篇（1）

本文在研究了基于本体的的概念设计知识模型的基础上,提出了基于本体的概念设计知识管理框架,研究了用户对本体的定义、对知识结构内容的自由扩充以及概念设计知识的检索方法等关键技术。

1、基于本体的概念设计知识建模

1.1　概念设计知识分类与表达

概念设计是对设计问题加以描述,并以方案的形式提出众多解的设计阶段.概念设计从不同的角度有多种定义.一般认为,概念设计是指以设计要求为输入、以最佳方案为输出的系统所包含的工作流程,是一个由功能向结构的转换过程。

图1描述了一般概念设计的工作流程,它包含综合与评价两个基本过程。综合是指根据设计要求,运用各种分析、设计方法推理而生成的多个方案,是个发散过程；评价则从方案集中择出最优,是个收敛过程。概念设计是将所设计的产品看成一个系统,运用系统工程的方法去分析和设计。具体说,概念设计就是将设计对象的总功能分解成相互有机联系的若干功能单元,并以功能单元为子系统进行再次分解,生成更低一级的功能单元,经过这样逐层分解,直至对应的各个最末端功能单元能够找到一个可以实现的技术原理解。概念设计的主要任务是功能到结构的映射,概念设计过程主要包括：功能创新、功能分析和功能结构设计、工作原理解的搜索和确定、功能载体方案构思和决策。

根据概念设计的过程及人在设计时的认知特点将概念设计知识分为元知识和实例知识（其分类如图2所示）。元知识中主要包括功能知识、技术原理解知识、结构知识等。实例知识中主要包括方案设计实例、技术原理解实例、产品实例等知识。

（1）功能知识。主要描述产品完成的任务,描述产品的功能及功能子项。描述产品要完成的功能,包括功能内容、实现参数、性能指标等；

（2）技术原理解知识。描述产品功能及功能子项的原理解答。它的表达要复杂些,一方面可用文字、数字表达它的说明、解答参数,另一方面,要有图形支持产品原理解答；

（3）结构知识。描述产品的结构设计状况,是对原理域知识的细化和扩充,是求解原理解的结构载体,可描述产品关键部分的形状、尺寸和参数。产品功能 结构的映射（简称为功构映射）就是对产品的功能模型进行结构实现的求解,是将产品功能性的描述转化为能实现这些功能的具有具体形状、尺寸及相互关系的零部件描述。在这里功能是产品结构的抽象,是结构实现的目的；而结构则为实现某功能而选用的一组构件或元件。功能 结构间的关系一般而言是多对多的映射关系。一个功能可能由一个或多个特征或元件实现,而一个特征或元件也可能完成一个或多个功能；

（4）实例知识。已成功或失败的设计范例,包括方案设计实例,产品结构知识实例、技术原理解实例等。它包含了更多的实际因素,是类比设计和基于实例推理设计的基础。

以工程机械中某型滑模式水泥摊铺机为例,总功能为摊铺水泥路面,总功能可细分为滑模作业、控制作业等功能,滑模作业功能又可细分为提水泥浆、挤压成型等功能。其中某个功能的实现可能会由几个结构组合而成,例如滑模式水泥摊铺机滑模作业功能就是由螺旋分料器、刮平板等几个结构一起才能实现。图3为该水泥摊铺机的功能层次定义和功能分解结构举例。该产品所对应的结构分解则如图4所示。图5中给出了对于滑模作业功能的技术原理解简图、技术原理解的评价、参考产品,以及实现该功能的说明等相关的知识。

如何利用计算机技术对概念设计予以支持,对概念设计知识进行有效的管理,至今仍没有较好的解决方法。目前的知识建模主要是专家系统,最常用的知识模型包括框架、产生式规则、语义网络、谓词逻辑等。专家系统的知识建模主要侧重符号层的系统实现,很少考虑动态的,非结构化的知识,造成专家系统解决问题的局限性,使得专家系统不能解决大型复杂问题。

本体作为“对概念化显式的详细说明”[9,10],研究领域内的对象、概念和其他实体,以及它们之间的关系,可以很好地解决概念设计知识的表达、检索和重用等问题。采用本体描述概念设计知识可以支持细粒度的产品语义信息的描述,可以形式化地定义特定领域的知识,如概念、事实、规则等；支持语义层面的集成和共享,基于本体的知识定义可以对知识作普遍的、无歧义的语义解释,可以保证不同使用者之间进行语义层面的信息共享和互操作。

1.2　本体建模过程描述

本体是某一领域的概念化描述,着意于在抽象层次提出描述客观世界的抽象模型,它包括两个基本的要素：概念和概念之间的关系。本体的构建必须满足以下的要求：对目标领域的清晰描述；概念或概念之间关系的明确定义；一般性和综合性原则。本体可以有多种表述方式,包括图形方式、语言形式和XML文档形式等。

基于本体的产品概念设计知识建模过程包括3个阶段：

（1）产品概念设计知识目标确定。产品概念设计知识定位,概念设计知识的定位决定本体构造的功能需求及最终用户。

（2）产品概念设计知识本体分析与建立。根据需求分析,确定该领域的相关概念及概念属性,并用XML语言进行形式化描述。这个阶段是建立概念设计知识本体的关键环节,直接影响到整个本体的生成质量,同时也是工作量最大的阶段。

（3）产品概念设计知识本体评价。对所创建的本体进行一致性及完备性评价。一致性是指术语之间的关系逻辑上应保持一致；完备性是指本体中概念及关系应是完善的。我们称该3阶段的组合为产品概念设计知识本体建模的一个生命周期（见图6）。

1.3　概念设计知识的本体表示

在此我们以工程机械中滑模式水泥摊铺机为例,结合图3～图5中的实际知识,从概念实体、概念属性及概念间关系等方面来说明产品知识、功能知识、技术原理解知识、技术原理解实例等概念设计知识的本体表示,通过概念蕴涵、属性关联、相互约束和公理定义等方法揭示了概念间的本质联系,形成一个语义关系清晰的产品概念设计知识模型。建模采用目前最新的OWL语言描述。

表述的语义为一个滑模式水泥摊铺机继承了一个产品的所有属性,此外还具备了关系属性：摊铺能力,同时,又对属性摊铺能力作了限制：只能应用于滑模式水泥摊铺机领域,且取值变化只能在摊铺宽度中（省略了关于滑模式水泥摊铺机类似属性的定义,如摊铺厚度和摊铺速度等）。

（3）功能知识类

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</owl：Class>

表述的语义为一个功能知识只有一个功能名称,且最少具有一个相关产品（省略了功能知识类似属性的定义,如功能编号、功能说明、创建人、创建时间、存储位置等）。

（4）功能技术原理解类

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表述的语义为一个功能技术原理解具有对应的功能名称,相关的技术原理解简图（省略了技术原理解类似属性的定义,如评价、参考产品、创建人、创建时间、存储位置等）。

上述描述中,使用类公理（subclassof）描述了两个类（概念）之间的继承关系,如滑模式水泥摊铺机类是产品类的子类。在描述类属性时,使用关系属性（objectproperty）描述了类的某个属性同时也表示了两个类之间的某种关系,如摊铺能力既是滑模式水泥摊铺机类的一个属性,同时也表达了和摊铺宽度类之间的对应关系。另外,使用属性公理domain和range表示属性的应用领域和属性的取值范围,如属性摊铺能力只能用于滑模式水泥摊铺机类,且它的取值只能是摊铺宽度数据集。

1.4　基于本体的概念设计知识管理的特点和优势

基于本体的概念设计知识管理可以让设计人员更好地重用已有的概念设计知识,基于本体的概念设计知识管理具有以下的一些特点或优势：

（1）支持用户定制知识类别。产品概念设计过程中,需要运用多种类型的知识,如：功能类、功能技术原理方案解类等。这些知识的描述和使用有着不同的特点,不能用相同的描述框架来处理。基于本体的设计知识建模允许用户对设计中知识类别加以定制,针对每一类别定义其描述属性,从而较好的解决了概念设计中多来源多类型知识的表示问题。

（2）支持概念共享的知识库构建。概念设计知识本体的构造澄清了概念设计领域知识的结构,为概念设计知识的表示打好了基础,而本体中统一的术语和概念也使概念设计知识更好地共享成为可能。基于本体的概念设计知识表示在区分不同知识类别的同时,建立起概念间的共享联系。通过概念间的共享机制,避免了设计知识库的数据冗余和数据不一致问题,方便了知识的建模录入、检索及统计处理。

（3）多视图和基于本体概念的知识检索。在目前的应用系统中一般采用基于关键字的数据库查询方法,由于其数据库组织不是建立在能够表示概念之间的关系、事实和实例的领域模型的基础上,因此无法实现智能查询和信息推理,也就无法解决语义异构性问题。由于不同的组织和人员可能使用不同的词语表示同一个含义,因此查询系统得不到意义相同但用词（语法）不同的内容。当需要对多个数据源进行查询的时候问题更为明显,多意词和同义词会使查询得到许多不相关的信息,而忽略另外一些重要信息。

在基于本体的概念设计知识管理中由于具有统一的术语和概念,知识库建立在本体的基础上,使得基于知识的设计意图匹配成为可能。采用基于知识、语义上的检索匹配,对用户的检索请求,通过查询转换器按照本体把各种检索请求转换成对应的概念,在本体的帮助下从知识库中匹配出符合条件的数据集合,解决了语义异构的问题。

从人在设计时的认知特点出发,可以采用基于功能分解树的功能设计知识检索视图、基于产品分解结构树的结构设计知识检索视图,还可以利用本体中已定义的概念定义其它知识检索视图,比如需求功能知识检索视图、软件工具使用知识检索视图等,实现基于知识检索的设计意图的匹配。

2、基于本体的概念设计知识管理

2.1　概念设计知识管理系统结构

结合工程机械行业的实际,本文提出了图7所示的基于本体的产品概念设计知识管理系统结构,系统按照知识产生、获取和利用的流程来构建,系统结构主要包括概念设计知识管理工具、数据接口程序以及基于本体的概念设计知识库,具体由4个部分构成。

（1）概念设计知识获取。概念设计知识的获取包括从概念设计知识本体定义、本体之间关系定义、本体知识库生成到概念设计知识获取整个过程。

（2）概念设计知识维护。主要包括从概念设计知识本体维护、本体关系维护、知识库重新生成到概念设计知识维护的过程,实现对本体的属性修改,各类知识之间的关系维护,以及知识库的更新等。

（3）概念设计知识检索重用。系统中提供基于多视图的知识检索方式,如基于功能分解树的功能设计知识检索视图、基于产品分解结构树的结构设计知识检索视图,及用户定义的其它知识检索视图。此外系统提供基于本体概念的知识检索方式,通过本体映射库,可以实现同义词的检索,保证可能会采用不同的概念和术语表示相同的设计信息的人可以得到相同的知识帮助。

（4）概念设计知识库的构建。要实现基于本体的,支持客户自定义的概念设计知识管理,系统必须由足够的柔性,支持各类知识的存储,作为系统基石的知识库的构建就不能采用完全预先定义的方式,在系统中我们采用基础数据库加上在此基础上经过本体定义工具动态生成的各类知识库的方法保证基于本体的知识管理的实现。

篇（2）

本文在研究了基于本体的的概念设计知识模型的基础上,提出了基于本体的概念设计知识管理框架,研究了用户对本体的定义、对知识结构内容的自由扩充以及概念设计知识的检索方法等关键技术。

