微课资源本体模型构建研究

□ 马凤娟 吴鹏飞

一、引言

移动互联网和智能终端等技术的飞速发展使移动学习和泛在学习成为一种新的学习方式。传统网络资源的建设重视知识体系结构的完整性（一门网络精品课程具体包括课程概述、课程教案、教学大纲、课程章节和参考教材等相关资源），但是这种组织模式很难适应当前移动学习和泛在学习对微型化、碎片化的学习资源的组织需求。微课[1]作为一种新型网络学习资源，本身具有小型化、碎片化等特性，非常适合移动学习和泛在学习的需要。近年来，在教育部组织的全国高校微课教学比赛[2]、全国中小学举行微课作品征集评选大赛[3]等的推动下，不管是基础教育还是高等教育，都出现了大量的网络微课资源。

然而，微课资源有其自身的不足，存在着组织过于简单、微课与微课之间缺乏关联、没有完整的知识体系以及缺乏统一描述标准不利于集成和共享等问题。这些不足使学习者在学习过程中容易迷失[4]，教师组织、检索和利用微课也非常不便。目前，国内对微课的研究主要集中在微课设计及模型构建[5][6][7]、微课学习资源开发与建设[8][9[10][11][12][13][14]、微课在翻转课堂教学设计中的应用[15][16][17]、微课在职业教育中的探讨[18][19]、微课中小学教师培训[20]、微课国内外比较[21]和实践反思[22][23]等方面，而在网络微课资源的知识组织和共享利用层面还少有研究，仅有从大规模在线课程的视角探讨课程资源组织与语义化关联等少量的研究[24]，对于微课的知识组织层面还缺乏相关的语义本体模型研究。

针对当前网络微课资源在知识组织与语义理解缺乏统一描述标准的问题，笔者将本体技术引入微课知识表示，提出了一种描述网络微课资源的语义模型，并利用本体开发工具Protégé构建了一个可共享、可重用、可扩展的微课本体模型（micro-lecture ontol⁃ogy model，MLOM），为微课资源的集成、整合与共享提供语义层次上的统一表达和理解，为后续检索利用提供了知识模型。

二、微课本体模型

由于微课是一个新出现的概念，目前国内外学术界对于微课的定义[25][26][27]不尽相同。另外，在网络微课的实际建设层面，微课资源网站面向学习者主要提供以视频为主的学习内容。综合考虑国内外微课学术研究和实践建设两个层面，并从微课学习和教学的本质出发，微课应包含学习内容、学习活动、学习工具、学习评价、学习资源、微课创建者、微课学习者、知识点、专业、课程、年级等核心组成要素。其中，微课学习内容是围绕着某知识点组织的多媒体资源，是学习者学习的主要知识内容，知识点是微课学习内容的核心，二者是微课组成部分中最为重要的资源和知识组成要素，而微课学习资源是作为微课学习内容的相关补充内容，是微课学习内容相关的拓展资源，也是微课的组成要素；微课学习活动可以包括多种类型的学习活动，学生通过参与微课的相关学习活动，可以加深对学习内容的思考；微课学习工具也可以包括多种类型的学习工具（学习者在微课内容学习过程中利用地图标注学习工具标注地理位置信息等）；微课学习评价是对学习者学习微课内容效果的考核，也应是微课的组成要素之一；微课创建者和学习者对应教师和学生，是微课资源的生产者和消费者，二者作为微课中人的要素，是微课的重要组成部分；专业、课程和年级这三个要素作为微课利用范围的限定概念，一个跨学科的教师可以创建面向多个专业、多门课程和多个年级的微课。同时，一个学生也可以根据自己的兴趣学习多个微课，因此这三个组成要素也是微课的必要属性。

结合目前微课学术定义和微课资源建设实践，根据上述微课组成要素及相关概念及其关系分析，笔者设计和定义了一个微课本体模型。

1.微课本体模型定义

按照本体五元组建模原语[28]，MLOM模型被定义为一个五元组：

（定义1） MLOM： =<MLOM_Concepts,MLOM_Relations,MLOM_Functions,MLOM_Axi⁃oms,MLOM_Instances>。其中，MLOM_Concepts表示与微课相关的概念或实体的集合；MLOM_Rela⁃tions表示微课概念或实体间关系的集合，表示概念间存在的关系；MLOM_Functions表示微课函数集合；MLOM_Axioms表示微课相关的永真公理集合；MLOM_Instances表示微课的实例集合。

