基于语义网格的数字图书馆Ｅ－ｌｅａｒｎｉｎｇ平台研究

周琪锋

〔摘 要〕本文讲述了数字图书馆在E-learning环境下运用语义网格理论，构造了基于语义网格的体系模型，并描述了其各层的功能划分及组成，它能够有效地实现资源的有效共享及统一管理，为数字图书馆开展教育资源服务提供了有力保障。

〔关键词〕网格；语义；共享；教育资源

〔中图分类号〕Ｇ２５０.７６ 〔文献标识码〕Ａ 〔文章编号〕１００８－０８２１（２００９）０５－００５８－０４

Study on Digital Library E-learning Platform Based on Semantic GridZhou Qifeng

（Department of Assets and Equipment Management，Guangdong University of Business Studies，

Guangzhou 510320，China）

〔Ａｂｓｔｒａｃｔ〕This article elaborated the semantic grid theory in digital library under the E-learning environment,constructed the system model based on semantic grid and described the functions and compositions,so it could effectively realize the sharing and unified management,provide strong security service for digital library implementing education resource service.

〔Ｋｅｙｗｏｒｄｓ〕grid;semantic;sharing;education resource

随着数字资源的高速增长及Internet在高校的普及与应用，E-learning作为一种网络条件下的数字化学习方式，在教学领域中的应用范围正不断扩大。E-learning以教育教学改革和创新人才培养为目标、以现代信息技术发展为条件、以信息技术与课程整合为途径、以教育资源管理与服务为支撑，对现行的教学方式产生新的挑战和冲击。与此同时，高校图书馆也在逐步向数字化道路迈进，而其核心价值仍体现在支持教学并提高教学质量上。因此，探讨如何在E-learning环境下开展教育资源服务，发挥高校图书馆的最大功效就具有十分重要的意义。

１ 高校图书馆与E-learning环境下相结合的资源服务

对于教育信息化和E-learning来说，硬件设施是基础，资源建设是核心，人才培养是关键。目前教育资源的严重缺乏及质量不高直接影响了教育信息化和E-learning的进一步发展。数字化学习环境中重要的一环就是建设丰富、便利的资源环境。何克抗教授曾经指出要高度重视各学科的教学资源建设^[１]，这是实现课程整合的必要前提。与传统的学习环境一样，在E-learning环境中，教育资源主要指的还是用于教和学的所有东西，包括教科书、电影和作业本，也包括实验和课堂演示时所使用的实物，当然还包括录像、软件、E-learning、网站、电子邮件、在线学习管理系统、计算机模拟、网上讨论、数据文件和数据库等，但是，它也并不都是完全基于计算机的或数字化的。教育技术首席执行总裁论坛第三次年会以“数字学习的力量整合数字内容”为主题，确定了适应E-learning需要的教育资源，这些教育资源的来源不外乎以下方面：一是由专业信息服务机构或公司以各种格式制作、推出和发行的有偿资源；二是从因特网上获取的免费资源，这些资源的提供者可以是图书馆、博物馆、非赢利机构和教师，等等。对于第一方面的资源，高校图书馆具有代理服务的责任或承担集体用户的责任；对于第二方面的资源，高校图书馆具有信息集成和信息导航的功能，也有为教师制作课件资源等提供素材服务和发布服务的功能。同时，从整体上讲，高校图书馆可以为E-learning提供信息资源整合、信息发布和信息交流的平台功能。数字学习的力量整合数字内容信息，以能创造出具有一定教育价值的各类信息资源，特别是能以数字信号在因特网上进行传输的教育信息。分为案例、试题库、网络课件库、媒体素材、文献资料、常见问题解答、资源目录索引、网络课程等类。因此，E-learning环境下的高校图书馆教育资源服务^[２]是高校图书馆针对E-learning环境^[３]的新特点进行的教育资源建设并在此基础上开展的服务。在E-learning环境下，高校图书馆必须站在“创新职能、增强活力、服务社会、追求卓越”的高度，承担起提供“优、快、精、准”的教育资源服务的任务。