1、基于本体的概念设计知识建模

1.1　概念设计知识分类与表达

概念设计是对设计问题加以描述,并以方案的形式提出众多解的设计阶段[7].概念设计从不同的角度有多种定义[8].一般认为,概念设计是指以设计要求为输入、以最佳方案为输出的系统所包含的工作流程,是一个由功能向结构的转换过程。wWW.133229.cOM

图1描述了一般概念设计的工作流程,它包含综合与评价两个基本过程。综合是指根据设计要求,运用各种分析、设计方法推理而生成的多个方案,是个发散过程；评价则从方案集中择出最优,是个收敛过程。概念设计是将所设计的产品看成一个系统,运用系统工程的方法去分析和设计。具体说,概念设计就是将设计对象的总功能分解成相互有机联系的若干功能单元,并以功能单元为子系统进行再次分解,生成更低一级的功能单元,经过这样逐层分解,直至对应的各个最末端功能单元能够找到一个可以实现的技术原理解。概念设计的主要任务是功能到结构的映射,概念设计过程主要包括：功能创新、功能分析和功能结构设计、工作原理解的搜索和确定、功能载体方案构思和决策。

根据概念设计的过程及人在设计时的认知特点将概念设计知识分为元知识和实例知识（其分类如图2所示）。元知识中主要包括功能知识、技术原理解知识、结构知识等。实例知识中主要包括方案设计实例、技术原理解实例、产品实例等知识。

（1）功能知识。主要描述产品完成的任务,描述产品的功能及功能子项。描述产品要完成的功能,包括功能内容、实现参数、性能指标等；

（2）技术原理解知识。描述产品功能及功能子项的原理解答。它的表达要复杂些,一方面可用文字、数字表达它的说明、解答参数,另一方面,要有图形支持产品原理解答；

（3）结构知识。描述产品的结构设计状况,是对原理域知识的细化和扩充,是求解原理解的结构载体,可描述产品关键部分的形状、尺寸和参数。产品功能 结构的映射（简称为功构映射）就是对产品的功能模型进行结构实现的求解,是将产品功能性的描述转化为能实现这些功能的具有具体形状、尺寸及相互关系的零部件描述。在这里功能是产品结构的抽象,是结构实现的目的；而结构则为实现某功能而选用的一组构件或元件。功能 结构间的关系一般而言是多对多的映射关系。一个功能可能由一个或多个特征或元件实现,而一个特征或元件也可能完成一个或多个功能；

（4）实例知识。已成功或失败的设计范例,包括方案设计实例,产品结构知识实例、技术原理解实例等。它包含了更多的实际因素,是类比设计和基于实例推理设计的基础。

以工程机械中某型滑模式水泥摊铺机为例,总功能为摊铺水泥路面,总功能可细分为滑模作业、控制作业等功能,滑模作业功能又可细分为提水泥浆、挤压成型等功能。其中某个功能的实现可能会由几个结构组合而成,例如滑模式水泥摊铺机滑模作业功能就是由螺旋分料器、刮平板等几个结构一起才能实现。图3为该水泥摊铺机的功能层次定义和功能分解结构举例。该产品所对应的结构分解则如图4所示。图5中给出了对于滑模作业功能的技术原理解简图、技术原理解的评价、参考产品,以及实现该功能的说明等相关的知识。

如何利用计算机技术对概念设计予以支持,对概念设计知识进行有效的管理,至今仍没有较好的解决方法。目前的知识建模主要是专家系统,最常用的知识模型包括框架、产生式规则、语义网络、谓词逻辑等。专家系统的知识建模主要侧重符号层的系统实现,很少考虑动态的,非结构化的知识,造成专家系统解决问题的局限性,使得专家系统不能解决大型复杂问题。

本体作为“对概念化显式的详细说明”[9,10],研究领域内的对象、概念和其他实体,以及它们之间的关系,可以很好地解决概念设计知识的表达、检索和重用等问题。采用本体描述概念设计知识可以支持细粒度的产品语义信息的描述,可以形式化地定义特定领域的知识,如概念、事实、规则等；支持语义层面的集成和共享,基于本体的知识定义可以对知识作普遍的、无歧义的语义解释,可以保证不同使用者之间进行语义层面的信息共享和互操作。

1.2　本体建模过程描述

本体是某一领域的概念化描述,着意于在抽象层次提出描述客观世界的抽象模型,它包括两个基本的要素：概念和概念之间的关系。本体的构建必须满足以下的要求：对目标领域的清晰描述；概念或概念之间关系的明确定义；一般性和综合性原则。本体可以有多种表述方式,包括图形方式、语言形式和xml文档形式等。

基于本体的产品概念设计知识建模过程包括3个阶段：

（1）产品概念设计知识目标确定。产品概念设计知识定位,概念设计知识的定位决定本体构造的功能需求及最终用户。

（2）产品概念设计知识本体分析与建立。根据需求分析,确定该领域的相关概念及概念属性,并用xml语言进行形式化描述。这个阶段是建立概念设计知识本体的关键环节,直接影响到整个本体的生成质量,同时也是工作量最大的阶段。

（3）产品概念设计知识本体评价。对所创建的本体进行一致性及完备性评价。一致性是指术语之间的关系逻辑上应保持一致；完备性是指本体中概念及关系应是完善的。我们称该3阶段的组合为产品概念设计知识本体建模的一个生命周期（见图6）。

1.3　概念设计知识的本体表示

在此我们以工程机械中滑模式水泥摊铺机为例,结合图3～图5中的实际知识,从概念实体、概念属性及概念间关系等方面来说明产品知识、功能知识、技术原理解知识、技术原理解实例等概念设计知识的本体表示,通过概念蕴涵、属性关联、相互约束和公理定义等方法揭示了概念间的本质联系,形成一个语义关系清晰的产品概念设计知识模型。建模采用目前最新的owl语言描述。

表述的语义为一个滑模式水泥摊铺机继承了一个产品的所有属性,此外还具备了关系属性：摊铺能力,同时,又对属性摊铺能力作了限制：只能应用于滑模式水泥摊铺机领域,且取值变化只能在摊铺宽度中（省略了关于滑模式水泥摊铺机类似属性的定义,如摊铺厚度和摊铺速度等）。

（3）功能知识类

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上述描述中,使用类公理（subclassof）描述了两个类（概念）之间的继承关系,如滑模式水泥摊铺机类是产品类的子类。在描述类属性时,使用关系属性（objectproperty）描述了类的某个属性同时也表示了两个类之间的某种关系,如摊铺能力既是滑模式水泥摊铺机类的一个属性,同时也表达了和摊铺宽度类之间的对应关系。另外,使用属性公理domain和range表示属性的应用领域和属性的取值范围,如属性摊铺能力只能用于滑模式水泥摊铺机类,且它的取值只能是摊铺宽度数据集。

1.4　基于本体的概念设计知识管理的特点和优势

基于本体的概念设计知识管理可以让设计人员更好地重用已有的概念设计知识,基于本体的概念设计知识管理具有以下的一些特点或优势：

（1）支持用户定制知识类别。产品概念设计过程中,需要运用多种类型的知识,如：功能类、功能技术原理方案解类等。这些知识的描述和使用有着不同的特点,不能用相同的描述框架来处理。基于本体的设计知识建模允许用户对设计中知识类别加以定制,针对每一类别定义其描述属性,从而较好的解决了概念设计中多来源多类型知识的表示问题。

（2）支持概念共享的知识库构建。概念设计知识本体的构造澄清了概念设计领域知识的结构,为概念设计知识的表示打好了基础,而本体中统一的术语和概念也使概念设计知识更好地共享成为可能。基于本体的概念设计知识表示在区分不同知识类别的同时,建立起概念间的共享联系。通过概念间的共享机制,避免了设计知识库的数据冗余和数据不一致问题,方便了知识的建模录入、检索及统计处理。

（3）多视图和基于本体概念的知识检索。在目前的应用系统中一般采用基于关键字的数据库查询方法,由于其数据库组织不是建立在能够表示概念之间的关系、事实和实例的领域模型的基础上,因此无法实现智能查询和信息推理,也就无法解决语义异构性问题。由于不同的组织和人员可能使用不同的词语表示同一个含义,因此查询系统得不到意义相同但用词（语法）不同的内容。当需要对多个数据源进行查询的时候问题更为明显,多意词和同义词会使查询得到许多不相关的信息,而忽略另外一些重要信息。

在基于本体的概念设计知识管理中由于具有统一的术语和概念,知识库建立在本体的基础上,使得基于知识的设计意图匹配成为可能。采用基于知识、语义上的检索匹配,对用户的检索请求,通过查询转换器按照本体把各种检索请求转换成对应的概念,在本体的帮助下从知识库中匹配出符合条件的数据集合,解决了语义异构的问题。

从人在设计时的认知特点出发,可以采用基于功能分解树的功能设计知识检索视图、基于产品分解结构树的结构设计知识检索视图,还可以利用本体中已定义的概念定义其它知识检索视图,比如需求功能知识检索视图、软件工具使用知识检索视图等,实现基于知识检索的设计意图的匹配。

2、基于本体的概念设计知识管理

2.1　概念设计知识管理系统结构

结合工程机械行业的实际,本文提出了图7所示的基于本体的产品概念设计知识管理系统结构,系统按照知识产生、获取和利用的流程来构建,系统结构主要包括概念设计知识管理工具、数据接口程序以及基于本体的概念设计知识库,具体由4个部分构成。

（1）概念设计知识获取。概念设计知识的获取包括从概念设计知识本体定义、本体之间关系定义、本体知识库生成到概念设计知识获取整个过程。

（2）概念设计知识维护。主要包括从概念设计知识本体维护、本体关系维护、知识库重新生成到概念设计知识维护的过程,实现对本体的属性修改,各类知识之间的关系维护,以及知识库的更新等。

（3）概念设计知识检索重用。系统中提供基于多视图的知识检索方式,如基于功能分解树的功能设计知识检索视图、基于产品分解结构树的结构设计知识检索视图,及用户定义的其它知识检索视图。此外系统提供基于本体概念的知识检索方式,通过本体映射库,可以实现同义词的检索,保证可能会采用不同的概念和术语表示相同的设计信息的人可以得到相同的知识帮助。

（4）概念设计知识库的构建。要实现基于本体的,支持客户自定义的概念设计知识管理,系统必须由足够的柔性,支持各类知识的存储,作为系统基石的知识库的构建就不能采用完全预先定义的方式,在系统中我们采用基础数据库加上在此基础上经过本体定义工具动态生成的各类知识库的方法保证基于本体的知识管理的实现。

篇（3）

本文在研究了基于本体的的概念设计知识模型的基础上,提出了基于本体的概念设计知识管理框架,研究了用户对本体的定义、对知识结构内容的自由扩充以及概念设计知识的检索方法等关键技术。

1、基于本体的概念设计知识建模

1.1　概念设计知识分类与表达

概念设计是对设计问题加以描述,并以方案的形式提出众多解的设计阶段[7].概念设计从不同的角度有多种定义[8].一般认为,概念设计是指以设计要求为输入、以最佳方案为输出的系统所包含的工作流程,是一个由功能向结构的转换过程。

