基于语义web的网络学习资源库本体实现


282 基于语义 Web 的网络学习资源库本体实现 钟 珞 王 辉 李锐弢 宋华珠 (武汉理工大学计算机科学与技术学院 武汉 430070) 摘 要 将语义 Web 技术引入网络学习系统 构造了一个基于语义 Web 架构的网络学习资源库本体 实现对网络学习系统中学习资源的 管理 在分析本体建模方式以及网络学习资源库基本功能的基础上 定义了由学习资源本体和用户本体组成的学习资源库顶层本体 并给 出系统类图 在 Proté gé 3.1 中实现了本体建模 给出了基于 OWL 的本体描述 对定义的本体进行了评估 并用基于本体的推理实例验证 了本体的有效性 关键词 语义 Web 本体 网络学习资源库 Implementation of Ontology in E-learning Resource Repository Based on Semantic Web ZHONG Luo, WANG Hui, LI Ruitao, SONG Huazhu (Institute of Computer Science & Technology, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070) Abstract The semantic Web technology is introduced in the E-learning to construct a learning resource ontology based on semantic Web architecture and realizes further management of the learning resources in E-learning system. After analyzing the functions and scope of Web-based education resource library and the methods of ontology modeling, upper ontology is illustrated which includes the resource library ontology and the users' ontology. And the class diagram is shown. Corresponding OWL description of ontology is implemented with Protégé3.1. The evaluation of ontology is given, and an inference instance proves its validity. Key words Semantic Web; Ontology; E-learning resource repository 计 算 机 工 程 Computer Engineering 第 33 卷 第 8 期 Vol.33 No.8 2007 年 4 月 April 2007 开发研究与设计技术 文章编号 1000 3428(2007)08 0282 04 文献标识码 A 中图分类号 TP302 语义 Web 是国际互联网组织制定的关于未来 Web 的一个 长远蓝图 有着良好的应用前景 本体作为语义 Web 架构中 的重要组成部分 明确定义了该领域中使用的概念及其相互 关系 在用户之间以及用户与机器之间建立起一个桥梁 更 容易进行交互[1,2] 随着网络学习系统的迅速发展 网络学习资源库也迅速 充实起来 但是 在如何管理以及组织这些海量学习资源上 也产生了一些问题 由于现有技术缺乏互操作性 各类学习 资源缺乏逻辑组织 资源并不是以一种机器可理解的方式进 行组织 导致使用效率较低 无法充分发挥网络学习系统的 潜力 本体作为一种能在语义和知识层次上描述信息系统的概 念模型建模工具 自被提出以来就引起了国外科研人员的关 注 根据需要 各国学者建立了一些通用和领域本体 在教 育方面 Marvin Tan 和 Angela Goh 就已成功使用特殊的领域 本体 实现了基于语义的网络学习资源的分类 浏览和查 找[3] 但是 国内对于本体和语义 Web 的研究起步较晚 也 鲜有将这项技术应用于网络学习资源库管理中的研究文献 本文着眼于构建一个基于语义 Web 的网络学习资源库本体 希望能够对现有的网络学习资源库系统的实现方式进行扩 充 克服现存缺点 提高资源库的管理效率 1 本体的设计 定义网络学习资源库本体包含实体 属性 处理过程等 参数的定义以及它们之间的关系[4,5] 本体在支持不同用户通 信 系统交互 组件复用的同时 还指明了学习资源库的组 织规范 增强了系统的可靠性 1.1 建模本体 在对本体进行设计前 首先要对其进行建模 根据本体 的定义可知 本体是对概念化的一个详细描述 因此 本体 建模的核心是明确本体所表示的领域中的概念 概念的属性 和约束条件及概念之间的层次关系等 概念之间的关系主要有 4 种 part-of kind-of instance-of 和 attribute-of 关系代表了在领域中概念之间的交互作用 形式上定义为 n 维笛卡儿积的子集 R C1 C2 Cn 具 体定义如下 定义 1 2 个概念 C1 C2 如果 C1 的属性 C2 全部具有 并且 C1 和 C2 之间具有直接关系 则 C1 叫做 C2 的父概念 记 作 C1=Parent(C2) C2 叫做 C1 的子概念 记作 C2=Child(C1) 定义 2 对于任意的概念 C1 C2 C3 和关系 R 若 C1RC2 和 C2RC3 成立 则有 C1RC3 那么称关系 