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基于领域本体的分布式学习内容互操作系统

阅读:409发布:2020-06-20

专利汇可以提供基于领域本体的分布式学习内容互操作系统专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 提供一种基于领域本体的分布式学习内容互 操作系统 ,可以应用于在互联网环境下、以领域本体为 知识库 的智能型分布式学习内容的设计与智能教学系统的开发,实现基于领域本体的学习内容在不同的智能型教学系统间的移动与共享。该互操作系统包括:基于领域本体的领域知识通用 框架 、基于领域本体的分布式内容对象模型、分布式内容对象查询领域本体的通信机制、实现领域本体分布式查询的通信 接口 原型 、领域本体分布式查询的通信数据模型以及教学管理系统与分布式内容对象的分工。,下面是基于领域本体的分布式学习内容互操作系统专利的具体信息内容。

1.基于领域本体的分布式学习内容互操作系统,包括:1)基于领域本体的领域知识通用框架:用于支持智能教学,该框架具体包括:(1)领域知识通用框架的互操作层次与BNF定义,(2)三位一体的概念意义表征,(3)基于抽象概念的概念特化消解;
2)基于领域本体的分布式内容对象模型:用于实现基于领域本体的学习内容设计,该分布式内容对象至少能定位教学管理系统的API适配器,并包括与教学管理系统建立对话的初始化API调用Initialize,本体查询的API调用SetOntology、GetOntology和结束对话的终止API调用Finish,以及其他相关的应用领域本体进行教学的脚本程序与Web资源;
3)分布式内容对象查询领域本体的通信机制:在一个当前本体元素通信数据结构的支持下,将一个本体查询表达式分解为已知条件与未知结果二部分,并通过查询设置与结果返回二个步骤完成一次本体查询,其中,查询设置过程用于分布式内容对象向教学管理系统传递查询的已知条件,查询返回过程用于教学管理系统向分布式内容对象传递查询的结果;
4)实现领域本体分布式查询的通信接口原型:在以上通信机制的支持下,教学管理系统所提供的通信API实例封装六个通信方法:
会话初始化方法:用于初始化通信会话,它允许教学管理系统处理一些特殊的初始化问题;
会话终止方法:用于结束通信会话,它允许教学管理系统释放在服务器端为与分布式内容对象进行通信所提供的资源开销;
查询设置方法:用于分布式内容对象将查询中已知的本体元素parameter_2传递给教学管理系统中的当前本体通信数据元素parameter_1;
查询返回方法:用于触发教学管理系统结合已设置的查询条件,对parameter_1中的未知本体元素,在服务器端对共享的领域本体进行查询,并将查询结果传递到客户端的parameter_2中;
获取错误代码方法:用于返回教学管理系统在通信过程中最近一次产生的错误代码;
和获取错误信息方法:用于检索当前错误的文本描述信息;
5)领域本体分布式查询的通信数据模型:教学管理系统为每一个与其通信的分布式内容对象创建并维持的当前本体元素通信数据结构,并通过该数据结构封装领域本体的设计细节,实现对领域本体的映射与查询;该数据结构由教学管理系统在服务器端于会话开始时创建,在会话过程中实时更新,并在会话结束时释放;当前本体元素通信数据结构包括层次、COE数据、描述和权限,其中,权限是指分布式内容对象对该数据的访问权限;
6)教学管理系统与分布式内容对象的分工:实现基于领域本体的分布式内容对象在各种异构型的教学系统间移动与互操作。
2.根据权利要求1所述的互操作系统,其特征在于:领域知识通用框架的互操作层次参照语义Web的层次结构,BNF定义如下:
(符号说明:::=表示定义,<>表示非终结符,“”表示终结符,|表示或,()表示一组,[]表示可选,{}表示出现一次或多次,斜体字表示定义的描述);
<领域知识结构>::=(<重量级领域本体>;
<重量级领域本体>::=(<概念>,<概念层次>,<关系>,断言>,);
<概念>::=<领域概念>|<抽象概念>;
<抽象概念名>::=<领域概念名>+“_”+<特征描述符>;
<概念层次>::=一个由所有概念组成的、通过继承关系连接而成的概念树;
