1、本科毕业论文(科研训练、毕业设计)题 目：基于本体的远程教学辅助系统的设计与实现姓 名：学 院：软件学院系：软件工程专 业：软件工程年 级： 学 号：指导教师（校内）： 职称： 指导教师（校外）： 职称： 年 月厦门大学本科毕业论文- 1 -基于本体的远程教学辅助系统的设计与实现摘要 近年来，随着计算机网络的普及，远程辅助教学也越来越受到人们的关注。当前已有的系统主要是提供教学大纲，在线课件等功能，缺乏与学生的互动性。本文提出了基于本体的远程教学辅助系统，是用本体对传统系统的扩展，提供了常见问题的查询功能，加强了与学生的互动，并对本体进行推理，使得查询的结果更加符合人们的要求。本文以数据结构课
2、程为例，设计了远程教学辅助系统，并对基于本体的远程教学辅助系统的各项相关技术进行深入研究。本文首先介绍了本体的基本概念、发展和应用现状，并详细介绍本体的构建方法、本体的描述语言、建立本体的工具、建立本体的原则等。然后介绍基于本体的推理工具、推理原理等。进而介绍远程教学辅助系统的详细设计与实现，并展示应用本体的结果。本系统用 OWL 语言构建本体，使用 Jena 对本体进行解析，并应用 Jena 自带的推理及进行推理，扩展查询结果。最后，对系统的不足做出总结并提出展望。关键字：本体 推理 信息检索厦门大学本科毕业论文- 2 -DESIGN AND IMPLEMENTATION OF REMOTE
3、 TEACHING ASSISTANT SYSTEM BASED ON ONTOLOGYAbstract In recent years, with the popularity of computer networks, remote teaching assistant system has become increasingly subject to the attention of the people. At present the Remote Teaching Assistant system is lack of interaction, which can merely pr
4、ovide curricula, online courseware, and other functions. This paper tries to propose a frame of remote teaching assistant system based on ontology which can use ontology for the expansion of the traditional system, providing for the common functions, enhanced interaction with the students by allowin
5、g users to search frequently asked questions, and ontology reasoning, the results of inquiries made more in line with the peoples requirements. This paper attempts to study each kind of technology that utilized in building a Remote Teaching Assistant system based on ontology and make Data Structure
6、course as an example.Firstly several important definitions that related to ontology is described, including the concept and development of ontology, the function to construct it the construction language, tools, principle and application. Subsequently, the tools and principles of reasoning based on
7、ontology are stated. Furthermore, how the new system is designed and realized is introduced in details and the result is showed. The OWL language is applied in this system to construct ontology; the Jena toolkit of open source is used to analyze the ontology; the reasoner is connected by the interfa
8、ce provided by Jena. Finally, the shortcomings of the system and to conclude the paper.Keywords： ontology reasoning information retrieval厦门大学本科毕业论文- 3 -目录第一章 引言 1第二章 本体介绍 22.1 本体的概念 22.2 本体的现状与发展 22.3 构建本体的方法 32.4 本体的描述语言 42.4.1 RDF(S)42.4.2 OIL62.4.3 DAML.62.4.4 OWL72.5 建立本体的工具 .92.5.1 Protg-2000 .