图1描述了一般概念设计的工作流程,它包含综合与评价两个基本过程。综合是指根据设计要求,运用各种分析、设计方法推理而生成的多个方案,是个发散过程；评价则从方案集中择出最优,是个收敛过程。概念设计是将所设计的产品看成一个系统,运用系统工程的方法去分析和设计。具体说,概念设计就是将设计对象的总功能分解成相互有机联系的若干功能单元,并以功能单元为子系统进行再次分解,生成更低一级的功能单元,经过这样逐层分解,直至对应的各个最末端功能单元能够找到一个可以实现的技术原理解。概念设计的主要任务是功能到结构的映射,概念设计过程主要包括：功能创新、功能分析和功能结构设计、工作原理解的搜索和确定、功能载体方案构思和决策。

根据概念设计的过程及人在设计时的认知特点将概念设计知识分为元知识和实例知识（其分类如图2所示）。元知识中主要包括功能知识、技术原理解知识、结构知识等。实例知识中主要包括方案设计实例、技术原理解实例、产品实例等知识。

（1）功能知识。主要描述产品完成的任务,描述产品的功能及功能子项。描述产品要完成的功能,包括功能内容、实现参数、性能指标等；

（2）技术原理解知识。描述产品功能及功能子项的原理解答。它的表达要复杂些,一方面可用文字、数字表达它的说明、解答参数,另一方面,要有图形支持产品原理解答；

（3）结构知识。描述产品的结构设计状况,是对原理域知识的细化和扩充,是求解原理解的结构载体,可描述产品关键部分的形状、尺寸和参数。产品功能 结构的映射（简称为功构映射）就是对产品的功能模型进行结构实现的求解,是将产品功能性的描述转化为能实现这些功能的具有具体形状、尺寸及相互关系的零部件描述。在这里功能是产品结构的抽象,是结构实现的目的；而结构则为实现某功能而选用的一组构件或元件。功能 结构间的关系一般而言是多对多的映射关系。一个功能可能由一个或多个特征或元件实现,而一个特征或元件也可能完成一个或多个功能；

（4）实例知识。已成功或失败的设计范例,包括方案设计实例,产品结构知识实例、技术原理解实例等。它包含了更多的实际因素,是类比设计和基于实例推理设计的基础。

以工程机械中某型滑模式水泥摊铺机为例,总功能为摊铺水泥路面,总功能可细分为滑模作业、控制作业等功能,滑模作业功能又可细分为提水泥浆、挤压成型等功能。其中某个功能的实现可能会由几个结构组合而成,例如滑模式水泥摊铺机滑模作业功能就是由螺旋分料器、刮平板等几个结构一起才能实现。图3为该水泥摊铺机的功能层次定义和功能分解结构举例。该产品所对应的结构分解则如图4所示。图5中给出了对于滑模作业功能的技术原理解简图、技术原理解的评价、参考产品,以及实现该功能的说明等相关的知识。

如何利用计算机技术对概念设计予以支持,对概念设计知识进行有效的管理,至今仍没有较好的解决方法。目前的知识建模主要是专家系统,最常用的知识模型包括框架、产生式规则、语义网络、谓词逻辑等。专家系统的知识建模主要侧重符号层的系统实现,很少考虑动态的,非结构化的知识,造成专家系统解决问题的局限性,使得专家系统不能解决大型复杂问题。

本体作为“对概念化显式的详细说明”[9,10],研究领域内的对象、概念和其他实体,以及它们之间的关系,可以很好地解决概念设计知识的表达、检索和重用等问题。采用本体描述概念设计知识可以支持细粒度的产品语义信息的描述,可以形式化地定义特定领域的知识,如概念、事实、规则等；支持语义层面的集成和共享,基于本体的知识定义可以对知识作普遍的、无歧义的语义解释,可以保证不同使用者之间进行语义层面的信息共享和互操作。

1.2　本体建模过程描述

本体是某一领域的概念化描述,着意于在抽象层次提出描述客观世界的抽象模型,它包括两个基本的要素：概念和概念之间的关系。本体的构建必须满足以下的要求：对目标领域的清晰描述；概念或概念之间关系的明确定义；一般性和综合性原则。本体可以有多种表述方式,包括图形方式、语言形式和xml文档形式等。

基于本体的产品概念设计知识建模过程包括3个阶段：

（1）产品概念设计知识目标确定。产品概念设计知识定位,概念设计知识的定位决定本体构造的功能需求及最终用户。

（2）产品概念设计知识本体分析与建立。根据需求分析,确定该领域的相关概念及概念属性,并用xml语言进行形式化描述。这个阶段是建立概念设计知识本体的关键环节,直接影响到整个本体的生成质量,同时也是工作量最大的阶段。

（3）产品概念设计知识本体评价。对所创建的本体进行一致性及完备性评价。一致性是指术语之间的关系逻辑上应保持一致；完备性是指本体中概念及关系应是完善的。我们称该3阶段的组合为产品概念设计知识本体建模的一个生命周期（见图6）。

1.3　概念设计知识的本体表示

在此我们以工程机械中滑模式水泥摊铺机为例,结合图3～图5中的实际知识,从概念实体、概念属性及概念间关系等方面来说明产品知识、功能知识、技术原理解知识、技术原理解实例等概念设计知识的本体表示,通过概念蕴涵、属性关联、相互约束和公理定义等方法揭示了概念间的本质联系,形成一个语义关系清晰的产品概念设计知识模型。建模采用目前最新的owl语言描述。

表述的语义为一个滑模式水泥摊铺机继承了一个产品的所有属性,此外还具备了关系属性：摊铺能力,同时,又对属性摊铺能力作了限制：只能应用于滑模式水泥摊铺机领域,且取值变化只能在摊铺宽度中（省略了关于滑模式水泥摊铺机类似属性的定义,如摊铺厚度和摊铺速度等）。

（3）功能知识类

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上述描述中,使用类公理（subclassof）描述了两个类（概念）之间的继承关系,如滑模式水泥摊铺机类是产品类的子类。在描述类属性时,使用关系属性（objectproperty）描述了类的某个属性同时也表示了两个类之间的某种关系,如摊铺能力既是滑模式水泥摊铺机类的一个属性,同时也表达了和摊铺宽度类之间的对应关系。另外,使用属性公理domain和range表示属性的应用领域和属性的取值范围,如属性摊铺能力只能用于滑模式水泥摊铺机类,且它的取值只能是摊铺宽度数据集。

1.4　基于本体的概念设计知识管理的特点和优势

基于本体的概念设计知识管理可以让设计人员更好地重用已有的概念设计知识,基于本体的概念设计知识管理具有以下的一些特点或优势：

（1）支持用户定制知识类别。产品概念设计过程中,需要运用多种类型的知识,如：功能类、功能技术原理方案解类等。这些知识的描述和使用有着不同的特点,不能用相同的描述框架来处理。基于本体的设计知识建模允许用户对设计中知识类别加以定制,针对每一类别定义其描述属性,从而较好的解决了概念设计中多来源多类型知识的表示问题。

（2）支持概念共享的知识库构建。概念设计知识本体的构造澄清了概念设计领域知识的结构,为概念设计知识的表示打好了基础,而本体中统一的术语和概念也使概念设计知识更好地共享成为可能。基于本体的概念设计知识表示在区分不同知识类别的同时,建立起概念间的共享联系。通过概念间的共享机制,避免了设计知识库的数据冗余和数据不一致问题,方便了知识的建模录入、检索及统计处理。

（3）多视图和基于本体概念的知识检索。在目前的应用系统中一般采用基于关键字的数据库查询方法,由于其数据库组织不是建立在能够表示概念之间的关系、事实和实例的领域模型的基础上,因此无法实现智能查询和信息推理,也就无法解决语义异构性问题。由于不同的组织和人员可能使用不同的词语表示同一个含义,因此查询系统得不到意义相同但用词（语法）不同的内容。当需要对多个数据源进行查询的时候问题更为明显,多意词和同义词会使查询得到许多不相关的信息,而忽略另外一些重要信息。

在基于本体的概念设计知识管理中由于具有统一的术语和概念,知识库建立在本体的基础上,使得基于知识的设计意图匹配成为可能。采用基于知识、语义上的检索匹配,对用户的检索请求,通过查询转换器按照本体把各种检索请求转换成对应的概念,在本体的帮助下从知识库中匹配出符合条件的数据集合,解决了语义异构的问题。

从人在设计时的认知特点出发,可以采用基于功能分解树的功能设计知识检索视图、基于产品分解结构树的结构设计知识检索视图,还可以利用本体中已定义的概念定义其它知识检索视图,比如需求功能知识检索视图、软件工具使用知识检索视图等,实现基于知识检索的设计意图的匹配。

2、基于本体的概念设计知识管理

2.1　概念设计知识管理系统结构

结合工程机械行业的实际,本文提出了图7所示的基于本体的产品概念设计知识管理系统结构,系统按照知识产生、获取和利用的流程来构建,系统结构主要包括概念设计知识管理工具、数据接口程序以及基于本体的概念设计知识库,具体由4个部分构成。

（1）概念设计知识获取。概念设计知识的获取包括从概念设计知识本体定义、本体之间关系定义、本体知识库生成到概念设计知识获取整个过程。

（2）概念设计知识维护。主要包括从概念设计知识本体维护、本体关系维护、知识库重新生成到概念设计知识维护的过程,实现对本体的属性修改,各类知识之间的关系维护,以及知识库的更新等。

（3）概念设计知识检索重用。系统中提供基于多视图的知识检索方式,如基于功能分解树的功能设计知识检索视图、基于产品分解结构树的结构设计知识检索视图,及用户定义的其它知识检索视图。此外系统提供基于本体概念的知识检索方式,通过本体映射库,可以实现同义词的检索,保证可能会采用不同的概念和术语表示相同的设计信息的人可以得到相同的知识帮助。

（4）概念设计知识库的构建。要实现基于本体的,支持客户自定义的概念设计知识管理,系统必须由足够的柔性,支持各类知识的存储,作为系统基石的知识库的构建就不能采用完全预先定义的方式,在系统中我们采用基础数据库加上在此基础上经过本体定义工具动态生成的各类知识库的方法保证基于本体的知识管理的实现。

篇（4）

一、非正式学习以及个人知识管理的内涵

1.非正式学习和正式学习

学习有正式学习和非正式学习之外，正式学习主要指在学校课堂规定时间下以课程为主展开一系列教学活动的学习，而非正式学习没有指定地址和时间，几乎无处不在，往往通过学习者非教学性质的社会交往来传递和渗透知识，由学习者自我发起、自我调控、自我负责的学习。

2.个人知识管理

个人知识管理的宽泛定义由美国Paul A. Dorsey教授提出：“个人知识管理应被看作既有逻个人知识管理辑概念层面又有实际操作层面的一套解决问题的技巧与方法”。个人知识管理一般指个人使用有效工具建立个人知识体系并通过获得、创造、分享、整合、记录、存取、更新、创新等过程去归纳总结不断完善过程，形成自己有效的个人知识架构。个人知识管理常用工具：Microsoft OneNote、MyBase等。

二、概念图介绍

概念图是一种用每一个节点代表概念和每一个连线表示概念间关系的图示表示方法。康乃尔大学的Joseph D. Novak博士根据奥苏贝尔的学习理论在1960年代着手研究概念图技术，并使之成为了一种很好的教学工具。概念图的用途非常广泛。除了用作辅助学生学习的工具外，还是教师和研究人员分析评价学生对知识的理解和构建的方法，更是个人知识管理的有效手段。

