智慧型课程本体知识库的构建与应用——以《初中数学》课程本体为例

☆柏茂林

（渤海大学教育与体育学院，辽宁锦州121000）

智慧型课程本体知识库的构建与应用
——以《初中数学》课程本体为例

☆柏茂林

（渤海大学教育与体育学院，辽宁锦州121000）

随着教育信息化的高度发展，“互联网+教育”成为当今教育发展的必然趋势，现如今教育界大力提倡的智慧教育就是在这一趋势下产生和发展起来的。智慧教育的核心在于智慧型课程的构建，而基于网络的智慧型课程是时代发展的必然选择，是实现精准教学和个性化学习的重要举措，并符合智慧教育的本质要求。基于网络智慧型课程的构建离不开课程本体知识库的支持，课程本体知识库是实现基于网络智慧型课程通过对学习者分析来智能查询并推荐个性化学习内容的基础。本文以初中数学本体知识库的构建与应用为例，探索基于网络并以本体知识库为基础的智慧型课程的现实意义。

智慧型课程；本体知识库；个性化学习

现如今，随着计算机技术的不断发展，传统的授课与学习方式正在被颠覆，取而代之的是一种基于互联网的教学与学习方式——网络学习，网络学习相较于传统意义上的教学方式具有讲学异步、节省时间和空间等优点，并且网络学习相比于传统意义上的教学方式最大的优势就是学习资源十分广泛，可以更容易地获取到所需要的学习资源。但是，传统的授课方式是有一定针对性的，教师可以根据课堂情况以及学生们的掌握程度对教学内容进行调整，具有一定的针对性，这一点是现如今网络学习所不具备的，即现有的网络学习还不够智能，不能对学习者真正需要的课程学习资源进行智能推送。现有的课程学习资源在网络学习平台上的呈现方式大多只是简单的堆积或机械的推送，智能的学习服务在这种平台上是无法实现的。当下计算机技术的发展十分迅速，其对整个城市的建设以及发展的作用越来越大，已经渗透到各行各业，现如今的智慧教育就是教育与计算机技术相结合的一个重要的发展趋势，是今后教育发展的主旋律。而解决网络学习平台智能服务问题是实现智慧教育的重要举措，这一功能的实现离不开学习资源本体知识库的支持。本体知识库的构建是学习资源语义化和智能学习服务的前提和基础，要想对网络课程资源进行语义描述，使其可以被机器所“理解”和智能处理，从而变得智能起来以达到智慧型课程的目的，首先就要构建课程本体知识库。本文拟以初中数学本体知识库的构建与应用为例，运用目前比较成熟的“七步法”构建具有较好扩展性的课程本体，定义若干基本概念、概念的属性、概念之间的关系、推理规则以及相关实例，探索基于网络并以本体知识库为基础的智慧型课程的现实意义。

一、本体论与知识库

（一）本体（Ontology）

本体（Ontology）可以是一种概念化的、抽象的、可共享的对于某一领域概念及其相互关系的描述，也可以是某一学科的基本知识体系。它是学科知识库结构的组成依据，具有优化知识结构，增强知识传递效率，定义知识间关系，抽象出具体概念的重要作用。但是，对于复杂事物，任何本体都不可能掌控它的全部意义，只能定义它的某些侧面知识，或定义一些人们感兴趣的知识内容。

（二）知识库中本体的引入

知识库最重要的功能就是知识的表示，而对于属于不同知识范畴的知识库而言则要选用不同的知识表示方法。而传统的知识表示方法存在着一些弊端。一方面，由于知识库中知识量的巨大导致知识在传递和共享过程中对知识的描述不统一；另一方面，充斥着大量的原子性知识的环境中，知识与知识之间的组合会出现爆炸，影响复杂知识的表达与推理的准确性。