<关系>::=<关系名>(定义域:<概念>,值域:<概念>|<数据类型>);
<关系名>::=<意义属性>|<继承关系>|<从属关系>|<包含关系>|<领域关系>;
<意义属性关系>::=hasMeaning(定义域:<领域概念>,值域:string);
::=(<关系公理>,<概念公理>);
<关系公理>::=“传递关系”|“对称关系”|“函数关系”|“逆关系”|“逆函数关系”;
<概念公理>::=(<概念定义断言>,<概念特化断言>,<关系约束断言>);
<概念定义断言>::=一个概念意义的逻辑表达式与文字描述的联合体;
<概念特化断言>::=指明概念的父类或特征;
<关系约束断言>::=指明概念关系值域的类型或值或范围;
::=({<领域个体>},{<关系个体>})。
3.根据权利要求1所述的互操作系统,其特征在于:三位一体的概念意义表征包括:
同义概念:在TBox中定义的所有具有相同意义的概念,是一种概念意义解释与转换的方法,可为自然语言接口与教学文本的语义标注提供同义词的支持;
意义逻辑:在TBox中定义的一个基于领域概念与领域关系约束的描述逻辑表达式,是一种面向机器推理的意义形式,主要用于问题求解中的知识推理,同时也为意义描述中本体成分的分割与语义标注提供依据;
意义描述:在TBox中给出的一个字符串属性约束值,是一种面向学生理解的概念意义的文字描述,它是意义逻辑的语言模板,主要用于生成答案与内容。
4.根据权利要求1所述的互操作系统,其特征在于:概念特化消解是指通过引入抽象概念与补足成分,将TBOX中概念特化蕴含式转化成一个抽象概念的定义。
5.根据权利要求1所述的互操作系统,其特征在于:六个通信方法中:
会话初始化方法:语法:return_value=Initialize(parameter),parameter:(“”)–为一个空字符串,返回值:返回一个“true”或“false”的逻辑值;
会话终止方法:语法:return_value=Finish(parameter),parameter:(“”)–为一个空字符串,返回值:返回一个“true”或“false”的逻辑值;
查询设置方法:语法:return_value=SetOntology(parameter_1,parameter_2),返回值:返回一个“true”或“false”的逻辑值;
查询返回方法:语法:return_value=GetOntology(parameter_1,parameter_2),返回值:返回一个“true”或“false”的逻辑值;
获取错误代码方法:语法:return_value=GetError(),返回值:返回一个表示错误代码编号的整数值;
获取错误信息方法:语法:return_value=GetErrorString(parameter),parameter为待查询的错误代码编号,返回值:返回一个表示错误信息的字符串。
6.根据权利要求1所述的互操作系统,其特征在于:教学管理系统的分工包括:(1)在客户端的浏览器中,启动分布式内容对象;(2)在客户端的浏览器中,为分布式内容对象提供本体查询的API通信接口实例,该API实例为一个命名为API_Ontology的DOM文档对象;(3)在服务器端,为分布式内容对象创建与维护一个本发明提出的当前本体元素通信数据结构;(4)在服务器端,实现对领域本体的查询与访问,并将查询结果转换为当前本体元素;
分布式内容对象的分工包括:(1)运行初始时,能定位并找到教学系统提供的本体查询API通信接口实例;(2)通过本体查询的API通信接口,查询服务器端的领域本体;(3)利用获取的领域本体结合其他媒体资源组织教学内容,并向学生实施交互式教学。

说明书全文

基于领域本体的分布式学习内容互操作系统

技术领域

[0001] 本发明属于计算机技术与教育技术的交叉,涉及计算机领域中的分布式处理、人工智能,以及教育学领域中的智能教学系统、学习内容设计等多种技术,具体是基于领域本体的分布式学习内容互操作系统,可以应用于在互联网环境下、以领域本体为知识库的智能型分布式学习内容的设计与智能教学系统的开发,实现基于领域本体的学习内容在不同的智能型教学系统间的移动与共享。