R 是传递的 记为 RRattTrans 定义 3 概念 C 或者关系 R 的同义词集合记为 Same(C) 或者 Same(R) 这样 本体中概念的语义 概念之间关系的语义以及利 基金项目 教育部高校行动计划基金资助项目 智能科学与技术 (2004XD-03) 作者简介 钟 珞(1957 ) 男 教授 博导 主研方向 智能技术 软件工程 科学计算可视化 王 辉 李锐弢 硕士生 宋华珠 讲师 博士生 收稿日期 2006-05-30 E-mail wanghui0615@163.com 283 用这些关系进行的推理都可以通过该形式描述反映出来 1.2 网络学习资源库的功能 在实现了怎样对本体建模之后 接下来必须明确本体的 应用域 网络学习资源库的功能 具体如图 1 所示 用户 身份验证 登录 角色 学生 提 交 学 习 资 源 试题库 管理员教师 验 证 学 习 资 源 下 载 学 习 资 源 评 论 学 习 资 源 浏 览 学 习 资 源 编 辑 学 习 资 源 验 证 资 源 库 操 作 参考文 献库 网络课 件库媒体库案例库 用户信 息库 资 源 库 日 常 事 务 图 1 网络学习资源库功能 首先 学习资源库通过身份认证系统访问存储用户信息 的用户信息库 为通过认证的各个用户分配不同的权限 通 过认证后 所有的合法用户都可以浏览学习资源 对于在系 统中注册的学生 还可以下载学习资源并且对资源发表评论 对于注册的教师 除了拥有学生所具有的权限外 还可以提 交学习资源或是验证学习资源的有效性 对于系统管理员 可以记录 删除 修改以及验证各类对学习资源的操作 文 中讨论的网络学习资源库由试题库 案例库 媒体库 网络 课件库和参考文献库所组成[6] 考虑到本文所针对的是学习 资源的管理 因此那些没有在系统中注册的用户是无法对资 源库进行操作的 在系统中定义了 2 类管理员 分别是系统管理员和资源 库管理员 因为本文侧重在学习资源的管理 所以没有对系 统管理员做详细讨论 在图 1 中 管理员指资源库管理员 在图 2 中 系统管理员用虚线标出 1.3 本体构建 考虑到构建一个具有互操作性的本体 构建本体时定义 了 3 个前提 (1)只有教师可以提交及验证资源信息的有效性 并且提 交资源的教师和验证资源信息有效性的教师必须不同 (2)只有资源管理员可以操作学习资源库 其中 管理员 的资源编辑功能指管理员可以对通过教师验证的有效学习资 源进行录入 修改 删除以及处理一些日常事务 管理员的 资源验证功能指校对之前对有效学习资源的编辑操作是否 正确 (3)学生虽然不能提交学习资源 但是他们可以对资源发 表评论 并且这些评论会由资源库管理员在日常维护中分发 给相对应的教师 教师从中提取出有效的信息 并将这些信 息提交给负责验证资源有效性的教师 最终通过有效性认证 的这些信息将作为学习资源提交给资源库管理员作录入等下 一步操作 如图 2 所示 网络学习资源库本体主要包括 2 大部分 一是表示各类学习资源的 学习资源库本体(Learning resources repository) 二是定义了在系统中拥有各种不同操 作权限的 用户(User) 本体 为了与整个系统中使用的命名 描述一致 本体图 类图及下文中的 OWL 描述均采用英文 命名 论文中有相对的中文对照 Ontology for E-Learning Resource Repository Learning resources repository Exam problem Library Reference Library Network courseware Library Media Library Case Library ManagerTeacher Student Validation teacher Ordinary teacher System administrator Resource library manager Advanced manager Ordinary manager User 图 2 网络学习资源库本体 学习资源库 本体主要由 5 个分别代表各类不同学习 资源库的子本体所组成 具体描述如下 (1)媒体库(Media library)本体 媒体库本体是学习资源的 一个基本组成部分 它主要包括 5 种类型的资源 文本资源 图像资源 视频资源 音频资源以及动画资源 (2)案例库(Case library)本体 案例库本体主要包含了和 网络学习相关的一些具有重大意义和代表性的事件或案例 (3)试题库(Exam problem library)本体 试题库本体是由 和考试相关的各类型试题所组成的 (4)网络课件库(Network courseware library)本体 这个库本 体中包含了既可以在标准浏览器中运行也可以在单机上运行 的网络课件 (5)参考文献库(Reference library)本体 在该本体中 既 包含了与学习资源相关的书籍 论文 期刊 报纸 文献 网络资源 软件及硬件等的信息 还包含了所有和网络学习 相关的政策及法规等的信息 同时 定义了 3 类用户本体来访问 学习资源库 本体 (1)学生(Student)本体 学生本体可以下载 评论并且浏 览存储在 学习资源库 本体中的所有学习资源 (2)教师(Teacher)本体 教师本体除了具有学生本体具有 的所有功能外 还具有对学习资源进行处理的权限 由于 图 1 中定义了教师具有的 2 种不同的操作 因此在本体定义 中 将 教师 本体也分为 2 类 一类是负责提交学习资源 的 一般教师(Ordinary teacher) 本体 另一类是负责对 一 般教师 本体提交的学习资源进行验证的 校验教师 (Validation teacher) 