三、非正式学习视角下概念图在个人知识管理中的应用探讨

1.概念图在个人知识管理中的应用理论基础

概念图的理论基础是建构主义学习理论和奥苏伯尔的学习理论。

（1）建构主义学习理论。建构主义学习理论强调学习者是以自己的经验为基础来建构知识，学习知识不是通过教师教学直接获取的，而是通过知识的处理把学习者先前的知识，通过与他人的交流、沟通，进行有意义建构的方式获取。

学习本身就是建够一个概念图示网络，不间断地向图示网络增添新的知识内容，通过网络连线把新知识和学过的概念联系起来，让自己的学习更有意义，这充分体现了建构主义理论思想的核心精髓。也符合非正式学习的一般过程，不仅改进了原有知识经验，还对学习者个人知识管理的提高提供很大帮助。

（2）学习理论

概念图理论基础主要是奥苏贝尔提出的认知学习理论，认为新知识的学习取决于新旧知识能否达到意义的同化，观点是有意义学习。为了使学习有意义，学习者必须把新知识和学过的概念联系起来，会辨别新概念的层次，把这些概念放入知识结构中相应的位置上。

奥苏贝尔的“先行组织者”是一种广泛使用的传递大量学科知识的方法，也充分体现了概念图的基本特性。用一幅“大的图画”，首先呈现最笼统的概念，然后逐渐展现细节和具体的东西。学习者可用这种方法把知识点之间的联系有效管理，更方便个人对知识进行创造、分享、整合、记录、存取、更新等知识系统的构建，很好体现个人知识管理系统方法。

2.非正式学习知识的特点分析

从非正式学习知识管理角度：可以把非正式学习知识分为显性非正式学习知识和隐形非正式学习知识，显性非正式学习知识以文字、图形图像以及符号表达，存在方式以印刷或电子存储为主，比较容易进行交流、理解、分享的结构化知识。隐形非正式学习知识是高度化认知的个人知识，一般通过行动表现出来，很难用图形图像、文字等表示出来。

非正式学习知识具有社会性、多元性、自主性、合作性、情境性以及松散性。非正式学习知识的获取方式很多，如报纸、电视、网络等，也可通过交流合作进行获取，并且非正式学习知识与社会环境以及人们生活、工作的真实情境密切相关。

3.非正式学习视角下个人知识管理过程中构建概念图的策略

非正式学习视角下个人知识管理过程中，制作概念图可以使新旧知识之间、概念之间的关系清晰可见，迫使非正式学习者将这些关系外化。从这个意义上说，概念图帮助非正式学习者了解知识的结构，了解知识构建的过程。更能够帮助非正式学习者学会对知识归纳整理、理解和掌握，把隐性非正式学习知识外化为容易掌握的显性非正式学习知识，制作概念图的过程就是个人知识管理的过程。

（1）构建个人非正式学习知识库

非正式学习的过程，非正式学习者会面临着大量的松散知识点，如何将这些不连贯、松散的、多样的知识点组合成为新的知识极为重要。根据个人的知识结构体系进行分析，从而确定自己所需知识，以此形成自己的学习动机，构建适合自己的非正式学习知识体系。明确了学习需求，进而有意识的收集自己的知识，组织自己的知识，收集和组织自己的知识过程就是在选择、处理、评价、总结的过程，并进行有效的存储资源，从而形成自己有使用价值的非正式学习知识库。

（2）隐性非正式学习知识的外化和显性非正式学习知识的内化

利用概念图工具将隐性非正式学习知识图形化和文字化，外化为简单易懂的显性非正式学习知识，有利于非正式学习知识的消化和理解掌握。非正式学习者将自己的隐性知识显性化和将获取的隐性知识与自己原有知识进行加工处理，采用概念图策略可使各知识、各概念之间的关系清晰可见，迫使非正式学习者对自己需要的隐性知识进行外化。用构图的形式将难以表达的隐性知识进行图形化和文字化的方式显性描述出来，变成学习者易理解的形式。将非正式显性知识隐性化的过程，形成一种个人知识经验的过程，提升个人自己的知识价值，对自己的知识有效性进行评价过程，这个过程对非正式学习者非常重要，只有经过反思、评价的知识才是有意义、有价值的，从而能够更有效进行自己的个人知识管理。

（3）将非正式学习知识社会化和综合化

非正式学习知识的社会化的过程就是学习共同体之间进行知识分享的过程，把自己的经验和其他学习者的经验进行交流，有利于学习者创新能力的培养。利用概念图把所学知识进行有意义的架构，分享自己的构图灵感，通过交流和合作，形成自己的新创意和新观点。

非正式学习个人知识管理的过程中必须注重知识的综合化，将自己松散、无序的个人知识进行归纳整理，形成自己有结构和系统性的知识综合体。概念图恰恰能够帮我们重构知识，使各个知识点之间有清晰的脉络关系和知识管理架构，这充分体现知识综合化过程。

参考文献：

[1]杨宝红.非正式学习环境下个人知识管理的策略研究[J].中国科教创新导刊，2011，（23）.

[2]毛丽红.概念图在教育知识管理中的应用探索[J].教学与管理，2007，（7）.

篇（5）

本文在研究了基于本体的的概念设计知识模型的基础上,提出了基于本体的概念设计知识管理框架,研究了用户对本体的定义、对知识结构内容的自由扩充以及概念设计知识的检索方法等关键技术。

1、基于本体的概念设计知识建模

1.1概念设计知识分类与表达

概念设计是对设计问题加以描述,并以方案的形式提出众多解的设计阶段[7].概念设计从不同的角度有多种定义[8].一般认为,概念设计是指以设计要求为输入、以最佳方案为输出的系统所包含的工作流程,是一个由功能向结构的转换过程。

图1描述了一般概念设计的工作流程,它包含综合与评价两个基本过程。综合是指根据设计要求,运用各种分析、设计方法推理而生成的多个方案,是个发散过程；评价则从方案集中择出最优,是个收敛过程。概念设计是将所设计的产品看成一个系统,运用系统工程的方法去分析和设计。具体说,概念设计就是将设计对象的总功能分解成相互有机联系的若干功能单元,并以功能单元为子系统进行再次分解,生成更低一级的功能单元,经过这样逐层分解,直至对应的各个最末端功能单元能够找到一个可以实现的技术原理解。概念设计的主要任务是功能到结构的映射,概念设计过程主要包括：功能创新、功能分析和功能结构设计、工作原理解的搜索和确定、功能载体方案构思和决策。

根据概念设计的过程及人在设计时的认知特点将概念设计知识分为元知识和实例知识（其分类如图2所示）。元知识中主要包括功能知识、技术原理解知识、结构知识等。实例知识中主要包括方案设计实例、技术原理解实例、产品实例等知识。

（1）功能知识。主要描述产品完成的任务,描述产品的功能及功能子项。描述产品要完成的功能,包括功能内容、实现参数、性能指标等；

（2）技术原理解知识。描述产品功能及功能子项的原理解答。它的表达要复杂些,一方面可用文字、数字表达它的说明、解答参数,另一方面,要有图形支持产品原理解答；

（3）结构知识。描述产品的结构设计状况,是对原理域知识的细化和扩充,是求解原理解的结构载体,可描述产品关键部分的形状、尺寸和参数。产品功能结构的映射（简称为功构映射）就是对产品的功能模型进行结构实现的求解,是将产品功能性的描述转化为能实现这些功能的具有具体形状、尺寸及相互关系的零部件描述。在这里功能是产品结构的抽象,是结构实现的目的；而结构则为实现某功能而选用的一组构件或元件。功能结构间的关系一般而言是多对多的映射关系。一个功能可能由一个或多个特征或元件实现,而一个特征或元件也可能完成一个或多个功能；

（4）实例知识。已成功或失败的设计范例,包括方案设计实例,产品结构知识实例、技术原理解实例等。它包含了更多的实际因素,是类比设计和基于实例推理设计的基础。

以工程机械中某型滑模式水泥摊铺机为例,总功能为摊铺水泥路面,总功能可细分为滑模作业、控制作业等功能,滑模作业功能又可细分为提水泥浆、挤压成型等功能。其中某个功能的实现可能会由几个结构组合而成,例如滑模式水泥摊铺机滑模作业功能就是由螺旋分料器、刮平板等几个结构一起才能实现。图3为该水泥摊铺机的功能层次定义和功能分解结构举例。该产品所对应的结构分解则如图4所示。图5中给出了对于滑模作业功能的技术原理解简图、技术原理解的评价、参考产品,以及实现该功能的说明等相关的知识。

如何利用计算机技术对概念设计予以支持,对概念设计知识进行有效的管理,至今仍没有较好的解决方法。目前的知识建模主要是专家系统,最常用的知识模型包括框架、产生式规则、语义网络、谓词逻辑等。专家系统的知识建模主要侧重符号层的系统实现,很少考虑动态的,非结构化的知识,造成专家系统解决问题的局限性,使得专家系统不能解决大型复杂问题。

本体作为“对概念化显式的详细说明”[9,10],研究领域内的对象、概念和其他实体,以及它们之间的关系,可以很好地解决概念设计知识的表达、检索和重用等问题。采用本体描述概念设计知识可以支持细粒度的产品语义信息的描述,可以形式化地定义特定领域的知识,如概念、事实、规则等；支持语义层面的集成和共享,基于本体的知识定义可以对知识作普遍的、无歧义的语义解释,可以保证不同使用者之间进行语义层面的信息共享和互操作。

1.2本体建模过程描述

本体是某一领域的概念化描述,着意于在抽象层次提出描述客观世界的抽象模型,它包括两个基本的要素：概念和概念之间的关系。本体的构建必须满足以下的要求：对目标领域的清晰描述；概念或概念之间关系的明确定义；一般性和综合性原则。本体可以有多种表述方式,包括图形方式、语言形式和xml文档形式等。

基于本体的产品概念设计知识建模过程包括3个阶段：

（1）产品概念设计知识目标确定。产品概念设计知识定位,概念设计知识的定位决定本体构造的功能需求及最终用户。

（2）产品概念设计知识本体分析与建立。根据需求分析,确定该领域的相关概念及概念属性,并用xml语言进行形式化描述。这个阶段是建立概念设计知识本体的关键环节,直接影响到整个本体的生成质量,同时也是工作量最大的阶段。

（3）产品概念设计知识本体评价。对所创建的本体进行一致性及完备性评价。一致性是指术语之间的关系逻辑上应保持一致；完备性是指本体中概念及关系应是完善的。我们称该3阶段的组合为产品概念设计知识本体建模的一个生命周期（见图6）。

1.3概念设计知识的本体表示

在此我们以工程机械中滑模式水泥摊铺机为例,结合图3～图5中的实际知识,从概念实体、概念属性及概念间关系等方面来说明产品知识、功能知识、技术原理解知识、技术原理解实例等概念设计知识的本体表示,通过概念蕴涵、属性关联、相互约束和公理定义等方法揭示了概念间的本质联系,形成一个语义关系清晰的产品概念设计知识模型。建模采用目前最新的owl语言描述。

