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1、华东师范大学硕士学位论文知识表示在教学领域的应用研究教育信息处理的知识 表示姓名：李雄波申请学位级别：硕士专业：教育技术学指导教师：沈霄凤20070501知识表示在教学领域的应用研究 一一 的知识表示起源于哲学的本体论近年来受到信息科学领域的广泛关注，其重要性也已在许多方面表现出来并得到广泛认同。尤其前几年本体论在W e b 上的应用导致了语义W e b 的诞生，在W 3 C 的主导下有望解决W e b 信息共享时的语义问题，从而实现世界范围内的知识共享和智能信息集成。从哲学意义上看，本体论关注的是“存在”，即世界在本质上有什么样的东西存在，或者世界存在哪些类别的实体。所以哲学上的本体论是对世
2、界任何领域内的真实存在所做出的客观描述，而这种描述不一定完全建立在已有的知识基础上，还包括“求真”的过程。T o mG r u b e r 和N i c o l aG u a r i n o 分别在1 9 9 3 年和1 9 9 8 年借鉴哲学本体论思想的内涵，并考虑到本体论在人工智能和信息系统领域应用的具体特点，提出了概念化( c o n c e p t u a l i z a t i o n ) 这一重要定义，对信息科学领域中本体论的定义做了进一步的辨析和规范。美国斯坦福大学知识系统实验室的G r u b e r 认为：概念化是从特定目的出发对所表达的世界所进行的一种抽象的、简化的观察。每
3、一个知识库、基于知识库的信息系统以及基于知识共享的智能a g e n t 都内含一个概念化的世界，或是显式的或是隐式的。本体论是对某一概念化所做的一种显式的解释说明。因此严格地说，本体是一个逻辑理论的陈述性描述。与概念化的区别就在于：概念化是语言无关的，而本体是语言相关的。通过上述的定义可以看出，本体是为说明某语言词汇表的内在意义而设计的一套逻辑公理。给定一个语言L 和本体承约K ，语言L 的本体就是基于以下目的而设计的逻辑公理集合：其自身模型尽可能地接近依照K 的由语言L 描述的所有预定模型，但事实上这样的逻辑公理集合不容易找到，本体只能以一种间接的方式详细说明一个概念化。因此在澄清本体、预
4、定模型和概念化的基础上得到下面的本体的定义：本体是一个逻辑理论，用来说明一个正规词汇表的预定含义。在对于本体的描述中，作为其他本体描述语言的基础，描述逻辑正得到积极地应用。这里，“描述”是指对一个领域知识采用描述的方式表达，即利用概念和规则构造符将原子概念( 一元谓词) 和原子规则( 二元谓词) 构建出描述表达式。2 0 0 2 年7 月，W 3 C 在提交的D A M + O I L 基础上发展了O W L 语言，以使其成为国际通用的标准本体描述语言。O 盹建立在) 【M L R D F 等已有标准基础上，通过添加大量的基于描述逻辑的语义原语来描述和构建各种本体。目前，国外使用较多的本体描述
5、语言包括有：K I F 与O n t o l i n g u a 、O K B c ( o p e nk n o w l e d g eb a s ec o n n e c t i v i t y ) 、O C M L ( o p e r a t i o n a lc o n c e p t u a lm o d e l i n gl a n g u a g e ) 、F r a m eL o g i c 、L O O M 等。嘲【6 】幸善平，胡玉杰等，本体论研究综述，计算机研究与发展，第4 1 卷2 0 0 4 年7 月，P 1 0 4 1 1 0 5 29知识表示在教学领域的应用研究一一