9、92.5.2 Ontolingua with Chimaera 102.5.3 OILEd102.5.4 OntoEdit10第三章 对本体进行推理 123.1 推理机介绍 .123.2 Jena 推理机制 13第四章 系统详细设计与实现 154.1 功能权限 .164.2 模块介绍 .174.2.1 课程简介 174.2.2 参考文献 174.2.3 课程大纲 184.2.4 授课教案 194.2.5 习题 20厦门大学本科毕业论文- 4 -4.2.6 Q&A214.2.7 在线作业 244.2.8 学生注册 264.2.9 用户管理 264.2.10 个人信息管理 284.2.11 系统安
10、全 284.3 数据库设计 .294.3.1 Role .294.3.2 UserInfo 294.3.3 UserRole294.3.4 QA.304.3.5 Document304.3.6 Homework.304.3.7 HomeworkResponse .314.4 核心技术 .314.4.1OWL 语言语法 314.4.2 建立本体 354.4.3 对本体的推理 36第五章 总结与展望 405.1 系统总结 .405.2 不足与展望 .40致谢 42参考文献 43厦门大学本科毕业论文- 5 -ContentsChapter 1 Introduction1Chapter 2 Overv
11、iew of Ontology22.1 Concept of Ontology22.2 Research status and Development22.3 Methods of Construction32.4 Description Language 42.4.1 RDF(S)42.4.2 OIL62.4.3 DAML.62.4.4 OWL72.5 Tools.92.5.1 Protg-2000 .92.5.2 Ontolingua with Chimaera 102.5.3 OILEd102.5.4 OntoEdit10Chapter 3 Ontology Reasoning123.1
12、 Introduction of Rreasoner 123.2 Reason with Jena13Chapter 4 System Details Design154.1 Roles and Rights 164.2 Module Iverview174.2.1 Course Introduction.174.2.2 Reference 174.2.3 Course Outline 184.2.4 Teaching Plan194.2.5 Exercises .20厦门大学本科毕业论文- 6 -4.2.6 Q&A214.2.7 Online Homework.244.2.8 Student
13、 Registration264.2.9 Users Management264.2.10 Individual Information Management 284.2.11 System Security.284.3 DateBase Design 294.3.1 Role .294.3.2 UserInfo 294.3.3 UserRole294.3.4 QA.304.3.5 Document304.3.6 Homework.304.3.7 HomeworkResponse .314.4 Key Technology.314.4.1 OWL Grammar .314.4.2 Ontolo
14、gy Building.354.4.3 Ontology Reasoning36Chapter 5 Conclusion and Future Work405.1 System Summary .405.2 Shortage and Prospect40Acknowledgement42References43厦门大学本科毕业论文1第一章 引言远程教育是一种在教师和学生之间实现教学资源的转化和教学活动开展的教育形式。这是基于计算机应用的多种媒体技术以及通讯技术等的综合，在教与学之间通过互联网和万维网等完成教与学的交互，并辅之以多种教学媒体资源的综合应用 1 。对比传统的教学方式，远程教育学习者
