基于领域本体的课件模型

HUNAN UNIVERSITY 毕业设计 论文 设计论文题目 设计论文题目 基于领域本体的课件模型 学生姓名 何松 学生学号 20041610307 专业班级 2004 级软件工程开发 2 班 学院名称 软件学院 指导老师 杨贯中 学院院长 林亚平 2008 年 5 月 26 日 湖南大学毕业设计 论文 第I页 基于领域本体的课件模型 摘 要 教育资源建设是教育信息化的基础 是需要长期建设与维护的系统工程 因为教 育资源具有复杂性和多样性 目前世界上有很多标准化 学术 组织都在致力于教育 资源标准化的研究 课件是教育资源的重要组成部分 构建可重用性高 互操作性好 的标准化课件也是教育信息化中重要的一环 本文采用领域本体技术 将实际的课件资源结构与课程模型中的课程领域的概念 和概念间的关系形成映射 并采用 OWL 本体描述语言结合 LOM 元数据标准对课件的 属性进行描述 本文引入学习对象的概念 将课件看作学习对象 尝试借助学习对象 的特性来提高课件的重用性 互操作性 通过采用领域本体 学习对象等技术 从而 得到可重用性高 互操作性好 便于共享的课件 本文设计了课程制作系统中 学习对象检索 学习对象导入 两个组件 用以 实现课件的检索和导入 学习对象检索组件依据学习对象元数据映射成的检索条件 在资源库中检索符合制作者或者学习者所需的课件 学习对象导入组件负责将课件导 入资源库 关键字关键字 课件 学习对象 课件 学习对象 LOM 领域本体 领域本体 XML 湖南大学毕业设计 论文 第II页 A courseware model based on Domain Ontology Author He Song Tutor Yang Guan Zhong Abstract As the basis of E learning the construction of Educational resources is a systemic project which needs long term construction and maintenance Nowadays many standardization organizations are working hard at the standardization of Educational resources because of their complexity and variety Courseware is an important part of the teaching resource Constructing standardized courseware which has good reusability and interoperability is important point of Education information This paper apply the technology of domain ontology mapping the courseware resources model into the relationship between concepts in the domain of courses in the course model and using OWL ontology web language combination of LOM metadata standard attributes to describe the attribute of courseware This paper introduce the concept of learning objects treat courseware as a learning object try to use the feature of learning object to improve the reusability and interoperability of the courseware Through the use of technology of domain ontology technology of learning object we can get high reusability interoperability and easily sharing courseware This paper production system designed two components called the search of learning object the import of learning object to achieve the search and import of courseware the search of learning object components is on the basis of search conditions that learning object metadata map into Learning objects needed by producers or learners should be find out from the