基于語義網(wǎng)格的數(shù)字圖書館Ｅ－ｌｅａｒｎｉｎｇ平臺研究

周琪鋒

〔摘 要〕本文講述了數(shù)字圖書館在E-learning環(huán)境下運用語義網(wǎng)格理論，構(gòu)造了基于語義網(wǎng)格的體系模型，并描述了其各層的功能劃分及組成，它能夠有效地實現(xiàn)資源的有效共享及統(tǒng)一管理，為數(shù)字圖書館開展教育資源服務(wù)提供了有力保障。

〔關(guān)鍵詞〕網(wǎng)格；語義；共享；教育資源

〔中圖分類號〕Ｇ２５０.７６ 〔文獻標(biāo)識碼〕Ａ 〔文章編號〕１００８－０８２１（２００９）０５－００５８－０４

Study on Digital Library E-learning Platform Based on Semantic GridZhou Qifeng

（Department of Assets and Equipment Management，Guangdong University of Business Studies，

Guangzhou 510320，China）

〔Ａｂｓｔｒａｃｔ〕This article elaborated the semantic grid theory in digital library under the E-learning environment,constructed the system model based on semantic grid and described the functions and compositions,so it could effectively realize the sharing and unified management,provide strong security service for digital library implementing education resource service.

〔Ｋｅｙｗｏｒｄｓ〕grid;semantic;sharing;education resource

隨著數(shù)字資源的高速增長及Internet在高校的普及與應(yīng)用，E-learning作為一種網(wǎng)絡(luò)條件下的數(shù)字化學(xué)習(xí)方式，在教學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用范圍正不斷擴大。E-learning以教育教學(xué)改革和創(chuàng)新人才培養(yǎng)為目標(biāo)、以現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展為條件、以信息技術(shù)與課程整合為途徑、以教育資源管理與服務(wù)為支撐，對現(xiàn)行的教學(xué)方式產(chǎn)生新的挑戰(zhàn)和沖擊。與此同時，高校圖書館也在逐步向數(shù)字化道路邁進，而其核心價值仍體現(xiàn)在支持教學(xué)并提高教學(xué)質(zhì)量上。因此，探討如何在E-learning環(huán)境下開展教育資源服務(wù)，發(fā)揮高校圖書館的最大功效就具有十分重要的意義。

１ 高校圖書館與E-learning環(huán)境下相結(jié)合的資源服務(wù)

對于教育信息化和E-learning來說，硬件設(shè)施是基礎(chǔ)，資源建設(shè)是核心，人才培養(yǎng)是關(guān)鍵。目前教育資源的嚴(yán)重缺乏及質(zhì)量不高直接影響了教育信息化和E-learning的進一步發(fā)展。數(shù)字化學(xué)習(xí)環(huán)境中重要的一環(huán)就是建設(shè)豐富、便利的資源環(huán)境。何克抗教授曾經(jīng)指出要高度重視各學(xué)科的教學(xué)資源建設(shè)^[１]，這是實現(xiàn)課程整合的必要前提。與傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)環(huán)境一樣，在E-learning環(huán)境中，教育資源主要指的還是用于教和學(xué)的所有東西，包括教科書、電影和作業(yè)本，也包括實驗和課堂演示時所使用的實物，當(dāng)然還包括錄像、軟件、E-learning、網(wǎng)站、電子郵件、在線學(xué)習(xí)管理系統(tǒng)、計算機模擬、網(wǎng)上討論、數(shù)據(jù)文件和數(shù)據(jù)庫等，但是，它也并不都是完全基于計算機的或數(shù)字化的。教育技術(shù)首席執(zhí)行總裁論壇第三次年會以“數(shù)字學(xué)習(xí)的力量整合數(shù)字內(nèi)容”為主題，確定了適應(yīng)E-learning需要的教育資源，這些教育資源的來源不外乎以下方面：一是由專業(yè)信息服務(wù)機構(gòu)或公司以各種格式制作、推出和發(fā)行的有償資源；二是從因特網(wǎng)上獲取的免費資源，這些資源的提供者可以是圖書館、博物館、非贏利機構(gòu)和教師，等等。對于第一方面的資源，高校圖書館具有代理服務(wù)的責(zé)任或承擔(dān)集體用戶的責(zé)任；對于第二方面的資源，高校圖書館具有信息集成和信息導(dǎo)航的功能，也有為教師制作課件資源等提供素材服務(wù)和發(fā)布服務(wù)的功能。同時，從整體上講，高校圖書館可以為E-learning提供信息資源整合、信息發(fā)布和信息交流的平臺功能。數(shù)字學(xué)習(xí)的力量整合數(shù)字內(nèi)容信息，以能創(chuàng)造出具有一定教育價值的各類信息資源，特別是能以數(shù)字信號在因特網(wǎng)上進行傳輸?shù)慕逃畔?。分為案例、試題庫、網(wǎng)絡(luò)課件庫、媒體素材、文獻資料、常見問題解答、資源目錄索引、網(wǎng)絡(luò)課程等類。因此，E-learning環(huán)境下的高校圖書館教育資源服務(wù)^[２]是高校圖書館針對E-learning環(huán)境^[３]的新特點進行的教育資源建設(shè)并在此基礎(chǔ)上開展的服務(wù)。在E-learning環(huán)境下，高校圖書館必須站在“創(chuàng)新職能、增強活力、服務(wù)社會、追求卓越”的高度，承擔(dān)起提供“優(yōu)、快、精、準(zhǔn)”的教育資源服務(wù)的任務(wù)。