为了更加直观地展示微课本体中的相关概念及其语义关系，图1展示了笔者提出的微课本体模型图，其中圆角矩形表示概念（微课学习工具、微课学习内容等），是对多种类型的学习工具和内容的抽象类；矩形框表示数据属性值（微课学习时间），表示一个微课的具体学习时间（12分钟）；实线箭头表示微课概念间存在的语义关系。

2.微课概念

微课相关概念（MLOM_Concepts）定义如下：

（定义2） MLOM_Concepts：={C}，表示微课概念的集合，其中C是一个微课相关的概念（微课学习内容或微课创建者）。

图1 微课本体模型示意图

MLOM模型的核心概念包括：

（1）微课（MicroLecture）：微课是描述网络微型课程学习资源的专有名词，具体包括学习内容、学习活动、学习工具、学习评价、学习资源、创建者和学习者等组成要素，还包括标题、描述、创建时间、学习时间、语言类型等属性。

（2）微课学习内容（LearningContent）：学习内容是微课最核心的内容，通常是指一段学习时间在10-15分钟之间的视频学习内容，但是微课学习内容并不仅仅限定为视频类型的学习内容，它可以是动画、图片或者PPT等。

（3）微课学习活动（LearningActivity）：微课学习活动是指与微课相关的学习活动，例如画概念图、讨论、问答等。

（4）微课学习工具（LearningTool）：微课学习工具是指与微课相关的学习工具，例如写笔记工具、翻译工具等。

（5）微课学习评价（LearningEvaluation）：微课学习评价是指与微课相关的学习评价，例如点赞、投票、评分等。

（6）微课学习资源（LearningResource）：微课学习资源是指与微课相关的其他学习资源，如相关的电子教案、课件、电子书、参考文献等。

（7）微课创建者（Teacher）：微课创建者是对微课创建人的具体描述，微课创建者是微课的创建主体，具体包含创建者的姓名、所在地区、所属机构、创建者描述等信息。

（8）微课学习者（Learner）：微课学习者是对微课学习人的具体描述，微课学习者是微课的消费主体，具体包含学习者姓名、所在地区、所属机构名、学习者描述、年龄和兴趣等信息。

（9）知识点（KnowledgePoint）：知识点是对微课所包含的知识点的描述，微课可以包含一个或两个知识点。

（10）专业（Discipline）：专业是对微课所属专业领域的描述。

（11）课程（Course）：课程是微课所属课程的描述。

（12）年级（Grade）：年级是微课适合学生所处的年级描述。

3.微课关系

微课相关概念间的关系（MLOM_Relations）定义如下：

（定义3） MLOM_Relations:={R(C1,C2)|C1,C2∈MLOM_Concepts}，表示微课概念间二元关系的集合。在微课MLOM模型中，概念与概念间的关系可以分为五种类型：

（1） 父子关系 （isChildOf和isParentOf）：主要用于描述微课和微课之间的父子关系。例如微课“构成”主要讲述艺术设计中的不同构成，而微课“平面构成”讲述了具体平面构成相关知识，那么“构成”和“平面构成”之间的关系即为父子关系，“构成”是对“平面构成”的综述和概括，“平面构成”是“构成”的一个侧面或者一个角度的补充和完善。

（2） 前驱后继关系 （isPrefixOf和isNextOf）：前驱后继关系是一种依赖关系，主要描述微课和微课之间的学习先后顺序关系。例如微课“点的构成——认识点”是微课“平面构成——点的构成在设计中的应用”的前驱，而“平面构成——点的构成在设计中的应用”则是“点的构成——认识点”的后继。

（3）兄弟关系（isBrotherOf）和并列关系（is⁃ParallelOf）：主要描述微课与微课间的存在关系。兄弟关系主要描述两个子节点微课有共同的父节点微课，同时说明了两个微课之间的并列关系；而并列关系主要描述微课仅存在并列关系，没有共同的父节点微课。例如微课“平面构成的基本要素——线”和微课“平面构成的基本要素——点”是兄弟关系，它们有共同的父节点微课“平面构成”；而微课“平面构成”和微课“设计表现技法”则只是并列关系。