library of resources the import of learning object components import learning object into library of resources Key words courseware learning object LOM domain ontology XML 湖南大学毕业设计 论文 第III页 目 录 HUNAN UNIVERSITY I 1 绪论 1 1 1 研究背景 1 1 2 国内外研究现状 1 1 2 1 本体研究现状 1 1 2 2 学习对象研究现状 2 1 3 论文的研究任务和主要工作 2 1 4 本文的结构 3 2 领域本体的概念及应用 4 2 1 本体的概念 4 2 2 本体的分类 4 2 3 本体描述语言 5 2 4 本体的应用 5 2 5 基于本体的课程建模 5 2 6 小结 5 3 系统的相关技术 6 3 1 学习对象技术的应用 6 3 1 1 学习对象的概念 6 3 1 2 学习对象的结构模型 7 3 1 3 学习对象的特性 8 3 1 4 学习对象相关标准 11 3 1 5 学习对象制作工具 13 3 2 XML 技术的应用 15 3 3 DOM 解析器 16 3 4 小结 16 4 课程制作系统的设计与实现 17 4 1 引言 17 4 2 需求分析 18 4 2 1 设计目标 18 4 2 2 开发工具与平台 20 4 3 功能设计与实现 20 4 3 1 学习对象导入组件 20 4 3 2 学习对象检索组件 21 4 3 3 界面设计 23 4 4 小结 23 结论 24 致谢 25 参考文献 26 湖南大学毕业设计 论文 第1页 1 绪论 1 1 研究背景 进入21世纪 计算机和网络技术得到了广泛应用 e Learning打破了传统教学时间 和空间限制 以丰富的教学资源 灵活多变的教学形式和先进的教学理念为人们提供 了一种全新的受教育的方式 e Learning是当今国际国内教育发展新的生长点 也是现 代教育技术的主流发展方向 1 由于e Learning 特别是基于Internet的远程教育 具有 地域广泛性 技术复杂性 文化多样性等特点 使得大量的网上学习资源难以实现共 享 不同的学习系统也难以互相沟通 虽然现行的网络技术已为学习资源在低水平上 的自治与共享 例如通过HTTP和HTML 学习活动的合作 例如通过各种网上通信 工具 提供了基本技术条件 但是允许学习资源在课程知识和教学管理水平进行交换 的标准却没有得到很好地认定 导致网上资源无法大范围的共享与交流 1 2 国内外研究现状 1 2 1 本体研究现状 本体是某个领域内 可以是特定领域的 也可以是更广的范围 不同主体 人 代理 机器等 之间进行交流 对话 互操作 共享等 的一种语义基础 它是共享概念的形式 化精确描述 目的就是为了描述领域内部 领域本体 2 甚至更广范围内的一些概念和 概念之间的联系 使得这些概念和联系在共享的范围内有着明确唯一的解释 这样人 系统之间就可以进行交流 如果把每一个领域抽象成一套概念体系 再具体化为一个词表来表示 包括每一 个词的明确定义 词与词之间的关系 例如 用 代 属 分 参 关系等 以及该领域的一些公理性知识的陈述 例如 所有的期刊论文都是出版物 等 并 且能够在这个领域的专家之间达成某种共识 即能够共享这套词表 所有这些就构成 了该领域的一个 本体 最后 为了便于计算机理解和处理 需要用一定的编码语 言 例如OWL 明确表达上述体系 词表 词表关系 关系约束 公理 推理规则等 在这个意义上 本体已经成为一种提取 理解和处理领域知识的工具 可以被应用 于任何具体的学科和专业领域 本体在人工智能中的运用由来已久 但在实际应用中效果不大 Web 的出现为本 体提出了新的 更广泛的需求 也提供了一个建立真正全球化的 统一的 标准化的 湖南大学毕业设计 论文 第2页 本体环境的途径 1 2 2 学习对象研究现状 学习对象作为一种可重用的教学资源构件 正在越来越受到国际教育技术学界的 关注 这种具有高度价值的教学构件 instructional component 或曰学习对象 learning object 将使大规模的高效教学开发得以实现 为教学资源的设计提供了 一条很好的思路 3 从面向对象的思想引入教学领域之后 对这种具有可重用特性的教 学构件的理解一直得到了不断发展 但对这种具有可重用特性教学构件 学习对象 的不同理解造成了交流上的困难与困惑 为解决这种混乱现象 已有各种组织在建立学习对象标准化的研究 例如 ARIADNE 它的研究工作由欧盟提供财政支持 由美国 Educom 公司支持的 教学管 理系统 IMS Instructional Management Systems 的项目研究 以及 ADL Advanced distributed learning network 也在进行学习对象标准化 4 的研究等 现在比较有影响力 的标准和规范有 LOM Learning objects metadata 学习对象元数据 5 ADL SCORM 可共享内容对象参考模型 6 7 等 电气电子工程师协会 IEEE 在 1996 年牵头成立的 学习技术标准委员会 LTSC 包括前述的各种区域性标准组织都在 LTSC 