15、的学习时间和地点比较自由，且具有资源共享和交互性的突出优势。已有的远程教学辅助系统大多不具备良好的互动性，比如，学生如果对课程的内容不明白可以在线向老师提问，但是如果学生很多而老师资源有限的话，有可能学生不能得到或不能及时得到问题的答案，老师也会对同样的问题回答多次，一方面资源不足而另一方面资源又在浪费。本系统就提供了常见 Q&A 的搜索，使学生可以查询到自己问题的相关问题和答案。基于本体的语义搜索使这个功能得以实现，针对常见的问题和答案建立本体，在对本体进行语义的检索。以往的基于关键字的检索得到结果的只是与之一模一样的词，而对本体进行推理之后的检索则可以得到语义匹配的结果，而不拘泥于表面，是
16、对信息查询的扩展。我们的系统就是应用了本体这一技术实现对查询的扩展。厦门大学本科毕业论文2第二章 本体介绍本体（Ontology） ，又叫“知识本体” 。作为一个从哲学中引入的词汇，其含义逐渐从抽象的、形而上学层面的理解逐渐转化为工具性的、具有特定意义的理解，因此 Ontology 一词结合不同的语境可以有多种解释。2.1 本体的概念在信息领域，Gruber 关于本体的定义很好地表现出本体的本质属性，即“本体是概念模型的明确的规范说明”。本体提供了目标世界的公共词汇，为信息的描述和交换提供适当的数据结构，同时它也是元数据的基础，可以对元数据进行解释和转换，确保元数据之间的语义互操作。特别是本体
17、所建模型通常是现实世界的抽象，本体提供模块所需的概念和关系。如果把每一个知识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、词与词之间的关系以及该领域的一些公理性知识的陈述等，并且能够在这个知识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知识领域的一个“知识本体” 。 2 2.2 本体的现状与发展本体设计是一种内容研究的方法论，它提供了知识库设计的基本原理，专业领域的核心概念，对基本概念含义的严格定义，以及模拟现实世界所必不可少的知识聚集的复杂理论和技术。随着研究人员和系统开发者对系统内的知识重用和共享越发感兴趣，对本体论的兴趣也日益增长。目前，
18、阻碍知识共享的一个关键问题是不同系统使用不同的概念和术语来描述其领域。这种不同使得将一个系统的知识用于其他系统变得十分复杂。如果可以开发一些能够用作多个系统的基础的本体，这些系厦门大学本科毕业论文3统就可以共享通用的术语以实现知识共享和重用。开发这样的可重用本体是本体论研究的重要目标。类似的，如果可以开发一些支持本体合并以及本体间互译的工具，那么即使是基于不同本体的系统也可以实现共享。 3 2.3 构建本体的方法建立本体的方法和技术有很多，但它们针对不同种类的主体，互相间不能融合一致，也没有遵循统一的开发模式和协议，因此这里只从应用工程的角度提出建立本体的一般典型过程，它主要包括下面五个步骤。
19、第一步：确立本体的目标。在建立本体之初，首先要对本体的需求目的有一个明确的认识，即为什么要使用该本体？他将被用来干什么和它将被怎样使用？ 另外，在建立本体的初始阶段，还应该根据本体在特定环境中的应用目的和用户类型，决定本体的形式化程度。第二步：确定本体的主体范围。根据本体的应用目的和设定的形式化程度，确定本体的知识主体范围。例如：对于知识检索领域，本体的主体范围包括检索领域知识、检索专家知识、通用知识、语言学知识和用于控制的元知识等。获取本体主体范围的方法是收集相关的信息资源和专家知识并将其以主题知识（一组涵盖本体全部知识内容的词项）的形式表示。第三步：建立本体。首先，设计领域知识的整体概念结
20、构，包括识别该领域重要的概念项、概念属性和概念间的关系；提取或设立抽象概念作为组织特性；识别具体实例的概念；产生概念定义，决定如何对已定义的项进行组织，确定本体的结构；根据实际需要设计其他一些指导方针等。其次，利用类、关系、函数、公理、实例等本体要素组织和表示领域概念知识，其详细程度以满足本体的应用目的为宜。最后，选择合适的本体工具和本体语言，建立具体的本体。第四步：检查和评估本体。厦门大学本科毕业论文4通过领域专家对本体进行最终的验证，包括检查各个本体元素间的句法上、逻辑上和语义上的一致性。第五步：提交本体和反馈。将本体发布到相关的应用环境并进行配置，应用反馈信息将用于对本体的修正和完善。2