而在知识工程领域引入本体（Ontology）的概念可使知识库的冲突消解能力增强，知识原子的组织方式更规律更简洁更易于查找。在知识库中，本体很好地描述了知识的结构,它构成了面向该特定领域的知识表示系统的核心，能让知识共享更加高效和准确。

二、《初中数学》课程本体的构建

当前比较流行的领域本体的创建方法有DEF-5方法、骨架法（Skeletal Methodology）、企业建模法、METH⁃ONTOLOGY方法、七步法和循环获取法（Cyclic Acqui⁃sition Process）等，常用的本体建设工具有基于某种特定的语言的Ontolingua、Onto Saurus、Web Onto和独立于特定语言的Protégé系列、Web ODE、Onto Edit、Oil Ed等。接下来按照本体构建方法“七步法”的步骤以“三角形”部分为例构建其课程本体知识库。

（一）确定范围

由于整个《初中数学》课程本体知识库的构建较为复杂，本文难以一一详述，因此，这里选择其中的具有一定代表性的“三角形”部分为例演示本体的构建过程。

（二）考虑复用

目前，初中数学领域还没有比较成熟规范的本体范例可供直接使用，而且《中国图书资料分类法》也没有提供初中数学详细的概念框架，所以，这里选择手动新建这一本体。

（三）列举术语

对于“三角形”本体本文共设置（如图1）的10个概念实体。

（四）定义分类

设置三角形为高层概念本体，等边三角形、直角三角形、等腰三角形这三个主要的三角形类别被设为第二层本体，其中以等腰三角形为例，等腰三角形的题、技巧、策略、判定、性质、定义这六个概念类为第三层本体，图1的6个叶子节点则作为相应概念类的实例。

图1 三角形概念实体关系图

（五）定义属性

围绕上述概念和实例以及实际应用需求，本文共定义了ID、不同版本所属章节、内容、提示、提示答案、答案、课时、难度8个数据属性和使用、相似这两个对象属性。

（六）定义侧面

本文对各同层概念类进行了互斥性约束，并且定义使用为传递属性，定义相似为对称属性，还定义了其他基数约束。

（七）定义实例

本文分别为等腰三角形的题、技巧、策略、判定、定义、性质共定义了六个实例。整个课程本体的构建都是在本体开发工具Protege中进行的，最终构建的本体结构如图2。

图2 三角形本体结构图

三、课程本体的应用——基于网络的智慧型课程

（一）基于网络的智慧型课程的内涵

基于网络的智慧型课程是“互联网+教育”这一大背景下的关键部分，也是智慧教育的核心，它是传统的课程与互联网的完美结合，由于这一课程是以本体知识库为基础，使得它能够分析并从知识库中提取学习者所需的内容，相比于传统的慕课、微课、翻转课更具有智慧性。它的智慧性体现在两方面：一方面，对于教师而言，通过智慧型课程对学生的智能分析，教师可以发现学生知识的薄弱点，从而在今后的教学中更加注重对学生知识薄弱点的讲授，从而实现智慧教学；另一方面，对于学生而言，由于这一课程可以按照特点向不同的学生推送不同的学习内容，因材施教并针对学生的弱点推送相应的知识，学生可以智慧的学习来实现全面发展。

（二）基于网络的智慧型课程的特点

基于网络的智慧型课程主要关注发掘人的潜能，并根据潜能的不同创设出最适合的课程来促进人的优势发展，从而让每个人发展成为最好的自己，基于网络的智慧型课程体系可以赋予每个人按照自己的个性自由选择课程的权利，在这一体系下每个人都可以找到一条属于自己的个性化发展之路，从而实现自我充分而全面的发展，基于网络的智慧型课程不等同于“智育课程”，它所提倡的智慧是课程本身的“智慧本质”，是独立于知识之外培养“智慧人”的价值取向。相较于传统课程，基于网络的智慧型课程具有如下特点。

1.智慧性

基于网络的智慧型课程体系着力研究教师教的智慧与学生学的智慧，充分利用互联网这一工具及以本体知识库为基础的个性化分析处理并推送课程功能，从而实现学生的个性化学习并促进学生的全面发展。

