數(shù)字教學資源的語義標記系統(tǒng)設計研究

王小夢++郭爽

摘 要：隨著互聯(lián)網(wǎng)的普遍應用特別是大數(shù)據(jù)、云計算和移動互聯(lián)等技術的發(fā)展，教學資源逐漸向數(shù)字化、網(wǎng)絡化和智能化方向發(fā)展。數(shù)字教學資源建設是教育現(xiàn)代化的核心，其最終目的是為了滿足信息環(huán)境下師生的多元化需求，以提高教學效果，培養(yǎng)學生的綜合素質(zhì)和能力。然而，當前數(shù)字教學資源由于來源不同，質(zhì)量參差不齊，在內(nèi)容上存在大量的重復交叉，用戶不得不消耗大量時間在資源查找和知識發(fā)現(xiàn)上。因此本文嘗試運用語義標記的方式增強不同教學資源的關聯(lián)性，豐富教學資源的內(nèi)容和表現(xiàn)形式，改善用戶的體驗，最終實現(xiàn)數(shù)字教學資源智能化發(fā)展。

關鍵詞：數(shù)字教學資源；語義標記；語義網(wǎng)；信息組織方式

中圖分類號：G434 文獻標志碼：A 文章編號：1673-8454（2017）13-0040-05

隨著信息化和數(shù)字化的不斷發(fā)展，為了適應教育現(xiàn)代化的發(fā)展需要，教學資源的數(shù)字化進程逐步加快。然而其存在的問題也日益凸顯。不同來源的教學資源采取不同的數(shù)據(jù)規(guī)范和標準，使數(shù)字資源之間難以統(tǒng)一口徑，資源之間缺少必要的關聯(lián)。除此之外，資源本身的描述不夠具體，用戶往往需要花費較多的時間提取所需信息，這些問題的存在都嚴重阻礙了教學資源的智能化進程。2000年，Web之父、萬維網(wǎng)的發(fā)明者伯納斯·李（Berners-Lee）提出了語義網(wǎng)（Semantic Web）的概念。自2009年肖頓·戴維（Shotton David）等人提出語義出版概念后，語義出版就受到了出版界與學術界的廣泛關注。語義出版是一種語義増強的期刊出版形式，它通過語義標記的方式豐富了文章的內(nèi)容和表現(xiàn)形式，有助于增強文章內(nèi)容的關聯(lián)性，改善科研用戶的閱讀體驗，最終實現(xiàn)智能化出版。[1]

近年來，面對數(shù)字教學資源建設窘迫的現(xiàn)狀，語義相關技術逐步受到關注。楊現(xiàn)民、余勝泉等[2]2013年基于學習元平臺（Learning Cell System， LCS），提出了綜合應用語義基因、基于規(guī)則的推理、關聯(lián)規(guī)則挖掘等技術實現(xiàn)資源動態(tài)語義關聯(lián)的方法，并在實踐中驗證了該方法的準確性。楊現(xiàn)民[3]提出教學資源動態(tài)語義聚合是要自動生成具有內(nèi)在邏輯關聯(lián)的資源結構體，且可以隨著資源之間關聯(lián)關系的變化而動態(tài)更新和發(fā)展。語義標記技術可以增強教學資源之間的語義關系，促進資源的發(fā)現(xiàn)獲取，能夠在一定程度上解決教學資源數(shù)字化進程中面臨的困境。鑒于此，本研究將對數(shù)字教學資源的語義標記相關技術進行探索，提出數(shù)字教學資源語義標記系統(tǒng)模型，并以基礎教育教學資源為例對數(shù)字教學資源語義標記實現(xiàn)路徑進行分析，期望能對當前數(shù)字教學資源建設提供借鑒和參考。