本体 学习资源是否有效就是由校验教 284 师所决定的 (3)管理员(Manager)本体 根据不同的适用域 在系统中 定义了 2 类管理员本体 分别是 资源库管理员(Resource library manager) 本体和 系统管理员(System administrator) 本体 为保证对资源库操作的正确性 将 资源库管理员 本体又细分为 一般管理员(Ordinary manager) 本体和 高 级管理员(Advanced manager) 本体 一般管理员本体主要负 责资源的录入 修改及对整个资源库进行日常事务的维护 如处理学生对学习资源发表的评论 而高级管理员则主要负 责高级事务 如校验一般管理员对资源库的操作是否正确 2 基于 RDF 的 OWL 本体实现 资源描述框架 Resource Description Framework, RDF 是由 W3C 提出的新一代网络技术语义 Web 中的一个重要组 成部分[7] RDF 本身并没有规定语义 但是它为每一个资源 描述体系提供了一个能够描述其特定需求的语义结构 OWL(Web Ontology Language)是 W3C 于 2002 年 7 月发 布的标准本体建模语言 OWL 能够被用于清晰地表达词汇表 中词条(term)的含义以及这些词条之间的关系 即本体间的关 系 OWL 基于 XML/XMLSchema 和 RDF/RDFSchema 同时 弥补了 RDF 与 XML 仅能够表达网上机器可读的文档内容的 不足 在系统中采用 Protege3.1[8]作为本体的建模工具 图 3 为本体的部分 OWL 描述 图 3 本体的 OWL 描述 3 本体的评估 本体的评估指根据需求描述 能力问题等对本体以及软 件环境 相关文档进行评价 这些评价因素可包括详细的本 体需求规范 本体所具有的功能以及在实际实现中本体的表 现 以下通过本体的定义和一个基于本体的实例推理对本体 进行评估 3.1 本体的有效性评估 根据本体评估方法 对于本文中所定义的这几类本体 可以采用 2 种方法来评估分析本体间的有效性 选取 5 个本 体进行评估 表 1 用于评估本体的功能界限 表 2 则用于评 估各个不同功能下本体的执行参数 根据之前定义的 3 个前提 在评估中 从表 1 中可以看 到 选取的 5 个本体涵盖了资源库的全部功能 通过本体实 现了功能的划分 从而可以证明本体功能分工明确 从表 2 中可以看到 资源库的功能中使用了全部本体 并且支持类 的操作 从而证明所定义的各个本体都是必须的 因此 从 上述的评估中 可以验证文中定义的本体是有效的 它可以 有效组织网络学习资源库 表 1 本体功能的评估 Upper class Student Ordinary Teacher Validation Teacher Ordinary Manager Advanced Manager Identity check Ö Ö Ö Ö Ö Resource Info. submit Ö Ö Resource Info. validation Ö Download resource Ö Ö Ö Comment resource Ö Ö Browse resource Ö Ö Ö Ö Ö Edit resource Ö Validate resource Ö Resource routines Ö Ö 表 2 本体实现的评估 Upper class class attribute variable Identity check 5 10 10 Resource Info. submit 1 4 7 Resource Info. validation 1 3 6 Download resource 3 3 90 Comment resource 2 2 60 Browse resource 5 5 150 Edit resource 1 3 32 Validate resource 1 2 31 Resource routines 2 2 76 3.2 基于本体的推理实例 在验证了本体的有效性后 可以通过一个具体的推理实 例来验证本体的切实可行性 假设有一位教师需要往学习资源库的试题库(Exam problem library)本体中添加一条试题信息 参照图 4 所示的 系统元模型类图 基于本体的推理过程如下 输入数据 T1 表示一般教师本体(Ordinary teacher)本体 T2 表示校验教师(Validation teacher)本体 M1 表示一般管理 员(Ordinary manager)本体 M2 表示高级管理员(Advanced manager)本体 目标 向试题库(Exam problem library)本体中添加一些试 题信息 步骤 1 T1User::Login()Identity::Validate()T1 通过身份 验证 认证为一般教师 图 4 元模型类图 步骤 2 T1 OrdianaryTeacher::ResourceInfoSubmit()提交信息 至临时类 ResourceInfo 等待校验教师验证 步骤 3 T2User::Login()Identity::Validate() T2 通过身份验 证 认证为校验教师 步骤 4 T2 从临时类 ResourceInfo 中获取 T1 提交的信 息 经过验证后 调用本体中的 ResourceInfoValidation()方法将 临时信息类中的标志位 validInfo 变量设置为 true 步骤 5 标志位置为 true 后 临时类 ResourceInfo 中的信 息就被提交给由按元模型格式组织的 Resource 类 步骤 6 