基于描述逻辑的学习资源语义描述关键技术研究

Making the content of learning resources machine-understandable by describing the learning resources semantics formally is one of the key technologies to build the infrastructure of a smart education system. According to knowledge points in a subject, the strategies of defining formal semantics of learning resources, resources organization and semantic retrieval are investigated and analyzed deeply to address the problems of lacking formal learning resources descriptions in current learning systems. Taking advantage of the capability of description logics on defining and constructing concepts, and absorbing the graph structure of conceptual graph, we describe knowledge points and relations between them by description logics terms, and propose a formal learning resources description method based on description logics knowledge base. The logical structure features of the learning resources knowledge base are analyzed, then a practical concept satisfiability reasoning algorithm and a concept learning algorithm on knowledge base for supporting exploratory resources search are proposed. A learning resources semantic search prototype is developed to prove the theories and methods proposed in this research. This research will contribute to constructing smart education systems in both theory and applications.

对学习资源语义进行形式化描述，使机器能够理解学习资源内容是构建智慧教育体系架构的关键技术之一。针对当前规范化、形式化的学习资源语义描述缺失的问题，以学科知识点为依据，对学习资源的语义描述形式、资源组织及资源检索问题展开深入研究。利用描述逻辑语言定义和构造概念的能力，结合概念图知识表示在描述概念间关系上的优势，使用描述逻辑术语描述学科知识点及其关系，建立以描述逻辑学习资源知识库为主要形式的学习资源语义形式化描述方式。通过对学习资源知识库逻辑结构的分析，提出可实用的服务于资源检索的概念可满足性推理算法，以及用于实现探索式搜索过程中学习者搜索意图理解的概念学习算法。通过开发面向软件工程学科的学习资源知识库和语义搜索原型系统对提出的理论和方法进行验证。本项目研究对于智慧教育大系统中学习资源的建设具有重要的理论研究和应用价值。

信息化学习环境下，学习资源的形式化描述是使学习系统具备理解资源内容的能力并对资源进行有效管理的基础，也是将具有可解释性和通用性的机器学习技术用于支持学习过程的前提条件之一。本项目以描述逻辑为主要知识表示方式，结合概念图等其他形式，首先对学习资源内容的表示方式展开了深入研究，然后以此为基础，讨论了如何将归纳逻辑编程思想用于对学习过程的支持，其次研究了如何利用形式化的资源描述形式为可视化的交互式学习过程和资源检索过程服务。研究成果主要集中在如下4个方面：（1）结合描述逻辑和概念图知识表示形式，实现了对复杂类型资源的内容描述，通过建立描述逻辑知识库对资源个体的内容进行存储和管理，利用概念图对资源内部信息元素之间的不同类型关系、以及不同资源个体之间的关系进行表述，并在知识表示能力和知识推理之间建立平衡；（2）从归纳逻辑编程思想出发，通过对描述逻辑概念空间结构的深入分析，提出了描述逻辑知识库上支持迭代和交互式学习的概念学习方法，用于对学习意图和学习内容的描述；（3）利用概念图在结构上的特性和描述逻辑知识库实例检索的能力，设计了交互式的资源内容可视化方式，对资源内容概要进行可视化展示，分析用户在浏览图形化资源描述时的操作，根据用户的需要选择合适的资源进行动态展示；（4）将描述逻辑和概念图的知识表示形式用于复杂类型资源的检索，根据查询请求的特点选择合适的查询处理方式以提高检索效率。本研究同时利用形式化的学习资源描述形式和具有知识库支持的交互式学习过程应用于高中信息化教学质量的提升，并取得了显著效果。本项目围绕着复杂类型资源内容形式化描述方法的研究在知识表示和可解释的概念学习技术方面具有一定的理论研究和实际应用价值。所提出的知识表示形式和概念学习方法具有一定的通用性，为进一步将机器学习和人工智能技术应用于以学习资源为核心的学习系统，从而实现交互式、可解释的学习过程支持奠定了基础。