一、數(shù)字教學資源語義標記的相關理論與技術

1.語義標記的概念與意義

語義標記是建立在資源深度揭示與高度集成基礎上的信息組織方式，它的出現(xiàn)為創(chuàng)新教學資源組織與發(fā)布方式提供了新的思路；同時，通過對資源知識單元進行語義標識提高資源對象間的關聯(lián)度，有助于實現(xiàn)資源內(nèi)容的按需重組與發(fā)布。[1]借助本體、關聯(lián)數(shù)據(jù)等語義相關技術，可以豐富數(shù)字教學資源的內(nèi)容特征，增強不同資源間的語義關聯(lián)，并提供相關資源數(shù)據(jù)集的獲取途徑，提高資源的利用率。從數(shù)字教學資源的內(nèi)容、形式和服務等方面來看，語義標記具有五方面顯著的意義：

（1）實現(xiàn)資源內(nèi)容結構化。在海量教學資源中，存在著大量碎片化、非結構化的信息，用戶無法高效地進行篩選、提取和利用，通過XML、RDF、OWL等技術和標準，可以將大量非結構化、碎片化信息轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y構化信息。在此基礎上，通過添加語義標簽，劃分教學資源的結構層次，建立資源與數(shù)據(jù)庫之間的鏈接，以便實現(xiàn)教育內(nèi)容的獲取和處理。

（2）促進教學資源的融合。在語義標記的網(wǎng)絡環(huán)境下，不同來源的數(shù)字資源、不同描述方式的內(nèi)容可以通過提取元數(shù)據(jù)、構建本體庫、進行數(shù)據(jù)關聯(lián)等方式實現(xiàn)數(shù)字資源的有效融合；通過語義互操作實現(xiàn)不同類型數(shù)據(jù)之間的融合，從而解決不同數(shù)據(jù)描述方式帶來的資源異構問題以及不同數(shù)據(jù)庫來源帶來的跨庫檢索難以實現(xiàn)的問題，改變信息孤島等情形的存在，大大提升用戶的檢索效率和檢索體驗。

（3）實現(xiàn)數(shù)字資源可視化。語義標記通過添加語義標簽、高亮詞條等可視化方式，可以更好地展示教學資源的知識結構，幫助用戶快速理解資源核心主題，獲取相關信息，提高學習效率。

（4）實現(xiàn)資源對象關聯(lián)化。語義標記借助語義技術，通過自動識別資源中有意義的實體，從內(nèi)容的邏輯結構等不同層次實現(xiàn)對教學資源的精準分析，實現(xiàn)知識單元之間的多層次關聯(lián)，深度揭示教學資源的知識結構，便于用戶閱讀和理解。同時，通過教學資源的多重引用關系和本體技術，實現(xiàn)不同語義資源之間以及內(nèi)外部資源的聯(lián)系，便于用戶拓展閱讀。

（5）實現(xiàn)資源個性化推送。不同的用戶有著不同的信息需求，個性化是信息服務的發(fā)展趨勢，面向語義標記的數(shù)字教學資源有必要關注用戶同數(shù)字化資源之間的相關性，分析用戶的興趣所在，并以用戶需求為導向組織和提供適合的教學資源。

2.數(shù)字教學資源語義標記的表現(xiàn)形式

數(shù)字教學資源語義標記的表現(xiàn)形式主要包括兩種，一種是對資源外部形式特征的揭示，如揭示資源的媒體類型、格式、適用對象、作者、日期、版權管理、標識、評價等信息，并根據(jù)這些外部的形式特征建立起與相關實體資源的關聯(lián)。另一種是對資源內(nèi)容特征和邏輯結構的揭示和描述，具體可以體現(xiàn)為標題、學科、年級、教材版本、知識點等實體的語義標注，實現(xiàn)資源內(nèi)容的結構化導航及相關資源之間的聯(lián)系等。語義標記的發(fā)展階段大致劃分為三個層次——描述外部特征的初級階段、淺層語義特征描述階段和深層語義特征標引階段。在淺層語義特征描述階段，主要關注半隱性或半顯性語義特征的描述。隨著相關技術的不斷發(fā)展成熟，逐步過渡到全面實現(xiàn)語義特征標記的高級階段。