背景技术

[0002] 随着计算机技术的飞速发展,教育技术正面临二大挑战:1)如何综合运用人工智能、教育学与认知心理学等多种技术,模拟人类教师教学,实现因材施教并进行有针对性指导的开放式人机交互教学,最终实现计算机从辅助教师教学逐步过渡到代替教师教学,因此智能教学系统是目前教育技术中的一大热点与难点;2)为适应当今互联网高度发达的信息时代,如何避免教学课件的重复开发,实现各类教学资源的共享与各种异构型教学系统的互操作性。为此,从1997年开始,国际上有众多组织从事研究和制定远程教育技术规范,比较著名的有:IEEE学习技术标准委员会LTSC,ISO组织的JTC1/SC36工作组,美国联邦政府组织ADL高级分布式学习小组等。在国内,由教育部牵头于2001年成立了教育信息化技术标准委员会,颁布了CELTS系列标准。随着全球最大的网络多媒体软件公司Macromedia在其Adobe软件中对SCORM与AICC规范的全面支持,目前远程教育技术规范的推广应用显现快速发展的趋势。
[0003] 目前,最典型的智能教学系统技术规范是美国联邦政府下的高级分布式学习组织ADL发布的SCORM规范,该规范已被纳入到ISO学习技术标准体系当中,并已获得包括Adobe在内的众多软件平台的支持。SCORM规范打破了传统封闭式教学系统的设计方法,制定出基于可共享内容对象SCO的内容聚集模型与基于产生式规则的学习顺序模型,将教学内容与教学策略从其运行环境中剥离出来,由学科教师按照统一的标准进行设计,同时为教学系统制定了标准化的运行模式,使得异构型教学系统之间能够交换各类资源,从而实现了一个分布式Web教学系统互操作模型。但是SCORM规范目前的领域知识模式只采用了面向学生的结构化课件,并没有引入基于领域本体的学科专家模型,其目标模型只是实现了一个可为学习者提供个性化教学、基于结构化课件与产生式规则的自适应教学系统,其整体智能程度并不高。
[0004] 起源于哲学的本体论(ontology)近年来在信息领域得到了广泛应用,尤其本体论在Web上的应用导致了语义Web的诞生。本体是关于共享概念的一致约定,其核心概念是知识共享,因此本体从一开使就广泛应用于知识工程。本体的描述逻辑DL(Description Logic)是在语义网与框架基础上发展起来的,是一阶逻辑的一个可判定的子集,具有良好的语义、强大的知识表达能与推理的可判定性。目前,语义Web与本体在智能教学系统中得到了广泛的应用,包括:学习资源的语义标注与学习对象的语义检索,基于领域本体的学习内容开发及聚集,以及基于领域本体的个性化学习、自然语言接口与定理证明等。
[0005] 目前,W3C组织发布的基于描述逻辑的OWL DL作为本体描述语言,实现了本体表示的互操作性,即领域本体可在不同的教学系统间实现共享与互操作,但基于领域本体的各种教学内容设计依然还是封闭于不同的教学系统内部,造成大量的基于领域本体的智能型课件的重复开发。