M1User::Login()Identity::Validate()M1 通过身份验 证 认证为一般管理员 步骤 7 M1 调用本体中的 ResourceEdit()方法提交修 改试题库的操作 这个操作需要等待 M2 的验证 此时信息 仍然保存在 Resource 类中 步骤 8 M2User::Login()Identity::Validate()M2 通过身份验 证 认证为高级管理员本体 步骤 9 M2 从 Resource 中获取针对信息的操作 并验证 操作的正确性 步骤 10 M2 调用本体中的 ResourceValidation()方法 将标 志位 validResource 设置为 true 确认并最终执行操作 将 T1 提交的信息存入试题库 目标实现 推理结束 通过这个推理实例 证明了本体的可行性 4 结论 语义 Web 是今后 Web 的发展方向 而本 体对其实现起着重要的 作用 本文通过本体来 组织并管理网络学习资 源库是对现有学习资源 库管理系统的一个有意 扩充和尝试 在分析了 本体建模方式及网络学 习资源管理系统功能的 基础上 构造了一个既 包含学习资源又支持各 个不同用户交互的上级 本体和系统类图 然后 用 Proté gé 3.1 实现了这 一本体 给出了它的 OWL 描述 最后对本体 进行了评估 并用一个 实例验证了本体的有效 性 下一阶段的研究将 着力在进一步完善 网络学习资源库系统中 学习资源的元模型上 使系统具有更强的逻辑 推理能力 更有效地管 理各种学习资源 参考文献 1 Grigoris A, Frank H. A Semantic Web Primer[M]. England: MIT Press, 2004. 2 廖乐健, 幺敬国, 曹元大, 等. 一个语义Web 系统的设计与实现[J]. 北京理工大学学报, 2004, 24(2): 145-149. 3 Marvin T, Angela G. The Use of Ontologies in Web-based Learning[C]//Proceedings of the 8th IEEE Int. Symposium on Wearable Computers, American. 2004. 4 Description of OIL[EB/OL]. 2005-04. http://www.ontoknowledge. org/oil/. 5 邓志鸿, 唐世渭, 张 铭. Ontology 研究综述[J]. 北京大学学 报(自然科学版), 2002, 38(3): 730-738. 6 Song Huazhu, Zhong Luo, Wang Hui, et al. Constructing an Ontology for Web-based Learning Resource Repository[C]//Proc. of the 3rd Int. Conference on Knowledge Capture, Canada. 2005. 7 Resource Description Framework(RDF) Model and Syntax Speci- fication[EB/OL]. 2005-11. http://www.w3.org/TR/1999/REC-rdf- syntax-19990222/. 8 Song Huazhu, Zhong Luo, Wang Hui, et al. Self-adaptive Modeling for Effective Stock Information Representation Based on Semantic Web[C]//Proceedings of the 1st International Conference on Universal Digital Library, Hangzhou. 2005. Validate()> -content[*] -validInfo[1] : bool = false -contributor[1] : OrdinaryTeacher -validation[1..*] : ValidationTeacher ResourceInfo ResourceLibrary -contributor1 1ResourceInfoSubmit()> -validation1..* 1ResourceInfoValidation()> 11 [validInfo=ture] +operation() -content[*] -metadata[1] : Metadata -validResource[1] : bool = false Resource(Based on Metadata) CaseLibrary 1 * MediaLibrary 1 * ReferenceLibrary 1 * NetworkCoursewareLibrary 1 * ExamProblemLibrary 1 * +ResourceBrowse() +ResourceValidation() +ResourceAdvancedRoutines() ResouceLibraryManager::AdvancedManager Metadata * 1 1 1..* [Set validInfo value][Set validResource value] [validResource=ture] 1 * AccessLibraryByMetadata Ontology Class DescribedByMetadata
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