3.數(shù)字教學資源的語義標記技術

語義標記通過XML、元數(shù)據(jù)、本體、關聯(lián)數(shù)據(jù)等語義相關技術，能夠?qū)崿F(xiàn)非結構信息的結構化，通過添加語義標簽使信息資源內(nèi)容有層次，從而為實現(xiàn)內(nèi)容的自獲取與融合提供基礎。

（1）XML

XML（eXtensible Markup Language，可擴展標記語言）是由W3C定義的一種用于對信息進行描述的語言，是標準通用標記語言SGML的一個優(yōu)秀子集。XML既能對數(shù)據(jù)內(nèi)容進行描述，也可以對其結構進行描述，從而體現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的關系。在數(shù)據(jù)交互和集成方面，XML有著獨特的優(yōu)勢。XML的可擴展性使用戶可以根據(jù)特定的需要定義文檔中的標記，非常靈活；XML可以使數(shù)據(jù)結構化，方便建立任何層次復雜的模型。作為數(shù)據(jù)表示與交換的標準，XML可以表達各種類型的不同數(shù)據(jù)，提供數(shù)據(jù)結構和內(nèi)容表示的通用格式，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互與共享。此外，其跨平臺能力能夠?qū)崿F(xiàn)不同數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)的無縫集成。

（2）元數(shù)據(jù)

元數(shù)據(jù)是用來對數(shù)據(jù)屬性進行描述的“關于數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)”。信息界將元數(shù)據(jù)定義為：既可以用來描述信息資源，也可以為各種不同的數(shù)字化信息單元和資源集合提供規(guī)范，并且能夠?qū)?shù)字資源進行整合，加強對信息資源的搜集開發(fā)和組織利用。[4]元數(shù)據(jù)的可獲取性和泛在性，為數(shù)字資源聚合提供了數(shù)據(jù)基礎；其規(guī)范性的結構特征能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字資源不同層次的集成。

（3）本體

本體是某個領域的概念集合和概念之間的關系，通過形式化的方式表達該領域的知識及其知識結構。在Tim Berners Lee提出的Web體系結構中，本體層起著關鍵作用。本體可以為不同類型不同來源的資源提供統(tǒng)一的概念描述標準，從而實現(xiàn)資源的語義化標注和資源與資源之間的語義互操作，這為解決不同資源間的語義異構難題提供了基礎；同時，對不同領域的資源構建本體，可以將不同的知識本體聚合，有利于解決數(shù)字資源孤島問題，從而實現(xiàn)數(shù)字資源多層次全方位的深度聚合。[5]在知識組織中，本體的主要作用就是基于資源集合構建一個本體概念模型，該模型通過對資源進行語義標注，將其組織成相互關聯(lián)的知識網(wǎng)絡，從而完整清晰地反映資源的知識結構，更好地實現(xiàn)知識檢索。[6]目前，基于本體的應用主要是構建各種類型的本體知識庫和本體概念模型，在語義層面上對資源內(nèi)容進行描述和揭示。

（4）關聯(lián)數(shù)據(jù)

關聯(lián)數(shù)據(jù)由語義網(wǎng)創(chuàng)始人Berners Lee在2006年7月首次提出，是W3C推薦的用來在語義網(wǎng)上發(fā)布、共享、鏈接各類數(shù)據(jù)、信息和知識的一種標準。關聯(lián)數(shù)據(jù)是一種推薦的語義網(wǎng)最佳實踐，是語義網(wǎng)發(fā)展的重要推動力量。關聯(lián)數(shù)據(jù)可以理解為用URI來命名數(shù)據(jù)資源，采用RDF模型來描述和聯(lián)接資源，并揭示資源間的語義關系，通過HTTP協(xié)議來獲取這些數(shù)據(jù)。關聯(lián)數(shù)據(jù)對數(shù)據(jù)資源進行語義描述，不僅可以揭示數(shù)字資源內(nèi)部的復雜聯(lián)系，還能夠?qū)崿F(xiàn)不同數(shù)字資源之間的語義互操作，從而促進資源之間的語義互聯(lián)和深度聚合。它不僅使分散異構的數(shù)據(jù)實現(xiàn)語義關聯(lián)，還常與本體技術結合，增強資源之間的語義相關，從而使數(shù)據(jù)資源成為無縫關聯(lián)的有機整體，便于實現(xiàn)數(shù)字資源的一站式檢索等其他應用。