21、.4 本体的描述语言本体语言使得用户为领域模型编写清晰的、形式化的概念描述，因此它应该满足以下要求 4 ：（1）良好定义的语法（a well-defined syntax）（2）良好定义的语义（a well-defined semantics）（3）有效的推理支持（efficient reasoning support）（4）充分的表达能力（sufficient expressive power）（5）表达的方便性（convenience of expression）常用的本体语言包括以下几种：2.4.1 RDF(S)Resource Description Framework，资源描述框架，
22、是 W3C 在 XML 的基础上推荐的一种标准，用于表示任何的资源信息。RDF 提出了一个简单的模型用来表示任意类型的数据。这个数据类型由节点和节点之间带有标记的连接弧所组成。节点用来表示 Web 上的资源，弧用来表示这些资源的属性。因此，这个数据模型可以方便的描述对象（或者资源）以及它们之间关系。RDF 的数据模型实质上是一种二元关系的表达，由于任何复杂的关系都可以分解为多个简单的二元关系，因此 RDF 的数据模型可以作为其他任何复杂关系模型的基础模型。W3C 推荐 RDF 标准来解决 XML 的语义局限。RDF 和 XML 是互为补充的。厦门大学本科毕业论文5首先，RDF 希望以一种标准化
23、，互操作的方式来规范 XML 的语义。XML 文档可以通过简单的方式实现对 RDF 的引用。其次，由于 RDF 是以一种建模的方式来描述数据语义的，这使得 RDF 可以不受具体语法表示的限制。但是 RDF 仍然需要一种合适的语法格式来实现 RDF 在 Web 上的应用。将 RDF 序列化为 XML 表示可以使 RDF 获得更好的应用可处理特性，并使得 RDF 数据可以像 XML 数据一样的容易使用、传输和存储。因此，RDF 是定制 XML 的良伴，不只是对某个特定类型数据的规范表示，XML 和 RDF 的结合，不仅可以实现数据基于语义的描述，也充分发挥了 XML 与 RDF的各自优点，便于 W
24、eb 数据的检索和相关知识的发现。与 XML 中的标记（tags）类似，RDF 中的属性（properties）集也是没有任何限制的。也就是说存在同义词现象和一词多意现象。RDF 的模型不具备解决这两个问题的能力，而 RDF Schema 虽然可以为 RDF 资源的属性和类型提供词汇表，但是基于 RDF 的数据语义描述仍然可能存在语义冲突。为了消解语义冲突，我们在描述数据语义的时候可以通过引用 Ontology 的相关技术，对语义描述结果作进一步的约束。幸运的是，RDF(Schema)在提供了简单的机器可理解语义模型的同时，为领域化的 Ontology 语言（OIL，OWL）提供了建模基础，并
25、使得基于 RDF 的应用可以方便地与这些 Ontology 语言所生成的 Ontology 进行合并。RDF 的这一特性使得基于 RDF 的语义描述结果具备了可以和更多的领域知识进行交互的能力，也使基于 XML 和 RDF 的 Web 数据描述具备了良好的生命力。RDF 由 W3C 组织制定，它利用“实体声明（statements） ”、 “资源（resour-ces） ”和“属性（properties） ”三个要素来表示 Web 上知识资源的元数据。 “实体声明”用于描述 Web 页面或现实世界中的一个实体对象，如出版社、人、组织等。 “资源”和“属性”则通过 RDF 框架（RDF sche
