基于領域本體的分布式學習內容互操作系統的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于計算機技術與教育技術的交叉，涉及計算機領域中的分布式處理、人 工智能，以及教育學領域中的智能教學系統、學習內容設計等多種技術，具體是基于領域本 體的分布式學習內容互操作系統，可以應用于在互聯網環境下、以領域本體為知識庫的智 能型分布式學習內容的設計與智能教學系統的開發，實現基于領域本體的學習內容在不同 的智能型教學系統間的移動與共享。
【背景技術】
[0002] 隨著計算機技術的飛速發展，教育技術正面臨二大挑戰：1)如何綜合運用人工智 能、教育學與認知心理學等多種技術，模擬人類教師教學，實現因材施教并進行有針對性指 導的開放式人機交互教學，最終實現計算機從輔助教師教學逐步過渡到代替教師教學，因 此智能教學系統是目前教育技術中的一大熱點與難點；2)為適應當今互聯網高度發達的信 息時代，如何避免教學課件的重復開發，實現各類教學資源的共享與各種異構型教學系統 的互操作性。為此，從1997年開始，國際上有眾多組織從事研究和制定遠程教育技術規范， 比較著名的有：IEEE學習技術標準委員會LTSC，ISO組織的JTC1/SC36工作組，美國聯邦政府 組織ADL高級分布式學習小組等。在國內，由教育部牽頭于2001年成立了教育信息化技術標 準委員會，頒布了 CELTS系列標準。隨著全球最大的網絡多媒體軟件公司Macromedia在其 Adobe軟件中對SCORM與AICC規范的全面支持，目前遠程教育技術規范的推廣應用顯現快速 發展的趨勢。
[0003] 目前，最典型的智能教學系統技術規范是美國聯邦政府下的高級分布式學習組織 ADL發布的SCORM規范，該規范已被納入到ISO學習技術標準體系當中，并已獲得包括Adobe 在內的眾多軟件平臺的支持。SCORM規范打破了傳統封閉式教學系統的設計方法，制定出基 于可共享內容對象SCO的內容聚集模型與基于產生式規則的學習順序模型，將教學內容與 教學策略從其運行環境中剝離出來，由學科教師按照統一的標準進行設計，同時為教學系 統制定了標準化的運行模式，使得異構型教學系統之間能夠交換各類資源，從而實現了一 個分布式Web教學系統互操作模型。但是SCORM規范目前的領域知識模式只采用了面向學生 的結構化課件，并沒有引入基于領域本體的學科專家模型，其目標模型只是實現了一個可 為學習者提供個性化教學、基于結構化課件與產生式規則的自適應教學系統，其整體智能 程度并不高。
[0004] 起源于哲學的本體論(ontology)近年來在信息領域得到了廣泛應用，尤其本體論 在Web上的應用導致了語義Web的誕生。本體是關于共享概念的一致約定，其核心概念是知 識共享，因此本體從一開使就廣泛應用于知識工程。本體的描述邏輯DL(Description Logic)是在語義網與框架的基礎上發展起來的，是一階邏輯的一個可判定的子集，具有良 好的語義、強大的知識表達能力與推理的可判定性。目前，語義Web與本體在智能教學系統 中得到了廣泛的應用，包括:學習資源的語義標注與學習對象的語義檢索，基于領域本體的 學習內容開發及聚集，以及基于領域本體的個性化學習、自然語言接口與定理證明等。
[0005] 目前，W3C組織發布的基于描述邏輯的OWL DL作為本體描述語言，實現了本體表示 的互操作性，即領域本體可在不同的教學系統間實現共享與互操作，但基于領域本體的各 種教學內容設計依然還是封閉于不同的教學系統內部，造成大量的基于領域本體的智能型 課件的重復開發。
【發明內容】
[0006] 本發明針對目前基于領域本體的各種教學內容設計與智能教學系統相互綁定的 現狀，提出了一種基于領域本體的分布式學習內容互操作系統。這里的互操作是指該分布 式學習內容無需做任何修改即可在各種異構型的智能教學系統間移動和共享;分布式是指 學習內容的設計必須通過服務器端與客戶端合作完成。在本發明的互操作系統支持下，可 將基于領域本體的學習內容設計從智能教學系統中分離出來，進行規范化設計，從而實現 基于領域本體的學習內容在不同的智能型教學系統間的移動與共享。