表述的语义为一个滑模式水泥摊铺机继承了一个产品的所有属性,此外还具备了关系属性：摊铺能力,同时,又对属性摊铺能力作了限制：只能应用于滑模式水泥摊铺机领域,且取值变化只能在摊铺宽度中（省略了关于滑模式水泥摊铺机类似属性的定义,如摊铺厚度和摊铺速度等）。

（3）功能知识类

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</owl：restricton>

</owl：class>

表述的语义为一个功能知识只有一个功能名称,且最少具有一个相关产品（省略了功能知识类似属性的定义,如功能编号、功能说明、创建人、创建时间、存储位置等）。

（4）功能技术原理解类

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<owl：restriction>

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</owl：class>

表述的语义为一个功能技术原理解具有对应的功能名称,相关的技术原理解简图（省略了技术原理解类似属性的定义,如评价、参考产品、创建人、创建时间、存储位置等）。

上述描述中,使用类公理（subclassof）描述了两个类（概念）之间的继承关系,如滑模式水泥摊铺机类是产品类的子类。在描述类属性时,使用关系属性（objectproperty）描述了类的某个属性同时也表示了两个类之间的某种关系,如摊铺能力既是滑模式水泥摊铺机类的一个属性,同时也表达了和摊铺宽度类之间的对应关系。另外,使用属性公理domain和range表示属性的应用领域和属性的取值范围,如属性摊铺能力只能用于滑模式水泥摊铺机类,且它的取值只能是摊铺宽度数据集。

1.4基于本体的概念设计知识管理的特点和优势

基于本体的概念设计知识管理可以让设计人员更好地重用已有的概念设计知识,基于本体的概念设计知识管理具有以下的一些特点或优势：

（1）支持用户定制知识类别。产品概念设计过程中,需要运用多种类型的知识,如：功能类、功能技术原理方案解类等。这些知识的描述和使用有着不同的特点,不能用相同的描述框架来处理。基于本体的设计知识建模允许用户对设计中知识类别加以定制,针对每一类别定义其描述属性,从而较好的解决了概念设计中多来源多类型知识的表示问题。

（2）支持概念共享的知识库构建。概念设计知识本体的构造澄清了概念设计领域知识的结构,为概念设计知识的表示打好了基础,而本体中统一的术语和概念也使概念设计知识更好地共享成为可能。基于本体的概念设计知识表示在区分不同知识类别的同时,建立起概念间的共享联系。通过概念间的共享机制,避免了设计知识库的数据冗余和数据不一致问题,方便了知识的建模录入、检索及统计处理。

（3）多视图和基于本体概念的知识检索。在目前的应用系统中一般采用基于关键字的数据库查询方法,由于其数据库组织不是建立在能够表示概念之间的关系、事实和实例的领域模型的基础上,因此无法实现智能查询和信息推理,也就无法解决语义异构性问题。由于不同的组织和人员可能使用不同的词语表示同一个含义,因此查询系统得不到意义相同但用词（语法）不同的内容。当需要对多个数据源进行查询的时候问题更为明显,多意词和同义词会使查询得到许多不相关的信息,而忽略另外一些重要信息。

在基于本体的概念设计知识管理中由于具有统一的术语和概念,知识库建立在本体的基础上,使得基于知识的设计意图匹配成为可能。采用基于知识、语义上的检索匹配,对用户的检索请求,通过查询转换器按照本体把各种检索请求转换成对应的概念,在本体的帮助下从知识库中匹配出符合条件的数据集合,解决了语义异构的问题。

从人在设计时的认知特点出发,可以采用基于功能分解树的功能设计知识检索视图、基于产品分解结构树的结构设计知识检索视图,还可以利用本体中已定义的概念定义其它知识检索视图,比如需求功能知识检索视图、软件工具使用知识检索视图等,实现基于知识检索的设计意图的匹配。

2、基于本体的概念设计知识管理

2.1概念设计知识管理系统结构

结合工程机械行业的实际,本文提出了图7所示的基于本体的产品概念设计知识管理系统结构,系统按照知识产生、获取和利用的流程来构建,系统结构主要包括概念设计知识管理工具、数据接口程序以及基于本体的概念设计知识库,具体由4个部分构成。

（1）概念设计知识获取。概念设计知识的获取包括从概念设计知识本体定义、本体之间关系定义、本体知识库生成到概念设计知识获取整个过程。

（2）概念设计知识维护。主要包括从概念设计知识本体维护、本体关系维护、知识库重新生成到概念设计知识维护的过程,实现对本体的属性修改,各类知识之间的关系维护,以及知识库的更新等。

（3）概念设计知识检索重用。系统中提供基于多视图的知识检索方式,如基于功能分解树的功能设计知识检索视图、基于产品分解结构树的结构设计知识检索视图,及用户定义的其它知识检索视图。此外系统提供基于本体概念的知识检索方式,通过本体映射库,可以实现同义词的检索,保证可能会采用不同的概念和术语表示相同的设计信息的人可以得到相同的知识帮助。

（4）概念设计知识库的构建。要实现基于本体的,支持客户自定义的概念设计知识管理,系统必须由足够的柔性,支持各类知识的存储,作为系统基石的知识库的构建就不能采用完全预先定义的方式,在系统中我们采用基础数据库加上在此基础上经过本体定义工具动态生成的各类知识库的方法保证基于本体的知识管理的实现。

篇（6）

本文在研究了基于本体的的概念设计知识模型的基础上,提出了基于本体的概念设计知识管理框架,研究了用户对本体的定义、对知识结构内容的自由扩充以及概念设计知识的检索方法等关键技术。

1、基于本体的概念设计知识建模

1.1概念设计知识分类与表达

概念设计是对设计问题加以描述,并以方案的形式提出众多解的设计阶段[7].概念设计从不同的角度有多种定义[8].一般认为,概念设计是指以设计要求为输入、以最佳方案为输出的系统所包含的工作流程,是一个由功能向结构的转换过程。

图1描述了一般概念设计的工作流程,它包含综合与评价两个基本过程。综合是指根据设计要求,运用各种分析、设计方法推理而生成的多个方案,是个发散过程；评价则从方案集中择出最优,是个收敛过程。概念设计是将所设计的产品看成一个系统,运用系统工程的方法去分析和设计。具体说,概念设计就是将设计对象的总功能分解成相互有机联系的若干功能单元,并以功能单元为子系统进行再次分解,生成更低一级的功能单元,经过这样逐层分解,直至对应的各个最末端功能单元能够找到一个可以实现的技术原理解。概念设计的主要任务是功能到结构的映射,概念设计过程主要包括：功能创新、功能分析和功能结构设计、工作原理解的搜索和确定、功能载体方案构思和决策。

根据概念设计的过程及人在设计时的认知特点将概念设计知识分为元知识和实例知识（其分类如图2所示）。元知识中主要包括功能知识、技术原理解知识、结构知识等。实例知识中主要包括方案设计实例、技术原理解实例、产品实例等知识。

（1）功能知识。主要描述产品完成的任务,描述产品的功能及功能子项。描述产品要完成的功能,包括功能内容、实现参数、性能指标等；

（2）技术原理解知识。描述产品功能及功能子项的原理解答。它的表达要复杂些,一方面可用文字、数字表达它的说明、解答参数,另一方面,要有图形支持产品原理解答；

（3）结构知识。描述产品的结构设计状况,是对原理域知识的细化和扩充,是求解原理解的结构载体,可描述产品关键部分的形状、尺寸和参数。产品功能结构的映射（简称为功构映射）就是对产品的功能模型进行结构实现的求解,是将产品功能性的描述转化为能实现这些功能的具有具体形状、尺寸及相互关系的零部件描述。在这里功能是产品结构的抽象,是结构实现的目的；而结构则为实现某功能而选用的一组构件或元件。功能结构间的关系一般而言是多对多的映射关系。一个功能可能由一个或多个特征或元件实现,而一个特征或元件也可能完成一个或多个功能；

（4）实例知识。已成功或失败的设计范例,包括方案设计实例,产品结构知识实例、技术原理解实例等。它包含了更多的实际因素,是类比设计和基于实例推理设计的基础。

以工程机械中某型滑模式水泥摊铺机为例,总功能为摊铺水泥路面,总功能可细分为滑模作业、控制作业等功能,滑模作业功能又可细分为提水泥浆、挤压成型等功能。其中某个功能的实现可能会由几个结构组合而成,例如滑模式水泥摊铺机滑模作业功能就是由螺旋分料器、刮平板等几个结构一起才能实现。图3为该水泥摊铺机的功能层次定义和功能分解结构举例。该产品所对应的结构分解则如图4所示。图5中给出了对于滑模作业功能的技术原理解简图、技术原理解的评价、参考产品,以及实现该功能的说明等相关的知识。

如何利用计算机技术对概念设计予以支持,对概念设计知识进行有效的管理,至今仍没有较好的解决方法。目前的知识建模主要是专家系统,最常用的知识模型包括框架、产生式规则、语义网络、谓词逻辑等。专家系统的知识建模主要侧重符号层的系统实现,很少考虑动态的,非结构化的知识,造成专家系统解决问题的局限性,使得专家系统不能解决大型复杂问题。

本体作为“对概念化显式的详细说明”[9,10],研究领域内的对象、概念和其他实体,以及它们之间的关系,可以很好地解决概念设计知识的表达、检索和重用等问题。采用本体描述概念设计知识可以支持细粒度的产品语义信息的描述,可以形式化地定义特定领域的知识,如概念、事实、规则等；支持语义层面的集成和共享,基于本体的知识定义可以对知识作普遍的、无歧义的语义解释,可以保证不同使用者之间进行语义层面的信息共享和互操作。

1.2本体建模过程描述

本体是某一领域的概念化描述,着意于在抽象层次提出描述客观世界的抽象模型,它包括两个基本的要素：概念和概念之间的关系。本体的构建必须满足以下的要求：对目标领域的清晰描述；概念或概念之间关系的明确定义；一般性和综合性原则。本体可以有多种表述方式,包括图形方式、语言形式和xml文档形式等。

基于本体的产品概念设计知识建模过程包括3个阶段：

（1）产品概念设计知识目标确定。产品概念设计知识定位,概念设计知识的定位决定本体构造的功能需求及最终用户。

（2）产品概念设计知识本体分析与建立。根据需求分析,确定该领域的相关概念及概念属性,并用xml语言进行形式化描述。这个阶段是建立概念设计知识本体的关键环节,直接影响到整个本体的生成质量,同时也是工作量最大的阶段。

（3）产品概念设计知识本体评价。对所创建的本体进行一致性及完备性评价。一致性是指术语之间的关系逻辑上应保持一致；完备性是指本体中概念及关系应是完善的。我们称该3阶段的组合为产品概念设计知识本体建模的一个生命周期（见图6）。

1.3概念设计知识的本体表示

在此我们以工程机械中滑模式水泥摊铺机为例,结合图3～图5中的实际知识,从概念实体、概念属性及概念间关系等方面来说明产品知识、功能知识、技术原理解知识、技术原理解实例等概念设计知识的本体表示,通过概念蕴涵、属性关联、相互约束和公理定义等方法揭示了概念间的本质联系,形成一个语义关系清晰的产品概念设计知识模型。建模采用目前最新的owl语言描述。

表述的语义为一个滑模式水泥摊铺机继承了一个产品的所有属性,此外还具备了关系属性：摊铺能力,同时,又对属性摊铺能力作了限制：只能应用于滑模式水泥摊铺机领域,且取值变化只能在摊铺宽度中（省略了关于滑模式水泥摊铺机类似属性的定义,如摊铺厚度和摊铺速度等）。

