基于本体的教学知识库系统分析

时间:2018-01-13 论文范文 我要投稿

  【论文关键词】教学知识;本体;知识库系统

  【论文摘要】教学知识的共享和重用是影响教学效率的重要因素,文章将本体技术引入到教学知识管理中,通过使用现有的本体编辑工具、描述语言和开发方法,构建并实现基于本体的教学知识库系统,为网络教学系统以及其他用户提供教学领域知识的共享模型,从而实现教学知识的共享和重用。

 

    一、本体概述

    本体是指对领域知识的共享概念模型和明确的形式化规范说明,它涵盖了领域中的基本术语与关系,并利用这些术语和关系构成知识的外延规则和复杂定义,是一种能够提供对领域知识的共同理解和共享的知识表示模型。

    本体的定义很多都具有高级的普遍性,但从数学的角度对本体进行精确描述的形式化定义却很少,因为形式化定义很难包括所有不同类型的本体。本体的形式化定义是概念化术语映射到逻辑世界的桥梁,李文杰对三种应用较为普遍的本体形式化定义进行了详细介绍。

  (一)本体的描述语言与开发工具

    目前构建本体的工具很多,以Protege使用最为广泛。Protege是斯坦福大学医学院医学信息研究组( Stanford Medical Informatics ,  SMI)开发的一个免费、开源的本体工具,它为知识工作者提供了一个可以构建领域本体的环境,协助知识工程师和领域专家完成知识管理任务。

    本体的实现依赖于本体标记语言的表示功能,OWL  ( Ontology Web Language)是W3C推荐标准,能够清晰表达概念以及这些概念之间的关系。本文使用Protege3.3.1做为开发工具,从形式化表达能力和推理能力两方面考虑采用OWL,  DL本体描述语言。

  (二)本体知识库及其优点

    张立等对本体与传统知识库的相似点和不同点进行了阐述,使用本体建模的方法和相关知识表示的标准建立知识库,便于广大研究者间的交流和协作。对计算机而言,可以实现不同领域、不同模型之间的跨平台的互操作、共享和重用。使用本体作为知识库的基础的优点主要有:

    1.可重用性。本体作为某个领域概念、关系以及概念间内在关系的形式化表达,这种表达可以被共享和重用。

    2.智能检索。基于知识的、语义上的匹配,在查准率和查全率上有更好的保证,克服了全文检索查准率比较低和数据检索对用户要求较高的缺点。

    3.可靠性好。领域知识和模型的形式化表达便于正确性检测,一些已有的本体建模工具已经提供了一些相应的功能模块。

    4.良好知识表达、解析能力。本体能良好地表达规范的任务和知识,有助于领域知识的分解和解析,利用本体对领域知识进行建模,可以使相互独立的层次有机地组成一个完整的系统,可以实现领域知识的共享和重用,领域知识条理清楚的形式化便于正确性的检查,使知识库的结构更加清晰,有利于知识库系统的维护。

    二、教学知识本体库的构建

    常用的本体构建方法体系有骨架法、评估法、Bernaras法和Sensus法等,冯志勇等对几种本体构建方法优势与不足进行了详细的比较和说明,本文在参考这几种方法的基础上,遵循Gruber提出的5条原则,提出保障知识本体的构建步骤。

  (一)教学领域知识描述

    本文以教学知识作为研究对象,该领域本体覆盖范围包括教学内容的知识点、课件、例题、实验、习题练习、相关学习资源和常见问题解答等,昊煌煌对教学领域知识的描述,形成了教学领域知识内概念的体系结构划分。

    根据课程进行分类,分成小学综合课程、初中分科与综合相结合课程、高中分科课程、本科课程等具体的学习阶段,不同阶段中包含具体的课程实例,如高中阶段有语文、数学、政治、英语、地理等课程。知识点是教学知识组成的基本粒子。在课程标准的指导下,具体分析学生的学情,选择合适的教学策略,包括教学活动程序、教学方法、教学组织形式和教学媒体等。知识点与课程可以按照教学策略组合成为新的课程。

    通过对教学领域的分析和描述,参考已有的三种本体形式化定义,我们提出了教学知识本体的形式化定义:

    教学知识本体,其中表示基本概念的集合,包括基本术语和原理等教学领域的概念集合,其中有表示教学领域中的概念;表示基本概念属性的集合,例如学时的数量、知识点难易程度等等;表示基本概念之间以及不同层次的概念之间存在的关系集合,表示多个基本概念通过规则合并后而产生的较大粒度的概念,而表示基本概念与概念之间存在的关系,如因果关系、伴随关系等等;表示关系的属性集合,如关系的类型、对象和运算性质等;表示公理集,即教学内容中课程之间的关系,以及科目内部知识点之间的关系。

  (二)教学知识本体的实现

    按照前面分析的本体构建方法分别使用Protege3.3.1的各相关控件完成五元组的编辑。概念和关系是本体的基本结构,其中概念是核心。因为关系是用来描述领域概念间的关系,它本身也可以作为概念来实现;属性、公理和实例是依赖于某一概念的,所本体的构建应以概念为中心,从教学领域中的顶层概念开始,通过添加子类将概念逐一细化,一直到应用所需要的粒度。

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