发明内容

[0006] 本发明针对目前基于领域本体的各种教学内容设计与智能教学系统相互绑定的现状,提出了一种基于领域本体的分布式学习内容互操作系统。这里的互操作是指该分布式学习内容无需做任何修改即可在各种异构型的智能教学系统间移动和共享;分布式是指学习内容的设计必须通过服务器端与客户端合作完成。在本发明的互操作系统支持下,可将基于领域本体的学习内容设计从智能教学系统中分离出来,进行规范化设计,从而实现基于领域本体的学习内容在不同的智能型教学系统间的移动与共享。
[0007] 该互操作系统包括:基于领域本体的领域知识通用框架、基于领域本体的分布式内容对象模型、分布式内容对象查询领域本体的通信机制、实现领域本体分布式查询的通信接口原型、领域本体分布式查询的通信数据模型以及教学管理系统与分布式内容对象的分工。
[0008] 1、基于领域本体的领域知识通用框架:用于支持智能教学,该框架具体包括:
[0009] 1)领域知识通用框架的互操作层次与BNF定义
[0010] 本发明参照语义Web的层次结构,给出基于本体的领域知识识结构的BNF定义如下:
[0011] (符号说明:::=表示定义,<>表示非终结符,“”表示终结符,|表示或,()表示一组,[]表示可选,{}表示出现一次或多次,斜体字表示定义的描述);
[0012] <领域知识结构>::=(<重量级领域本体>;
[0013] <重量级领域本体>::=(<概念>,<概念层次>,<关系>,断言>,);
[0014] <概念>::=<领域概念>|<抽象概念>;
[0015] <抽象概念名>::=<领域概念名>+“_”+<特征描述符>;
[0016] <概念层次>::=一个由所有概念组成的、通过继承关系连接而成的概念树;
[0017] <关系>::=<关系名>(定义域:<概念>,值域:<概念>|<数据类型>);
[0018] <关系名>::=<意义属性>|<继承关系>|<从属关系>|<包含关系>|<领域关系>;
[0019] <意义属性关系>::=hasMeaning(定义域:<领域概念>,值域:string);
[0020] ::=(<关系公理>,<概念公理>);
[0021] <关系公理>::=“传递关系”|“对称关系”|“函数关系”|“逆关系”|“逆函数关系”;
[0022] <概念公理>::=(<概念定义断言>,<概念特化断言>,<关系约束断言>);
[0023] <概念定义断言>::=一个概念意义的逻辑表达式与文字描述的联合体;
[0024] <概念特化断言>::=指明概念的父类或特征;
[0025] <关系约束断言>::=指明概念关系值域的类型或值或范围;
[0026] ::=({<领域个体>},{<关系个体>})。(2)三位一体的概念意义表征包括:
[0027] 同义概念:在TBox中定义的所有具有相同意义的概念,是一种概念意义解释与转换的方法,可为自然语言接口与教学文本的语义标注提供同义词的支持;
[0028] 意义逻辑:在TBox中定义的一个基于领域概念与领域关系约束的描述逻辑表达式,是一种面向机器推理的意义形式,主要用于问题求解中的知识推理,同时也为意义描述中本体成分的分割与语义标注提供依据;
[0029] 意义描述:在TBox中给出的一个字符串属性约束值,是一种面向学生理解的概念意义的文字描述,它是意义逻辑的语言模板,主要用于生成答案与内容。
[0030] (3)基于抽象概念的概念特化消解:
[0031] 通过引入抽象概念与补足成分,将TBOX中概念特化蕴含式转化成一个抽象概念的定义。
[0032] 2、基于领域本体的分布式内容对象模型:
[0033] 本发明通过一种基于领域本体的分布式内容对象实现基于领域本体的分布式学习内容设计。本发将基于领域本体的分布式内容对象(OBDCO:Ontology-Based Distributed Content Object)定义成一种能被教学管理系统(TMS:Teaching Management System)所跟踪、以网页形式存在、以领域本体为教学内容的教学对象。OBDCO在运行过程中可以与TMS进行通信,从而可根据学习者的能力和表现,量身设计学习的内容、步骤和格,并为实现智能教学、实时指导等新型的教学技术创造了条件。为了使一个OBDCO能与不同的教学系统建立通信,本发明为OBDCO设计了一个可互操作的运行环境,主要包括一个通用的启动方法、一套通用的通信API接口与通信数据模型。在基于HTTP协议的Web学习资源中,按照本发明的资源启动机制与通信原则嵌入相关的API通信指令,就可形成本发明所提出的OBDCO。一个OBDCO至少能定位TMS的API适配器,并包括与TMS建立对话的初始化API调用Initialize,本体查询的API调用SetOntology、GetOntology和结束对话的终止API调用Finish,以及其他相关的应用领域本体进行教学的脚本程序与Web资源。其中,Initialize为会话初始化方法,SetOntology为查询设置方法,GetOntology为查询返回方法,Finish为会话终止方法。
[0034] 3.分布式内容对象查询领域本体的通信机制与领域本体分布式查询的通信接口原型:
[0035] 为实现基于本体的OBDCO在不同TMS之间的互操作性,本发明设计了一套OBDCO与TMS进行本体查询通信的通用接口原型。首先,为实现该通信接口的通用性,在一个当前本体元素(COE:Current Ontology Element)通信数据结构的支持下,本发明将一个本体查询表达式分解为已知条件与未知结果二部分,并通过查询设置与结果返回二个步骤完成一次本体查询。其中,查询设置过程用于OBDCO向TMS传递查询的已知条件,查询返回过程用于TMS向OBDCO传递查询的结果。