二、數(shù)字教學資源的語義標記系統(tǒng)模型

基于當前數(shù)字教學資源建設面臨的問題，以及語義標記為導向的數(shù)字資源建設所具有的優(yōu)勢和價值，本文依據(jù)王曉光、陳孝禹提出的語義出版的DBIU模型，借助數(shù)字教學資源語義標記相關技術，構建了數(shù)字教學資源的語義標記系統(tǒng)模型。[7]（見圖1）

依據(jù)王曉光、陳孝禹提出的語義出版的DBIU模型，將數(shù)字教學資源語義標記層次模型分為數(shù)據(jù)層（Data）、業(yè)務層（Business）、交互層（Interaction）和用戶層（User）。

數(shù)據(jù)層用來存儲各種類型的數(shù)據(jù)。在語義標記中，數(shù)據(jù)類型豐富，除了傳統(tǒng)的結構化數(shù)據(jù)之外，還包括了大量的半結構化和非結構化的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)層即用來存儲不同類型的數(shù)據(jù)，它是語義標記系統(tǒng)的基礎。數(shù)據(jù)層不僅僅是傳統(tǒng)的以單個資源作為存儲單元的教學數(shù)據(jù)資源庫，還有大量的以細粒度“知識單元”作為獨立存儲單元的數(shù)據(jù)庫，例如XML數(shù)據(jù)庫、關系型數(shù)據(jù)庫等。這些數(shù)據(jù)庫的建立滿足了用戶實現(xiàn)知識快速獲取和高效利用的信息需求，將信息服務由資源本身深入到了資源內(nèi)部的知識單元，使語義標記具備了知識服務的功能。

業(yè)務層則是在數(shù)據(jù)層存儲各類數(shù)據(jù)、建立知識單元的獨立知識庫的基礎之上，對知識單元進行識別，實現(xiàn)知識單元與知識單元之間的自動關聯(lián)，從而構建一個廣泛的、充滿語義聯(lián)系的知識網(wǎng)絡，實現(xiàn)知識的自動發(fā)現(xiàn)。業(yè)務層能對數(shù)據(jù)進行結構化處理，并對資源內(nèi)部的知識單元進行細粒度的識別和語義標注，將眾多資源聯(lián)系起來，建立起層次多且豐富的知識關聯(lián)，滿足當前環(huán)境下用戶對信息和知識集成和集中獲取的需要。業(yè)務層建立的關聯(lián)不僅包含傳統(tǒng)的教學資源之間的相互關聯(lián)，例如建立一個資源同相關資源之間的聯(lián)系，還包括資源內(nèi)部各個部分之間的聯(lián)系以及教學資源內(nèi)部知識單元同外部資源之間的鏈接，大大豐富了教學資源的知識內(nèi)容。

交互層是直接面向用戶的，通過提供用戶交互界面來對用戶發(fā)現(xiàn)、獲取和利用知識進行指導。交互層基于資源發(fā)現(xiàn)的導航設計以及信息可視化窗口等技術，可以將知識以更生動的方式呈現(xiàn)在用戶面前，能夠幫助用戶迅速獲取想要的知識，增強用戶對復雜知識的理解。

用戶層是通過分析和識別用戶需求，挖掘用戶興趣來滿足用戶對知識信息的個性化需求。在用戶層，通過對用戶使用網(wǎng)絡和瀏覽教學資源的行為進行記錄和分析，借助數(shù)據(jù)挖掘等技術，分析出用戶的信息需求和興趣所在，建立用戶興趣庫，并據(jù)此向用戶推薦可能感興趣的資源，使資源利用水平和知識服務水平都得到了很大的提升。