（4） 整体和部分关系 （hasPart和isPartOf）：主要描述微课和微课学习资源、微课学习活动、微课学习内容等概念之间的包含关系。例如一节微课包括微课学习内容、微课学习活动和微课学习资源等。

（5） 隶属与包含关系 （isMembershipOf和con⁃sistOf）：主要描述微课和相关专业、课程之间的关系。例如一节微课“平面构成——点的构成在设计中的应用”隶属于艺术设计专业、平面构成课程，平面构成课程包含“平面构成——点的构成在设计中的应用”微课。

4.微课函数

微课函数（MLOM_Functions）定义如下：

（定义4） MLOM_Functions:={F:C1X C2X C3X…Cn-1➝Cn|Ci∈MLOM_Concepts∪MLOM_Rela⁃tions}表示一类特殊的关系，这种关系的前n-1个元素说明可以唯一决定第n个元素。MLOM_Functions描述了微课本体语义检索和智能推荐的规则。

5.微课公理

微课公理（MLOM_Axioms）定义如下：

（定义5）MLOM_Axioms:={A}，表示微课本体中的永真断言的集合，是对微课本体中的相关概念及其关系的约束处理（微课概念类之间的层次关系、等价关系、不相交关系等），是通过微课概念间的语义关系描述的微课本体公理。

6.微课实例

微课实例（MLOM_Instances）定义如下：

（定义6） MLOM_Instances:={I｜I∈MLOM_Concepts∪MLOM_Relations}表示微课本体中的概念及概念间的关系的实例，例如微课“平面构成”是微课类的一个实例。

三、微课本体模型构建

微课本体模型为网络微课学习资源建立了一个形式化、语义化的知识表示体系及推理规则，提供了微课学习资源语义上的共同理解和互操作。在目前众多的本体构建研究[29]中，主要采用两种方法[30]：一种是收集领域术语，并通过自上而下[31]、自下而上[32]和中间方法[33]分析概念，形成概念结构，定义概念间关系和规则，填充实例，构建本体，从而实现领域知识的获取与表达；另一种是通过数据库模式映射方式构建本体。笔者利用第一种方法进行微课本体构建。

在微课本体模型的构建过程中，采用W3C推荐的本体描述语言OWL[34]作为编码语言，微课本体模型的具体实现利用了美国斯坦福大学开发的本体构建工具Protégé[35]，版本是4.3.0，形式化定义了微课相关的类、属性及公理。

1.建立微课概念类及其层次关系

微课具体包括12个顶级概念，分别是微课、微课学习内容、微课学习活动、微课学习工具、微课学习评价、微课学习资源、微课创建者、微课学习者、知识点、专业、课程、年级。图2是使用Protégé对这12个核心顶级概念建成的类层级图。

图2 微课本体顶级概念类层级图

2.定义微课概念类的属性和关系

微课概念类的属性包括对象关系属性（Object Properties）和数值属性（Data Properties），它们都表示关系。其中，对象关系属性表示微课概念类实例之间的关系，数值属性表示微课概念类实例与基本的数据类型（int、short、string等）之间的关系。图3是定义的微课本体10种对象关系属性，其中isChil⁃dOf和 isParentOf、isPrefixOf和 isNextOf、hasPart和 isPartOf、isMembershipOf和 consistOf四对对象关系属性为互逆关系（Inverse Of），定义域（Do⁃main）和值域（Range）对应微课本体模型中的各本体概念类。图4是定义的微课本体的数值属性，其中包括微课标题（title）、微课创建日期（create⁃Date）、微课描述（description）、微课语言类型（language）和微课学习时间（learningTime）。

