基于语义Web的网络教育资源共建与共享平台构建

陶宇炜，谢爱娟，熊长江

(1．常州大学信息化建设与管理中心，江苏常州 213164;2．常州大学 石油化工学院，江苏常州 213164;3．常州大学周有光语言文化学院，江苏常州 213164)

随着高等教育体制改革和教育模式的转变，网络教育资源建设越来越受到重视。网络教育作为高等教育的重要组成部分，如何发挥海量网络教育资源的独特优势，成为高校教育信息化发展进程中亟待解决的问题。

语义Web的相关理论和技术为分布、异构网络教育资源的建设与共享提供了技术支撑。利用语义Web相关理论和技术开展高校网络教育资源建设与共享研究，提出基于语义Web的高校网络教育资源共建与共享平台架构，对推动高校教育信息化建设具有重要的现实意义。

一、网络教育资源建设现状

当前，高校网络教育资源建设中存在着自成体系的资源孤岛现象，主要原因在于资源的建设、使用、管理等方面缺乏统一标准和可行的解决方案。具体表现为:资源建设初期，在未充分了解学科特点和教师、学生的真实需求情况下，引进网络教学平台和教学资源库，教师和学生获取不到所期望的有效资源;资源建设过程中，没有按照资源建设标准和规范对网络教育资源的描述采用统一的语法格式，没有形成统一的数据标准和元数据方案，使网络教育资源存在语法和语义上的异构现象，阻碍了资源的共享和有效利用;网络教育资源建设和应用的保障措施不完善，缺乏相应的评价激励机制，导致资源得不到积极推广和使用。

以胡俊杰等人对3582门本科类和高职类国家精品课程的网络资源使用调查情况为例［1］，本科类精品课程资源平均可访问率为57.9%，能正常观看的课程视频资源平均访问率为41.4%，而能正常使用的课程交互模块平均使用率只有25.2%;高职类精品课程资源平均可访问率为55.3%，能正常观看的课程视频资源平均访问率为47.3%，而能正常使用的课程交互模块平均使用率也只有25.8%。精品课程资源本身质量普遍较低，使用方法较为繁锁，缺乏互动环节，导致资源闲置和使用率较低。

二、语义Web与网络资源

语义Web倡导者TimBerners－Lee等人［2］认为“语义网是当前万维网的扩展。语义网中的信息被赋予了恰当的语义，使得计算机和人之间能够更好地协同工作。”语义网的目标是建立数据Web，以提供跨越应用、企业、社区等界限的数据共享和重用的公共框架［3］。语义网分层标准中的XML(ExtensibleMarkupLanguage，可扩展标记语言)、RDF(ResourceDescriptionFramework，资源描述框架)、Ontology(本体)定义了计算机能够理解的类及属性等，并且用唯一的通用资源标志符进行资源标注，为在更高层次根据内容进行异构系统交互、资源互联和共享、提升网络资源发现、传递质量提供了新的途径［4］。

(一)可扩展标记语言XML

XML能够定义任意结构的数据，提供语法的互操作能力，是一种定义标记的通用、结构化描述语言，解决异构网络之间和异构数据之间的信息交换和传递。XML包括XML声明、定义语言语法的DTD(documenttypedefinition，文档类型定义)、描述标记的详细说明及文档本身。DTD定义XML文件中的元素、元素的属性以及元素和元素属性间的关系。

描述网络资源的DTD文档结构(部分)如下:

对于语义Web，除了用XML提供网络资源所具有的结构信息和对资源内容的表述外，还需要提供描述XML资源的元数据，RDF是W3C制定的描述和处理元数据的资源语义描述规范。

(二)资源描述框架RDF

元数据被称为“表示数据的数据”，它提供了一组公共标记，可用于任何网络资源，经过元数据标记的网络资源，可以跨平台实现互操作和重用。

RDF通过建立通用元数据标准框架表示任意类型的数据，解决如何使用XML标准语法无二义性地描述资源对象的问题，使描述资源的元数据信息成为计算机可理解的信息。RDF通过基于XML语法明确定义的结构化约定建立起语义协议和语法编码之间的桥梁，促进元数据的互操作能力，满足网络资源互操作需要［5］。

XML与RDF相结合，较好地解决了计算机的知识表述问题，但要解决XML和RDF在处理语义上存在的同一概念有多种词汇表示和同一词汇有多种概念(含义)的问题，还需要引入本体。