２ 语义网格与E-learning环境下数字图书馆的应用

网格技术是近年来国际上兴起的一种重要信息技术，被誉为继互联网和Web之后的第三次信息技术浪潮。它利用现有互联网的架构，把地理上广泛分布的各种资源，包括计算资源、存储资源、带宽资源、软件资源、数据资源、信息资源、知识资源等整合成一个逻辑整体，实现各种资源的全面共享，消除信息孤岛和资源孤岛^[４]。简单地说，传统因特网实现了计算机硬件的连通；Web实现了网页的连通；而网格试图实现互联网上所有资源的全面连通。网格“在动态变化的多个虚拟机构间共享资源和协同解决问题”。

网格环境中资源具有异构性、分布性、动态性、自治性，网格提供了分布式资源管理与共享的手段。语义网格是网格的扩展，不但可以共享计算与数据资源，而且可以共享与处理知识。语义网格中也同样面临各种异构分布式的资源，如何组织网格中资源，避免资源成为信息孤岛，有效实现服务发现与资源共享，是语义网格研究的关键问题。由于基于概念及属性值比较这种方式没有深入到语义层次的比较，忽略本体中概念之间语义关系，以及切断本体之间的语义关系，必然不能提供完整的服务。显然语义网格不能采用上述方法，因为语义网格环境中无时无刻不弥漫着对语义的理解与处理，应该有自己的基于语义的资源组织与基于语义的服务匹配方法。把资源组织为本体，利用语义Web技术，采用元数据和本体来描述网格上的资源、服务、数据源，从而自动增强服务的发现、协商，信息的抽取、处理，把资源的聚集对应为本体的集成，应该是一个好的方法^[５]。本体的建立与集成都已经有了很多的方法。在语义网格中，一个新的服务可以且应该由多个资源本体协商完成，实现语义知识的共享，而不仅仅是单一本体来提供的。

３ 基于语义网格的E-learning平台

E-learning旨在打破时间和空间的限制，支持资源共享和学习协作，提供个性化和自适应的学习环境。目前的网络技术只能支持学习资源的低水平共享和学习活动的简单协作，还存在着许多没有解决的问题，包括如何实现在分布、自治、异构的网络环境中共享资源、协作学习；如何让语义在E-learning中发挥潜力^[６]；如何构建E-learning环境的必需组件；如何规范并简化E-learning环境的开发等。为此，本文提出了一个基于语义网格的E-learning平台体系结构体系，如图１所示，面向服务的语义网格中间件就是核心。

面向服务体系结构使得学习协作伙伴之间的松散祸合成为可能，并且以开放接口的形式提供更高的抽象。语义网格技术能够在更高层次上促进学习资源的共享和各类学习支撑系统的互联互操作，便于利用现有的资源和服务动态、透明地构造新的服务，即以一种灵活的方式汇聚和协调资源。动态的网格计算环境以实体自治、异构、分布为特点，这是一种无法事先约定的环境，因此协作关系必须能够被动态地选择、协商、建立和监控。为了能有效的汇聚网格组件和资源，不仅需要面向服务的体系结构模型，而且要求相关的功能性、可用性信息以及不同组件的接口信息必须具有一致的解释，能够被机器理解和处理。

３.１ 通用网格服务层

E-learning应用涉及大量的数据和计算资源，通常需要跨组织边界的安全资源共享。为减少应用开发的复杂性，通用网格服务层可以屏蔽网络资源(物理资源和逻辑资源)的异构性，支持网络资源的统一管理、分布调度与安全控制，为上层应用提供一个使用方便的、类似于统一操作系统的平台。

３.１.１ 资源管理

实现资源的描述、注册、发现、查找、分配、迁移、预约、回收等工作。网格资源有以下特点：资源的地理分布极广，资源之间、资源和客户以及客户之间往往通过广域网连接；资源类型和数量巨大，而且要求一定程度的协同工作：资源是动态变化的，包括资源属性的变化，以及在网格内的复制和迁移等；资源工作在异构平台上，并且由不同的管理策略控制。在这样的环境中，需要有一种不依赖集中控制的、分布式、可扩展、能适应资源动态变化并且定位性能好的资源发现机制。与Web等传统分布式系统中通过URL等方式定位资源不同，网格资源发现机制不仅应考虑资源的位置信息，而且应考虑资源的属性等语义信息。