3.建立微课概念类的实例

用具体的微课实体内容填充定义微课概念类，并定义、扩展实例的属性及属性值，可以采集网络微课学习资源作为填充各微课本体类的实例。

4.本体模型的校验与修正

采用Protégé集成的推理机对微课本体模型进行推理，验证微课本体模型合理性和有效性，并对不合理之处做出相应的调整和修改。

图3 微课本体对象属性

图4 微课本体数值属性

四、应用与评价

1.本体模型实例应用

以艺术设计专业为例，图5展示了利用微课本体模型MLOM实现的“平面构成的基本要素——线”微课实例。其中，圆角矩形表示MLOM微课本体模型中的相关概念，椭圆形表示MLOM微课本体模型中的实例，矩形表示具体的属性值。MLOM微课本体模型是为网络微课学习资源建立的一个知识体系结构，表达了微课相关概念与概念间的语义关系。利用该微课本体模型MLOM可以明确表达微课资源中的逻辑关系，实现网络微课资源明确、形式化的知识表达。

2.评价

图5 “平面构成的基本要素——线”微课MLOM实例

目前对本体的评价还没有形成统一的标准，常用的评价方法有同一个领域使用交叉评价的方法比较两个或多个本体和基于应用的评价[36][37]。为了进一步验证微课本体模型MLOM的有效性，以全国高校微课教学比赛网站（http://weike.enetedu.com/）为数据来源，构建微课本体并填充本体实例。利用网络蜘蛛爬行采集所需的实验数据，在实验数据采集过程中选择的是本科阶段、艺术学学科、设计类的微课，包含了2014年4月到2015年5月间来自109所高校的185位微课创建者发布的185个微课，分别属于“广告设计”“室内设计”“平面构成”“产品设计”“版式设计”“字体设计”“环境艺术设计”“AutoCAD”“Photoshop”和“3DSMax”等106种艺术设计类课程，包含了“线的构成”“平面构成的基本形式”“设计图纸的输出”“招贴的功能属性”和“印刷制作工艺——折页”等185个知识点，包含了370个教学设计方案和教学课件（微课学习资源）。获取原始实验数据后，利用人工方式结合微课内容语义关联结构，构建微课本体概念、属性并填充微课本体实例，利用RDF三元组对采集的微课数据进行存储，构建的微课本体类实例统计数据如表1所示。

表1 微课本体类实例统计

同时利用SPARQL语义检索协议进行基于微课本体的语义检索实验，以“标题为‘构成’的相关子微课的标题”为例，转换为SPARQL语句为：SE⁃LECT?微课标题 WHERE{?microlecture mlom:ti⁃tle‘构成’.?microlecture mlom:title?微课标题.}，其中mlom的前缀定义为http://localhost:8080/mlom/。

语义检索可视化结果如图6所示（局部视图），从中可以看出“重复构成及设计应用”“线的构成”“平面构成中的单形与群化”“平面构成的基本形式”“平面构成”“立体构成中的一切多折”“建筑空间构成设计”和“基本形的重复构成”。“点之构成”是语义检索返回的微课实例（细实线），这些微课是标题为“构成”的相关微课；“平面构成”“平面设计”“构成（一）”“立体构成”“环境艺术设计”“设计基础”和“设计构成”这些是课程的实例（细实线），微课与课程之间以及课程（Course）与学科（Disci⁃pline）（艺术设计）之间是隶属关系（细虚线），而微课“平面构成”“平面构成中的单形与群化”与“点之构成”同属于课程“平面构成”，图中右上角的微课“平面构成”与微课“平面构成中的单形与群化”是兄弟关系，微课“平面构成”与微课“点之构成”是并列关系。

图6 语义检索可视化结果

基于微课本体的语义检索可视化实验结果表明，利用微课本体模型可以很好地实现微课相关内容语义关联和知识组织，为用户提供了很好的导航效果，并能发现更多的相关知识，使用户在学习微课的过程中能够清楚地感知微课内容间的逻辑关系，较好地解决用户碎片化学习过程中的迷失问题。

五、结语

本文从微课网络资源知识组织角度构建了一个微课本体模型，对微课相关概念及其概念间的关系做了详细的分析和明确的形式化定义，为网络微课资源的集成、共享和利用提供了语义基础。该微课本体模型也可以在具体应用实践中进一步扩展。

下一步研究工作将以微课本体模型MLOM为基础，构建基于微课本体的网络微课资源集成共享平台，实现网络微课资源采集、集成、共享和利用，为移动学习和泛在学习的实际应用提供语义化、知识化的微课资源服务，同时提供具有个性化、智能化的微课资源服务。

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