綜上所述，在語義標記層次模型中，數(shù)據(jù)層主要用于對各類型數(shù)據(jù)的存儲，通過知識庫的建立實現(xiàn)用戶對信息和知識的自由存取和利用，需要借助XML、元數(shù)據(jù)標準對數(shù)據(jù)格式及數(shù)據(jù)屬性進行規(guī)范化標記。業(yè)務層則強調(diào)對數(shù)據(jù)資源進行深層次的加工整合，以實現(xiàn)對知識單元的語義識別及相互之間的語義關聯(lián)，通過構建知識網(wǎng)絡促進知識的自動發(fā)現(xiàn)和獲取，業(yè)務層需要借助本體技術構建學科知識本體模型，在此基礎上利用數(shù)據(jù)關聯(lián)語義技術實現(xiàn)資源之間的互操作。交互層通過信息可視化技術，將經(jīng)過語義標注和關聯(lián)的教學內(nèi)容以生動簡單、易于理解的形式呈現(xiàn)給用戶，幫助他們理解復雜知識內(nèi)容。用戶層則是通過對用戶瀏覽利用資源記錄的分析，借助數(shù)據(jù)挖掘和算法推薦等技術，揭示用戶興趣所在，并以此為依據(jù)實現(xiàn)資源個性化推送。

三、教育數(shù)字資源語義標記的實現(xiàn)路徑——以基礎教育教學資源為例

從語義標記層次模型中可以看出，數(shù)據(jù)層是開展上層活動的基石，業(yè)務層是交互層和用戶層功能實現(xiàn)的前提，只有依據(jù)數(shù)據(jù)層和業(yè)務層的要求來對數(shù)字資源進行語義標記，才能更好地為交互層和用戶層提供一個組織有序、整合良好的資源整體。本文依據(jù)數(shù)字教學資源的語義標記系統(tǒng)模型以及語義標記相關技術，建構了數(shù)字教學資源語義標記的實現(xiàn)路徑，大體包括三個階段——元數(shù)據(jù)階段、本體建模階段、數(shù)據(jù)關聯(lián)階段。本節(jié)將以基礎教育教學資源為例進行路徑分析。

1.元數(shù)據(jù)階段

元數(shù)據(jù)是“關于數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)”，是描述數(shù)據(jù)屬性的信息，用來支持如指示存儲位置、歷史數(shù)據(jù)、資源查找、文件記錄等功能。我國現(xiàn)有的基礎教育教學資源庫建設大部分遵循CELTS-42[8]元數(shù)據(jù)規(guī)范，然而不同的教學資源平臺對資源屬性的描述都不盡相同，表達上也存在一些出入。因此本文依據(jù)教學資源語義標記的表現(xiàn)形式，即資源外部形式特征和資源內(nèi)容特征兩個方面對元數(shù)據(jù)進行整理歸納，得出基礎教育教學資源元數(shù)據(jù)集。（見表1）這個階段的語義標記還僅僅停留在淺層語義特征描述階段。要想達到深層語義特征標引階段，還需要構建學科本體模型，實現(xiàn)對資源內(nèi)容特征和邏輯結構的深層揭示。

2.本體建模階段

本體是某領域的概念集合和概念之間的關系，通過形式化的方式表達該領域的知識及其知識結構。構建學科領域本體是一個浩大的工程，單純靠領域?qū)＜沂止嫿?，人力和時間成本都不小，單純靠機器自動構建的準確率還較低，目前認為由領域?qū)＜覙嫿ü羌鼙倔w、機器輔助完善本體是一個較為可行的方案。在中小學學科領域尚未形成可供參考的本體構建思路和模型。相比其他知識本體，學科知識有其獨特的性質(zhì)，不單要考慮知識內(nèi)容本身，也要考慮學科教學內(nèi)容及教學內(nèi)容組織形式。本文依據(jù)丁國柱、余勝泉[9]對語文學科本體的構建流程，從學科知識本體、學科教材本體、學科教學本體三個維度出發(fā)構建學科骨架本體。（見圖2）