[0007] 該互操作系統包括:基于領域本體的領域知識通用框架、基于領域本體的分布式 內容對象模型、分布式內容對象查詢領域本體的通信機制、實現領域本體分布式查詢的通 信接口原型、領域本體分布式查詢的通信數據模型以及教學管理系統與分布式內容對象的 分工。
[0008] 1、基于領域本體的領域知識通用框架:用于支持智能教學，該框架具體包括：
[0009] 1)領域知識通用框架的互操作層次與BNF定義
[0010]本發明參照語義Web的層次結構，給出基于本體的領域知識識結構的BNF定義如 下：
[0011] (符號說明：：：=表示定義，O表示非終結符，""表示終結符，I表示或，（）表示一 組，[]表示可選，{}表示出現一次或多次，斜體字表示定義的描述）；
[0012] 〈領域知識結構>::=(〈重量級領域本體〉；
[0013] 〈重量級領域本體>::=(〈概念〉，〈概念層次〉，〈關系〉，〈TBox斷言〉，〈ABox斷言>);
[0014] 〈概念>::=〈領域概念> I〈抽象概念〉；
[0015] 〈抽象概念名> ::=〈領域概念名>+"_"+〈特征描述符〉；
[0016] 〈概念層次>::=一個由所有概念組成的、通過繼承關系連接而成的概念樹；
[0017] 〈關系>::=〈關系名>(定義域:〈概念>，值域:〈概念>|〈數據類型>);
[0018] 〈關系名>::=〈意義屬性> I〈繼承關系> I〈從屬關系> I〈包含關系> I〈領域關系〉；
[0019] 〈意義屬性關系>::=hasMeaning(定義域：〈領域概念>，值域：string);
[0020] 〈TBox斷言>::=(〈關系公理〉，〈概念公理>);
[0021]〈關系公理>::"傳遞關系" Γ對稱關系" Γ函數關系" Γ逆關系" Γ逆函數關系"； [0022]〈概念公理>::=(〈概念定義斷言〉，〈概念特化斷言〉，〈關系約束斷言>);
[0023] 〈概念定義斷言>::=一個概念意義的邏輯表達式與文字描述的聯合體；
[0024] 〈概念特化斷言>::=指明概念的父類或特征；
[0025] 〈關系約束斷言> ::=指明概念關系值域的類型或值或范圍；
[0026] 〈ABox斷言>::=({〈領域個體>}，{〈關系個體>})。（2)三位一體的概念意義表征包 括：
[0027]同義概念:在TBox中定義的所有具有相同意義的概念，是一種概念意義解釋與轉 換的方法，可為自然語言接口與教學文本的語義標注提供同義詞的支持；
[0028]意義邏輯:在TBox中定義的一個基于領域概念與領域關系約束的描述邏輯表達 式，是一種面向機器推理的意義形式，主要用于問題求解中的知識推理，同時也為意義描述 中本體成分的分割與語義標注提供依據；
[0029]意義描述:在TBox中給出的一個字符串屬性約束值，是一種面向學生理解的概念 意義的文字描述，它是意義邏輯的語言模板，主要用于生成答案與內容。
[0030] (3)基于抽象概念的概念特化消解：
[0031] 通過引入抽象概念與補足成分，將TBOX中概念特化蘊含式轉化成一個抽象概念的 定義。
[0032] 2、基于領域本體的分布式內容對象模型：
[0033] 本發明通過一種基于領域本體的分布式內容對象實現基于領域本體的分布式學 習內容設計。本發將基于領域本體的分布式內容對象（〇BDCO:Ontology_Based Distributed Content Object)定義成一種能被教學管理系統（TMS:Teaching Management System)所跟蹤、以網頁形式存在、以領域本體為教學內容的教學對象。OBDCO在運行過程中 可以與TMS進行通信，從而可根據學習者的能力和表現，量身設計學習的內容、步驟和風格， 并為實現智能教學、實時指導等新型的教學技術創造了條件。為了使一個OBDCO能與不同的 教學系統建立通信，本發明為OBDCO設計了一個可互操作的運行環境，主要包括一個通用的 啟動方法、一套通用的通信API接口與通信數據模型。在基于HTTP協議的Web學習資源中，按 照本發明的資源啟動機制與通信原則嵌入相關的API通信指令，就可形成本發明所提出的 0BDC0。一個OBDCO至少能定位TMS的API適配器，并包括與TMS建立對話的初始化A