工作小组中有自己的代表 LTSC 致力于建立一个世界通用的国际化标准 以将全球 的大学 公司及其它组织的 教育技术 特别是它们的学习对象相融合互通 在 2000 年 学习对象元数据工作小组 LOM Learning Objects Metadata Working Group 基于 IMS 和 ARIADNE 联合提交的 关于教育资源的元数据规范和建议提出了 LOM LOM 定义了网络教育资源的数据模 型 1 3 论文的研究任务和主要工作 本课题的主要研究任务是在领域本体的基础上 建立一个课程模型 并依据该模 型实现一个课程制作系统 主要工作 1 研究领域本体 研究学习对象技术的应用 2 基于领域本体建立一个课程模型 3 在课程模型的基础上 实现一个课程制作系统 并在课程制作系统中 利用学 湖南大学毕业设计 论文 第3页 习对象技术 实现课件的检索和导入功能 1 4 本文的结构 本文主要分为以下几个部分 第 1 章 绪论 讨论了国内外研究现状及论文的主要研究工作 并给出本文的组织 结构 第 2 章 领域本体的概念及应用 第 3 章 学习对象 XML DOM 等相关技术进行介绍 第 4 章 给出课程制作系统的设计和实现过程 侧重于学习对象的导入和学习对象 的检索组件 湖南大学毕业设计 论文 第4页 2 领域本体的概念及应用 2 1 本体的概念 本体 Ontology 最早是一个源于哲学的概念 是一种对 存在 的系统化解释 用于描述事物的本质 本体的概念和方法被IT领域采用 用于知识表示 知识共享和 重用 直观地讲 本体是一个实体 是对某领域应用本体的方法分析 建模的结果 即把现实世界中的某个领域抽象为一组概念及概念之间的关系 本体的本质是概念模 型 本体论的概念包括四个主要方面 8 1 概念化 conceptualization 客观世界现象的抽象模型 其表示的含义独立于具体的 环境状态 2 明确 explicit 概念及它们之间联系都被精确定义 3 形式化 formal 精确的数学描述 计算机可读 4 共享 share 本体中反映的知识是其使用者共同认可的 是相关领域中公认的概念 集 它所针对的是团体而不是个体 2 2 本体的分类 本体的分类明确了不同本体之间的区别与联系 虽然目前尚没有统一的本体分类方 法 但较有代表性的分类方法有以下2种 1 N Guarino提出了以详细程度和领域依赖度2个维度作为对本体划分的基础 详细程度高的称为参考 reference 本体 详细程度低的称为共享 share 本体 依照领域依赖程度 可以细分为顶级 top level 领域 domain 任务 task 和 应用 application 4类 9 其中 顶级本体 描述最普通的概念及概念之间的关系 如空间 时间 事件 行为等 与具体的应用无关 其他种类的本体都是该类本体的特例 领域本体 描述特定领域 电信 汽车等 中的概念及概念之间的关系 任务本体 描述特定任务或行为中的概念及概念之间的关系 湖南大学毕业设计 论文 第5页 应用本体 描述依赖于特定领域和任务的概念及概念之间的关系 2 A G P rez在分析和研究了各种本体分类法的基础上 归纳出10 种本体 知识 表示本体 普通本体 顶级本体 元 核心 本体 领域本体 语言本体 任 务本体 领域 任务本体 方法本体和应用本体 这种分类法是对Guarino 提 出的分类方法的扩充和细化 但这10 种本体之间有交叉 层次关系划分不 够清晰 2 3 本体描述语言 OWL Web Ontology Language 是W3C开发的一种网络本体语言 用于对本体进 行语义描述 它适用于这样的应用 在这些应用中 不仅仅需要提供给用户可读的文 档内容 而且希望处理文档内容信息 OWL能够被用于清晰地表达词汇表中的词条 term 的含义以及这些词条之间的关系 而这种对词条和它们之间的关系的表达就 称作Ontology OWL相对XML RDF和RDFSchema拥有更多的机制来表达语义 从而 OWL超越了XML RDF和RDFSchema仅仅能够表达网上机器可读的文档内容的能力 2 4 本体的应用 目前本体已经广泛应用于计算机及其相关领域 本体的功能及其应用领域可以概 括为3 类 1 作为知识表示方法 应用于知识工程和知识管理 10 等 本体统一了领域中的术语 和概念 从而使知识共享和重用成为可能 如欧盟IST 资助的On To knowledge 项目开 发了基于本体的知识管理工具集 2 作为系统分析方法 应用于信息建模 面向对象分析和数据库设计等 11 本体建 模过程澄清了领域知识的结构 为信息系统的分析和设计提供了基础 3 作为信息语义的形式化表示方法 应用于异构信息集成 多智能体系统 语义 Web等 本体用显式 形式化的方法描述了领域中概念的结构以及概念之间的关系 基于本体可以实现基于内容的访问 异构信息语义层的集成和互操作 12 本文使用领域本体技术来阐述课程资源中各课件之间的关系 2 5 建立课程本体 目前支持本体开发的工具多达数十种 功能各不相同 对于本体语言的支持能力 表达能力 逻辑支持能力以及可扩展性 灵活性 易用性等都相差很大 Prot g 系列 是目前较活跃的本体工具 是可以免费获得的开放软件 它用Java 语言开发 通过各 湖南大学毕业设计 论文 第6页 类插件支持多种本体格式 