本文通过网格、语义网格等技术的分析，介绍了在数字化学习系统E-learning环境下语义网格的应用，构造了基于语义网格的体系模型，并描述了其各层的功能划分及组成。语义网格能够有效地实现资源的有效共享及统一管理，为在数字化学习系统中进行教育资源服务和个性化学习提供了有力保障。
论文关键词：网格，语义网格，体系结构，数字化学习系统
0 引言
目前，网络教学已成为世界各国教育改革和发展的重要趋势。随着数字资源的高速增长及Internet在高校的普及与应用，E-learning作为一种网络条件下的数字化学习方式，将网络的“教”与“学”的环境集成在一起，在教学领域中的应用范围正不断扩大。与此同时，高校图书馆也在逐步向数字化道路迈进，而其核心价值仍体现在支持教学并提高教学质量上。目前网络教学资源共享共建存在重复建设、资源分散、资源异构、资源难以共享和重用等问题，因此，网络教学迫切需要一种技术来实现计算资源、教学资源、软件资源等各种信息化资源的透明共享，以及大规模并发用户的在线协同教学互动。语义网格融合了语义Web、网格和Web服务的优点并弥补了各自的不足，是E-Learning、E-Science、E-Research等系统架构的核心技术，它的目标是要通过语义实现系统的高度易用性和无缝自动化来支持全球化的协同工作和资源共享，以便提高数据计算和集成的能力。
1 相关技术1.1 网格技术
新型网络计算平台——网格(Grid)利用互联网把分散在不同地理位置上的多个资源全面连通和统一分配、管理及协调起来，在分布、异构、自治的网络资源环境上构造动态的虚拟组织（VO，Virtual Organization）【1】。网格的目标是抽象并量化计算资源，随时随地能够通过网络“定额”完成“定量”的计算相关的工作，并在获得一体化信息服务的同时，在其内部实现跨区域的资源共享与资源协作。网格的优势在于不但数据处理能力超强，而且能充分利用网上的闲置处理能力来节约计算成本，实现资源的共享，消除资源孤岛。网格的特征体现在以下几个方面：分布与资源共享、高度抽象、自相似性、动态性和多样性、自治性与管理的多重性。
（1）网格体系结构
网格体系结构描述了网格的基本组成与功能，展示了网格各组成部分的关系以及它们集成的方式或方法，刻画了支持网格有效运转的机制。网格系统中是由一系列的基本功能模块协作向用户提供服务的，网格系统的基本功能模块如图1所示。
图 1 网格系统的基本功能模块示意图
图1中各基本功能模块的作用如下所示：
（2）网格的标准：OGSI和OGSA
OGSI(Open Grid Service Ieterface，开放网格服务接口)规定了向网格发送处理请求时所使用的接口体系结构，相当于Web服务中的WSDL(Web服务描述语言)，在网格计算相关标准中处于核心地位。
开放式网格服务体系结构(Open Grid Services Architecture，OGSA)采用纤维层、联络层、资源层、协作层、应用层五层结构【2】。在OGSA框架中，将一切抽象为服务，这样有利于通过统一的标准接口来管理和使用网格。OGSA采用了Web服务框架，在异构环境中能够支持服务的动态发现和合成，使人们能够利用许多现有的开发工具和扩展服务；OGSA吸纳了许多Web服务标准，这些标准用于定位、调度计算资源并保证它们的安全。
1.2 语义网格
网格是Web在计算能力上的提升，而语义网格是网格在语义能力上的扩展；语义Web是在现有Web上增强了语义能力，而语义网格是语义Web对计算能力的扩展，“语义”从下到上弥漫在整个网格中，对信息和服务进行了很好的定义【3】，其目标是实现语义的互操作性，可以更好地让计算机和人们协同工作。语义网格小组认为：语义网格就是“对当前网格的一个扩展，其中对信息和服务进行了很好的定义，可以更好地让计算机和人们协同工作”。语义网格实际上有两种用途：用来发现处理数据的可用资源，以及对数据进行集成。Web、网格、语义Web和语义网格的关系如图2所示：
图2 Web、网格、语义Web和语义网格的关系
通过语义网格的应用，当出现更多的机器可处理的网页内容和服务（包括更多的代理）时，通过代理之间的信息交换和协同工作，信息处理的效率将呈指数级增长，能更好地满足用户的需求。
（2）语义网格的体系结构
在设计网格时，首先需要考虑如何采用一种可以让其他人可以利用所提供的资源的方式来进行开发；其次，描述和定义网格所存储和使用的数据；最后，确定在网格和应用程序中如何应用不同标准（XML、RDF、OWL）的核心元素和实践。语义网格的体系结构如图3所示：