２ 語義網(wǎng)格與E-learning環(huán)境下數(shù)字圖書館的應(yīng)用

網(wǎng)格技術(shù)是近年來國際上興起的一種重要信息技術(shù)，被譽為繼互聯(lián)網(wǎng)和Web之后的第三次信息技術(shù)浪潮。它利用現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)，把地理上廣泛分布的各種資源，包括計算資源、存儲資源、帶寬資源、軟件資源、數(shù)據(jù)資源、信息資源、知識資源等整合成一個邏輯整體，實現(xiàn)各種資源的全面共享，消除信息孤島和資源孤島^[４]。簡單地說，傳統(tǒng)因特網(wǎng)實現(xiàn)了計算機硬件的連通；Web實現(xiàn)了網(wǎng)頁的連通；而網(wǎng)格試圖實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)上所有資源的全面連通。網(wǎng)格“在動態(tài)變化的多個虛擬機構(gòu)間共享資源和協(xié)同解決問題”。

網(wǎng)格環(huán)境中資源具有異構(gòu)性、分布性、動態(tài)性、自治性，網(wǎng)格提供了分布式資源管理與共享的手段。語義網(wǎng)格是網(wǎng)格的擴展，不但可以共享計算與數(shù)據(jù)資源，而且可以共享與處理知識。語義網(wǎng)格中也同樣面臨各種異構(gòu)分布式的資源，如何組織網(wǎng)格中資源，避免資源成為信息孤島，有效實現(xiàn)服務(wù)發(fā)現(xiàn)與資源共享，是語義網(wǎng)格研究的關(guān)鍵問題。由于基于概念及屬性值比較這種方式?jīng)]有深入到語義層次的比較，忽略本體中概念之間語義關(guān)系，以及切斷本體之間的語義關(guān)系，必然不能提供完整的服務(wù)。顯然語義網(wǎng)格不能采用上述方法，因為語義網(wǎng)格環(huán)境中無時無刻不彌漫著對語義的理解與處理，應(yīng)該有自己的基于語義的資源組織與基于語義的服務(wù)匹配方法。把資源組織為本體，利用語義Web技術(shù)，采用元數(shù)據(jù)和本體來描述網(wǎng)格上的資源、服務(wù)、數(shù)據(jù)源，從而自動增強服務(wù)的發(fā)現(xiàn)、協(xié)商，信息的抽取、處理，把資源的聚集對應(yīng)為本體的集成，應(yīng)該是一個好的方法^[５]。本體的建立與集成都已經(jīng)有了很多的方法。在語義網(wǎng)格中，一個新的服務(wù)可以且應(yīng)該由多個資源本體協(xié)商完成，實現(xiàn)語義知識的共享，而不僅僅是單一本體來提供的。

３ 基于語義網(wǎng)格的E-learning平臺

E-learning旨在打破時間和空間的限制，支持資源共享和學(xué)習(xí)協(xié)作，提供個性化和自適應(yīng)的學(xué)習(xí)環(huán)境。目前的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)只能支持學(xué)習(xí)資源的低水平共享和學(xué)習(xí)活動的簡單協(xié)作，還存在著許多沒有解決的問題，包括如何實現(xiàn)在分布、自治、異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中共享資源、協(xié)作學(xué)習(xí)；如何讓語義在E-learning中發(fā)揮潛力^[６]；如何構(gòu)建E-learning環(huán)境的必需組件；如何規(guī)范并簡化E-learning環(huán)境的開發(fā)等。為此，本文提出了一個基于語義網(wǎng)格的E-learning平臺體系結(jié)構(gòu)體系，如圖１所示，面向服務(wù)的語義網(wǎng)格中間件就是核心。