３.１.２ 分布资源祸合服务

网格的目标是将所有的资源组织起来协同工作，通过分布资源祸合服务可以把资源以服务的形式提交给上层的网格应用。

３.１.３ 网格安全

通过身份认证等安全技术防止非法用户通过网络使用或获取网格的任何资源，保障数据的安全性。同时，通过权限控制和数据隐藏技术使用户只能获取允许的信息和知识，而不能窃取未授权的信息。网格安全需要实现用户认证、访问控制、计费、保密性、完整性、确定性和抗抵赖性等安全功能。

３.１.４ 网格监控

实现网络流量控制、负载均衡和拥塞控制，监控网格资源、任务和应用的状态，提供性能评价和容错处理。

３.２ 语义网格服务层

语义网格服务层包括一组基于SOA的中间件，为共享与协作等网格特性提供支持。服务层是资源价值的实现方式，旨在通过建立图书馆组织内部和外部的网络系统，实现对资源的分配、交流、共享、整合与内化，以充分利用信息资源，并支持信息资源的无缝发送、跟踪和信息创新。

(1)本体服务：对E-learning元数据进行描述和处理离不开本体。本体给出了元数据描述的词汇^[７]，将不同的概念连接起来，通过建立概念之间的关系，将元数据在语义层次上连接起来。本体服务支持学习资源本体、服务本体和协作上下文本体的查询与使用。

(2)匹配服务：提供基于语义的服务查询和协作上下文查询。

(3)服务管理：提供服务注册、注销和地址绑定更新等功能。

(4)服务组合：提供服务的动态组合功能，支持不同粒度的服务调用，并将一组相关的服务映射为一个单独的逻辑服务，实现服务的组合，屏蔽服务发现、选择、异常处理等复杂性。

(5)复制管理：支持网格环境下的透明数据迁移与复制以及数据副本使用的透明选择等，为网格环境下的资源共享提供质量保证。

(6)推理服务：为了计算过程之间能够充分进行交互，使用推理服务是必要的。有了机器可理解的简单易用的Web服务语义标记，就可以开发智能主体，充分利用语义标记来支持自动推理，完成Web服务组成和互操作。

３.３ E-learning服务层

３.３.１ E-learning领域服务层

E-learning领域服务层面向特定的应用领域，位于E-learning服务层的上层，主要提供与远程学习相关的服务，这些服务分布在各个网格节点，可以跨组织共享，从功能上可以分为以下几种：评价反馈与学习支持服务、个性化内容传递和呈现服务以及在线指导服务等，这些服务为学习者提供个性化学习支持。其中，评价反馈与学习支持服务根据学习目标进行形成性或总结性评价，为学习者提供准确、及时、全面的反馈信息，这些信息帮助学习者改善学习；个性化内容传递和呈现服务强调为学习者提供合适的自定义的学习资源：在线指导服务强调以技术手段降低成本的“一对一”教学方式。

３.３.２ E-learning公共服务层

E-learning公共服务层主要提供网格环境下的协作支持服务和资源共享服务，位于语义网格中间件的上方。在使用E-learning学习的各个阶段，角色的分配和资源的分配涉及跨组织的节点透明操作和服务的聚合问题，E-learning是一种广域的、动态的跨组织的活动需要人——系统——人协同工作，E-learning基础设施的公共服务层可以提供这方面的支持^[８]。公共服务层包括软件代理、协作工具、个性化服务和过程监控。

(1)协作工具。主要提供以下服务：协作伙伴的状况信息、讨论记录、会议状况、要做的事情列表，工程状态等。

(2)事件管理。捕获用户和服务之间的交互，为项目管理和学习行为提供依据。

(3)内容管理。学习对象能够被发现，并可以利用元数据语言进行组合与重构，从而实现课程的灵活构建，包括建构数字化学习资源，提供学习资源查询服务、学习内容序列化服务和学习内容递送服务等。

