内容，而且希望处理文档内容信息。

OWL能够被用于清晰地表达词汇表中的词条（term）的含义以及这些词条之间的关系。

而这种对词条和它们之间的关系的表达就称作Ontology。

OWL相对XML、RDF和RDFSchema拥有更多的机制来表达语义，从而OWL超越了XML、RDF和RDFSchema仅仅能够表达网上机器可读的文档内容的能力。

2.4本体的应用

目前本体已经广泛应用于计算机及其相关领域。

本体的功能及其应用领域可以概括为3类:

1.作为知识表示方法,应用于知识工程和知识管理[10]等。

本体统一了领域中的术语和概念,从而使知识共享和重用成为可能。

如欧盟IST资助的On-To-knowledge项目开发了基于本体的知识管理工具集。

2.作为系统分析方法,应用于信息建模、面向对象分析和数据库设计等[11]。

本体建模过程澄清了领域知识的结构,为信息系统的分析和设计提供了基础。

3.作为信息语义的形式化表示方法,应用于异构信息集成、多智能体系统、语义Web等。

本体用显式、形式化的方法描述了领域中概念的结构以及概念之间的关系。

基于本体可以实现基于内容的访问、异构信息语义层的集成和互操作[12]。

本文使用领域本体技术来阐述课程资源中各课件之间的关系。

2.5建立课程本体

目前支持本体开发的工具多达数十种，功能各不相同，对于本体语言的支持能力、表达能力、逻辑支持能力以及可扩展性、灵活性、易用性等都相差很大。

Protégé系列是目前较活跃的本体工具，是可以免费获得的开放软件，它用Java语言开发，通过各类插件支持多种本体格式。

本文中就是选用Protégé3.3.1来建立课程本体。

本文针对计算机网络这一领域，运用Protégé建立了一个计算机网络课程本体，得到了本体文件“InternetCours.owl”。

2.6小结

本体通过对概念的严格定义和概念与概念之间的关系来确定概念精确定义，表示共同认可的，可共享的知识。

因此，本体是解决语义层次上Web信息共享和交换的基础。

因为课件资源结构要与课程领域的概念和概念间的关系形成映射，所以，课程本体的建立，就意味着课件资源结构的确定，这对课件的检索奠定了基础。

3系统的相关技术

3.1学习对象技术的应用

3.1.1学习对象的概念

学习对象是在结合面向对象的计算机科学思想以及有关教学理论基础之上而产生的一种新型计算机辅助教学构件。

面向对象的计算机科学思想使一个构件（component）能够在多种情境下重复有效地使用，这种具有高度价值的思想也就是蕴含在学习对象之后的基本理念：

教学设计者可以建立适当大小的能在不同学习情境下多次重复使用的数字化教学构件[13]。

这种可重用、易组合的教学资源构件不同于传统的书本、录像带等教学媒体，也先进高级于现有水平的数字化教学资源，它应该能够为许多人在不同时间、地点都能接触并利用；此外，那些由多个学习对象集成的教学信息可以相互组合并快速更新，这就是学习对象与现有教学资源之间的根本不同之处。

最早出现的“学习对象”（LearningObject）术语是1994年CedMA（ComputerEducationManagementAssociation）协会会长H.WayneHodgins的一篇论文“LearningArchitectures,API’s,andLearningObjects”的标题中。

而2000年，他负责领导的IEEEP1484学习对象元数据工作小组则正式采用“LearningObject”一词来描述这种可重用的学习资源构件。

电气电子工程师协会（IEEE）在1996年成立国际性组织“学习技术标准委员会”（LTSC）来开发和推进教育技术标准的研究。

它的学习对象元数据工作小组在2000年提出了一个工作定义（本文称之为广义定义）来描述这种小的教学构件：

“学习对象是任何数字或非数字化的实体，这种实体可以在技术支持学习的过程中被利用、重用或作为参引”技术支持的学习实例包括基于计算机的训练系统、交互式学习环境、智能计算机辅助教学系统、远程学习系统、合作学习环境等[14,15]，而学习对象的例子包括在技术支持学习的过程中用到的多媒体内容、教学内容、学习目标、教学软件及软件工具，以及参考到的个人、组织或事件等等。

因为几乎所有的学习资源都能够在“技术支持学习的过程”中作为参引资料，所以这个定义所囊括的范围过分广大（数字化与非数字化），不能有效地区分学习对象与其他学习资源之间的区别。

LTSC之外的许多研究机构和个人都感觉到了这个定义的不足之处，因此纷纷寻求新的解释来限定学习对象的定义，以使它更具体可操作化。

在这些定义中，比较典型的有：

1.任何具有重用特性并用来支持学习的数字化资源——DavidA.Wiley

2.一个学习对象是可重用的在线学习资源，它可以是一个Applet、动画、文本块、视频流或其他形式等——Karenbelfer

3.一个学习对象是一个小型、可重用的数字化构件，它能够由计算机软件、学习助手或学习者自己选择性的单独或组合应用，以满足学习或绩效支持的个别化需要——Cliveshepherd

这些定义[16,17,18]虽表述不同，但都认同突出了学习对象的数字化、可重用、面向教学等主要特征，并且它们所指的学习对象范畴都在LOM2000定义之内，更保证了学习对象元数据交换共享的兼容性，从而有效限定了学习对象的范畴。