本文中就是选用Prot g 3 3 1来建立课程本体 本文针对计算机网络这一领域 运用Prot g 建立了一个计算机网络课程本体 得 到了本体文件 InternetCours owl 2 6 小结 本体通过对概念的严格定义和概念与概念之间的关系来确定概念精确定义 表示 共同认可的 可共享的知识 因此 本体是解决语义层次上Web信息共享和交换的基 础 因为课件资源结构要与课程领域的概念和概念间的关系形成映射 所以 课程本 体的建立 就意味着课件资源结构的确定 这对课件的检索奠定了基础 湖南大学毕业设计 论文 第7页 3 系统的相关技术 3 1 学习对象技术的应用 3 1 1 学习对象的概念 学习对象是在结合面向对象的计算机科学思想以及有关教学理论基础之上而产生 的一种新型计算机辅助教学构件 面向对象的计算机科学思想使一个构件 component 能够在多种情境下重复有效地使用 这种具有高度价值的思想也就是蕴 含在学习对象之后的基本理念 教学设计者可以建立适当大小的能在不同学习情境下 多次重复使用的数字化教学构件 13 这种可重用 易组合的教学资源构件不同于传统 的书本 录像带等教学媒体 也先进高级于现有水平的数字化教学资源 它应该能够 为许多人在不同时间 地点都能接触并利用 此外 那些由多个学习对象集成的教学 信息可以相互组合并快速更新 这就是学习对象与现有教学资源之间的根本不同之处 最早出现的 学习对象 Learning Object 术语是 1994 年 CedMA Computer Education Management Association 协会会长 H Wayne Hodgins 的一篇论文 Learning Architectures API s and Learning Objects 的标题中 而 2000 年 他负责领导的 IEEE P 1484 学习对象元数据工作小组则正式采用 Learning Object 一词来描述这种可重用的学 习资源构件 电气电子工程师协会 IEEE 在 1996 年成立国际性组织 学习技术标准 委员会 LTSC 来开发和推进教育技术标准的研究 它的学习对象元数据工作小组 在 2000 年提出了一个工作定义 本文称之为广义定义 来描述这种小的教学构件 学习对象是任何数字或非数字化的实体 这种实体可以在技术支持学习的过程中被 利用 重用或作为参引 技术支持的学习实例包括基于计算机的训练系统 交互式学习 环境 智能计算机辅助教学系统 远程学习系统 合作学习环境等 14 15 而学习对象 的例子包括在技术支持学习的过程中用到的多媒体内容 教学内容 学习目标 教学 软件及软件工具 以及参考到的个人 组织或事件等等 因为几乎所有的学习资源都 湖南大学毕业设计 论文 第8页 能够在 技术支持学习的过程 中作为参引资料 所以这个定义所囊括的范围过分广大 数字化与非数字化 不能有效地区分学习对象与其他学习资源之间的区别 LTSC 之外的许多研究机构和个人都感觉到了这个定义的不足之处 因此纷纷寻求新的解释 来限定学习对象的定义 以使它更具体可操作化 在这些定义中 比较典型的有 1 任何具有重用特性并用来支持学习的数字化资源 David A Wiley 2 一个学习对象是可重用的在线学习资源 它可以是一个 Applet 动画 文本块 视频流或其他形式等 Karen belfer 3 一个学习对象是一个小型 可重用的数字化构件 它能够由计算机软件 学习助 手或学习者自己选择性的单独或组合应用 以满足学习或绩效支持的个别化需要 Clive shepherd 这些定义 16 17 18 虽表述不同 但都认同突出了学习对象的数字化 可重用 面向教 学等主要特征 并且它们所指的学习对象范畴都在 LOM 2000 定义之内 更保证了 学习对象元数据交换共享的兼容性 从而有效限定了学习对象的范畴 本文以上述 第一种定义 David A Wiley 定义 作为学习对象研究的狭义工作定义 3 1 2 学习对象的结构模型 我们结合学习技术标准委员会 LTSC 提出的学习对象的广义定义将其概括为 学习对象是基于单一的目标 建立在静态或交互式内容和教学实践活动上以元数据标 识的新型辅助教学构件 根据定义给出学习对象的组成成分 19 20 如下图所示 学习对象 学习目标 元数据 练习学习内容 评估 湖南大学毕业设计 论文 第9页 图图3 13 1 学习对象结构学习对象结构 学习对象可以看成由这五个元素构成 学习目标 元数据 学习内容 练习 评 估 学习目标 描绘学习者完成学习对象的学习后将获得的成果 是从学习内容中抽 取出来的 元数据 用来描述学习对象信息的元数据文件 学习内容 静态的或交互式的学习内容 练习 针对学习内容的练习活动 评估 用于检测学习者对学习内容掌握程度的活动 3 1 3 学习对象的特性 学习对象的工作定义有多种 且不少理论学者仍还在致力于寻找一种更好的定义 来描述它的特性和理念 绕过这些定义的争论 通过直接阐述学习对象的特性 我们 可以更切实详细地了解学习对象的要旨与精髓 在对各种描述 定义和解释学习对象的大量文献进行研究之后 可以归纳分析出 学习对象有下列共同的显著特性 1 可重用性 reusability 所有关于学习对象的理论文献都将可重用摆到了突出显要的位置 可重用是学习 对象最根本 