26、ma ， RDFS）来描述，RDF 框架扩展了 RDF，加入了本体语言的基本建模要素，如类、类继承、属性继承、领域等。通过 RDFS 可以表示类、槽和侧面，而通过 RDF 可以表示实例和事实，但是它们都无法支持公理和函数的表示，也不支持基于类包含关系以外的其他推理机制。 5 厦门大学本科毕业论文62.4.2 OILOntology Inference Layer/Ontology Interchange Language。OIL 是一种针对本体的基于互联网的表现和推理层。它的语言集如图 2-1 所示。图 2-1 OIL 语言层次结构描述OIL 综合了三个不同团体的工作，分别是基于框架的系统、描
27、述逻辑和互联网标准。OIL 是 OntoKnowedege 项目中提出的一种面向本体推理层的标准化语言。它综合了多种本体语言的特点，具有针对描述逻辑的形式化语义和高效推理支持、针对框架的丰富的认识论建模要素和针对 Web 的交换标记语法标准。2.4.3 DAMLDARPA Agent Markup Language，该项目正式开始于 2000 年 8 月，由美国政府支持，目标是开发一种语言和一组工具，为语义互联网提供支持。 Mark Gre-aves 是该项目的领导者。DAML 形成于 DAML-ONT(一种本体语言)和 DAML-Logic(一种表达公理和规则的语言)。DAML 提出的原因和
28、 OIL 类似，一批支持语义互联网的研究者发现 XML、RDF作为模式语言其表达能力很有限，希望开发一种有更强的表达能力的模式语言。尽管 DAML 并不是 W3C 的标准，但是参与的开发者中有很多来自 W3C 的工作者厦门大学本科毕业论文7，包括 Tim Berners-Lee。DAML 扩展了 RDF，增加了更多的更复杂的类、属性等定义。它一度很流行，成为网上很多本体的描述语言，直到 DAML 的研究者和 OIL 的研究者开始合作，推出了 DAML+OIL 语言，成为 W3C 研究语言互联网的本体语言的起点。2.4.4 OWLOWL 全称 Web Ontology Language，是 W3
29、C 推荐的语义互联网中本体描述语言的标准。它是从欧美一些研究机构的一种结合性的描述语言 DAML+OIL 发展起来的，在 W3C 提出的本体语言栈中，OWL 处于最上层，见图 2-2。 6 图 2-2 本体语言描述栈针对不同的需求 OWL 有三个子语言，描述列表如下： 7 子语言 描述 例子OWL Lite 用于提供给那些只需要一个分类层次和简单的属性约束的用户。支持基数（cardinalit-y） ，只允许基数为 0 或 1。OWL DL 支持那些需要在推理系统上进行最大程度表达的用户，这里的推当一个类可以是多个类的一个子类时，它被约厦门大学本科毕业论文8理系统能够保证计算完全性和可决定性。
30、它包括了 OWL 语言的所有约束，但是可以被仅仅置于特定的约束下。束不能是另外一个类的实例。OWL Full 支持那些需要在没有计算保证的语法自由的 RDF 上进行最大程度表达的用户。它允许在一个 Ontolo-gy 在预定义的词汇表上增加词汇，从而任何推理软件均不能支持 OWL FULL 的所有 feature。一个类可以被同时表达为许多个体的一个集合以及这个集合中的一个个体。在表达能力和推理能力上，每个子语言都是前面的语言的扩展。这三种子语言之间有如下关系成立，但这些关系反过来并不成立。 每个合法的 OWL Lite 本体都是一个合法的 OWL DL 本体； 每个合法的 OWL DL 本体
31、都是一个合法的 OWL Full 本体； 每个有效的 OWL Lite 结论都是一个有效的 OWL DL 结论； 每个有效的 OWL DL 结论都是一个有效的 OWL Full 结论。使用 OWL 的本体开发者要考虑哪种语言最符合他们的需求。选择 OWL Lite还是 OWL DL 主要取决于用户在多大程度上需要 OWL DL 提供的表达能力更强的成分。OWL Lite 的推理机会有良好的计算性质。而 OWL DL 的推理机处理的尽管是一个可判定的子语言，会有更高的最坏情况复杂度。选择 OWL DL 还是 OWL Full 主要取决于用户在多大程度上需要 RDF 的元模型机制（如定义关于类的类