[0036] 在以上通信机制的支持下,TMS所提供的通信API实例只需封装六个方法:Initialize,Finsh,SetOntology,GetOntology,GetError和GetErrorString。其中,包括二个会话方法Initialize与Finsh,二个本体元素传递方法SetOntology与GetOntology,以及二个错误处理方法GetError和GetErrorString。这六个通信方法的功能与原型定义如下:
Initialize为会话初始化方法:语法:return_value=Initialize(parameter);描述:该函数用于初始化通信会话,它允许教学管理系统处理一些特殊的初始化问题;参数parameter:(“”)–为一个空字符串;返回值:返回一个“true”或“false”的逻辑值;分布式内容对象通过调用GetError()方法获得错误编号,得出出错原因;Finish为会话终止方法:语法:return_value=Finish(parameter);描述:该函数用于结束通信会话,它允许教学管理系统释放在服务器端为与分布式内容对象进行通信所提供的资源开销;参数parameter:
(“”)–为一个空字符串;返回值:返回一个“true”或“false”的逻辑值;分布式内容对象通过调用GetError()方法获得错误编号,得出出错原因;SetOntology为查询设置方法:语法:
return_value=SetOntology(parameter_1,parameter_2);描述:该方法用于分布式内容对象将查询中已知的本体元素parameter_2传递给教学管理系统中的当前本体通信数据元素parameter_1;parameter_1为教学管理系统在服务器端所维持的一个当前本体通信数据元素,用于接收分布式内容对象所提供的查询中已知的本体元素,parameter_2为分布式内容对象分布式内容在客户端所提供的查询中已知的本体元素;返回值:返回一个“true”或“false”的逻辑值;分布式内容对象通过调用GetError()方法获得错误编号,得出出错原因;GetOntology为查询返回方法:语法:return_value=GetOntology(parameter_1,parameter_2);描述:该方法用于触发教学管理系统结合已设置的查询条件,对parameter_
1中的未知本体元素,在服务器端对共享的领域本体进行查询,并将查询结果传递到客户端的parameter_2中;参数parameter_1为教学管理系统在服务器端所维持的一个当前本体通信数据元素,用于表示分布式内容对象待查询的本体元素,parameter_2为一个分布式内容对象在客户端用于接收查询结果的变量;返回值:返回一个“true”或“false”的逻辑值;分布式内容对象通过调用GetError()方法获得错误编号,得出出错原因;获取错误代码方法GetError为:语法:return_value=GetError();描述:该方法用于返回教学管理系统在通信过程中最近一次产生的错误代码;返回值:返回一个表示错误代码编号的整数值;获取错误信息方法GetErrorString为:语法:return_value=GetErrorString(parameter);描述:
该方法用于检索当前错误的文本描述信息,parameter为待查询的错误代码编号;
[0037] 返回值:返回一个表示错误信息的字符串。4.领域本体分布式查询的通信数据模型:即教学管理系统为每一个与其通信的分布式内容对象创建并维持的当前本体元素(COE)通信数据结构。
[0038] 本发明通过一个COE层次数据结构,记录OBDCO查询本体的已知条件与查询结果,并通过COE层次数据结构封装领域本体的设计细节,实现对领域本体的映射与查询。TMS为每一个与其通信的分布式内容对象创建并维持一个COE数据结构。该数据结构由TMS在服务器端于会话开始时创建,在会话过程中实时更新,并在会话结束时释放。
[0039] 当前本体元素通信数据结构包括层次、COE数据、描述和权限,其中,权限是指分布式内容对象对该数据的访问权限。
[0040] 5.教学管理系统与分布式内容对象的分工:
[0041] 在本发明的内容与系统相分离的基于领域本体的智能教学过程中,教学管理系统与分布式内容对象有着不同的职责与分工,并且分别满足不同的规范化设计要求,从而实现基于领域本体的分布式内容对象在各种异构型的教学系统间移动与互操作。
[0042] 其中,教学管理系统满足以下功能与规范化设计要求:(1)在客户端的浏览器中,启动分布式内容对象;(2)在客户端的浏览器中,为分布式内容对象提供本体查询的API通信接口实例,该API实例为一个命名为API_Ontology的DOM(Document Object Model,由W3C组织提出)文档对象;(3)在服务器端,为分布式内容对象创建与维护一个本发明提出的当前本体元素通信数据结构;(4)在服务器端,实现对领域本体的查询与访问,并将查询结果转换为当前本体元素。
[0043] 基于领域本体的分布式内容对象满足以下功能与规范化设计要求:(1)基于领域本体的分布式内容对象是一个由学生触发,并由教学系统启动,运行于客户端浏览器中、基于领域本体的智能型Web网页教学资源;(2)运行初始时,能定位并找到教学系统提供的本体查询API通信接口实例;(3)通过本体查询的API通信接口,查询服务器端的领域本体;(4)利用获取的领域本体结合其他媒体资源组织教学内容,并向学生实施交互式教学。附图说明
[0044] 图1:计算机知识本体片段示意图,其中→表示继承关系,->表示领域关系。
[0045] 图2:以内存为例的概念的意义表征图。
[0046] 图3:基于领域本体的分布式内容对象的框架结构图。
[0047] 图4:分布式内容对象查询领域本体的通信机制示意图。