面向服務(wù)體系結(jié)構(gòu)使得學(xué)習(xí)協(xié)作伙伴之間的松散禍合成為可能，并且以開放接口的形式提供更高的抽象。語義網(wǎng)格技術(shù)能夠在更高層次上促進學(xué)習(xí)資源的共享和各類學(xué)習(xí)支撐系統(tǒng)的互聯(lián)互操作，便于利用現(xiàn)有的資源和服務(wù)動態(tài)、透明地構(gòu)造新的服務(wù)，即以一種靈活的方式匯聚和協(xié)調(diào)資源。動態(tài)的網(wǎng)格計算環(huán)境以實體自治、異構(gòu)、分布為特點，這是一種無法事先約定的環(huán)境，因此協(xié)作關(guān)系必須能夠被動態(tài)地選擇、協(xié)商、建立和監(jiān)控。為了能有效的匯聚網(wǎng)格組件和資源，不僅需要面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)模型，而且要求相關(guān)的功能性、可用性信息以及不同組件的接口信息必須具有一致的解釋，能夠被機器理解和處理。

３.１ 通用網(wǎng)格服務(wù)層

E-learning應(yīng)用涉及大量的數(shù)據(jù)和計算資源，通常需要跨組織邊界的安全資源共享。為減少應(yīng)用開發(fā)的復(fù)雜性，通用網(wǎng)格服務(wù)層可以屏蔽網(wǎng)絡(luò)資源(物理資源和邏輯資源)的異構(gòu)性，支持網(wǎng)絡(luò)資源的統(tǒng)一管理、分布調(diào)度與安全控制，為上層應(yīng)用提供一個使用方便的、類似于統(tǒng)一操作系統(tǒng)的平臺。

３.１.１ 資源管理

實現(xiàn)資源的描述、注冊、發(fā)現(xiàn)、查找、分配、遷移、預(yù)約、回收等工作。網(wǎng)格資源有以下特點：資源的地理分布極廣，資源之間、資源和客戶以及客戶之間往往通過廣域網(wǎng)連接；資源類型和數(shù)量巨大，而且要求一定程度的協(xié)同工作：資源是動態(tài)變化的，包括資源屬性的變化，以及在網(wǎng)格內(nèi)的復(fù)制和遷移等；資源工作在異構(gòu)平臺上，并且由不同的管理策略控制。在這樣的環(huán)境中，需要有一種不依賴集中控制的、分布式、可擴展、能適應(yīng)資源動態(tài)變化并且定位性能好的資源發(fā)現(xiàn)機制。與Web等傳統(tǒng)分布式系統(tǒng)中通過URL等方式定位資源不同，網(wǎng)格資源發(fā)現(xiàn)機制不僅應(yīng)考慮資源的位置信息，而且應(yīng)考慮資源的屬性等語義信息。

３.１.２ 分布資源禍合服務(wù)

網(wǎng)格的目標(biāo)是將所有的資源組織起來協(xié)同工作，通過分布資源禍合服務(wù)可以把資源以服務(wù)的形式提交給上層的網(wǎng)格應(yīng)用。

３.１.３ 網(wǎng)格安全

通過身份認(rèn)證等安全技術(shù)防止非法用戶通過網(wǎng)絡(luò)使用或獲取網(wǎng)格的任何資源，保障數(shù)據(jù)的安全性。同時，通過權(quán)限控制和數(shù)據(jù)隱藏技術(shù)使用戶只能獲取允許的信息和知識，而不能竊取未授權(quán)的信息。網(wǎng)格安全需要實現(xiàn)用戶認(rèn)證、訪問控制、計費、保密性、完整性、確定性和抗抵賴性等安全功能。

３.１.４ 網(wǎng)格監(jiān)控

實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)流量控制、負(fù)載均衡和擁塞控制，監(jiān)控網(wǎng)格資源、任務(wù)和應(yīng)用的狀態(tài)，提供性能評價和容錯處理。

３.２ 語義網(wǎng)格服務(wù)層

語義網(wǎng)格服務(wù)層包括一組基于SOA的中間件，為共享與協(xié)作等網(wǎng)格特性提供支持。服務(wù)層是資源價值的實現(xiàn)方式，旨在通過建立圖書館組織內(nèi)部和外部的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實現(xiàn)對資源的分配、交流、共享、整合與內(nèi)化，以充分利用信息資源，并支持信息資源的無縫發(fā)送、跟蹤和信息創(chuàng)新。

