基于语义Web的学科知识地图的建构研究

【摘要】网络资源的日益丰富，为网络学习者提供更多浏览选择的同时也增加了资源检索的难度，如何优化和组织网络学科资源，为学习者提供良好的资源导航，是现阶段教育信息资源开发研究的热点和难点。文章基于语义Web来描述学科资源及其之间的语义联系，应用知识地图整合、显示其语义联系，为学习者呈现形象、直观的学科知识结构，提供高效、智能的资源呈现和导航服务，实现学科资源的精确定位，促进学习者对学科知识的查询、理解与整体把握。

【关键词】语义Web；学科知识地图；本体；学科资源本体模型

【中图分类号】G40-057 【文献标识码】A 【论文编号】1009―8097（2011）05―0110―05

信息技术的发展和网络教育的普及，使各种网络教育资源急速增长，学习者在浏览时往往会迷失在资源海洋中，找不到自己想要的学科资源，本文用本体为学科资源提供一个统一的规范模型，基于语义来描述学科资源及其之间的关系，保持相同资源语义上的一致性，并用知识地图对网络资源进行重组和整合，直观、形象地描述了学科知识的结构，提供结构化的学科资源目录，方便学习者对学科资源的检索和浏览。文章详细介绍了基于语义Web的学科知识地图建构的架构、基于本体的学科资源模型的表示和存储、语义学科知识地图建构的工具、方法、步骤等内容，初步探索语义Web技术和知识地图在学科资源建设方面的应用，为学科资源的整合、应用、共享与结构化呈现提供了有效的支持。

一 相关理论

1 知识地图及其建构

知识地图 （knowledge map），又称认识地图、认知地图[1]，最早是由布鲁克斯（B.C.Brooks）提出的。它通过对知识、概念等进行组织、描述，绘制成以各个单元概念为节点的知识图，并通过可视化技术来显示知识的有机结构。作为知识管理的一种有效方法和手段，知识地图描述了知识之间的关系和获取途径，不仅能够表示知识体系的层次结构，帮助使用者方便、快捷地找到所需要的知识，还能对学习资源进行导航，对学习过程进行引导。

知识地图一般分为程序型、概念型、能力型、社会关系型四大类[2]。概念型知识地图主要以组织或系统便于共享的通用术语、主题对知识内容进行分类显示，并划分知识间的层级关系，存储关联知识文档之间的链接，提供知识向导。[3]

目前的概念型知识地图大多是面向应用的，主要用于指示知识的位置，无法对学科间的关联进行语义表达，基于本体的知识地图不仅能语义描述学科知识间的联系，以语义知识网的形式展现学科知识之间的联系，使学习者直观、清晰地了解学科之间的联系，还能实现学科内容的共享、互操作和动态更新。本文建构的学科知识地图就是基于语义的概念型知识地图。

2 语义Web及其技术

语义Web是Berners-Lee于2000年12月18日在XML2000会议上正式提出的[4]，旨在使Web上的信息具有计算机系统可以理解的语义，从而更好地帮助计算机之间以及计算机与人之间的协同工作。也就是说，它使现在的Web成为一种能理解人类语言的智能网络，通过对Web上海量的异构信息进行有效地分类、继承、集成、复用、协作和管理，实现资源的共享、兼容，使用户可以迅速准确地找到需要的信息，为我们提供动态的、智能的访问和导航。

本体作为RDF（S）的扩展和延伸，用于描述应用领域的概念、概念之间丰富的语义关系，解决语义表达、信息共享、语义理解、知识重用等问题，是现阶段语义Web研究的重点和热点。本文中应用语义Web和本体来语义标注和描述资源的概念、属性及资源之间的关系，消除学科知识的二义性，实现学科资源的共享、重用，建构基于语义Web的学科知识地图，为用户提供、呈现基于语义的学科资源导航。

二 基于语义Web的学科知识地图的建构过程

1 学科语义知识地图架构图

图1是学科语义知识地图建构架构图，架构图由资源层、语义层和显示层构成，资源层存储的是实际的学科资源，语义层通过对学科知识进行语义定义、描述、标注和整合形成学科知识本体模型，显示层以网状结构呈现学科知识节点间的关联，把基于语义的学科知识地图可视化地展示给用户。其中，语义层作为语义表达学科资源和定义资源间语义联系的模块，是实现学科知识地图语义呈现的关键。