2.选择性

整个课程体系使学生具有可以按照自己的个性特征自由选择课程的权利，除此之外，学生还可以自由选择适合自己的学习方式、学习内容、评价方式、测试形式等内容，使学生充分发挥自主权利，智慧的去学习。

3.多元性

多元性即培养学生的多元能力和智慧。在这一课程体系之中，学生学到的不仅仅是课程的本身，还学会了自主学习、自主安排学习内容、自主掌握学习进度、自主进行测试和评价。这些能力有效地促进了学生的全面发展，使学生成长为可以智慧学习的独立人。

4.生成性

在这一课程体系下，学习内容并不是一成不变的，是随着学习者知识的掌握程度而动态生成的，这样有利于学生每一个阶段的学习。

5.研创性

学习者可以自主研究和创造更适合自己的学习进度、学习内容、测试形式。

6.虚拟性

整个体系是建立在互联网上的一个虚拟平台，能够帮助学生更好的根据自己内心的想法去设计并完成课程的学习。

（三）基于网络的智慧型课程的现实意义

基于网络的智慧型课程是对传统授课方式以及学习方式的颠覆，它最主要强调的是个性化，对于学生而言它的意义主要体现在个性化学习方面，学生学习这种课程完全是在网络环境下进行个性化学习的一种方式，学生学习的自主性和灵活性在该课程的学习过程中得到了很好的体现。所谓自主性是指学习者可以自主地学习基于网络的智慧型课程，强调学习者在学习过程中的主体地位，学习者对于自己的学习活动拥有绝对的控制权，并可以根据自己的个性特点找到适合自己的学习方式与学习内容。灵活性是指学生学习该课程的整个过程是灵活开放的，在学习的过程中可以灵活掌握学习时间、根据自身情况调整学习难度、并制定出适合自己的学习计划，这些都由学习者来灵活处理。总之，基于网络的智慧型课程可以根据学生的不同特征因材施教，让学生拥有绝对的自主权与灵活性，让学生真正成为自己学习的主人，学生可以根据自身特点控制自己的学习，并可以自我获取知识，更新知识。对于教师而言它的意义主要体现在精准教学方面，它根据学习者在课程学习过程中的学习情况，准确地分析出学习者个人需求、特点以及知识掌握程度并推送对应的学习材料，从而大大缩短学生的学习时间，提高教师的教学效率与教学效果。

四、结论

现如今，随着社会的进步以及各行各业的快速发展使得人们对于知识的需求量不断增加，人们的学习服务需求不断扩大，传统的学习方式已经不能满足当今学习者对于知识快捷、精确的获取，这对于教育界而言是契机也是挑战，而以本体知识库为基础的智慧型课程的应用就很好地解决了人们对知识的“特殊需求”，它能满足学习者对知识的个性化需要，并让学习者真正成为学习的主人，对于自己的学习内容、学习进度、学习难度拥有绝对的控制权，这也大大提升了学习者的学习效率，也可以调动学习者的学习积极性和学习兴趣，让学习者有兴趣并快乐的完成需要掌握的学习任务，并且智慧型课程的构建是当前以及未来智慧教育的核心，符合未来教育的发展方向，具有重要的实际意义。本文以《初中数学》课程本体的构建为例，运用“七步法”和本体开发工具Protege构建了课程本体，并探索了以本体知识库为基础的基于网络的智慧型课程对于实现个性化学习和精准教学的重要意义，这些探索是对未来实现智慧教育的有益尝试。

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[2]杜小勇,李曼,王大治.语义Web与本体研究综述[J].计算机应用, 2004,(10):14-16,20.

[3]段汝林.网络课程本体知识库的构建与应用——以《教育技术学》课程本体为例[J].广东青年职业学院学报,2013,(01):60-64.

[编辑：闫长松]

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