基于在线资源开放课程的智能学习系统本体构建研究

张前进

（安徽国防科技职业学院，安徽六安 237011）

基于在线资源开放课程的智能学习系统本体构建研究

张前进

（安徽国防科技职业学院，安徽六安 237011）

分析国内在线资源开放课程建设情况及存在的问题，提出了基于语义网本体技术构建基于在线资源开放课程的智能学习系统方案。根据本体的概念给出了快速构建验证性本体的方法，完成了智能学习系统本体模型设计，并以软件技术专业为例，阐述了Web应用程序开发学习领域本体的构建过程。

本体；概念；属性；智能学习系统

2003年，为提升我国高等教育的综合实力和国际竞争力，教育部启动了高等学校教学质量与教学改革工程精品课程建设工作〔1〕。精品课程采用校、省、国家三级建设模式。2003—2010年精品课程建设期间共立项3 910项国家级精品课程。2011年在精品课程的基础上教育部提出了精品开放课程建设，其目标是“十二五”期间立项建设6 000门课程。2012年，以碎片化资源为显著特征的大规模在线开放课程（massive open online courses，MOOC）在国内外得到迅猛发展。截至2015年，仅Courdera和edX两大著名MOOC平台就提供了近2 000门课程资源。

海量在线开放课程资源的建设，为优质教学资源共享奠定了基础，但其在推广应用的过程中也暴露出一些不足，如：①教学资源建设标准与规范不统一，资源重复建设，共享与重用度低；②资源利用率低，资源内容间联系度小。知识间联系表示简单，很难提供较好的智能服务〔2〕。

本文将语义网的本体技术引入到基于在线资源开放课程的智能学习系统中，根据本体的概念定义了智能学习系统中的教学资源，并为现有的在线开放课程资源添加了语义化描述。通过构建智能学习系统的本体库模型，为实现教学资源共享与重用，构建智能学习系统提供理论与实践基础。并以“软件技术专业学习系统”本体库构建为例，说明了本体库构建与实现的过程。

1 本体构建综述

1.1本体概念本体的概念最初来自于哲学领域的存在论。随着人工智能、数据库技术的发展，本体论在引入信息系统领域后，其在智能领域的作用越来越重要。到目前为止，本体在信息领域的概念还没有一个统一的描述。1993年，Gruber定义的“本体是概念模型的明确的规范说明”〔3〕被广泛认可，1995年Borst又将其修正为“本体是共享型概念模型的明确的形式化规范说明”〔4〕，本文也采用此概念。

1.2本体的构建本体的目标是捕获相关领域的知识〔5〕，提供对该领域知识的共同理解，确定该领域内共同认可的词汇，并从不同层次上给出这些词汇（术语）及词汇相互关系的明确定义。其构建过程就是概念模型确立的过程。本体构建的方法有很多，各有优缺点，因此目前并没有统一的通用的本体构建方法。本文采用简易的原型构建法，构建步骤简单，适合快速构建验证性本体。其构建步骤见图1。

图1 本体构建方法图

（1）需求分析

本体是描述领域知识，提供对领域知识的共同理解〔6〕。构建本体的第一步就是需求分析，其目的是通过收集领域知识，然后对知识进行归纳与提炼，完成本体系统的规范化描述。

（2）明确核心概念及层次结构

本阶段主要是根据需求分析得到的本体系统规范化描述，分析列举出领域知识的核心概念，并完成对概念进行分类，确定概念的层次结构。

（3）明确概念属性

明确了概念的层次结构，只是完成了本体的框架设计，需要明确概念的属性，才能丰富本体概念的语义。概念的属性是区别于其他概念的关键标志，用来描述概念的固有特性及内部结构。

（4）明确概念间的关系

前面3步完成了对知识的形式化描述。本阶段主要明确概念之间的联系，明确指示知识间的语义结构。在语义上，概念间的关系对应于对象元组的集合〔7〕。

（5）本体进化

本体进化指领域知识本体的进化。主要由自身进化和对外进化两部分组成。自身进化，指对本体自身，即已经存在的本体，增加新的概念、新的概念属性，扩展新的语义结构等；对外进化，指对不同领域间的本体增加语义操作。