上图中，资源层通过对数据库和网络中结构化、半结构化、非结构化数据和隐性知识进行关键字提取等操作，来完成对学科资源的预处理。语义层通过对预处理后的数据进行语义定义、描述和标注，建构各学科的学科本体库，然后根据学科间固有的联系，对各学科本体库进行语义整合和合并，将原本异构的领域本体联系起来，形成学科资源本体模型，显示层将学科本体模型映射为知识地图，并将各学科本体间的语义关联也映射到本体知识地图中，用可视化技术全局呈现学科知识地图的关系网络。

2 学科资源本体模型

为了便于学科知识和资源的整合、更新，整个建构过程动态地组织资源，并采用知识点作为资源描述的基本单位。每个知识点指向若干个相关的学习资源，包括HTML文件、PPT、视频、音频及其它形式的学科资源，这些学科资源按照相关性和存储格式的不同来存放。若干个相关度大的知识点的集合构成子内容（例如“章节”），而若干个子内容组成一个学科内容（例如“课程”），各学科内容之间的关系按学科内容之间或学科课程的相关性等参数来记录的。每个知识点有属性及其属性值，如知识点标号，知识点主要内容、知识点的呈现方式（PPT、HTML、音频、视频等）、知识点要求的掌握程度（了解、理解、掌握、熟练掌握）、知识点的教学目标（记忆、理解、应用）、知识点采用的教学策略（协作、合作学习等）等属性。知识点之间也有各种各样的关系，如包含关系、前验关系、后继关系等。总上所述，一个学科知识点可以看作是一个11元组：（A，B，C，D，E，F，G，H，I，J，K），其中：

A：知识点的标识号，模型中每个知识点的编号是唯一的，用来识别知识点；

B：知识点关键字集，可用于检索本知识点的关键字集；

C：知识点的说明部分，概述本知识点的主要内容及本知识点在学科课程中的重要性，便于学习者浏览和查询学科内容；

D：知识点的描述部分，指向知识点内容文件的指针；

E：知识点关系，描述本学科知识点与其相关知识点之间的关系，包括：

先验关系：学习该知识点需要掌握的预备知识点；

后继关系：本知识点可以作为哪些知识点的预备知识点；

包含关系：在本知识点中包含了哪些知识点；

相关关系：知识点之间的关系，可以是先验、后继、包含等关系，也可以是属于同一个子内容或学科内容的除以上关系外的知识点；

F：知识点的教学方法和呈现方式，知识点所采用的教学策略和资源的呈现方式，包括PPT、HTML、音频、视频等分类；

G：知识点的示例部分，指向知识点的示例文件的指针；

H：知识点的测试部分，对学习本知识点的学生测试其对该知识点的掌握程度的试题集；

I：该知识点要求的掌握程度，包括了解、理解、掌握、熟练掌握，由此可以作为划分通过阈值的依据；

J：进入阈值，只有当所要求的先验知识点的加权平均得分不小于进入阈值时才允许学习该知识点；

K：知识点要求达到的目标，包括记忆、理解、应用等值，用于指示该知识点所要求达到的认知能力的层次。

本文中的学科资源语义模型用网状结构来存储，如图2所示，采用这种存储方法，不仅对学科资源和知识点间的关系做了深入的描述和呈现，体现出各学科资源和知识点间承上启下的关系，又照顾到各学科、知识点间的横向和纵向联系，保持学科结构的系统性，也方便学科知识地图直观、形象地呈现，为浏览者从全局上、总体上掌握学科内容提供平台，为学习者提供了智能化的学科内容、资源导航。

三 学科本体知识地图建构方法及步骤

1 本体知识地图建构工具

本体的编辑和建构工具很多，经过分析、比较，本文选用Protégé作为本体描述和知识地图呈现的工具。Protégé作为斯坦福大学开发的一个开放源码的本体编辑器,支持多重继承，提供对新数据的一致性检查，与其它本体编辑工具相比，它具有以下特点：

（1）界面风格与普通Windows应用程序风格一致，易于用户操作。Protégé提供了一个图形化的界面用于建构类、属性和关系，本体结构以树型的层次目录结构显示，使得用户可以更加专注于概念层次上的本体模型构建。用户可以通过点击相应选项来编辑或增加学科类、学科子内容类、属性等本体元素，能直接对本体进行检查、浏览、编码和修改，也能进行简单的推理和查询服务。