图 3 Semantic GridArchitecture（语义网格结构）
该体系结构中位于最底层的是提Web服务资源框架（Web Services Resource Framework，WSRF），向上依次为基础网格服务层，提供相关的基础服务；语义网格服务层、知识网格、高级网格应用层。通常使用的设备和灵敏元件造成了计算能力和存储空间的局限性，它们只能够间歇性地与网络进行连接。尽管在某些条件下它们能够获得网格服务，但设备接口通常借助网格服务代理；另外，用户可以通过无处不在的设备从入口获取信息【4】。
2e-learning系统平台
按照ASTD给出的定义，e-learning是指由网络电子技术支撑或主导实施的教学内容或学习。它以网络为基础、具有极大化的交互作用，支持自治的、动态的社区创建；支持真实的实验模拟、支持修改化、支持知识构建与进化。数字化学习系统首先要做的是分析每个学习者的资料，根据这些资料得出学习者的学习需求，然后从学习库里面调出这些需求材料，以一定的方式监控学习者,并且最终考核学习者的学习效果。
2.1 E- Learning的特点
（1） E- Learning资源共享
要实现广域分布教育资源的跨组织按需共享、安全访问与协作应用，需要基于网格计算环境的资源共享平台提供支撑。
（2）提供协同合作支持是E- Learning平台的重要服务之一
协作关系普遍存在于E- Learning环境中的学生群体、教师群体、管理者群体以及这些群体之间，应用网格计算技术可以实现跨组织的资源协调与问题解决，有效提高协同协作的层次与水平论文开题报告范例。
（3）E- Learning平台功能的服务化
与企业计算的融合导致网格计算普遍采用面向服务的体系结构，它有利于提高教学资源的可重用性、互操作性以及教学过程的动态性和适应性。
（4）个性化与智能指导是学习环境的两个关键因素，个性化学习支持是E- Learning的核心服务之一。
2.2 高校数字图书馆与E- learning 环境下相结合的资源服务
高校数字图书馆融合多样化信息资源，有机的整合了各种类型的信息资源,是面向用户构建的互联互通的、可持续发展的数字信息服务体系，其研发策略以用户需求为驱动, 强调应用性和易访性，更具有一定的社会发展性。数字化学习环境中重要的一环就是建设丰富、便利的资源环境。适应E- learning 需要的教育资源的来源不外乎两个方面: 一是由专业信息服务机构或公司以各种格式制作、推出和发行的有偿资源; 二是从因特网上获取的由图书馆、高校教师、非赢利机构等提供的免费资源。对于第一方面的资源，高校图书馆具有代理服务的责任或承担集体用户的责任；对于第二方面的资源, 高校图书馆具有信息集成和信息导航的功能, 也有为教师制作课件资源等提供素材服务和发布服务的功能【5】。
从整体上看,高校图书馆可以为E- learning 提供信息资源整合、信息发布和信息交流的平台功能，E -learning 环境下的高校图书馆教育资源服务可以让图书馆工作人员使用服务层所提供的环境和各类资源服务在知识应用层集成或开发相应的知识应用系统。
3 语义网格在E-learning 中的应用——E-learning Grid
当前E- Learning支撑环境突出了协同协作、资源共享和个性化学习支持服务等问题，新一代E- Learning关注构建广域教育资源共享与协同工作环境，特别是国家或区域性的E- Learning基础设施建设。因此，基于语义网格的E-learning平台体系结构体系，和面向服务的语义网格中间件是技术解决方案研究的核心内容。
3．1体系结构
语义网格技术能够在更高层次上促进学习资源的共享和各类学习支撑系统的互联互操作。在语义Web背景下的知识门户可以最大范围地丰富用户的体验，增强用户对上下文信息的感知，通过用户交互和上下文信息体系结构，主动地从资源库中获取资源。许多国际学习组织通过制定标准来达到在一个开放的分布式环境中获取真正的互操作与有意义的协作，然而要实现这个目标必须提供一个适当的、灵活的技术框架【7】。图4是基于E- Learning架构的语义网格（Semantic Grid based E-Learning Framework SELF）分层方式，很好地解释了各个组件间的相互作用：
#p#副标题#e#