（3）功能知识类

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（4）功能技术原理解类

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上述描述中,使用类公理（subclassof）描述了两个类（概念）之间的继承关系,如滑模式水泥摊铺机类是产品类的子类。在描述类属性时,使用关系属性（objectproperty）描述了类的某个属性同时也表示了两个类之间的某种关系,如摊铺能力既是滑模式水泥摊铺机类的一个属性,同时也表达了和摊铺宽度类之间的对应关系。另外,使用属性公理domain和range表示属性的应用领域和属性的取值范围,如属性摊铺能力只能用于滑模式水泥摊铺机类,且它的取值只能是摊铺宽度数据集。

1.4基于本体的概念设计知识管理的特点和优势

基于本体的概念设计知识管理可以让设计人员更好地重用已有的概念设计知识,基于本体的概念设计知识管理具有以下的一些特点或优势：

（1）支持用户定制知识类别。产品概念设计过程中,需要运用多种类型的知识,如：功能类、功能技术原理方案解类等。这些知识的描述和使用有着不同的特点,不能用相同的描述框架来处理。基于本体的设计知识建模允许用户对设计中知识类别加以定制,针对每一类别定义其描述属性,从而较好的解决了概念设计中多来源多类型知识的表示问题。

（2）支持概念共享的知识库构建。概念设计知识本体的构造澄清了概念设计领域知识的结构,为概念设计知识的表示打好了基础,而本体中统一的术语和概念也使概念设计知识更好地共享成为可能。基于本体的概念设计知识表示在区分不同知识类别的同时,建立起概念间的共享联系。通过概念间的共享机制,避免了设计知识库的数据冗余和数据不一致问题,方便了知识的建模录入、检索及统计处理。

（3）多视图和基于本体概念的知识检索。在目前的应用系统中一般采用基于关键字的数据库查询方法,由于其数据库组织不是建立在能够表示概念之间的关系、事实和实例的领域模型的基础上,因此无法实现智能查询和信息推理,也就无法解决语义异构性问题。由于不同的组织和人员可能使用不同的词语表示同一个含义,因此查询系统得不到意义相同但用词（语法）不同的内容。当需要对多个数据源进行查询的时候问题更为明显,多意词和同义词会使查询得到许多不相关的信息,而忽略另外一些重要信息。

在基于本体的概念设计知识管理中由于具有统一的术语和概念,知识库建立在本体的基础上,使得基于知识的设计意图匹配成为可能。采用基于知识、语义上的检索匹配,对用户的检索请求,通过查询转换器按照本体把各种检索请求转换成对应的概念,在本体的帮助下从知识库中匹配出符合条件的数据集合,解决了语义异构的问题。

从人在设计时的认知特点出发,可以采用基于功能分解树的功能设计知识检索视图、基于产品分解结构树的结构设计知识检索视图,还可以利用本体中已定义的概念定义其它知识检索视图,比如需求功能知识检索视图、软件工具使用知识检索视图等,实现基于知识检索的设计意图的匹配。

2、基于本体的概念设计知识管理

2.1概念设计知识管理系统结构

结合工程机械行业的实际,本文提出了图7所示的基于本体的产品概念设计知识管理系统结构,系统按照知识产生、获取和利用的流程来构建,系统结构主要包括概念设计知识管理工具、数据接口程序以及基于本体的概念设计知识库,具体由4个部分构成。

（1）概念设计知识获取。概念设计知识的获取包括从概念设计知识本体定义、本体之间关系定义、本体知识库生成到概念设计知识获取整个过程。

（2）概念设计知识维护。主要包括从概念设计知识本体维护、本体关系维护、知识库重新生成到概念设计知识维护的过程,实现对本体的属性修改,各类知识之间的关系维护,以及知识库的更新等。

（3）概念设计知识检索重用。系统中提供基于多视图的知识检索方式,如基于功能分解树的功能设计知识检索视图、基于产品分解结构树的结构设计知识检索视图,及用户定义的其它知识检索视图。此外系统提供基于本体概念的知识检索方式,通过本体映射库,可以实现同义词的检索,保证可能会采用不同的概念和术语表示相同的设计信息的人可以得到相同的知识帮助。

（4）概念设计知识库的构建。要实现基于本体的,支持客户自定义的概念设计知识管理,系统必须由足够的柔性,支持各类知识的存储,作为系统基石的知识库的构建就不能采用完全预先定义的方式,在系统中我们采用基础数据库加上在此基础上经过本体定义工具动态生成的各类知识库的方法保证基于本体的知识管理的实现。

篇（7）

2概念图与其他教学手段相结合会得到更好的效果

近些年大力提倡的案例教学法，任务驱动法等先进的教学方法是对传统教学方法的全面改革。但是，传统的教学方法在学生配合的情况下可以对理论知识进行全面系统的传授，而案例教学，或者是驱动式教学方法则更多的是对知识的运用，对实际问题的分析、理解和判断。而且他的弊端就是，很多情况下，我们不得不把一些概念和一些知识学会，才能应用。现实情况中，由于学校对课时的压缩，导致了理论教学和案例教学无法很好的进行有效的平衡。而对于理论教学，也很少有人提出一些高效的教学方法。所以，针对上述的几个问题。作为先进的教学思想和手段的概念图就可以被引进到我们的财务管理课程当中。教师和学生在完成学习任务的同时就可以让学生自己绘制或者师生共同绘制概念图。在绘制的过程中需要经过设计、编制、修改、反思、再设计的循环来不断完善自己的概念图。这个过程中可以使学生进行自我反思，进而成功的使学生可以进行自我导向学习。研究表明，经常绘制概念图或者看概念图的学生在知识保持的时间、知识面、思维活跃度等方面都要比没有进行过概念图方面训练的学生表现出色。

3概念图可以作为财务管理最终评价的手段

利用概念图理论让学生设计自己的财务管理的概念图。可以作为一种最终的考察手段，一种评价工具。财务管理课程的知识特点是概念多、计算公式多、计算量大，是学生在期末考试的时候非常头疼的一科，挂科率也极高。从而导致了学生对这门课程的恐惧心里，认为难度大，从而失去了学习的兴趣和信心。而教师在最后的期末复习的时候，针对这种情况，往往会给学生一些复习范围，在评价的时候采取一些人为的手段，等等。这样周而复始的，就导致了，这一门学科学生不愿学，教师教起来困难，最终评价的结果会让师生都不满意。概念图最初被设计出来的目的其实就是为了检测学生的学习效果，了解学生具备的知识结构。针对财务管理这门课程的特点，概念比较多，可以在讲授过程中让学生不断的完善自己的概念图。在期末的时候上传自己的概念图，教师给与评价。当然这会增加学生课下的负担和教师批改的负担，但是，效果是显著的，因为它可以让学生在不经意间把离散的知识串联起来。最终达到良好的效果。所以它完全可以成为财务管理这门课程的一种评价和考查的手段，当然，概念图的评价是作为期末考试成绩的一个补充，这样会使成绩的给出更富有客观性和公平性。

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财务风险管理是企业风险管理的一个重要组成部分,是企业经营风险的集中体现。财务风险预警是财务风险管理发展的一个新阶段。财务风险预警的重点是抓住小范围、低程度的财务风险事件与财务状况变化,采取控制措施,防止小事件引发大风险而使企业陷入财务危机。21世纪的经济是世界经济一体化条件下的经济,是以知识决策为导向的经济。企业管理进入知识经济时代,企业的工作环境和工作内容都彻底发生了变化,知识管理的理念和方法不断渗透到财务管理中,为财务管理创新提供了机遇。而财务风险预警是一项重要的知识依赖的技术工作,在企业财务风险管理中如何引入知识管理的理念和方法,构建财务风险预警系统,帮助管理者准确地了解企业财务状况,指导风险应对工作的开展,从而降低经营风险,减少财务损失,是企业管理者关注的问题。本文运用知识本体(ontology)方法研究财务风险预警管理,探索科学化、智能化和系统化的财务风险预警机制。

一、基于知识本体的财务风险预警系统需求分析

财务风险预警系统是现代企业预测和防范风险的一个重要工具,它在收集大量相关信息的基础上,借助计算机技术、信息技术、概率论和模糊数学等方法,设定风险预警指标体系及其预警警戒线,捕捉和监视各种细微的迹象变动,对不同性质和程度的财务风险及时发出警报,提醒决策者及时采取防范和化解风险的措施。可见,财务风险预警系统建立的关键是如何有效地捕获企业内外部信息并形成有用的知识,有效的财务风险预警知识系统应满足如下四点需求。

一是信息收集与转换功能。财务风险预警知识系统应通过收集与企业经营相关的产业政策、国内外市场竞争状况、企业本身的各类财务信息和生产经营状况信息,并进行分析转换,按一定形式和规则存入知识库。

二是预警指标管理与更新功能。系统应建立起财务风险评价指标体系,并根据其中的评价指标计算公式,利用财务风险信息子系统提供的资料,计算出具体的指标值,供综合评价和预警使用。

三是财务风险综合评价功能。系统应根据已计算出的各种风险指标的值,利用各种科学的综合评价模型和预测模型,对企业目前的财务风险进行综合评价和对企业未来的风险进行预测。该功能是根据对企业运营过程跟踪、监测的结果,运用现代企业管理技术和企业诊断技术对企业财务状况的优劣作出判断,找出企业财务运行中潜在的危险。

四是财务风险报警功能。系统应根据已计算出的反映企业财务风险的风险指标值、综合评价值以及预测值,按照一定的报警模式发出不同程度的警报。

笔者在财务风险预警知识管理研究中引入本体的概念,本体原本是一个哲学上的概念,用于研究客观世界本质。在本体中概念的关系可以被描述得更加广泛、详细、深入和全面,通过对概念添加属性值,以及在属性与属性之间添加映射关系,一些不便描述的语义关系就可以清晰地描述出来。同时,在本体中可以使用形式语言,这就为实现知识检索创造了条件。在对财务风险预警知识形式化定义后,本体概念模型能够实现对财务风险预警知识理解的唯一性和精确性;另外,利用本体技术对知识的联系进行形式化映射,可以产生和约束新的知识规则,增加财务风险预警知识本体表示方法的实用性。

二、财务风险预警系统知识本体建模

通过分析财务风险预警领域知识的概念、关系和知识结构,采用分层次的思路建立财务风险预警领域本体,并分别对财务风险预警评价模型、指标体系和财务状况监控知识与案例进行形式化描述。本系统模型建立概念本体,评价模型本体、指标本体、资源本体和通讯本体等。下面以财务风险预警定量模型概念本体为例说明财务风险预警知识本体建模。

概念本体是用来描述某个领域内的一些基本概念和概念之间关系的本体,这些概念是被该领域内人们所共同认可的,概念是对事物认知的抽象,包含的内容很广,与模型相关的内容有:关系、函数、公理与实例等;关系表达了财务风险预警领域内概念间的互相作用,n个概念之间的关系可以表示为R:Cl×C2×…×Cn;函数是一种特殊的概念关系,表示在n元关系中确定了n-1个概念,则第n个概念是唯一的,即F:Cl×C2×…×Cn-1Cn;公理表示永远为真的概念,即真命题;实例是具体的模型元素。财务风险预警定量模型概念本体形式化定义如下。