(1)本體服務(wù)：對E-learning元數(shù)據(jù)進行描述和處理離不開本體。本體給出了元數(shù)據(jù)描述的詞匯^[７]，將不同的概念連接起來，通過建立概念之間的關(guān)系，將元數(shù)據(jù)在語義層次上連接起來。本體服務(wù)支持學(xué)習(xí)資源本體、服務(wù)本體和協(xié)作上下文本體的查詢與使用。

(2)匹配服務(wù)：提供基于語義的服務(wù)查詢和協(xié)作上下文查詢。

(3)服務(wù)管理：提供服務(wù)注冊、注銷和地址綁定更新等功能。

(4)服務(wù)組合：提供服務(wù)的動態(tài)組合功能，支持不同粒度的服務(wù)調(diào)用，并將一組相關(guān)的服務(wù)映射為一個單獨的邏輯服務(wù)，實現(xiàn)服務(wù)的組合，屏蔽服務(wù)發(fā)現(xiàn)、選擇、異常處理等復(fù)雜性。

(5)復(fù)制管理：支持網(wǎng)格環(huán)境下的透明數(shù)據(jù)遷移與復(fù)制以及數(shù)據(jù)副本使用的透明選擇等，為網(wǎng)格環(huán)境下的資源共享提供質(zhì)量保證。

(6)推理服務(wù)：為了計算過程之間能夠充分進行交互，使用推理服務(wù)是必要的。有了機器可理解的簡單易用的Web服務(wù)語義標(biāo)記，就可以開發(fā)智能主體，充分利用語義標(biāo)記來支持自動推理，完成Web服務(wù)組成和互操作。

３.３ E-learning服務(wù)層

３.３.１ E-learning領(lǐng)域服務(wù)層

E-learning領(lǐng)域服務(wù)層面向特定的應(yīng)用領(lǐng)域，位于E-learning服務(wù)層的上層，主要提供與遠程學(xué)習(xí)相關(guān)的服務(wù)，這些服務(wù)分布在各個網(wǎng)格節(jié)點，可以跨組織共享，從功能上可以分為以下幾種：評價反饋與學(xué)習(xí)支持服務(wù)、個性化內(nèi)容傳遞和呈現(xiàn)服務(wù)以及在線指導(dǎo)服務(wù)等，這些服務(wù)為學(xué)習(xí)者提供個性化學(xué)習(xí)支持。其中，評價反饋與學(xué)習(xí)支持服務(wù)根據(jù)學(xué)習(xí)目標(biāo)進行形成性或總結(jié)性評價，為學(xué)習(xí)者提供準(zhǔn)確、及時、全面的反饋信息，這些信息幫助學(xué)習(xí)者改善學(xué)習(xí)；個性化內(nèi)容傳遞和呈現(xiàn)服務(wù)強調(diào)為學(xué)習(xí)者提供合適的自定義的學(xué)習(xí)資源：在線指導(dǎo)服務(wù)強調(diào)以技術(shù)手段降低成本的“一對一”教學(xué)方式。

３.３.２ E-learning公共服務(wù)層

E-learning公共服務(wù)層主要提供網(wǎng)格環(huán)境下的協(xié)作支持服務(wù)和資源共享服務(wù)，位于語義網(wǎng)格中間件的上方。在使用E-learning學(xué)習(xí)的各個階段，角色的分配和資源的分配涉及跨組織的節(jié)點透明操作和服務(wù)的聚合問題，E-learning是一種廣域的、動態(tài)的跨組織的活動需要人——系統(tǒng)——人協(xié)同工作，E-learning基礎(chǔ)設(shè)施的公共服務(wù)層可以提供這方面的支持^[８]。公共服務(wù)層包括軟件代理、協(xié)作工具、個性化服務(wù)和過程監(jiān)控。

(1)協(xié)作工具。主要提供以下服務(wù)：協(xié)作伙伴的狀況信息、討論記錄、會議狀況、要做的事情列表，工程狀態(tài)等。

(2)事件管理。捕獲用戶和服務(wù)之間的交互，為項目管理和學(xué)習(xí)行為提供依據(jù)。

(3)內(nèi)容管理。學(xué)習(xí)對象能夠被發(fā)現(xiàn)，并可以利用元數(shù)據(jù)語言進行組合與重構(gòu)，從而實現(xiàn)課程的靈活構(gòu)建，包括建構(gòu)數(shù)字化學(xué)習(xí)資源，提供學(xué)習(xí)資源查詢服務(wù)、學(xué)習(xí)內(nèi)容序列化服務(wù)和學(xué)習(xí)內(nèi)容遞送服務(wù)等。