（6）本体表示

本体建设的完成，是本体构建的必然结果与自然延伸。

2 智能学习系统本体构建

2.1智能学习系统本体模型目前建设的在线课程开放资源平台中，资源大多存储在关系数据库中，以常规链接的形式展示，没有实现资源的标注。根据需求分析，基于在线课程开放资源的智能学习系统，其本体模型主要由资源本体、领域知识本体两部分组成。见图2。

图2 智能学习系统本体模型图

资源本体给出在线课程资源形式化描述框架，实现在线资源的标注，形成元数据标注库。作为后期智能化处理、查询的实践基础。领域知识本体是利用本体明确资源间的语义结构，即在知识与概念间的关系进行精确定位，提高在线课程资源共享和复用的效率。

2.2本体构建本文以软件技术专业为例描述智能学习系统本体的构建过程。

2.2.1 资源本体 根据上述可知，资源本体实现的是资源标注，形成的是资源的元数据标注库，是元数据层〔8〕。学习资源主要包括视频、音频、图像、文档、文本等多媒体资源，其本体的概念层次结构简单，由学习资源基本信息、学习资源应用领域信息、学习资源应用形式、学习资源用户信息等一系列的基础概念组成。见图3。因此不再按照本体构建方法的步骤进行描述。

图3 资源本体模型图

（1）学习资源基本信息：包含资源编号、资源名称、资源类别、资源地址、资源大小、资源作者、资源单位等基本信息的属性。

（2）学习资源应用领域信息：包含用户类型、资源所属学科、资源所属专业等应用领域信息的属性。

（3）学习资源应用形式：包含资源应用类别、资源应用形式、资源应用场景等信息的属性。

（4）学习资源用户信息：包含用户类别、用户权限、用户编号等信息的属性。

根据资源本体模型，《网页设计与制作》MOOC在线课程资源可以形式化描述为：

｛MOOC-001，网页设计与制作，MOOC，http：∕∕sample.mooc.com∕001，50M，张前进，安徽国防科技职业学院｝∪｛学生，互联网技术，计算机应用技术｝∪｛在线，视频，自学｝∪｛注册用户，浏览，UNO01｝。

2.2.2 领域知识本体

（1）明确概念及层次结构

本文研究的是面向用户的基于在线课程资源的智能学习系统，采用基于工作过程的方式构建学习领域。首先通过市场调研、专家访谈、毕业生跟踪调查等方法来获取软件技术专业的典型职业岗位，然后通过分析，归纳出典型岗位群及工作任务〔9〕，最后根据典型工作任务需要的技能点总结出软件技术专业的学习领域。学习领域类似于课程的概念，由若干个学习情景组成。通过对软件技术专业涉及的领域分析可知，该专业包含桌面应用程序开发、Web应用程序开发、软件测试、数据库设计与应用等学习领域。各个学习领域之间并不是孤立存在的，也会存在相互关联。以Web应用程序开发学习领域为例，利用本体的概念，明确该学习领域中所有的概念并形成层次结构。见图4。

图4 Web应用程序开发学习领域概念层次图

在该层次结构中，可以更好的建立知识点间的关联，每一条路径上的知识点都是从粗到细，并且都能通过一条路径找到它。这使得知识的整合更加自由，可以随时增加、移动或者删除节点。

（2）明确概念属性

基于工作过程构建的学习领域中，不仅不同层次的知识点之间存在关联关系，同时，不同领域的学习领域之间也会存在关联关系。因此在明确概念属性时除了充分描述概念的基本信息外，还要充分考虑不同领域间的关系。学习领域的概念属性可以描述为：

｛课程简介，授课师资，职业岗位，课时数，课程目标，与其他课程的关系，课程类型｝。

（3）明确概念间的关系

本体概念间存在多重关系，如在概念的层次结构中，上下层间的概念属于包含与被包含关系，不同领域间的概念还存在依赖关系，还有相互独立的平行关系，大粒度与小粒度概念间的反映与被反映关系。概念间的重要关系见表1。