CO::=(Fn,Cc,R,Ac,Ic)。

其中,Fn是领域名,Cc是领域内的术语集,R是关系集,Ac是公理集,Ic是实例集。

R形式化为:R::=(Ra,Rc),Ra是Cc上的属性集,形式化为:Ra::=(dc:Identifier,dc:Title,dc:Creator,dc:Description,dc:Date),前缀dc表示重用DC元数据集中的标识符、题名、创建者、描述及日期元素;Rc是术语间的关系集,Rc域是Cc1×Cc1,形式化为:Rc::=(SubConceptOf,SuperConceptOf,IsPartOf,HasPart,Equal,Pre,Next),SubConceptOf和SuperConceptOf

是包含和被包含的关系,IsPartof和HasPart是聚集关系,Equal是等价关系,Pre描述了概念和概念之间的直接前驱关系,Next描述了概念和概念之间的直接后继关系。Ac是公理集,Ac形式化为:Ac::=(SubConceptOfSuperConceptOf-,IsPartOfHasPart-,PreNext-,IsPartOfIsPartof*,HasPartHasPart*,EqualEqual*,……),表达了SubConceptOf和SuperConc-

eptOf,IsPartOf和HasPart,Pre和Next都是逆反关系,IsPartOf和HasPart和Equal都是可传递的。Ic形式化为:Ic::=(IRa,IRc),IRa是属性集实例,IRc是概念的关系实例。

概念是对人类知识的抽象,概念本体是按照分类法来组织领域概念及其客观关系的,概念本体作为一类独立的本体存在,由领域专家或知识工程师管理。财务风险预警定量模型概念本体的描述说明如下:

Fn=财务风险预警定量模型;

Cc=(Z计分模型,人工神经网络模型,多元逻辑(logit)模型,F计分模型……);

IRa={(“Prop1”,“Z计分模型”,“Z-score”,“通过将反映企业偿债能力的指标(X1,X4)、获利能力指标(X2,X3)和营运能力指标(X5)五种财务比率有机联系起来,综合分析预警企业财务风险。”),(“Prop2”,“人工神经网络模型”,“Artificial-Neural-Network”,“通过大量神经元的复杂连接,采用由底到顶的学习方法,以自组织和非线性动力学所形成的并列分布方式处理非语言化的财务模式信息,达到预警企业财务风险的目标”),……};

IRc={SubConceptOf(财务风险预警定量模型,Z计分模型),SubConceptOf(财务风险预警定量模型,人工神经网络模型),IsPartOf(Z计分模型,函数形式),IsPartOf(Z计分模型,参数指标),IsPartOf(人工神经网络模型,模型算法),IsPartOf(人工神经网络模型,输入矩阵),……}。

三、财务风险预警知识管理系统框架

通过分析基于本体的财务风险预警知识模型及需求,本文提出财务风险预警知识管理系统框架如图1所示。

篇（9）

相对于元素化合物知识，概念具有较高的概括性和间接性，比较抽象和枯燥。要克服化学概念成为学生学习化学的障碍，教师有必要对新概念进行认知―建构分析与学生的学习活动管理研究。所谓“认知―建构分析”，即先应用认知主义学习理论对化学概念进行认知分析，对具体概念的学习属性、规律、条件和作用等给出基本判断，为化学概念教学的设计提供理论依据。再应用建构主义学习理论对学生的概念学习过程进行梳理，对学习活动中主体的多元性、过程的动态性、状态的生成性和认识的发展性等更为复杂的问题进行剖析。在认知―建构分析的基础之上，教师还要对学生的化学概念学习活动管理做深入研究，为化学概念学习的规划设计、学习过程管理、问题指导、分化管控等提供决策参考与方法指南。现以“物质的量（第1课时）”为例，探讨高中化学概念学习的策略和路径。

一、“物质的量”概念学习的认知―建构分析

1.“物质的量”概念的学习障碍

第一，前理解（也称前概念、自然概念或日常概念）的干扰造成定势思维。学生在初中的学习经历中，习惯了其它SI制物理量的简单词语描述方式，物质的量的词组组合有悖于汉语文字的习惯，不但名词抽象、难理解，读起来也生硬，学生存在心理障碍。再从认知发展来看，学生对已学的“根据化学方程式的计算”印象深刻，暂时不能体会物质的量概念系统给解决问题带来的方便，心理上不愿接受以物质的量为核心的新计算体系。

第二，概念关系多且杂，知识体系琐碎零散。在1节课内同时出现阿伏加德罗常数、物质的量、摩尔和摩尔质量等多个概念，对初涉高中化学学习的学生来说，易造成知识消化上的困难。高一新生对于微观粒子想象力普遍不足，思维方式和学习方法尚不成熟，对抽象概念的认知障碍势必对后续学习产生恐惧心理和畏难情绪，从而在解决实际问题的过程中忽略感受概念的形成过程与作用，无法很好地构建概念之间的联系。

此外，有些教师对化学概念教学的教育功能认识不足，没有深入到概念的本质特性中去，教学设计没有思想，缺乏理念;教学手法千人一面，缺乏个性;课堂结构简单粗糙，缺乏整体性。如此，导致学生对概念的理解浮于表面，只能用机械记忆的方法背概念，从而在后续使用物质的量等概念解决问题时，不能从恰当的认识角度，以与问题相匹配的认识方式类别及清晰的认识思路进行思考和解答。

2.“物质的量”概念学习的认知―建构分析

爱因斯坦的科学概念观认为，任何一个科学概念的形成，应该由“原始概念”到“数目较大的概念和关系”，再到“概念本质的整体”螺旋上升。物质的量是高中化学核心性概念，在现行的不同版本高中化学教材中，编者都将物质的量安排在开篇第1章。基于高中化学课程标准的概念教学，应从认知主义及建构主义理论的视角，回归概念教学的本真，以分析者、建构者和指导者的身份，组织、管理学生的概念学习活动，让学生体验概念的形成过程，在更深层次感受事物的内在本质与联系，并构建科学的认识方式。

首先，进行学习者认知分析。已经掌握了的相对原子质量、密度等概念，对新概念的建构可以起到一定的帮助;根据认知主义学习理论及高一学生的生理、心理特征，学生的思维方式逐步由感性向理性转化，可以使用相对直观的数据帮助理解微观粒子，使抽象的概念具体化;没有化学实验帮助理解概念，可以带领学生用新旧知识类比的手法感受新概念生成的美妙;物质的量、摩尔等新名词晦涩，可以在理解和运用的时候，用学生熟悉的其它名词来对比学习;多个概念同时出现，可以引导学生找到它们的内在关系，建立不可见、不可称量的微观粒子与宏观可称量的物质之间的关系。

然后，进行概念建构分析，帮助学生有效建构化学学科思维方式，发展学生的定量认识。包括学习准备、活动设计和实施。学习准备：分析相关概念对于促进学生认识发展的功能和价值，厘清化学概念教学的出发点和落脚点。活动设计和实施：通过访谈法、调查法，有意识地引导学生论及自己的思想和已有观点，揭示前理解;引发学生认知冲突，激发求知欲，促进认知结构的同化和顺应;通过合作学习，将新概念和已有概念比较、讨论、澄清，揭示和解决冲突概念，准确处理已有个人概念和认识方式的转变与发展之间的关系，进行概念重建和应用。

由此，我们将本课时的学习目标定位为：正确理解阿伏加德罗常数、摩尔、物质的量、摩尔质量等概念的含义，理解概念之间的关系，能进行相关计算;发展学生的微粒观、定量观，体验化繁为简的科学思想与概念建构的逻辑之美;体会在解决实际问题的过程中构建概念的基本学科思维与方法，理解新概念的功能和价值;体会定量研究方法的重要性，并在解决实际问题的过程中促进定量认识的发展。

二、对“物质的量”概念学习活动的指导和管理

在概念学习活动过程中，按“建立微观粒子数与宏观可称量的物质之间的关系，获得感性知识抽取本质属性，建立概念模型在更深层次上理解事物的内在本质与联系，构建科学的定量认识方式”3个层次安排教学环节。

1.创设情境，认识微观粒子数与宏观物质之间的关系

获取感性认识是帮助学生理解和掌握新概念的前提。首先，让学生知道物质的量是SI制7个基本物质量之一，将物质的量初步纳入学生的认知结构中。其次，了解阿伏伽德罗等有关化学史实，帮助学生理解概念的由来。再次，采取定义学习的方式来了解阿伏加德罗常数：①利用系列情景引发认知冲突。由学生熟悉的“水”开始，请学生描述对水的理解，如水的组成等，回顾初中已学的分子、原子、相对分子质量、相对原子质量等概念。②提供多种数值研究路径，获取对阿伏加德罗常数的感性认识。如介绍科学家利用扫描隧道显微镜（测算微粒数的一种仪器）测算“18g水中有多少个水分子？”;从电解水的化学方程式进行推算“2g氢气中有多少个氢分子？”;再从质量的数值规律进行推算“12g碳（12C）中有多少个碳原子？”等等，殊途同归，其数值约为6.02×10 23，从而引出阿伏加德罗常数的概念。在学生获取新认识的同时，思考阿伏加德罗常数与6.02×1023的区别。

2.抽象本质属性，把握概念的内涵与外延，建立概念模型

当学生有了感性认识之后，教师设计新情景让学生尝试解决更深层次的问题，如何获取物质的量这一核心概念呢？在解决实际问题中采用逻辑推导、建立集合，化繁为简、类比演绎的方法，促进学生在不同的变式中获得概念的理解和建构。教师继而抛出问题：“阿伏加德罗常数究竟有多大？”“阿伏加德罗常数使用起来方便么？”教师举例：6.02×1023个水分子1个挨1个地排在地球的赤道上，可以绕地球300万周;60亿人每人每天吃1斤大米，6.02×1023粒米要吃14万年。由认知冲突中寻找解决问题的方法，让学生感知引入物质的量概念的重要性。教师帮助学生将物质的量与质量、体积类比，如对于“常温下的18g水”我们可以说“18mL水”“1mol水”“这份水的质量是18g”“这份水的体积是18mL”或“这份水的物质的量是1mol”。接着，教师引导学生以数据体验为基础，建立微粒数目与物质的量的关系：“18g水，2g氢气，12g碳中所含有的水分子、氢分子、碳原子数分别都约为 6.02×1023，即其物质的量均为1mol。”那么，若用“物质的量”如何分别描述“4g氢气的粒子？”“10g氢气？”“6.02×1024个氢气分子？”“3.01×1023个氢气分子？”等等。由此，让学生体验微粒数与物质的量间的关系，建立微观粒子与宏观物质的联系，初步把握概念的内涵与外延，建立物质的量的概念模型。

3.深入理解概念的内在本质与联系，构建定量认识方式

在上一学习环节的讨论过程中，学生已经懂得用阿伏加德罗常数找到微粒数目与其物质的量之间的关系，即找出NA、N、n三个物理量之间的关系，“18g水中有阿伏加德罗常数个水分子”“18g水即1mol水”“水的摩尔质量为18g・mol-1”即“18gH2O∽NA个H2O∽1molH2O”，故而很顺利地推出“1molH2O的质量是18g ”。通过条分缕析，学生顺利建立起新的思维体系即相关科学概念系统：（1）物质的量这一物理量与微观粒子的数量相联系，又与宏观物质的质量相联系，它是联系宏观与微观的桥梁，也是开启化学定量研究之门的金钥匙。（2）阿伏伽德罗常数、物质的量、摩尔、摩尔质量等概念之间相互关联，关系多样，包括同一和差异、系统和要素、整体和部分等等。（3）多元化认识概念，包括“宏观-微观”“定性-定量”“静态-动态”“孤立-系统”等。如此，学生学会定量化表述对概念的理解，从定性走向定量、从感性走向理性。