32、） ；使用 OWL Full 相比于 OWL DL，对推理的支持是更难预测的。下面分别从本体文件和本体角度描述一下 OWL 语言。（一）OWL 本体文件结构OWL 本体文件用 RDF/XML 语法表示，标准的 OWL 交换语法是 RDF/XML。注意OWL 在设计时保持了与 RDF 和 RDF Schema 的最大兼容性。这些 XML 和 RDF 格式是 OWL 标准的一部分。厦门大学本科毕业论文9（二）OWL 本体结构OWL 是语义网活动的一个组成部分。这项工作的目的是通过对增加关于那些描述或提供网络内容的资源的信息，从而使网络资源能够更容易地被那些自动进程访问。由于语义网络固有的分布性，O
33、WL 必须允许信息能够从分布的信息源收集起来。其中，允许本体间相互联系，包括明确导入其他本体的信息，能够部分实现这样的功能。另外，OWL 提出了一个开放世界的假设。也就是说，对资源的描述并不局限于在一个简单的文件或范围内。类 C1 本来是由本体 O1 定义出来的，然而，它也可以是由其他的本体扩展出来的。对 C1 进行这样的假设的结果是单调的。新的信息不能否定之前的信息。新的信息可以是和旧的信息矛盾的，但是事实和推导只能被增加而不能被删减。当设计一个本体的时候，设计者必须考虑到这种矛盾的可能性。一种期望是，工具的支持将帮助侦测到这样的情况。为了能写出一个能被唯一翻译的而且能被软件（代理）使用的本
34、体，我们要求 OWL 有一个语法和正规的语义。OWL 是 RDF 的一个词汇扩充。在 OWL 网络本体语言语义和简明语法中，有 OWL 的语义定义。由于 W3C 以 OWL 为推荐标准，而且鉴于 OWL 的强大功能，所以本系统选择本体描述语言是选择了 OWL DL 来描述本体。2.5 建立本体的工具选择好了本体的描述语言，接下来要选择一种工具针对所使用的语言来构建本体。厦门大学本科毕业论文102.5.1 Protg-2000Protg-2000 工具由斯坦福大学设计开发，是集本体编辑和知识库编辑为一体的开发工具。它提供图形界面和交互式的本体设计开发环境，开发人员直接对本体进行导航和管理操作，利
35、用树形控制方法迅速遍历本体的类层次结构。Protg-2000 以 OKBC 模型为基础，支持类、类的多重继承、模板、槽、槽的侧面和实例等知识表示要素，可以定义各种知识规则，如值范围、默认值、集合约束、互逆属性、元类、元类层次结构等。另外，Protg-2000 最大的特点在于其可扩展性，它具有开放式的接口，提供大量的插件，支持几乎所有形式的本体表示语言，并可以将建立好的知识库以各种语言格式的文档导出，同时还支持各种格式间的转换。 8 本系统建立本体选择的工具为 Protg-3.2-beta，是在 Protg-2000 的基础上有一定的升级和补充的版本。2.5.2 Ontolingua with
36、ChimaeraOntolingua with Chimaera 是在分布式组织间建立共享本体的服务工具，由斯坦福大学的知识系统实验室（KSL）开发。它是一个在线本体服务器，提供本体库、语言转换器（Prolog，CORBA IDL，CLIPS ，Loom 等） 、本体浏览器和编辑器等服务，远端用户通过 Web 浏览器与 Ontolingua 服务器交互，建立本体的形式化定义对已建立的本体进行修改和维护。2.5.3 OILEdOILEd 具有几个重要的功能特点，一是利用 FaCT 推理机进行分类，用户可以首先定义自己的类，然后利用推理机决定该类在分类层次结构中合适的位置；二是通过将 DAML+O
37、IL 转换为 SHIQ 描述逻辑来检查本体的一致性；三是可以读写标准的 RDF 格式文档，同时可以将定义的本体解析为 HTML 文档，以便于浏览。厦门大学本科毕业论文112.5.4 OntoEditOntoEdit 是一个以图形方式支持本体开发和维护的工程环境。它允许用户在图形视图中定义概念或类的层次结构。这些概念可以是抽象的（不能拥有直接实例） ，也可以是具体的（可以拥有直接实例） ，一个概念可以具有好几个名称，这在定义概念的同义词时非常有用。另外它还允许使用类似“复制粘贴”的功能对层次结构中的概念类进行快速重组。OntoEdit 具有很好的扩展性，支持各种插件，既可以扩展其建模功能，又可以