（1）學科知識本體建模

知識分類是構建知識本體的前提，基礎教育學科知識體系是在課程標準指導下，學科知識點之間相互關聯(lián)構成的知識系統(tǒng)，它是基礎教育教學資源平臺建設的核心技術和難點。當前不少教學資源平臺都推出了自己的知識點體系，然而這些知識體系描述相對粗略，缺乏教學信息的描述，知識點之間只是單一維度的上下位線性關系，缺乏知識之間多維度邏輯關系的體現(xiàn)。在數(shù)據(jù)系統(tǒng)中表征相對完整的學科知識體系，其實質(zhì)是構建學科知識本體。目前學科知識本體的建構大多依據(jù)教材體系進行建構，還存在許多不合理的地方。

（2）學科教材本體建模

在學科教學中，知識的組織形式通過教材呈現(xiàn)，一線教師和學生最終通過教材完成對知識的傳授和學習。如果說學科知識本身是內(nèi)容，那么教材則是對內(nèi)容的組織。把學科知識內(nèi)容與教材關聯(lián)有助于教學資源的組織，學生學習往往以教材教學順序展開，學科知識本體就可通過教學流程進行整合，為學習資源深度聚合、情境導航、資源推薦、智能導學等應用打下基礎。

（3）學科教學本體建模

只有學科知識內(nèi)容本體和學科知識組織本體還不能反映學科知識應該如何教授，也無法表征不同層次的學生對同一個知識點的教學要求，因此必須深入課程標準，認真分析其對學科知識的選擇、對不同學習層次學生的要求、教學方法的指導意見等，這就是學科教學本體。學科教學本體包含相關知識實例的教學方法、學習方法、教學目標、教學內(nèi)容、教學測量和評價等。

3.關聯(lián)數(shù)據(jù)階段

關聯(lián)數(shù)據(jù)（Linked Data）是一種發(fā)布和鏈接各類數(shù)據(jù)信息的方式，由伯納斯·李在2006年提出。其目的在于基于當前的Web，建立一個聯(lián)接所有自然、社會和精神世界的數(shù)據(jù)之網(wǎng)，對其中的所有事物以及事物和事物之間的關系進行計算機可理解的描述，構建數(shù)據(jù)之間的緊密聯(lián)系，從而使任何人都可以借助互聯(lián)網(wǎng)來高效地查找、利用和分享這些信息和知識。[12] 在構建了學科本體之后，將這些本體數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為語義元數(shù)據(jù)，用RDF格式來表示，并用URI表示的資源來替代這些RDF格式或者XML格式表示的語義元數(shù)據(jù)中數(shù)據(jù)類型屬性的屬性值，從而形成不同數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)之間的關聯(lián)。與傳統(tǒng)網(wǎng)絡相比較，以關聯(lián)數(shù)據(jù)為核心形成的數(shù)據(jù)之網(wǎng)能夠提供給用戶更準確、更豐富的信息資源，更好地滿足用戶獲取資源的需求。

四、反思與小結

隨著語義相關技術的發(fā)展，本文針對目前數(shù)字教學資源建設方面存在的問題，提出了數(shù)字教學資源的語義標記系統(tǒng)模型，并以此為依據(jù)展示了基礎教育數(shù)字教學資源的語義標記的實現(xiàn)路徑，揭示了利用語義相關技術進行數(shù)字教學資源標記的有效性和可行性。然而目前數(shù)字教學資源本體建構的相關實踐還處于發(fā)展階段，教學資源深層語義標記是教學資源數(shù)字化發(fā)展的必然趨勢，在未來隨著本體、關聯(lián)數(shù)據(jù)等相關語義技術的不斷成熟和發(fā)展以及用戶對語義標記強烈的需求推動，數(shù)字教學資源的語義標記可以挖掘出更多隱性的知識特征，集成更豐富的信息源，為用戶獲取信息帶來更多便利，為智慧教學提供必需的支撐。

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（編輯：王天鵬）