6、教育信息处理 的知识表示本体是实现知识共享的重要途径。本体的目标就是结构化领域知识，建立领域相关的统一的术语，给出这些术语之间相互关系的明确定义，促进知识的共享和重用。本体表示强调信息共享性，也就是说本体所表达的信息要为他人所充分接收。它所要表达的一般是共享知识，是一种约定和标准，而不是个人观点。3 、计算科学计算科学形成于2 0 世纪3 0 年代后期，来源于对数理逻辑、计算模型、算法理论、自动计算机器的研究，是在数学和电子科学基础上发展起来的一门新兴学科，既有很强的理论性，又有很强的实践性。计算科学是对描述和变换信息的算法过程( 包括其理论、分析、设计、效率分析、实现和应用) 的系统研究。全
7、部计算科学的基本问题是：什么能有效地自动进行，什么不能有效地自动进行。语言学理论是计算科学研究的重要基础。计算科学由于其研究与开发中思维方式的特殊性而与数学建立了密切的联系。数学和计算科学共同使用的符号系统或语言与一般语言有着相似的系统特征。两者虽然说法不同，但都是自如地运用各自的语言刻画事物的一种属性观察。语感是语言学研究中一个很难严格、准确定义却又存在的概念，它与一个人对语言的认识和感悟有关。长期使用符号系统或数学语言处理问题和事物，也会产生对数学的一种感悟，并逐渐形成思维方式的数学化，达到数学上的某种成熟性。但是，要从这样了种感性思维方式上升为理性思维方式，必须依靠哲学或思维科学，特别是
8、与推理有关的形式逻辑与数理逻辑。由此可以看出计算科学与逻辑学和哲学中本体论之间的联系。每个学科都有自身的知识组织结构，学科形态、核心概念和基本工作流程方式，计算科学也不例外。理论、抽象和设计是计算科学的三个基本学科形态。基本工作流程方式是：对现实世界中被研究的对象进行抽象，建立必要的基本概念，运用数学工具和方法对其进行基础和应用基础研究，为实验设计和工程设计与实现提供方法和技术，开展实验和工程设计与实现工作”。其中，抽象是三个基本学科形态中最重要的一个形态，是连接学科科学研究与工程应用开发研究的重要环节。作为知识表示的三个应用领域，与逻辑学和本体论相比，计算科学保证了将知识表示与纯粹的哲学体系
9、区分开，并将逻辑学和本体论两者所表现的知识因子和知识关联在计算机程序中实现，是衔接两个方面的桥梁。虽然知识表示在逻辑学、本体论和计算科学的基础上得到了长足的发展，但每个领域都会因为学科特点而存在一定的局限性，知识表示也因此在这三个领域遇到了不同的难题m ，。闭对计算科学发展内存规律的认识，h t t p ：w w w 2 c c N v c o m c n 1 9 9 6 3 8 t 4 6 9 7 0 s h t m l ，1 9 9 6f 8 】J o h nF S o w a ，K n o w l e d g eR e p r e s e n l a t i o m o g i c a
10、l ，p h i l o s o p h c a l , a n dc o m p u t a t i o n a lf o u n d a t i o n s ，2 0 0 3 ，P 1 9 21 0知识表示在教学领域的应用研究一一教育信息处理) 的知识表示( 1 ) 逻辑学：不同的执行方案支持不同的子集和不同形式的逻辑。在将信息由一个小的、低成本的子集传输到一个大的子集的时候通常会自动执行，但是在逆向传输时，只有两个子集都支持的信息才能得到传输和表达，其余的信息则会在传输的过程中丢失。( 2 ) 本体论：对同一个实体而言，不同的系统可能使用不同的名称；更为糟糕的是，它们可能使用相同的名称去
11、表示不同种类的实体。有时如果在系统中已经将两个具有不同定义的实体规定为了同一个实体，但是想要证明两者确实是同一实体却是相当困难的。( 3 ) 计算科学：即便前面所描述的名称和定义都是一致的，计算或执行过程中的副作用仍然可能产生问题，使得同样的知识在不同的系统中执行不同的动作。比如，在某些执行过程中，数据的顺序和输入的规则可能会导致某部分推论和计算结果的错误，从而可能会使得一个系统中的简单推理到了另一个系统中却变成了死循环因此，在知识表示的研究过程中，我们一定要注意上述的问题，避免错误的发生，使得知识表示系统的作用得到最大限度地发挥。2 1 3 知识表示的层次性美国印第安纳州立大学J o h n