图4: Semantic Grid basedE-Learning Framework （SELF）
?E-learning 应用层
基于语义网格的E- learning 平台体系结的顶层是Elearning应用层, 它的主要功能是支持用户与系统之间的交互服务, 为用户提供基于Web 的使用底层资源的界面, 或者提供各种终端用户的应用软件，例如分类和课件管理，研究设备，时间安排、跟踪软件等。当然，所有这些应用都取决于各自终端用户的特殊需要。
?E-learning 服务层
E- learning 服务层实际上就是底层的资源和上层的应用程序之间的媒介，它使得合作工具、代理、个性化管理等应用的实现更为简便【5】。把应用和服务分离成两层的好处是双重的: 首先，由于高内聚性和松耦合，它将最小化代码重写的工作并增加应用程序的可维护性；其次, 它也确保在应用程序的演进过程中能够符合规范化的标准。语义网格技术能够在更高层次上促进学习资源的共享和各类学习支撑系统的互联互操作, 便于利用现有的资源和服务动态、透明地构造新的服务, 即以一种灵活的方式汇聚和协调资源。如果有学习者对于某特殊领域的演讲或讲课资料感兴趣，那么个性化服务作为后台进程可以追踪这类信息，从而将缺乏个性化、线性/静态的学习过程转变为高效地、分布式、面向学生、个性化、非线性/动态的学习过程。
3．2 基于E-Learning的语义网格的应用
下图描述了语义网格在E-Learning中的应用，形象地表达了用户与E-learning语义网格的核心组件的关系。有效地解决了底层信息资源在语义层次的资源共享和动态集成问题。
图5: 语义网格在E-Learning中的应用图示
在语义网格技术下，通过建立图书馆组织内部和外部的网络系统，可以实现对资源的分配、交流、共享、整合，从而充分利用信息资源， 并支持信息资源的无缝发送、跟踪和信息创新，进而实现事件、内容和学习管理。假设来自不同层次的参与者都已部署了SELF所需要的组件，如果站点A的用户想要获得一些特殊的内容，那么通过使用SELF层次的知识查询将联系软件代理，同时个人服务会跟踪用户所感兴趣的内容。软件代理通过和合作代理商的交流使用推理服务可以解决对需求资源的查询。软件代理和推断服务将通过存取服务、信息管理和管理服务获得网格资源的描述【7】。
3．3 相关工具和技术
随着网格技术的广泛应用，在世界范围内出现了大量开放式工具和技术。表1列出了一些在实现阶段可用的工具和技术。在特定的组件开发中并不是所列的所有的工具和技术都需要用到，只是在一定程度上可用的多种实现方法。
表1: 相关工具和技术
|
SELF组件 |
推荐工具/技术 |
|
Collaborative Tools |
CoAKTing [6] |
|
Personalization Services |
CHANDLER [17] |
|
Inference Services |
OILEd, JESS, Description Logic |
|
Software Agents |
SAGE [18], JADE [19], Aglets [20] |
|
Grid Components and Services |
JClarens [16,21], GT3[22] |
|
Ontologies |
Protégé etc. |
|
Semantic Web Techniques |
OWL[23], DAML-OIL[24] |
|
Security |
Assorted Security Add-ons |
结束语
随着校园网的普及和发展,构筑在校园网上的网络教育平台数量剧增，网络教育已进入服务个性化、形式多样化、资源开放化的阶段。因此，探讨如何将高校数字图书馆与E- learning 环境相结合，如何在E-learning环境下开展教育资源服务，发挥高校图书馆的最大功效就具有十分重要的意义。
参考文献
1徐志伟等网格计算技术电子工业出版社2004.5
2桂小林网格技术导论北京邮电大学出版社2005.3
3周琪锋基于语义网格的数字图书馆E- learning 平台研究 现代情报 2009.5
4许骏网格计算与E- Learning Grid 中国电化教育 2005.11
5T. Payneand O. Lassila, “Semantic web services,” IEEE Intell. Syst.,
vol. 19, no. 4, pp.14–15, Jul.–Aug. 2004.