基于领域本体的课件模型毕业设计(论文)

湖南大学毕业设计(论文) 第27页HUNAN UNIVERSITY毕业设计(论文)设计论文题目：基于领域本体的课件模型学生姓名：学生学号：专业班级：学院名称：指导老师：学院院长：2008年5月26日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：课件；学习对象；LOM；领域本体；XMLA courseware model based on Domain OntologyAuthor: He SongTutor: Yang Guan ZhongAbstractAs 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目 录HUNAN UNIVERSITYI1 绪论11.1 研究背景11.2.国内外研究现状11.2.1 本体研究现状11.2.2 学习对象研究现状21.3 论文的研究任务和主要工作21.4 本文的结构32 领域本体的概念及应用42.1 本体的概念42.2 本体的分类42.3 本体描述语言52.4 本体的应用52.5 基于本体的课程建模52.6小结53 系统的相关技术63.1 学习对象技术的应用63.1.1 学习对象的概念63.1.2 学习对象的结构模型73.1.3 学习对象的特性83.1.4 学习对象相关标准113.1.5 学习对象制作工具133.2 XML技术的应用153.3 DOM解析器163.4 小结164 课程制作系统的设计与实现174.1引言174.2 需求分析184.2.1 设计目标184.2.2 开发工具与平台204.3功能设计与实现204.3.1 学习对象导入组件204.3.2 学习对象检索组件214.3.3 界面设计234.4小结23结论24致谢25参考文献261 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。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。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.Prez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。Protg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，通过各类插件支持多种本体格式。本文中就是选用Protg3.3.1来建立课程本体。本文针对计算机网络这一领域，运用Protg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。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, APIs, 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.Wiley2.一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*元数据学习内容练习评估 图3.1 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。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（DLTSDistance 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3.1 LOM元数据类别说明通用（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：图3.2 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 ELearning 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 Editor4.3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。4.3.1 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的内容包装规范（IMS Content Packing，CP）。 IMS的内容包装规范标准定义了一种能够用来交换学习对象内容的标准数据结构，使之能方便地输入、输出、合并或拆分. 学习对象内容包装规范/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的数据结构，也即是实现了数据结构层面的统一性。学习对象内容包是一个逻辑目录， 包含了一个名为“imsmanifest.xml”的顶级内容清单文件，该XML文件引用的XML支持文件(诸如DTD、XDR、或XSD文件)以及子目录中包含的实际物理文件。（1）顶级内容清单 一个必需的元素，描述了包自身，它也可以包括可选的子内容清单。每一个内容清单实例包含以下几部分：u 元数据部分 - 对内容清单作整体描述。u 结构部分 描述了在内容清单中内容的一个或多个组织结构。u 资源部分 - 包含了对所有实际资源和内容清单中所需媒体元素的引用，还包括描述资源的元数据和对任何外部文件的引用。u 子内容清单 零个或多个嵌套的内容清单。（2）物理文件 一些实际的媒体元素，文本文件，图像或其他资源，存放在内容清单中描述的各子目录下。主要的类：XmlOperate，用于在导入学习对象时，将顶级内容清单“imsmanifest.xml”的信息解析出来，并显示在主界面。图4.2显示的是学习对象“FTP_1”导入系统后，主界面元数据窗体：图4.2 学习对象“FTP_1”导入系统后元数据窗体4.3.2 学习对象检索组件本系统中资源库中存储的全部是学习对象，学习对象都是以元数据进行描述的，因此本组件使用的检索条件与元数据形成映射关系。表4.1 查询条件映射示例表编号检索条件LOM元数据举例1标题General. Title计算机网络2作者LifeCycle.Contribute.role熊桂喜王小虎3关键字General. Keyword网络，计算机4语种General. LanguageZh5媒体格式Technical. FormatMspowerpoint6教育情景Educational.Context高等教育7年龄水平Educational.Typical AgeRange18-408用户角色Educational.IntendedEndUserRole学习者9学科分类Classification. taxon理工科10日期LifeCycle.Contribute.data2002年11课时Education. Typical Learning Time48课时 本文选取了“关键字”这一检索条件与元数据“General. Keyword”相映射。主要的类：（1）GetInfModel，用于从课程本体中获取与输入的关键字有特定关系的概念，得到新的关键字；（2）ExtensionFileFilter，用于检索资源库中的顶级内容清单文件“imsmanifest.xml”；（3）DomParse，利用从GetInfModel类中得到的新的关键字，在资源库中查找到符合检索条件的学习对象元数据，并将匹配的路径作为参数传递到图形界面。4.3.3 界面设计图4.3 学习对象搜索界面按钮“浏览”事件处理：显示学习对象库路径；按钮“搜索”事件处理：先通过输入的关键字在课程本体中获取到有特定关系的概念作为新的关键字，再利用新的关键字在资源库中搜索各目录下顶级内容清单“imsmanifest.xml”中关于元数据“Keyword”的信息描述，若发现匹配的“Keyword”，则在左下的TextArea中显示匹配关键字的学习对象路径；4.4小结本章概述了课程制作系统的设计与实现，主要阐述了学习对象导入组件和学习对象检索组件的设计与实现。 结论e-Learning是现代教育技术的主流发展方向，教育资源则是e-learning的基础。但是如果仅有教育资源，而不能有效地共享及利用它们，则只能导致资源的重复性开发，浪费人力、物力。如果能将网络上分布的各类教育资源组织成可重用的学习对象，并提供教育资源的存储、共享及获取等服务，既符合人们使用网络资源的习惯，又具有较好的封装性、重用性。再结合领域本体的技术，使得网络上的教育资源间的联系紧密，结构清晰，有效地解决教育资源的共享问题。本文的工作主要为实现课程制作系统的“学习对象导入”“学习对象检索”两个组件。在充分结合目前国内外教育资源的实际情况下，结合学习对象技术和领域本体技术,讨