最重要的特性 21 也是统领其它特性的关键点 从某种程度上说 其它 特性都是为了保证学习对象可重用而加以突出的 可重用是一个含义广阔的范畴 它 即包括不同人 资源利用者 出于不同目的对资源的重用 也包括在不同时间 不同 空间上的重用 还有在同一情境内 或不同情境间等多种情形下的重用效率和共享效 果的问题 学习对象理念追求的是一个各种影响可重用因素间最优化组合的结构状态 2 数字化 digital 数字化将学习对象与传统的教学媒体 教学材料严格区分开来 广义学习对象工 作定义 见上文 的一大不足就在于它没有很好地将数字化与非数字化资源进行区分 传统的教学媒体具有某种程度上的可重用 可是由于这些非数字化媒体技术的先天不 足 造成了资源信息固态 静态 僵化 难于共享传输 而各种狭义定义将学习对象 限定在符合定义的相关标准并可以通过网络传输的各种不同大小的数字化实体之内 湖南大学毕业设计 论文 第10页 小的可重用数字化资源包括数字图像或照片 实时录像 音频片断 小段文本 动画 及小型网络传输应用程序 如 JAVA 小程序等 大的可重用数字化资源包括完整的网 页 它可以结合文本 图像或其他媒体 应用程序来完成一个完整的教学事件 3 教学性 Instructional 学习对象有许多相近 相似的术语 而教学性明确指出了学习对象的应用目的指 向 使其根本区别于信息对象 知识对象等术语 学习对象是针对教学而产生的特定 构件 它为教学而特别设计并存在 4 自足内聚 self contained Self Sufficient Cohesion 自给自足 自我包容 内聚的特性使学习对象成为一个能离散独立而又绝对具有 应用价值的教学资源构件 一个自给自足的学习对象可以单独完成它自己的教学功能 而无需过多地求助于其他教学资源或学习对象 这样使它可以独立高效地传输共享给 其他利用者 并在不同情境下重用 5 以元数据标识 Are tagged with metadata 元数据字面上的解释是 关于数据的数据 它的作用在于描述数据资源的关键属 性 以便于资源的检索查询 一个典型的元数据例子是图书馆中的书目编录 元数据 就是这些书目卡上的作者 标题 出版日期及资源介绍等描述性信息 有了这些元数 据之后 阅读者不用遍历整个图书馆逐个查找 而只需利用它就能快速找到所需要的 书本 为学习对象建立各种重要的元数据 如标题 作者 版本 格式 内容描述 教学作用 可重用度等 有几方面的作用 一方面保证教学资源的容易检索 高效检 索 另一方面 保证并加速各个组织机构间不同学习对象的传输与交换 在标有关键 的元数据属性之后 不同机构 公司 学校间的学习对象资源可以互通有无 或进行 相关兼容性的修改 前文提到的 LTSC 学习对象元数据工作小组就致力于建立学习对象元数据的标准 规范 以实现不同机构间学习对象资源的共享 截止 2001 年 4 月 它已经建立了学习 对象元数据草案 6 1 版 并仍在修改讨论之中 我国现代远程教育标准研究项目 DLTS Distance Learning Technology Standards 中也包括了对学习对象元数据规范 的详细讨论取舍 从目前技术来看 为保证学习对象元数据自身的易传输共享 一般 都采用 XML Extensible Markup Language 语言来进行描述和传送 具体的应用方式 则既可以把这些用 XML 描述的元数据单独存储在数据库中 也可以作为独立的 XML 湖南大学毕业设计 论文 第11页 文档保存 6 可共享 可搜索 易接触 Shareable Searchable Accessible 可重用的前提表现就是资源能够得到共享 一种不能共享的资源难以展开大规模 的重用 保证资源共享的措施有多种 如标准规范开放化 格式统一化等 而共享网 上教学资源的首要前提又在于能够检索到符合需求的资源 进一步则需要能高效搜索 获取到相关度高的资源 Yahoo 等搜索引擎的出现大力推动了 Internet 资源的搜索共享 特性 但是当网络资源 越来越多时 冗余信息 虚假信息 重复信息使网络不堪负载 试想利用 Google 搜索引擎搜索 learning object 关键词的情形 你可以得到 807000 个 结果网页 15 10 2001 如何在它们当中进一步精确定位呢 这涉及一个资源有序化 的问题 依照学习对象规则 如元数据等 来建立教学资源 可以在精确检索方面跨 进一大步 7 可聚合 Can be aggregated 我们可以想象工业化生产时用通用配件来制作各种机械装置 设施 装备的情形 学习对象是一种有效的数字化教学资源构件 教学者可以将它快速高效地进行组合 可聚合是指单个的学习对象可被聚合而重组成更大层次的学习对象 或编组成更大的 学习内容序列 如教学模块 网络课程等 当然对学习对象的组合编列不能简单随意 行事 而需要依照一定的教学设计原理 学习策略 和相关编列理论来进行 22 8 跨平台 兼容性 Across platforms Compatibility 为了让多个学习组织 著作工具 不同情境能够重用学习对象构件 学习对象还 必须要能够在不同的环境 平台中兼容 互操作 以实现真正意义上的方便管理和互 相沟通 从目前的应用水平来看 多数格式的学习对象大都能够在网络上传输 如网 页 Java Applet 等 