三、基于化学概念建构实践的感悟

篇（10）

中图分类号：G42 文献标识码：A 文章编号：1005-5843（2012）02-0162-03

概念学习分为概念形成和概念同化两个方面：概念形成是由学生从同类事物的不同实例中发现共同的本质特征；概念同化是学生利用认知结构中原有的概念学习新概念的方式。奥苏贝尔根据学生原有知识与新知识之间的关系，提出了三种基本的概念同化模式，即上位学习、下位学习、并列结合学习。[1]因此，教师在进行概念的教学时，根据概念在知识体系中所处的位置、顺序和相互关系，依据概念同化的三种模式，选择合适的方法，使学生学会透过现象看本质，客观地认识概念的本质属性，明确概念的内涵和外延，达到理解和掌握概念、由浅入深地运用科学概念去解决一些实际问题。

一、上位学习模式教学

上位学习又称为“总括学习”，是指新概念相对于学生认知结构中已有概念具有较高的概括水平和较广的包容面，新概念通过把一系列已有观念包含于其下而获得意义，新旧概念产生了一种上位关系。上位概念的外延较大，比较抽象，直接提出概念学生往往不容易理解和接受，借鉴实例或实验，较直观地呈现事实，从具体到抽象，形成概念。正如鲁宾斯坦所说：“任何思维，不论它是多么抽象多么理论的，都是从分析经验材料开始，而不可能是从任何其他东西开始的。”

（一）联系生活实际事例学习概念

功率的概念对初中学生讲是比较抽象的，教师可从生活现象引入，挖土机与人在挖土，挖土机的土少而人挖的土反而多？为什么？两个工人工作相同时间，为什么会出现不同的结果？接着，引导学生比较做功快慢，有两种方法，一是相同时间比做功多少，二是做相同功比较时间长短。这实质上是帮助学生提取储存在头脑中的感性材料，从现象到本质，从感性到理性，建立上位概念。

（二）利用实验探究学习概念

质量有不随物体的形状、状态、温度和位置改变而改变的属性。质量的属性相对生活中具体例子是上位概念，教师来一次实验探究让学生观察现象得出结论要比直接告诉他们记忆深刻得多。教师测量一个烧杯和一个装有固态碘（紫黑色）的升华管的总质量；将升华管加热使里面的固态碘变成气态碘（紫红色）后，重新放入烧杯，观察天平是否平衡，然后引导学生从以上的数据得出结论。物体的质量不随物体状态的改变而改变，物体的质量不随物体温度的改变而改变。同理，教师先测橡皮泥的原始质量，再将橡皮泥捏成其他形状后放回，观察天平是否仍然平衡。得出结论，物体的质量不随物体形状的改变而改变。实践证明，利用实验探究，从具体到抽象，质量的属性上位概念顺利地得到建立。

（三）从生活经验逻辑推理学习概念

从生活经验逻辑推理学习概念，这种方法强调知识的内在逻辑性和知识体系的整体性，对于形成良好的认知结构十分有利，但限于学生的学习能力，这种引入方法在初中阶段应用较少。例如，在引入功的公式时，教材上规定：功等于作用在物体上的力和物体在力的方向上通过的距离的乘积。作为教师，该如何帮助学生形成功大小计算的概念呢？教师可以引导学生探究：功大小与哪些因素有关呢？假设将物体A举高1m做的功为W。教师提出问题：（1）如果力增加一倍，高度不变。（相当于同一物体举两次）学生回答：2W；（2）力不变，高度变为两米。（相当于同一物体举两次）学生回答：2W；（3）力增加一倍高度变为两米。（相当于同一物体举4次）学生回答：4W。因此，我们可以得出：功和力的大小成正比和距离成正比，即W=Fs。

二、下位学习模式教学

下位学习又称“类属学习”，是指将概括程度或包容水平较低的新概念，归属到原有认知结构中适当概念之下，从而获得新概念的意义。教学中可在原有概念下引出新概念，并把新概念纳入原有概念体系，反过来对原有上位概念又做了补充和扩展。

（一） 运用例举法内化呈现概念

氢氧化钠、氢氧化钙是碱的下位概念，我们在学习了碱通性以后，再来学习氢氧化钠、氢氧化钙的特性。教师在讲述完氢氧化钠、氢氧化钙的特性后，教师可以说，氢氧化钠、氢氧化钙属于碱，当然具有碱的通性。又如，教师在引出重力、压力、摩擦力、浮力概念后，可以让学生讨论、分析力的三要素。通过学生讨论，画图，无形中丰富了学生对力的感性认识，对于抽象的力概念，更形象化、直观化，使之便于理解。所以，多层面、多角度地呈现概念，为概念的顺利得出和概括创造条件。

（二）运用简化的模式图实现概念同化

如细胞分裂和细胞生长、分化都是细胞特点的下位概念，三者属并列关系。教师如果单纯地通过文字进行讲解，学生难以理解概念。教师在教学中，利用简化的模式图，将抽象概念具体化，学生很容易了解细胞的行为特征。如下图，过程（一）表示细胞通过分裂使数目增多，故细胞分裂是量变的过程，刚分裂出的细胞在形态、结构和生理功能上都相似。过程（二）表示细胞分化的过程，是在分裂的基础上，细胞在形态、结构和生理功能上形成稳定性差异的过程。[2]

（三）应用生活中的实际事例掌握概念

民间谚语中蕴藏着许多科学的概念知识，在备课过程中有意识地挖掘，在教学过程中恰当地运用，一定能起到激发学生兴趣、促进学生概念学习的作用。

“龙生龙，凤生凤，老鼠儿子会打洞。”这是生物的遗传，是生物界普遍存在的现象；“一母生九子，连母十个样。”这反映了生物的变异现象；“一山不容二虎”――生物的种内斗争；“飞蛾投火”，这是生物的应激性。“一朝被蛇蛟，三年怕草绳”，这是生物的条件反射；“一方水土育一方人”，这是生物与环境的关系。通过应用生活中的实际事例，把学到的概念在实践中加以运用，这是帮助学生从抽象到具体，从一般到个别的过程。

三、并列结合学习模式教学

要学习的新概念与原有概念并无上下位关系，但横向上同其他的概念相互作用有一定联系，或都是某一概念的下位概念，它们存在于共同的知识体系中。在完成一定知识的教学后，可以使用求同和求异方法对相邻、相对、并列的概念进行归纳整理，根据它们的相互关系组合成概念体系。

（一）运用类比的方法同化概念

类比具有启发思路，提供线索，举一反三，触类旁通的作用，鉴于初中学生的年龄特点，其思维活动还刚处于从形象到抽象思维的过渡，对于较为抽象的科学知识难以接受。如果教师能在课堂上给某些知识以形象生动的类比，学生接受起来往往能收到事半功倍的效果。相对原子质量是初中科学基本概念教学的一个难点，需要学生有较强的非逻辑思维能力去理解。因此，在教学中可以用一些具体的事例进行形象类比来正确理解。如，现有四种粮食的籽粒，它们每粒种子的实际平均质量是：高梁3×10-5kg、谷子2.5×10-6kg、玉米2.5×10-4kg、小麦4.5×10-5kg，要经常书写和使用这些数字很不方便，若取一粒高粱种子实际质量的1/12（即2.5×10-6kg）作为标准，其他几种粮食种子的实际质量与这个标准相比较，就会得出一些便于书写和使用的简单比值：高梁12、谷子1、玉米100、小麦18。同样道理，相对原子质量的标准是碳原子（C―12）质量的1/12，其它原子的质量跟它比较的值，就是这种原子的相对原子质量。通过这种形象的类比，学生对相对原子质量这个比较抽象的概念有了一个形象的认识，为正确理解相对原子质量的概念打下坚实的基础。

（二）列表对比展示概念差异

对比法就是把一些相近或关系密切的基本概念，从几个方面进行逐项的对比，从中找出异同点来，以便明确其本质特征。例如，动脉、静脉、毛细血管三种血管不同，可以从从管壁、弹性、血流速度、功能四个方面加以比较。动脉、静脉、毛细血管三种血管对比列表如下。

（三） 概念图构建概念体系

概念图能较好地展示概念之间的逻辑关系，能让概念之间隐性的关系显性化，用概念图来构建知识网络，能更好地组织和呈现教学内容，使学生更容易理解各概念之间的关系及其在知识体系中所处地位。[3]如，在动物的生命活动的调节教学中，涉及到很多概念，有些概念属于并列存在，有些概念属于上下位关系，关系错综复杂，学生不容易理清前后知识点的联系。它们的关系可以用概念图表示。

概念图既可以概括一节课的内容，又可以概括一章或几章的内容，范围大小视需要而定，引导学生自己画图找概念间的联系，有助于理清思路，理解概念在知识体系中的位置和作用，提高学习的效率。

（四）维恩图彰显概念关系

笔者发现，对概念的理解不到位，特别是对概念之间的关系理解不到位，这是学生在概念学习中的最大困难。许多概念之间有包含与被包含，或者出现交集的情况，这种内容相关的概念可以用借助数学集合关系，用直观的几何图形。比如，用大小的圆圈，以及圆圈之间的从属或有部分交集的关系来表示几个概念之间的关系。例如，种内斗争和种间斗争是并列关系，都是生存斗争概念的下位概念，它们构成了生存斗争的两种形式。竞争是属于种间斗争的下位概念，而不是种内斗争的范畴。生存斗争的维恩图可以概括为右图所示。

借助数学集合直观的图形，让学生在在运用中得到巩固和概念的深化。教师可以在完成章节知识的教学后，对那些相邻、相对、并列或从属的概念进行类比、归纳，根据它们的逻辑关系，用一定图式组成一定序列，形成概念体系。把学生感知“孤立”、“散装”的概念纳入相应的概念体系之中，让学生获得一个条理清晰的知识网络，既能帮助学生理解新概念，又能进一步巩固深化已学概念。

（五）循环图突出概念联系

在血液循环的教学中，体循环和肺循环是血液循环概念的下位概念，它们构成了血液循环的两阶段，并且都包含了营养物质和气体两方面的交换。体循环是细胞消耗营养物质，将氧气转化为二氧化碳；同时动脉血变成静脉血；在肺循环的过程中，血液将CO2排除，增加了氧气，把静脉血变成动脉血。体循环和肺循环同时存在，在物质上互相依存，在气体交换上具有的连续性。血液循环的整个过程用循环图表示更清晰，学生容易掌握血液的变化情况。

总之，奥苏贝尔提出的这三种概念同化模式并不是孤立存在，而是统一在一起的。教师在采用上位学习模式教学，有时还要用到下位学习模式，甚至并列结合学习模式。所以，教师在概念教学时，应灵活应用，同时，对一些重要的科学概念，学生只有在多次循环中才加以深刻的理解和掌握。为此，在教学中要根据学生的特点，从实际出发把握教材，深入研究每个概念的深度和广度，才能更好地完成科学概念教学。

注 释：