表1 概念间的重要关系表

2.3本体在智能学习系统中的应用OWL（Web Ontology Language）是W3C推荐的语义互联网中本体描述语言的标准。下面以该标准给出一个教师发布教学资料的应用实例。

当教师上传资料时需要从内容、概念间的层次关系和数据结构等方面对资源进行语义描述。如教师上传的是网页设计与制作这门课程的学习资源。其部分语义描述如下所示：

＜Document rdf：ID=”网页设计与制作”＞

……

＜contentSize＞

＜Size rdf：ID=”50M”∕＞

＜∕contentSize＞

＜hasAuthor＞

＜Author rdf：ID=”张前进”∕＞

＜∕hasAuthor＞

＜basicFor＞

＜for rdf：ID=”PHP程序设计”∕＞

＜∕basicFor＞

＜nextFile＞

＜next rdf：ID=”DIV+CSS”∕＞

＜∕nextFile＞

＜∕Document＞

通过对教学资源本体语义化描述，增强了资源间的语义联系，可以为学生提供更加智能化的检索服务。如当学生检索网页设计与制作这门课时，除了可以将该课程对应的资料展示出来之外，还可以根据basicFor、nextFile等语义描述为学生提供该课程的相关知识以及该课程后续学习资料等信息，从而提高了资源的利用率。

3 结束语

本文将本体引入基于在线资源开放课程的智能学习系统中，一方面有效的解决了在线课程资源知识共享性差、资源利用率低的问题，另一方面增加了在线课程资源的语义，为建立语义查询、后期推理奠定了实践基础。

〔1〕教育部.教育部关于启动高等学校教学质量与教学改革工程精品课程建设工作的通知（教高〔2003〕1号）〔EB∕OL〕.〔2015-12-20〕.http：∕∕www.360doc.com∕content∕16∕0705∕11∕32822272_573228828.shtml.

〔2〕孙玉娣，裴勇.专业教学资源库本体模型构建〔J〕.软件，2011，32（4）：108-110.

〔3〕GRUBER T R.A Translation Approach to Portable Ontology Specifications〔J〕.KnowledgeAcquisition，1993，5：199-200.

〔4〕BORST W N.Construction of Engineering Ontologies for Knowledge Sharing and Reuse〔J〕.University of Twente，1997，18（1）：44-57.

〔5〕马雨萌，刘凤红，黄金霞.STKOS中领域本体模型框架研究〔J〕.图书情报工作，2015，59（3）：119-125.

〔6〕马莉.本体的煤矿数字化应急预案系统研究〔J〕.西安科技大学学报，2014，34（2）：216-223.

〔7〕杨现民，余胜泉.学习元平台的语义技术架构及其应用〔J〕.现代远程教育研究，2014（1）：89-99.

〔8〕许哲，祝智庭.面向价值发现的学习资源描述方案：以LRMI元数据为例〔J〕.中国电化教育，2014（11）：59-68.

〔9〕刘芳.基于岗位能力需求的高职软件技术专业人才培养方案研究〔J〕.职教通讯，2014（32）：15-19.

Research on Ontology Construction of Intelligent Learning System based on Online Resource Open Course

Zhang Qianjin
（Anhui Vocational College of Defense Technology,Lu'an,Anhui 237011,China）

This paper analyzes the situation and existing problems of the course construction of the online resource open course in China,and puts forward a scheme of the intelligent learning system with the ontology-based semantic web technology.According to ontology's concepts,this paper also gives a convenient method for constructing validation ontology,completes the design of ontology model of the intelligent learning system,and explains the construction process of the learning domain ontology in the web application development taking the software technology major as an example.

ontology;concept;property;intelligent learning system

TP391.1

A

2096-2266（2016）12-0014-04

10.3969∕j.issn.2096-2266.2016.12.003

（责任编辑 袁 霞）

2016年安徽省自然科学研究重点项目（KJ2016A120）；2015年安徽省质量工程项目（2015msgzs184）；2014年安徽省质量工程项目（2014jyxm601）；2013年安徽省质量工程项目（2013gxk147）

2016-06-28

2016-09-06

张前进，讲师，主要从事计算机应用技术研究.