尽管从技术受限上看 学习对象要跨越所有的学习平台十分困难 但至少是应该能够实现跨多平台的 9 目标指向 Target oriented 即某个学习对象应该是针对某个特定学习目标的 它的建立是为了让学习者在不 同层次上了解 掌握直至应用某类学习内容 学习者在学习这个学习对象之后 应该 掌握其内含的教学内容 并达到教学目标 目标指向需要学习对象设计者在设计之初就确定学习者学习此学习对象后应能达到的 学习水平 如了解 记忆 掌握 评价 综合等 再根据这个目标来对学习对象内部 湖南大学毕业设计 论文 第12页 进行编列组建 10 灵活性 可改制 Flexibility Customized adaptability 虽然建议学习对象不能太大 但对其规模的大小并无严格的限制 在这方面重要的是 学习对象应该具有一定的灵活性 为了满足学习者不同的学习需要 教学设计者一方 面可能需要将学习对象进行改造重组 如果需要改造的力度过大 则新建学习对象 另一方面还需要用它来为个体学习者自定义生成个性化的课程结构 在这方面 许多 学习内容管理系统 LCMS Learning Content Management System 研究者正在致力于 利用学习对象生成个性化网上课程 3 1 4 学习对象相关标准 1 学习对象元数据相关标准 学习对象元数据的标准经历了一个不断适应远程教育开展现状 针对性越来越强 的过程 现在国际较为通用的为LTSC的LOM标准 其研究重点是管理 定位和评价学 习对象所需的一套最小属性集 LOM 标准通过定义一个统一的元数据模型 为学习者 或教育者等对学习对象的查找 评估 获取和使用提供支持 同时也支持学习对象的 共享和互换 LOM 主要规范了九个方面的数据信息 1 通用信息 General 2 生存周期 Lifecycle 3 元元数据信息 Meta MetaData 关于数据的数据 4 技术信息 Technical 5 教育信息 Educational 6 价值信息 Cost 7 关联信息 Relation 8 注释信息 Annotation 9 归类信息 Classification 元数据的绑定 表表3 13 1 LOM元数据元数据 类别类别说明说明 通用 General 对学习对象进行整体描述的通用信息 生存期 Lifecycle 与学习对象的历史和现行状态有关的属性及对学 习对象的发展起到作用的个人和组织 元元数据 Meta metadata 关于元数据记录本身的一些信息 技术 Technical 学习对象的技术要求和特征 教育 Educational 学习对象的教育和教学特征 权利 Rights 有关学习对象知识产权和使用条件的信息 关系 Relation 该学习对象同别的学习对象的关系信息 评注 Annotation 教学使用上对该学习对象的一些评价 以及这些 湖南大学毕业设计 论文 第13页 评价的作者和创作实践等 分类 Classification 该学习对象在特定的分类系统中所处的位置 绑定是指从一个框架或规范到另一个框架或规范的应用或映射 具体讲就是用一 种具体的形式来表示概念上的数据模型 如XML绑定等等 只有这样 才能在实现时 具体地表示对象的元数据实例 才能对元数据的实例进行各种操作 2 内容包装标准 IMS 全球联合学习公司提出了内容包装标准 23 该标准的目的就是定义一种能 够用来交换学习内容的标准数据结构 为学校和学习资源开发商制作学习内容提供标 准数据绑定的基础 从而使学习内容可以在不同的创作工具 学习管理系统和运行环 境之间相互 交换和使用 内容包装标准为全世界范围内学习对象的共享和互操作提 供了前提 因为它规定了学习对象内容的数据结构 也即是实现了数据结构层面的统 一性 内容包装标准定义了一个内容包装信息模型 概念图如图2 2 图2 2中描述的包由两类主要元素组成 一个描述包中内容组织形式和资源的特定文件 以及一些实际的物理资源文件 该特定文件被称作内容清单文件 它描述了包的内容 和结构 一旦一个包为了传输而被组合成单独的一个文件时 该文件就被称作包交换 文件 内容包装的这几个部分 具体阐述如下 湖南大学毕业设计 论文 第14页 图图3 23 2 内容包装信息模型概念图内容包装信息模型概念图 包交换文件 单独的一个文件 如 zip jar cab 包含一个顶级内容清单文件 以及该内容清单文件中引用的所有物理文件 包交换文件是一种通过网络传输结构化 信息的简便形式 包 一个逻辑目录 包含了一个顶级内容清单文件 以及在该内容清单文件中引 用到的各个子目录下的实际物理资源文件 一个包代表一组可独立使用的学习内容 它可以是课程的一部分 因为有教学需求而单独提取出来使用 也可以是一门完整的 课程或者若干课程的集合 一个包可以被重新组合或拆分 包应能够独立存在 即它 包含了被单独运行或复用时需要的所有信息 包并不一定要压缩成一个包交换文件 它可以直接通过光盘或其他可移动媒介进行发布 内容清单文件和该文件所需要的支 持文件 如XML eXtensible Markup Language 文件所需的DTD Document Type Definition 文档类型定义 XDR XML Data Representation XML 数据表示 XSD XML Schemas Definition XML 