本文以上述第一种定义（DavidA.Wiley定义）作为学习对象研究的狭义工作定义。

3.1.2学习对象的结构模型

我们结合学习技术标准委员会（LTSC）提出的学习对象的广义定义将其概括为：

学习对象是基于单一的目标，建立在静态或交互式内容和教学实践活动上以元数据标识的新型辅助教学构件。

根据定义给出学习对象的组成成分[19,20]如下图所示：

图3.1学习对象结构

学习对象可以看成由这五个元素构成：

学习目标、元数据、学习内容、练习、评估。

学习目标：

描绘学习者完成学习对象的学习后将获得的成果，是从学习内容中抽取出来的。

元数据：

用来描述学习对象信息的元数据文件。

学习内容：

静态的或交互式的学习内容。

练习：

针对学习内容的练习活动。

评估：

用于检测学习者对学习内容掌握程度的活动。

3.1.3学习对象的特性

学习对象的工作定义有多种，且不少理论学者仍还在致力于寻找一种更好的定义来描述它的特性和理念。

绕过这些定义的争论，通过直接阐述学习对象的特性，我们可以更切实详细地了解学习对象的要旨与精髓。

在对各种描述、定义和解释学习对象的大量文献进行研究之后，可以归纳分析出学习对象有下列共同的显著特性：

1.可重用性（reusability）

所有关于学习对象的理论文献都将可重用摆到了突出显要的位置。

可重用是学习对象最根本、最重要的特性[21]，也是统领其它特性的关键点。

从某种程度上说，其它特性都是为了保证学习对象可重用而加以突出的。

可重用是一个含义广阔的范畴，它即包括不同人（资源利用者）出于不同目的对资源的重用，也包括在不同时间、不同空间上的重用，还有在同一情境内、或不同情境间等多种情形下的重用效率和共享效果的问题。

学习对象理念追求的是一个各种影响可重用因素间最优化组合的结构状态。

2.数字化（digital）

数字化将学习对象与传统的教学媒体、教学材料严格区分开来。

广义学习对象工作定义（见上文）的一大不足就在于它没有很好地将数字化与非数字化资源进行区分。

传统的教学媒体具有某种程度上的可重用、可是由于这些非数字化媒体技术的先天不足，造成了资源信息固态、静态、僵化，难于共享传输。

而各种狭义定义将学习对象限定在符合定义的相关标准并可以通过网络传输的各种不同大小的数字化实体之内。

小的可重用数字化资源包括数字图像或照片、实时录像、音频片断、小段文本、动画及小型网络传输应用程序，如JAVA小程序等；大的可重用数字化资源包括完整的网页，它可以结合文本、图像或其他媒体、应用程序来完成一个完整的教学事件。

3.教学性（Instructional）

学习对象有许多相近、相似的术语，而教学性明确指出了学习对象的应用目的指向，使其根本区别于信息对象、知识对象等术语。

学习对象是针对教学而产生的特定构件，它为教学而特别设计并存在。

4.自足内聚（self-contained、Self-Sufficient、Cohesion）

自给自足、自我包容、内聚的特性使学习对象成为一个能离散独立而又绝对具有应用价值的教学资源构件。

一个自给自足的学习对象可以单独完成它自己的教学功能，而无需过多地求助于其他教学资源或学习对象，这样使它可以独立高效地传输共享给其他利用者，并在不同情境下重用。

5.以元数据标识（Aretaggedwithmetadata）

元数据字面上的解释是“关于数据的数据”，它的作用在于描述数据资源的关键属性，以便于资源的检索查询。

一个典型的元数据例子是图书馆中的书目编录，元数据就是这些书目卡上的作者、标题、出版日期及资源介绍等描述性信息。

有了这些元数据之后，阅读者不用遍历整个图书馆逐个查找，而只需利用它就能快速找到所需要的书本。

为学习对象建立各种重要的元数据（如标题、作者、版本、格式、内容描述、教学作用、可重用度等）有几方面的作用：

一方面保证教学资源的容易检索、高效检索。

另一方面，保证并加速各个组织机构间不同学习对象的传输与交换。

在标有关键的元数据属性之后，不同机构、公司、学校间的学习对象资源可以互通有无，或进行相关兼容性的修改。

前文提到的LTSC学习对象元数据工作小组就致力于建立学习对象元数据的标准规范，以实现不同机构间学习对象资源的共享。

截止2001年4月，它已经建立了学习对象元数据草案6.1版，并仍在修改讨论之中　。

我国现代远程教育标准研究项目（DLTS—DistanceLearningTechnologyStandards）中也包括了对学习对象元数据规范的详细讨论取舍。

从目前技术来看，为保证学习对象元数据自身的易传输共享，一般都采用XML（ExtensibleMarkupLanguage）语言来进行描述和传送。

具体的应用方式则既可以把这些用XML描述的元数据单独存储在数据库中，也可以作为独立的XML文档保存。

6.可共享、可搜索、易接触（Shareable、Searchable、Accessible）

可重用的前提表现就是资源能够得到共享。

一种不能共享的资源难以展开大规模的重用。

保证资源共享的措施有多种，如标准规范开放化、格式统一化等。

而共享网上教学资源的首要前提又在于能够检索到符合需求的资源，进