38、丰富其输入输出格式，适应不同用户的应用需要。厦门大学本科毕业论文12第三章 对本体进行推理对于已经建立好的本体， “类” 、 “实例”都具有一定的语义，所以之间存在“关系”和“限制” ，于是就可以利用一些推理工具对本体进行推理。推理就是派生模型未明确表达的其他语句。 11 例如：声明 X 是 Y 的子类，Y 是 Z 的子类，由于 subClassOf 具有传递性，就可以推理出未明确表达的关系：X 是 Z 的子类。常用的推理机有：Jess、RACER、FaCT、Pellet、jena 等。3.1 推理机介绍Jess(Java Expert Shell System)是基于 Java 语言的 CL
39、ISP 推理机。CLI-SP 是基于产生式的前向推理引擎，它是一种非常基础性的东西，许多上层的推理任务，都要映射到这个推理引擎上来运行。Jess 的优点是：推理机是开放的，用户提供不同的规则系统，可以进行不同领域的推理工作，用户可以对推理机的推理能力进行扩展。作为前向推理系统，Jess 用空间换时间，推理会产生大量的中间数据，空间效率很低；同时，由于 Jess 是通用推理引擎，不可能提供针对各种具体领域的优化能力，使得这种推理机制的效率很难优化。而 RACER、F-aCT、Pellet 等就是具体有强烈针对性的推理机。它们的优点是：效率很高，使用上也非常方便；缺点是：不是通用推理机，将推理能力
40、限定在几种具体的本体语言上，而且用户很难对它进行扩展。Jena 是面向语义 Web 的应用开发包，包含的内容比较全面，推理机只是其中一部分。Jena 提供的推理机和 RACER、Fa-CT、Pellet 等一样，是针对本体的推理机，但 Jena 本身并不是推理机设计专家，它自身包含的推理机基本上就是一种 CLISP 配合本体领域产生式规则的前向推理系统。因此，它的运行效率不是很高。好在现在有 DIG 接口，DIG 允许前端挂接到后台不同的推理引擎上。这样，在 Jena 中，也可以使用 RACER、FaCT、Pellet 这样更专业些的推理机。本系统使用 jena 作为推理机，对建好的本体进行解
41、析和推理。其原因不仅厦门大学本科毕业论文13是因为所需的本体逻辑比较简单，推理过程并不复杂，Jena 已经足够能力了，而且还有一个很重要的原因，就是系统中还有利用 Jena 对本体进行遍历、解析等操作。3.2 Jena 推理机制Jena 由 HP 公司的 Brian McBride 开发，起源于早些时候 SiRPAC API 的工作，是一种用于将关系数据库或是文本文件中所表示的数据建立为元数据模型的框架方法。允许你来解析，创建和查询本体模型。Jena 框架是一个 RDF，RDFS 以及 OWL 的开源实现， 它包含着一个基于规则的推论引擎。它提供了建立和操纵 RDF 模型的 Java API。
42、Jena 提供了多个 Reasoner 类型来使用不同类型的本体。Jena2 所带的推理子系统允许 Jena 接入一些推理引擎和推理机。图 3-1 展示了 Jena 的推理机制。 12 图 3-1 Jena 推理机制Jena 预设了如下几种推理机（1）Transitive reasoner 只实现 transitive （传递）和 symmetric（对称） 属性的推理（2）RDFS rule reasoner 实现 RDFS 所限制和规定的一些可配制的子集。厦门大学本科毕业论文14（3）OWL, OWL Mini, OWL Micro Reasoners 是一种不完整的实现 OWL 规则推理
43、（4）DAML micro reasoner 通过添加公理的声明对 RDFS reasoner 的扩展 ，对 DAML 进行推理。（5）Generic rule reasoner 允许用户自定义推理的规则。 13 本系统所建立的本体及其之间的关系比较简单，所使用的映射属性也都是OWL 已定义好的属性，所以选择相对简单的推理机即可，使用 Jena OWL Micro- Reasoner 作为推理工具。厦门大学本科毕业论文15第四章 系统详细设计与实现系统使用 JAVA 语言，My eclipse6.0 开发平台，SQLserver2000 数据库，Tomcat5.0 服务器以及 Jena 对 J