模式定义 文件 应置于该发布媒介的根目录下 内容清单 内容清单是对有意义的学习资源的描述 一个内容清单包含了一种或多 种静态的学习资源的组织和呈现方式 每一个内容清单实例保存在一个具有预定义名 湖南大学毕业设计 论文 第15页 字的内容清单文件中 3 国内 CELTS 体系 我国从1999年开始着手远程教育技术的标准化工作 在2000年 教育部科技司启 动了现代远程教育标准研究项目 简称DLTS Distance Learning Technology Standards 项目 同时成立了现代远程教育标准化委员会 Distance Learning Technology Standards Committee 简称DLTSC 2001年12月 DLTSC更名为教育部教育信息化技术标准委员 会 英文简称为CELTSC Chinese E Learning Technology Standardization Committee CELTSC在LTSC和IMS工作的基础上 制定形成了自己的标准体系 对LTSC和IMS中 已经成熟的规范 标准进行了一系列的本地化工作 形成了符合我国教育环境的规范草 案 2002年2月 教育部印发了 中国现代远程教育技术标准体系和11项适用标准v1 0 版 这是我国现代远程教育技术标准的第一个版本 CELTS标准体系包括29个项目 根据各项子标准的作用面又分为通用规范与专用规范两大类 对于一部分今后必需但 目前还不够成熟的项目暂时作为跟踪研究项目 通用规范具有广泛的适用面 给标准 用户留有较多的发展余地 允许他们在遵从统一的基本框架下选择及改制一些数据项 目 专用规范是针对某一特定领域的 具有更强的约束力 目前有部分项目己经成为教 育部颁布的试用规范 进入国家标准审定程序 这些提交给国家信息标准委员会审批 的若干规范将作为2003年开展教育信息化产品测评的依据 这些规范的文档信息包括 信息模型 实践指南 测试规范等 本论文中采用的CELTS 3 学习对象元数据规范 24 CELTS 9 内容包装规范和CELTS 42 基础教育教学资源元数据规范 25 就是进入国 家标准审定程序的规范 它们的版本号是1 6 3 1 5 学习对象制作工具 Reload Editor 2004是英国Reload工程项目提供的免费工具 可在 http www reload ac uk editor html上获得 用于对学习对象按照IMS或SCORM标准进行 元数据描述和内容包装 本文利用 Reload Editor 2004 制作了 FTP 1 FTP 2 等多个学习对象 3 2 XML 技术的应用 XML Extensible Markup Language 可扩展标记语言 是用于数据交换的一种语言 标准 26 27 是 W3C 组织于 1998 年 2 月发布的标准 W3C 组织制定 XML 标准的初衷 是 定义一种互联网上交换数据的标准 在互联网世界 作为描述文档中数据及其结 湖南大学毕业设计 论文 第16页 构的标记语言 XML 的用途主要有两个 一是作为元置标语言 定义各种实例置标语言 标准 二是作为标准交换语言 担负起描述交换数据的作用 它具有 SGML 的灵活性 和强大功能 并与广泛采用的 HTML 相结合 XML 既可作为数据存储的机制 又可 作为消息体 XML 作为数据的 容器 具有天生的优点 XML 的灵活性和扩展性使 其可以对不同应用甚至是差异很大的应用间的数据进行描述 XML 具有自我描述的特 性 数据可以在不同的应用间进行交换与处理而不必要求相应的应用程序是针对该数 据定制的 XML 属于纯文本 可以作为与平台无关的数据格式 XML 是开放的 能 够在不同的用户和程序之间交换数据 而不论其平台如何 XML 可以降低解析器的负 荷 可成为各应用程序采用的信息互换的方法 XML 并不是单独存在的 因为 XML 不只是用于一种数据格式的使用 它需要与 多种相关的技术相互作用 XML 的标准体系由一连串不同的 子标准 组成 它们共 同定义和描述了文件表现与使用的各个层面 DTD 即 Document Type Declaration 文档类型定义的简称 与 HTML 不同 XML 没有自己固定标准的标记 用户使用自己的标记 属性或者是实体参考等就要自行定 义它们 这些定义的工作就在 DTD 文档类型定义中进行 DTD 为 XML 文档定义了该 文档中应该或者是可以包含的元素 标记 属性和实体的一个清单以及它们之间的关 系 即 DTD 为 XML 文档规定了一套专用的规则 Schema 是一种描述信息结构的模型 它是借用数据库中的一种描述相关表格内容 的机制 它为一类文件树立了一个模式 这个模式规范了文件中 Tag 标签 和文本 可能的组合形式 XML Schema 的目的是提供 XML 标记库 用来定义 描述和分类 XML 文档中的词汇 Schema 相对于 DTD 的明显好处是 XML Schema 文档本身也是 XML 文档 而不是像 DTD 一样使用特殊的格式 这大大方便了用户和开发者 因为 他们可以使用相同的工具来处理 XML Schema 和其他 XML 信息 而不必专门为 Schema 使用特殊工具 3 3 DOM 解析器 DOM Document Object Model 文档对象模型 