本体概述及其在教育领域的研究现状

巩利艳+孙力

摘 要 本体具有较强的概念层级描述和逻辑推理能力，作为知识表示和描述的有效形式正得到各领域的广泛关注。在描述本体起源及拓展的基础上，重点探讨本体技术在教育领域的研究及应用现状，主要包括教育知识管理、语义映射、个性化服务和教育资源规范性描述等几个方面，并对研究者来源进行分析，最后提出本体教育领域应用研究应结合教育理论优势和技术实践优势的建议。

关键词 本体；教育本体；e-learning；知识库；学习资源

中图分类号：G640 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2017）18-0009-05

Application of Ontology in Education： An Overview//GONG Li-yan， SUN Li

Abstract As an effective knowledge representation tool， ontology has been receiving widespread attention in various fields. In this paper， the author mainly researches the origin and development of the ontology， especially the application of ontology in education， including educational knowledge management， semantic mapping， personalized service and educational resources representation and so on. Besides， the author analyzes the distribution of the researcher. Finally， the author suggests that we should combine the educational theory and technology practice to realize the value of ontology in education.

Key words ontology； educational ontology； e-learning； knowledge base； learning resource

1 引言

本体（Ontology）概念最初起源于哲学，在哲学中，本体是对真实世界客观存在物的系统描述。20世纪90年代初，随着信息和网络技术的发展，人们将本体术语引入人工智能、知识工程等领域，用以进行知识表示、推理的研究，“本体”概念成为人们研究的热点。目前，有关本体理论及其应用的研究逐步增多，而有关本体概念起源与发展及其应用现状的综述性文章相对较少。本文通过梳理现有研究文献，对本体的起源、拓展、功能、分类等内容进行阐述，并重点对其在教育领域的研究现状进行综述，以期为其他研究者提供参考。

2 本体概述

本体哲学溯源 在西方哲学中，本体是德国哲学家康德唯心主义哲学的重要概念，指与现象对立的不可认识的“自在之物”。在中国古代哲学中，不同哲学派别对本体内容的理解不同，但有关本体根本的观点是一致的，即本体不是某种具体的存在，也不是脱离具体存在的抽象共相，而是一种规律系统[1]。本体（本体事物）是人类通过哲学思想认识活动从混沌自然中发现、界定、彰显和产生出来的，以人类思想理性或人类生存发展意识作为统帅，以判断和推理作为形式、以语言作为媒介的人类思想认识活动，是具有名称、时间、空间、价值等特殊规定，具有发现、界定、彰显、区分、抽象和产生各种事物的能力，具有事情或形而上者的容貌，有别于天地万物的具体事物[2]。

本体科学扩展 随着人工智能领域的发展，部分学者发现本体术语具有强大的知识表示和关联推理能力，借助本体进行知识表示及知识关系描述，俨然成为新一代知识管理的发展方向，研究者纷纷对其概念进行阐释。表1所示为部分代表性定义。虽然不同学者的定义有所不同，但从中可总结出：本体规范化描述了领域术语词汇、概念以及概念之间的关系，是对专业领域知识体系的形式化说明。

本体基本功能 本体是哲学领域中的术语，用于描述事物的客观存在，由于其具有数据结构良好、语义互操作性强、推理能力高等特点，后来被引入人工智能、知识工程等领域。在本体的应用研究中，不同领域研究者所采用的分类方法不同，应用的侧重点不同，最终体现的本体功能也有所差异。笔者根据已有研究，对其功能进行总结和分析，可分为以下三个方面。

1）实现知识共享和复用。不同知识库所采用的知识表示和编码方式不同，导致知识的共享性极差，因此，知识库的构建需要很大的工作量，且所构建的知识库后期维护及更新困难。为减小知识库构建的代价，知识复用问题成为知识库构建过程中必须解决的重点问题，获取某一领域的关键术语，构建该领域的共用知识成为解决上述问题的关键。本体能够規范描述某领域内实体的属性、类型、功能及不同实体之间的关系，这使得不同知识库之间的互操作协议的制定成为可能，进而保证了知识库的灵活性和可扩展性。在实现本体知识复用的基础上，系统开发者可构建特定领域知识结构并实现与其他系统的交互，最终实现知识获取、描述、推理等知识管理与服务。