(4)學(xué)習(xí)管理。負(fù)責(zé)課程實例的配送和管理，跟蹤學(xué)習(xí)資料和使用者之間的交互，包括對學(xué)習(xí)過程的跟蹤和知識水平的評價，這些信息對診斷學(xué)習(xí)過程中出現(xiàn)的問題具有重要價值。

３.３.３ E-learning應(yīng)用安全

服務(wù)安全問題，比如共享資源的進入授權(quán)，內(nèi)容機密性、個體的鑒定、以及資源使用方法的審核，在分布式系統(tǒng)的平穩(wěn)和有控制的工作中扮演著重要的角色。在一個語義環(huán)境中，用可靠的方式處理整個系統(tǒng)的工作流是困難的。幾個可以成為伙伴并且可以在一個網(wǎng)格環(huán)境中形成虛擬市場的虛擬組織，可能有不同的安全策略和機制來提供可靠的和可控的進入資源的入口，因此在形式的包裝上和在公共策略描述語言上就需要一個可以掩蓋安全策略異構(gòu)的公共機制。此外，E-learning應(yīng)用安全需要和網(wǎng)格安全結(jié)合起來，通過建立映射機制和組件協(xié)作來共同提供安全保障。

３.４ E-learning應(yīng)用層

基于語義網(wǎng)格的E-learning平臺體系結(jié)的頂層是E-learning應(yīng)用層，它的主要功能是支持用戶與系統(tǒng)之間的交互服務(wù)，為用戶提供基于Web的使用底層資源的界面，或者提供各種終端用戶的應(yīng)用軟件。E-learning應(yīng)用層實際上就是底層的資源和上層的應(yīng)用程序之間的媒介。把應(yīng)用和服務(wù)分離成兩層的好處是雙重的：首先，由于高內(nèi)聚性和松散禍合，它將最小化代碼重寫的工作并增加應(yīng)用程序的可維護性；其次，它也確保在應(yīng)用程序的演進過程中能夠符合于規(guī)范化的標(biāo)準(zhǔn)。圖書館工作人員，可以使用服務(wù)層所提供的環(huán)境和各類資源服務(wù)在知識應(yīng)用層集成或開發(fā)相應(yīng)的知識應(yīng)用系統(tǒng)，包括館藏書刊查詢系統(tǒng)、讀者信息查詢系統(tǒng)、學(xué)科資源導(dǎo)航系統(tǒng)、電子期刊導(dǎo)航系統(tǒng)、視頻數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、文獻傳遞系統(tǒng)、遠程學(xué)習(xí)教育系統(tǒng)、文檔管理系統(tǒng)、協(xié)同工作系統(tǒng)、跨域搜索系統(tǒng)、財務(wù)管理系統(tǒng)、虛擬會議系統(tǒng)等。

４ 結(jié)束語

文中提出了一種基于語義網(wǎng)格的E-learning平臺，為數(shù)字圖書館的分布式存儲和廣域共享、一體化訪問提供了研究和實現(xiàn)的基礎(chǔ)。本模型的特點包括以下幾點：

(1)結(jié)合語義網(wǎng)格中的虛擬組織，提出了推理服務(wù)的概念，優(yōu)化了信息資源和用戶的組織和管理。

(2)提出了在E-learning支撐環(huán)境突出了資源協(xié)作、資源共享和個性化學(xué)習(xí)支持服務(wù)等功能，為資源的定位、資源的訪問控制以及用戶管理提供支持，使推理服務(wù)的自主管理和集中控制下可相應(yīng)協(xié)調(diào)。

(3)結(jié)合各服務(wù)層中實行不同的安全控制，提出需要安全策略異構(gòu)的公共機制，來協(xié)調(diào)各服務(wù)之間的資源共享。

(4)本模型提出了資源服務(wù)共享，使得用戶獲取資源的主動性和任意性大大提高，為用戶在網(wǎng)絡(luò)上獲取服務(wù)提供了便利的通道。但是本模型仍有些關(guān)鍵性問題需要進一步研究，比如構(gòu)建全局一體的訪問控制機制、提高資源定位的效率、服務(wù)訪問效率等。

因此，高校圖書館應(yīng)順應(yīng)數(shù)字時代的發(fā)展做好資源服務(wù)工作，把傳統(tǒng)服務(wù)方式的優(yōu)勢和E-learning的優(yōu)勢有機地結(jié)合起來，將教育信息資源服務(wù)滲透到教育領(lǐng)域的各個環(huán)節(jié)中去，為高校圖書館飛躍發(fā)展帶來新的契機。

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