（2）是一个可扩展、跨平台的工作环境，模块划分清晰，提供完全的API接口，用户可以在Protégé中插入插件扩展其功能，如插入RacerPro来扩展推理功能。插入可视化插件，如OWLVlz、Ontoviz和TGVlzTab等，来生成和显示基于本体的知识地图和学科结构。

（3）支持具有JDBC1.0驱动的数据库，便于学科资源和知识地图的导入和存储。

（4）支持本体语言对本体进行输入和输出，并且可以免费下载使用。

2 本体知识地图建构方法与步骤

本文用Protégé作为学科本体知识地图建构和呈现工具，具体建构过程主要包括以下几个步骤：

确定学科知识地图的范围。根据学科应用的专业领域、面向的学习者来确定学科知识地图的领域和范围，并根据领域范围对学科内容和资源进行收集整理，通过对相关领域材料的收集、分析来确定资源范围中所包含的学科类、学科子内容类及知识点类。

本体分析。确定学科领域内知识点、术语的概念、属性及其之间的关系，并用领域内的标准术语对这些概念、属性、关系进行定义。如定义学科内容和知识点的属性，包括知识点的标识号、关键字集、说明部分、描述部分、测试部分、知识点要求的掌握程度、知识点要求达到的目标等。定义学科之间、内容之间、知识点之间的关系，包括先验关系、后继关系、包含关系、相关关系。

建立学科资源本体框架。基于以上的本体分析，对学科知识进行本体描述和分层，创建学科资源模型的层次框架。由于OWL广泛的定义词汇、词汇之间的语义关系的功能，如类型之间的不相交性、基数、等价、枚举类等，并有一定的推理能力，所以本文选用OWL语言来描述学科资源本体。文中采用从顶到下的方法建构资源本体框架，并在创建本体框架后，为学科资源模型添加属性和实例，即为创建的学科内容类添加实体资源，为类属性添加属性值。

生成知识地图。利用Protégé的信息可视化技术和可视化插件OWLVlz、Ontoviz、TGVlzTab，根据用户的需要生成各种视图，呈现学科语义知识地图。

知识地图评价。从准确性、清晰性、一致性、完善性和可扩展性等多个方面对本体知识地图进行有效的评估，并对知识地图不断地进行调整和完善 。

图3和图4应用Protégé依据以上建构语义知识地图的步骤，建构基于语义Web的计算机学科知识地图，并用TGVlzTab插件呈现资源的结构、属性、关系的网状图。

四 结束语

语义Web和知识地图作为资源定义、知识管理的方法和工具，在资源描述和开发中已有应用，本文把二者结合起来，建构基于语义Web的学科知识地图，不仅为学习者提供具有语义关系的学科资源结构图，而且通过本体对学科资源及其关系进行定义，实现资源的结构化存储和互操作，为学科知识地图的构建、维护和呈现提供基础。本体的使用减少了学科资源的重复建设和表达歧义，实现了资源的共享、重用。

参考文献

[1] 杨曦宇.知识地图研究综述[J].图书馆学刊,2007,(3):

133-136.

[2] 李丽,陈丹华.高校图书馆学科知识地图的构建[J].图书馆学刊,2010,(5):3-5.

[3] 郑方林,王以宁.知识地图在教育信息资源建设中的应用[J].软件导刊,2010,(1):75-76.

[4] 宋炜,张铭.语义网简明教程[M].北京:高等教育出版社,2005.

[5] 刘凤娟.基于语义网的自适应学习系统中领域模型的研究[D].吉林:东北师范大学年硕士毕业论文,2007.

[6] 尉迟文珠.浅谈远程开放教育学习资源知识地图的创建[J].天津电大学报,2009,(3):22-24.

The Construction of Semantic Web-based Subject Knowledge Map

SHI Lei

(Distance Teaching Center，China Central Radio and TV University, Beijing 100031,China)

Abstract: Today as the network resources increasingly rich, it provides learners more browsing choice of network resources also increased the difficulty of retrieval resources, how to optimize and organize network subject resource, to provide good resource navigation for learners, is the hotspot and difficulty of the education resources research and development. This paper based on semantic Web to describe subject resources, to establish the semantic contact between subject resources, application knowledge map integrate and shows its semantic links, offer image, intuitive subject structure, provide efficiently and intelligent resources show and navigation services, realize accurate location of the subject resources, promote learners to inquiries, understanding and overall grasp of the Subject knowledge.

Keyword: semantic web; ontology; subject knowledge map; ontology-based subject resources model

收稿日期：2011年4月1日