12、F S o w a 教授在所编著的知识表示：逻辑、哲学和计算基础一书中指出，知识具有层次性，知识表示的方法和过程同样也具有层次性。J o h nF S o w a 教授提出了知识表示的三个层次：知识、能力和设计的层次”。( 1 ) 知识层次：知识层次包括五个方面，它们分别是：执行的，涵盖数据结构的层次，如数据元，代理物的指示器、列表和其他的一些设计符号；逻辑的，主要是指一种符号化的逻辑，带有谓词、变量、量词、布尔操作符以及陈述性的命题；认识论的，用于定义概念类型，包括图表类型、继承和机构化的关系等；概念上的，说明表示的语义关系、语言学上的角色、对象和行为等；语言学的，描述自然语言中的任意概念、
13、文字和表达式的能力层次。( 2 ) 能力层次：在不用的应用背景中，能力层次所表述的内容是不同的，因此对能力层次的研究需要结合具体的应用实际。这里我们以卓越的机器人学者罗德尼布鲁克斯( R o d n e yB r o o k s ) 所提出的机器人能力为例，他认为在人工智能系统中一个机器人具备八个层面的能力，即：回避障碍物、空间漫步、环境探查、地图绘制、异常情况注意、推理、规划和未知情况的预见。1 9 】J o h nE S o w a 著，K n o w l e d g eR 。p r e s e n t a t i o o g i e a l ，p h i l o s o p h i c
14、a l ，a n dc o m p u t a t i o n a lf o u n d a t i o l u ，P 1 8 61 1知识表示在教学领域的应用研究一一教育信息处理) 的知识表示( 3 ) 设计层次：设计层次的目的在于阐明信息系统体系结构的框架，参照传播学中的“5 W ”模式，S o w a 教授和Z a c h m a n 教授指出表示的设计层次应包括信息系统体系结构中的：内容( w h a t ) 、方法手段( h o w ) 、适用范围( w h e r e ) 、适用对象( w h o ) 、适用时间( w h e n ) 、适用对象的反馈( w h y ) 。因此，在
15、基于知识表示系统的实际设计过程中，要兼顾地考虑设计层次的三个方面，做到整体把握，保证知识系统的实用性。2 1 4 知识表示的机制随着知识工程学的发展，知识表示也随之得到了快速地发展。在知识经济时代，知识表示的基本机制可以归纳为：知识本体论构建技术，动态知识的表示方法、知识表示工具的集成技术等。l 、知识本体论构建技术面对信息时代，人们以往的知识获取方式和传统的知识传授的方法受到挑战。因此知识获取、表示、存储、检索，呈现等各个环节的方法都需要重新作出调整，以适应信息时代和知识经济时代的需求。正是由于这种需要，人们运用本体论来整理知识和信息资源，并按照本体论理论来认识信息时代的“知识”和“资源”，
16、从而获得一种在信息时代教育适应的能力。互联网已经渗透到人们社会生活的每一个角落，同时人们在使用中已经认识到了互联网提供的第一代W e b 的不足，并且提出了下一代的网页技术语义网页。为了适应新一代网页技术，运用本体论理论通过互联网整理知识和信息资源是必要的。以本体论构建的知识不仅有助于知识、信息资源的系统化，而且也便于知识、信息资源的扩展和更新，使之更容易满足不同层次、不同需求的个人终生学习。另外，由于目前的知识已经愈来愈明显地表现出跨越多学科的特点，此种结构特点使得知识表现模型的相关性显得复杂且不单一，而基于本体论理论整理知识和信息资源的方法，在强调了概念的单一性和无二性的同时，在概念和概念之间、对象与对象之间建立了清晰的相关联系。所以我们可以借助本体论理论在不同学科间对相关概念和知识建立联系，形成联想式学习模型。目前，基于本体论的知识、信息资源组织和管理技术研究主要有：已成为标准的W 3 C 之X M L 、K S L 之D A l L 和欧洲的O n t o W e bN e t w o r k