(4)学习管理。负责课程实例的配送和管理，跟踪学习资料和使用者之间的交互，包括对学习过程的跟踪和知识水平的评价，这些信息对诊断学习过程中出现的问题具有重要价值。

３.３.３ E-learning应用安全

服务安全问题，比如共享资源的进入授权，内容机密性、个体的鉴定、以及资源使用方法的审核，在分布式系统的平稳和有控制的工作中扮演着重要的角色。在一个语义环境中，用可靠的方式处理整个系统的工作流是困难的。几个可以成为伙伴并且可以在一个网格环境中形成虚拟市场的虚拟组织，可能有不同的安全策略和机制来提供可靠的和可控的进入资源的入口，因此在形式的包装上和在公共策略描述语言上就需要一个可以掩盖安全策略异构的公共机制。此外，E-learning应用安全需要和网格安全结合起来，通过建立映射机制和组件协作来共同提供安全保障。

３.４ E-learning应用层

基于语义网格的E-learning平台体系结的顶层是E-learning应用层，它的主要功能是支持用户与系统之间的交互服务，为用户提供基于Web的使用底层资源的界面，或者提供各种终端用户的应用软件。E-learning应用层实际上就是底层的资源和上层的应用程序之间的媒介。把应用和服务分离成两层的好处是双重的：首先，由于高内聚性和松散祸合，它将最小化代码重写的工作并增加应用程序的可维护性；其次，它也确保在应用程序的演进过程中能够符合于规范化的标准。图书馆工作人员，可以使用服务层所提供的环境和各类资源服务在知识应用层集成或开发相应的知识应用系统，包括馆藏书刊查询系统、读者信息查询系统、学科资源导航系统、电子期刊导航系统、视频数据库系统、文献传递系统、远程学习教育系统、文档管理系统、协同工作系统、跨域搜索系统、财务管理系统、虚拟会议系统等。

４ 结束语

文中提出了一种基于语义网格的E-learning平台，为数字图书馆的分布式存储和广域共享、一体化访问提供了研究和实现的基础。本模型的特点包括以下几点：

(1)结合语义网格中的虚拟组织，提出了推理服务的概念，优化了信息资源和用户的组织和管理。

(2)提出了在E-learning支撑环境突出了资源协作、资源共享和个性化学习支持服务等功能，为资源的定位、资源的访问控制以及用户管理提供支持，使推理服务的自主管理和集中控制下可相应协调。

(3)结合各服务层中实行不同的安全控制，提出需要安全策略异构的公共机制，来协调各服务之间的资源共享。

(4)本模型提出了资源服务共享，使得用户获取资源的主动性和任意性大大提高，为用户在网络上获取服务提供了便利的通道。但是本模型仍有些关键性问题需要进一步研究，比如构建全局一体的访问控制机制、提高资源定位的效率、服务访问效率等。

因此，高校图书馆应顺应数字时代的发展做好资源服务工作，把传统服务方式的优势和E-learning的优势有机地结合起来，将教育信息资源服务渗透到教育领域的各个环节中去，为高校图书馆飞跃发展带来新的契机。

参考文献

［１］何克抗.E-Leaming与高校教学的深化改革［ＥＢ／ＯＬ］.http:∥www.edu.cn/20011225/3015160html，2001.

［２］汪琼.图书馆自主学习环境深层次构建研究［Ｊ］.高校图书馆工作,2007,(5)：81-84.

［３］宋强.浅谈e-learning在教学中的应用［Ｊ］.电脑知识与技术(学术交流),2007,(12).

［４］何向阳,余英.e-learning:变革教学结构和教育本质的学习新环境［Ｊ］.现代远程教育研究,2006,(3).

［５］ToshioOkamoto，MizueKayama.The Ieaming GRID for know-Led gebuilding［Ｃ］.Joensuu，Finl and:4th IEEE International Conferenceon Advaneed Leaming Teehnologies，2004.

［６］Harn L.Group oriented(t,n)digital signature scheme,IEEE Proc.-ComputDigit.Tech,1994:307-313.

［７］MacKieMason JK,VarianHR.Pricing the internet.In:Kahin B,KellerJ,editors.Public.Cambridge,MA:MIT Press,1995:269-314.

［８］LiChunlin,et al.Utility driven dynamic resource allocation using com-petitivemarkets in computational grid.Advances in Engineering Soft-ware,2005,36:425-434．