44、ava 的接口等工具开发。系统分为服务层、推理层、本体层以及数据层，具体结构层次如图 4-1。 14 图 4-1 系统层次结构图各层的介绍如下：(1) 数据层指现有各种资源，可以包括教学视频，图片，word 文件，ppt 文件或其他多媒体教学资源；(2) 本体层是对领域概念的定义，通过本体编辑工具构造，还应定义概念相应的外部资源的链接，添加的本体层就是该系统与其他类似教学系统的不同之处：通过本体层对资源和概念进行组织，并对用户的请求进行处理； (3) 推理机能够对初始本体进行处理，通过自定义规则或者内在规则，能获得原有本体隐含的知识；(4) 服务层把推理层的结果以更灵活的方式展现给使用者，方便
45、学生的浏览和检索。本系统主要由以下几个功能模块组成： 课程简介厦门大学本科毕业论文16 参考文献 课程大纲 授课教案 习题 Q&A 在线作业 学生注册 用户管理 个人信息管理 系统安全其中 Q&A 模块体现了本系统的关键技术，即该模块利用了本体以及 Jena 推理技术，后面将对该模块的实现进行详细介绍。4.1 功能权限本系统通过角色来定义权限，包括学生、教师和管理员三个角色。学生具有较低的权限，可以在登陆首页注册成为“学生” ，注册的时候必须指定一个“教师” 。学生在系统中可以使用如下功能：课程简介、参考文献（只能查看） 、课程大纲、习题、Q&A（只能查询） 、在线作业（提交作业） 、个人信息
46、管理和修改密码。教师的权限比学生高，不能由首页注册成为教师，只能通过管理员添加。教师可是使用学生所有可以使用的功能，而且还可以管理那些指导教师为自己的学生。这些功能包括：参考文献（查看、编辑、删除、添加） 、Q&A（查询、编辑、删除、添加） 、在线作业（布置作业、批阅作业、编辑、删除） 、学生信息。管理员具有最高权限，不能通过首页注册成为管理员，也不能在系统中被添加，只能通过修改数据库添加或删除管理员。管理员具有教师拥有的除布置、编辑和批改作业外所有的权限，另外，管理员还可以管理所有的学生，可以添加或删除学生，也可以管理教师（添加、编辑） 。厦门大学本科毕业论文174.2 模块介绍下面分别具体
47、介绍这 11 个模块，并且把页面截图作为演示。4.2.1 课程简介静态页面，是关于数据结构的课程文字介绍。所有用户都可以查看，如图 4-2。图 4-2 课程简介页面4.2.2 参考文献列表形式列出本科目所使用的参考文献，教师和管理员可以对参考文献进行编辑、添加、删除等操作，学生可以查看，如图 4-3。厦门大学本科毕业论文18图 4-3 参考文献页面4.2.3 课程大纲以静态文本的形式给出本科目的课程大纲，所有用户都可以查看，如图 4-4。厦门大学本科毕业论文19图 4-4 课程大纲页面4.2.4 授课教案以静态文本的方式给出授课的教案，提供内部连接，所有用户可以查看，如图 4-5。厦门大学本科
48、毕业论文20图 4-5 授课教案页面4.2.5 习题以静态文本的形式给出课程相关的习题，所有用户可以查看，如图 4-6。厦门大学本科毕业论文21图 4-6 习题页面4.2.6 Q&A提供搜索引擎，可以根据“标题”或“标题和内容”进行搜索。系统根据输入的关键字进行推理，并根据推理的结果得出搜索的结果。所有人都可以进行 Q&A 的搜索，教师和管理员可以对 Q&A 进行添加、修改和删除等操作。Q&A 工作模块工作流程如图 4-7。厦门大学本科毕业论文22开始用户登录是否为学生输入关键词O W L 文档数据库 Q A 表输出查询结果修改数据库结束搜索数据库在本体中查询搜索数据库是否图 4-7 Q&A 流程图由于教师在“Q&A”这一模块的功能较多，图 4-8 给出教师在“Q&A”中的工作时序图。厦门大学本科毕业论文23、 、 、QA1: 、2: 、3: 、“、”4: 、QA、5: 、QA、6: 、QA、7: 、QA、8: 、QA、9: 、“、”10: 、QA、1: 、“、”、12: 、QA、图 4-8 教师 Q&A 模块时序图Q&A 页面如图 4-9。 （本模块的实现将在后面作详细介绍）