是用与平台和语言无关的方式表 示 XML 文档的官方 W3C 标准 DOM 是以层次结构组织的节点或信息片断的集合 这个层次结构允许开发人员在树中寻找特定信息 分析该结构通常需要加载整个文档 和构造层次结构 然后才能做任何工作 由于它是基于信息层次的 因而 DOM 被认 湖南大学毕业设计 论文 第17页 为是基于树或基于对象的 DOM 解析器把 XML 文档转化为一个包含其内容的树 并可以对树进行遍历 用 DOM 解析模型的优点是编程容易 开发人员只需要调用建树的指令 然后利用 navigation APIs 访问所需的树节点来完成任务 可以很容易的添加和修改树中的元素 然而由于使用 DOM 解析器的时候需要处理整个 XML 文档 所以对性能和内存的要 求比较高 尤其是遇到很大的 XML 文件的时候 由于它的遍历能力 DOM 解析器 常用于 XML 文档需要频繁的改变的服务中 本文中将使用 DOM 解析器解析学习对象内容包中的顶级内容清单文件 imsmanifest xml 3 4 小结 自将面向对象的思想引入教学领域提出学习对象概念以来 对这种具有可重用特性 的教学构件的理解一直得到了不断发展 本章详细介绍了学习对象 指出学习对象对 于现代教学资源建设 共享和重用的重要性 并介绍了与学习对象相关的标准 其中 学习对象元数据标准 LOM 是一个比较成熟 在国际上被广泛引用和参考的标准 本文中采用LOM元数据标准来标识课件 4 课程制作系统的设计与实现 4 1 引言 虽然近年来我国教育信息技术标准化步伐正在逐渐加快 但在标准的应用方面 目前还没有企业实现或者支持我国的教育信息技术标准 各高校的教育技术研究机构 湖南大学毕业设计 论文 第18页 正在对标准进行研究和初步的应用 由于各种原因 现在还没有推广性和实用性较强 的产品出现 这种现状已经开始制约教育信息技术的发展 各种信息技术虽然已经在 教育工作中开始广泛使用 但始终没有跟上标准化的步伐 众所周知 没有信息标准 化 教育信息技术的大范围推广应用难度巨大 不同系统间的信息交换只是梦想 目 前信息标准化已经开始大踏步前进 教育信息标准的应用和推广就显得格外的重要 而教育信息标准的应用和推广主要体现在解读各项标准和掌握利用辅助工具开发标准 化产品的方法上 因此解读各项标准和掌握利用辅助工具开发标准化产品成为教育信 息技术发展的重要组成部分 其实质是提出成熟的标准化产品系统架构 目的是加速 标准化产品的开发 使标准化产品易于重用和维护 并方便技术交流 从而起到提高 开发效率和产品质量的作用 通过调查发现 国内外现有的课程绝大多数都是以课程为单位整体设计的 各个 部分 篇或者章 节 之间有很多公用元素 如修饰性图片 样式表等 或者穿插引 用 导致整个课程不可拆分 但是在使用时 教师需要针对具体的教学情况选择适合 的教学内容 一门现有的课程中的内容往往不是全部都能用到的 或者原有内容大纲 不合适 那么这时教师就需要对这门课程或多门课程进行拆分组合 或者到处寻找符 合自己要求的资源 这种 手工作坊 式的生产已经远远跟不上 E learning 发展的实际 需要 现在制作课程和课件的工具很多 制作出来的课程和课件依据的标准各不相同 这也是造成教育资源重用性差 重复建设严重的原因 本文尝试将学习对象 领域本 体等提高资源重用性 共享性 互操作性的技术应用在课程构建中 提出一种层次结 构的课程构建模型 使用领域本体进行建模 依据本体结合学习对象技术定义了课程 模板和课件 为课程进行结构化设计和开发提供便捷的方法 并以此为基础设计和开 发了一个课程制作系统 4 2 需求分析 4 2 1 设计目标 课程制作系统是开发和编辑课程的工具 课程制作系统的目标是使用户能够方便 地开发高质量 可重用性 互操作性好的课程 基于这个目标 课程制作系统引入学 习对象技术进行开发的 并为用户提供如下功能 1 课程的生成 编辑和保存 湖南大学毕业设计 论文 第19页 根据课程模板约定的文法的 OWL 文件 为用户生成课程的树型框架 生成课程时 将该课程模板的 OWL 文件导入到课程生成和编辑模块中 再将课程树的结构显示出来 用户在课程树上直接进行添加 修改 删除等一系列操作 2 课件导入 丰富的课件资源库是课程制作系统能够快速开发构建课程的基础 为实现不同教 学系统间课件的共享与重用 本系统提供了课件的导入功能 网络上课件可以注入资 源库 丰富资源库 本系统是基于统一资源管理平台上的一个应用 使用的统一资源 库 3 课件检索 支持用户在资源库中搜索和选择 定位 适合他们课程的课件 4 2 2 开发工具与平台 本系统采用 Sun 公司推出的 Java 作为开发语言 开发工具 MyEclipse 5 1 1 GA jdk1 6 0 操作系统 Windows XP 本体开发工具 Protege3 1 1 学习对象制作工具 Reload Editor 4 3 功能设计与实现 前提条件 将课件看作学习对象来进行导入 检索等操作 4 4 3 13 1 学习对象导入组件学习对象导入组件 学习对象导入组件 主要实现课件的导入功能 学习对象内容包装信息 Content Packing 指的是一个学习对象内部各教育资源 之间组织关系的描述信息 其主要目的是增强学习对象的互操作性 关于内容包装信 息的标准首推IMS的内容包装规