(三)本体

本体是共享概念模型的明确的和形式化的规范说明［6］。本体通过对客观世界某个应用领域的概念的严格定义和概念之间的关系来明确概念的含义，形成应用领域共享的领域概念和概念之间的关系，实现应用领域内不同主体(人、计算机、软件、系统等)之间的交互(互操作、共享等)。

在语义Web中，通过本体提供语义Web标注资源的元数据，使网络资源表达一定的语义信息，支持搜索引擎、智能代理等应用程序;应用程序通过对本体的解析、本体的推理能力理解资源语义信息，提供基于语义的智能服务。

(四)网络教育资源规范化描述

依据国家教育信息化技术标准委员会(CELTSC)制定的学习对象元数据标准(CELTS－3)，按照前文定义的DTD文档的约定，用XML语言对网络教育资源进行规范化描述，包括9个必需的数据元素和7个可选的数据元素，如表1。为网络教育资源的查找、使用提供支持，便于资源的共享和重用。

表1 网络教育资源规范化描述

网络教育资源规范化描述XML文档如下:

＜resource＞

三、Web服务

Web服务通过定义一组标准网络协议，用于接口定义、方法调用、组件注册及实现各种应用系统之间的交互，使分布式异构网络资源之间的共享成为可能。Web服务的体系结构如图1所示［7］。

图1 Web服务体系结构

服务提供者(ServiceProvider)发布Web服务，响应使用Web服务的请求;服务代理(UDDI Registries)注册已经发布的服务提供者(Service Provider)，并进行分类，提供查找的Web服务;服务请求者(ServiceRequester)通过服务代理(UDDIRegistries)查找并使用所需的Web服务。

服务发布(Publish)是指服务提供者对Web服务进行描述并向服务代理注册功能和访问接口;服务查找(Find)是指服务请求者通过服务代理提供的访问接口查找所需的Web服务;服务使用(Bind)是指服务请求者通过访问服务代理查找到所需Web服务后，应用系统调用并解释WSDL(WebServiceDescriptionLanguage，Web 服务描述语言)描述文本，绑定调用参数，执行调用。

Web服务中的 SOAP(SimpleObjectAccess Protocol，简单对象访问协议)用于应用系统之间的Web服务发送与接收XML消息。UDDI(UniversalDescription，DiscoveryandIntegration)是服务注册(发布)和发现的规范，用于Web服务的发布和动态查找。WSDL使用XML语言描述UDDI注册的Web服务和SOAP所要发送的消息。

四、基于语义Web的网络教育资源共建与共享平台框架设计

利用语义Web将分布在不同地域、组织或系统中的网络教育资源统一标注，建立资源共享平台，提供统一的数据访问、处理接口，满足网络教育资源的共享和互操作需求。基于语义Web的网络教育资源共建与共享平台框架结构如图2所示。

图2 基于语义Web的网络教育资源共建共享平台框架

资源层包括构成网络教育资源的基本元素，如文本、图片、音频、视频、课件等基本素材，基本素材以无序状态和分布式存放在各个资源服务器中，资源数据可以是结构化或非结构化形式。

元数据层包括资源描述的各种元数据集，使用规范的通用教育学词汇表中的术语标识资源内容和相关说明信息，如以RDF文档形式给出资源的存储路径、名称、作者、内容等。元数据层中包含元数据收集和元数据映射两个过程，元数据收集从资源层抽取元数据得到不同的元数据集，元数据映射是将不同的元数据集映射到预先定义的统一的元数据通用框架。

本体层的教育资源本体通过定义资源建设领域概念和关系的术语表，将资源概念映射到领域本体术语表，形成对资源语义的一致性描述，实现对资源的概念一致化操作;本体层将本体提供给服务层，并接收服务层传送的检索信息。

服务层接收教育资源的元数据信息和本体信息，并接收和传送访问层的查询请求，利用本体查询语言SPARQL得出查询的概念描述，将查询结果反馈给访问层。

服务层包括映射服务、本体服务、Web服务模块。映射服务建立教育资源数据和共享平台教育资源元数据之间的映射关系。本体服务利用读取和解析本体技术Jean及本体查询语言SPARQL实现。

Jean［8］提供了操作 RDF/RDFSchema 和OWL(Web本体语言)的应用程序接口，采用RDF/XML、三元组形式读写 RDF，把 RDFSchema、OWL等形式的资源本体中的公理、定理和规则绑定到推理机，将推理机导入Jean，推理机与RDF模型关联，根据已有的类、属性、实例数据推理派生RDF模型所有隐含语义匹配的三元组。