具体实施方式

[0048] 一种基于领域本体的分布式学习内容互操作系统,包括:基于领域本体的领域知识通用框架、基于领域本体的分布式内容对象模型、分布式内容对象查询领域本体的通信机制、实现领域本体分布式查询的通信接口原型、领域本体分布式查询的通信数据模型以及教学管理系统与分布式内容对象的分工。
[0049] 图1所示是符合基于领域本体的领域知识通用框架的计算机知识本体的片段。
[0050] 图2所示是以内存为例的概念的意义表征图。
[0051] 在基于抽象概念的概念特化消解的理解方面,例如,对于“内存”概念的特化:内存存储.(数据∩ 调入.主机),通过引入抽象概念“内存_作用”与补足右侧表达式的成分“内存”,将概念特化转换成对抽象概念“内存作用”的定义:内存_作用≡内存∩ 存储.(数据∩ 调入.主机)。
[0052] 图3是基于领域本体的分布式内容对象的框架结构图。包括定位教学管理系统的API适配器,并包括与教学管理系统建立对话的初始化API调用Initialize,本体查询的API调用SetOntology、GetOntology和结束对话的终止API调用Finish,以及相关的应用领域本体进行教学的脚本程序与Web资源:HTML片段、多媒体片段、脚本片段。
[0053] 图4显示了分布式内容对象查询领域本体的通信机制。在TMS所提供的通信API实例获取错误代码方法(GetError)中,其返回值取值如表1所示。
[0054] 表1错误代码编号
[0055]
[0056]
[0057] 在领域本体分布式查询的通信数据模型中,当前本体元素COE(Current Ontology Element)通信数据结构包括层次、COE数据、描述和权限,其中,权限是指分布式内容对象对该数据的访问权限。具体如表2。
[0058] 表2当前本体元素层次数据结构
[0059]
[0060]
[0061] 表2中,W代表具有写权限,R代表具有读权限。
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