2）促进计算机对自然语言的理解。自然语言是人类进行社会活动和思维交流的主要工具，在自然语言的发展中，不同的词可表示同一个含义，同一个词也可表达多个含义，同一概念可从多个角度进行解释。计算机语言是人与计算机实现通信的语言，是人机交互的基础，但因为计算机无法理解自然语言的不同语义，所以人与计算机之间存在极大的交流障碍。本体能够挖掘出大量的隐性信息资源并实现准确高效的语义关系描述和呈现，这为计算机理解自然语言、实现人机交互提供了有效途径。endprint

3）提供科学规范的信息描述标准。信息系统是实现信息采集、处理、传递、存储和维护的信息资源管理系统。在信息系统的开发中，信息资源是系统实现信息使用、管理和维护的基础，对信息资源进行标准化、系统化描述，可有效减少系统兼容性差、检索效率低等问题。元数据因具有数据结构良好的特点而得到研究者的青睐，但元数据重点描述信息的外在特征，而不能完全解决信息系统之间的语义异构问题。本体在某种程度上可看作“元”元数据，提供了不同元数据间的映射机制，进而可实现异构系统间的互操作。将本体引入元数据进行信息描述，可弥补元数据异构性差、难以进化的缺点，进而将收集到的数据按照要求格式存储于元数据库中以方便数据提取和编码，为后期信息系统服务尤其是信息检索、处理等提供了基础。

本体具体分类 目前本体的研究已经非常广泛，本体分类的方法有很多种，但还未形成统一的标准，国内外学者按照研究视角不同对本体进行了分类。目前研究引用较多的本体分类如表2所示。在分类中最具代表性的是Guarino

和Pérez的分类方式。其中，Guarino以详细程度和领域依赖度两个维度为基础：描述建模对象的程度高则称为详细程度高，其对应的本体称为参照本体；描述建模对象的程度低则称为详细程度低，其对应的本体称为共享本体。按照领域依赖程度的高低，本体可以分为顶级（top-level）本体、领域（domain）本体、任务（task）本体和应用（app-lication）本体。Pérez则是在分析总结前人研究的基础上归纳出10种本体，该方式是对Guarino的分类方式的细化和拓展。

3 本体相关研究

按照知识体系、研究对象和研究内容分，科学主要分为自然科学和人文社会科学，有关本体的研究不外乎这两大知识体系。本研究列举了本体在自然科学和人文社会科学中的应用，如表3所示。

从知识体系角度分析本体应用研究可得出，无论是自然学科还是社会学科，研究者都重视各领域本体知识库的建设，并进行了本体构建方法、构建工具、本体进化以及基本本体的语义检索、个性化推荐等方面的研究。

4 教育领域本体相关研究

教育是一种旨在实现人认识自我和适应自然的社会实践活动，其本质在于促进人的全面发展。有关教育本体的研究大多是哲学层面上的本体含义，即研究教育的价值、课程的存在及教育本质回归等。如代建军[3]指出，把握教育的时代价值取向，实现教育工具职能、本体职能和生存职能的整合，必须以尊重教育的生存职能为前提；郭思乐[4]认为，课程本体应当从符号研究回归到符号实践中，不能只关注符号的形式而脱离实践；高伟[5]提出教育本体的回归即为教育生存本体的回归的观点；刘若谷[6]指出，学生的幸福成长即为教育价值的本体回归。

20世纪90年代初，本体概念得到延伸，形成计算机领域的科学“本体”概念，即对领域概念及概念间关系的规范描述。本体术语的引入对各个学科的研究都具有极强的应用价值，教育领域也不例外，诸多学者纷纷将本体概念应用到教育研究中。通过文献梳理，可以得出教育领域本体研究主要体现在以下几个方面。

知识管理 知识是人类对自然界和人类社会探索结果的总和。人们通过知识传递与创新实现教育的全过程，知识系统的构建在教育体系中占有十分重要的地位。在教育知识管理的研究中，不同知识系统采用的知识表示和编码方法不同，所构建出的知识库之间亦具有异构性，无法实现知识的共享和复用，严重阻碍了知识的传递与发展。为解决以上问题，教育领域专家引入本体术语，利用本体所具有的良好的逻辑推理能力和概念层级关系，进行知识获取、表达、共享等的研究。