SPARQL［9］通过引用 JeanAPI(Jean 应用程序接口)的开发工具包，构造和执行SPARQL查询。在进行SPARQL查询前，调用Jena推理机对教育资源库中的RDF模型进行推理，产生派生RDF模型所有隐含语义匹配的三元组，然后使用SPARQL语句查询匹配。

访问层为资源使用者提供可视化的语义查询，并用于教育资源的采集和管理。访问层为资源使用者和资源管理人员提供注册认证服务，任何需要访问并使用平台提供的网络教育资源的用户必须得到相应的访问授权，访问权限由平台资源管理人员统一授权和管理。

五、基于语义Web的网络教育资源共建与共享平台应用

建立在语义Web基础上的网络教育资源共建与共享平台能够提高分布式异构网络教育资源的集成和协作能力，网络教育资源的发布和访问通过Web服务实现。

网络教育资源发布是资源提供者通过平台发布或部署资源。资源提供者提交资源时，利用服务层的映射服务建立教育资源数据和共享平台教育资源元数据之间的映射关系;并利用本体标注工具，参照教育资源领域本体，对教育资源进行语义标注，生成XML文件格式的映射和标注文档，对教育资源库的操作接口进行Web服务封装后，发布到平台的目录服务器。

教育资源的采集和管理是通过教师、资源提供者或管理人员上传教育资源，输入资源的作者、内容关键字以及内容简介等描述信息，平台利用JenaAPI(Jean应用程序接口)函数把资源描述信息添加到资源描述文档中，形成教育资源标注文档，存放于资源标注库供资源使用者通过资源描述信息检索相关教育资源。

网络教育资源使用者通过平台提供资源查询需求信息，利用平台服务层提供的本体服务，应用本体推理机，根据教育资源本体中的公理、规则、实例数据查询得到RDF模型明确声明的信息和隐含的语义信息，获得语义匹配、人性化的语义查询服务，列出与查询关键词高度匹配的网络教育资源的查询结果，满足资源使用者的查询需求。

服务层使用OWL－S(OntologyWebLanguage forServices，Web服务的本体语言)把语义Web和Web服务相联系，实现基于OWL－S的语义Web服务描述和基于WSDL的Web服务接口的互换。服务层的各种服务使用OWL－S描述，并包装成语义Web服务，通过WSDL和SOAP相互进行访问，资源使用者检索到的网络教育资源以XML文件进行传送。

六、结束语

将语义Web应用到构建高校网络教育资源共建共享平台，本体结合XML和RDF能够为网络教育资源提供计算机可以识别和处理的教育资源语义描述信息，并利用Web服务的思想，通过UDDI查找匹配的网络教育资源信息，使分布式异构网络教育资源的共享和交互得以实现，促进高校师生有效利用网络教育资源，实现网络教育资源的可持续发展。

［1］胡俊杰，杨改学，魏江明等．国家精品课程对精品视频公开课建设的启示——基于对2003－2010国家精品课程的调查引发的思考［J］．中国远程教育，2014(6):89－94．

［2］RobinD．Morris．Web3．0:ImplicationsforOnline Learning［J］．TechTrends，2011，(1):43 －44．

［3］SandroHawke．W3CSemanticWebActivity［EB/OL］．http://www．w3．org/2001/sw/，2011 －11 －07/2012 －03－20．

［4］GruberCTR．Atranslationapproachtoportableontologies［J］．KnowledgeAcquisition，1993，5(2):199 －220．

［5］WorldWideWebConsortiumResourceDescription Framework(RDF)［EB/OL］．http://www．w3c．org/rdf，2004 －12 －15．

［6］StuderR，BenjaminsVR，FenselD．Knowledgeengineering，principlesandmethods［J］．DataandKnowledgeEngineering，1998，25(1 －2):161 －197．

［7］顾宁，刘家茂，柴晓路等．WebServices原理与研发实践［M］．北京:机械工业出版社，2006．

［8］HPLab．Jena－ASemanticWebFrameworkforJava［EB/OL］．http://jena．sourceforge．net/，2012 － 04 －12．

［9］SPARQLQueryLanguageOverview［EB/OL］http://www．w3．org/TR/rdf_sparql－query/，2012 －03 －20．