赵呈领[7]等人研究了学科领域本体的构建方法，并构建出初中物理学科领域本体库；魏顺平[8]以教育技术学专业领域本体构建为例，提出基于术语部件的领域本体自动构建方法，为专业领域本体的构建提供了借鉴方法；谢明凤[9]为远程教育网络课程建设提出基于本体的资源构建方法；顾勤[10]在分析远程教育学科特点的基础之上，进行了本体视域下网络课程知识管理的研究；詹川[11]基于教育心理学，进行了课程知识本体模型构建方法的研究，提出方法单元和媒体片段的新概念，为e-learning系统具有智能化学习指导和个性化需求服务奠定了基础；刘千卉[12]以信息管理为例，进行了学科领域本体的构建、更新与重用模式创新的研究；何伟和杨小平[13]以电子政务教育子领域为例，提出一种利用词间语义关联性扩展本体的方法。

从以上研究中可以看出，研究者有关教育知识管理的研究主要包括课程本體构建、学科本体构建、专业领域本体构建、远程教育课程构建、本体扩展等几个方面，从不同学科、不同层级进行了教育本体的研究，实现了教育知识的获取、表述、传递、更新等知识管理内容。

语义映射、个性化服务 智慧网络是e-learning的发展趋势，而语义网的发展及应用为e-learning环境中网络智慧化、服务个性化的要求提供了可能。语义网是由机器可理解的数据所构成的分布式体系结构，具有元数据表示、语义识别、信息自动处理等特点，可应用于网络元数据映射、语义检索、个性化推荐服务等领域。

1）网络元数据表示、语义映射。现在的网络教学平台中的学习资源数量巨大、种类繁多，但存在学习资源检索困难、检索内容缺乏语义支持、检索结果冗余度大等问题，语义网用元数据格式进行数据表示，具有数据结构良好、可扩展性强的优点，可为数据映射、语义检索提供解决策略。吴鹏飞[14]等人实现了学习元平台中学习关系数据到RDF数据语义映射，为学习资源的语义检索、知识关系发现等服务提供了条件；位传海和范太华[15]进行了基于本体的学习资源语义检索系统的研究；冯瑶和冯锡炜[16]设计了基于本体的教育资源推理查询原型系统，实现了较高的查全率和查准率。

2）学习资源个性化推荐服务。随着网络技术的迅猛发展，传统的基于内容的在线学习系统已不能满足学习者个性发展的需求，个性化学习的研究越来越引起人们的重视，尤其是个性化学习资源的推荐成为支持学习者个性发展的有效方法。李保强和吴笛[17]提出基于知识关联的学习资源混合协同过滤推荐方法，实现了精确匹配用户学习特征的学习资源个性化推荐；陶宇炜[18]等人构建了基于语义网格的教育资源协同平台体系结构，实现了协作支持服务功能；徐雷和袁小群[19]利用语义技术构建了中小学历史教育知识库，并在此基础上设计了历史教育学习平台，提供了教材精读、知识检索以及在线试题库等功能；王晓艳[20]等人提出一种基于章节划分的本体与转移网络方法，实现了耗时短、检索效果好的答疑系统。endprint

由于人工智能、数据挖掘等技术的发展与普及，基于本体的语义网技术的研究与应用越来越受到人们的关注，教育领域研究者将其应用于网络教育学习资源的语义映射和个性化服务建设中，为网络教育的智慧化、个性化发展提供了基础，同时为网络教育学习支持服务的实现提供了方法和途径。

教育资源规范性描述 随着网络学习系统的快速发展，数字化网络学习资源呈指数形式增长，但由于不同开发者所采用的规范不一样，导致开发出来的资源存在设计不规范、可重用性差等问题。为解决上述问题，众多教育研究者将关注点转移到网络教育资源制作标准的研究上，并且出现AICC-AGR标准、ADL-SCORM标准、IMS标准等主流标准，但基于这些标准开发出的教育资源并不能有效支撑语义检索、知识推理等个性化学习支持服务。本体术语较强的语义互操作性和逻辑推理能力，为个性化学习支持服务的实现提供了可能。

曾玲和丁新[21]为解决支持学习的资源组织原则问题，提出资源封装的组块分层理论，并在此基础上进行了本体描述的研究；杨现民和余胜泉[22]提出一种学习元信息模型，以解决信息资源模型建设中忽略内容的进化信息、学习的过程信息、资源的语义本体描述信息等问题；陈伯栋[23]等人提出一种基于Ontology和Semantic Web技术的教育资源库解决方案的框架，以解决资源重复建设、获取壁垒高等问题；张沪寅[24]等人提出一种基于领域本体的电子学习资源库模型，提高了电子学习系统的功效，实现了个性化的学习支持服务。

教育资源规范性描述是教育资源建设中至关重要的方向，是实现知识推理、知识发现、资源推荐等个性化学习支持服务的大前提。有关该方向的研究虽然一直不断，但到目前为止始终未形成被各领域研究者广为接纳的规范。利用本体术语进行教育资源的规范性描述也是一种尝试，该方法构建出的资源具有基于其他规范的资源所不具有的语义扩展性和推理能力，对于个性化学习支持服务的实现具有更好的支撑作用。

5 结语

作为一个新兴的研究领域，本体技术的研究和应用还处于较低水平发展阶段，在教育中的研究亦处于起步阶段。本文尝试对教育领域本体的研究及应用进行梳理，期望为后续研究提供借鉴。通过检索和分析现有教育领域本体研究文献可以得出，目前研究团队主要来自于教育学、教育技术学、情报学、计算机科学等领域学者和专家。

其中，教育学对本体研究起步较早，但其主要研究的是教育本体、课程本质回归等哲学层面本体内涵，而非计算机科学本体技术的含义。教育技术学领域学者则结合教育领域各学科特点及其专业所具有的技术优势，构建课程、学科、专业等领域本体知识库，以期为后续基于本体知识库实现知识资源的标准化描述、共享以及个性化学习支持服务等研究打下基础。

情报学领域研究者基于情报学视角，对本体及其应用进行了包括本体库构建、扩展、基于本体的语义检索、资源推荐、图书馆知识管理与建设等的研究，教育领域是其本体研究的一个子领域，侧重点在于本体构建方法、语义检索、资源推荐、知识管理等方面。

计算机科学作为本体科学含义发展的起源地，不仅发现了本体所具有的抽象表述、逻辑推理能力，而且研究了本体技术概念、类别、功能、构建方法、描述语言、构建工具等从本体起源到本体应用的完整层级，為其他领域本体研究提供了坚实基础。作为本体应用的领域之一，教育领域本体的研究同样是计算机领域学者关注的主要研究方向，有关教育本体的研究主要在教育本体构建、信息管理系统、智能信息检索系统、个性化信息服务系统等几个方面。

本体的概念层级描述、逻辑推理能力的特性，决定了本体具有实现知识共享和复用、促进计算机对自然语言的理解、提供科学规范的信息描述标准的功能。就教育领域本体研究现状来看，有关知识共享与复用的研究最为广泛，即不同领域研究者纷纷结合各学科特点构建学科领域本体知识库。有关语义检索、个性化推荐等个性化服务的研究相对较少，且多为非教育领域学者，虽然研究成果应用性较强，但由于缺乏教育学理论支撑，对教育领域特征如学科特征、学习者特征等分析不足，因此，所研究成果未能显著体现其教育功能。教育领域学者则因没有强硬的技术支撑而无法实现本体的真正作用。如果能够结合计算机领域、情报学领域的本体研究技术与教育领域的教育研究理论，将可真正凸显出本体研究的意义，实现本体促进教育发展、完善教育服务的作用。

随着智慧教育、个性化学习等的发展，教育本体的研究也会持续升温。本体作为重要的知识组织方式，在智能化知识服务和个性化学习支持服务等方面将发挥重要作用。因此，高质量教育本体知识库的构建，基于本体的知识生成、检索等知识服务，以及个性化推荐、语义检索等个性化学习支持服务，将成为教育本体的重要研究方向。

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