基于三網(wǎng)融合與云計算的融合式遠程教育環(huán)境研究

薛海峰　崔林　林靜

摘要：綜合利用各種信息技術(shù)，在我國搭建一個讓學習者獲取教育資源方便快捷、教學交互和體驗良好，可多種終端訪問和無縫遷移，同時兼顧節(jié)約的遠程教育環(huán)境，是我國遠程教育界的重要研究內(nèi)容之一。文章研究如何利用三網(wǎng)融合和云計算技術(shù)構(gòu)建融合式遠程教育環(huán)境，討論其內(nèi)涵、架構(gòu)及技術(shù)，設(shè)計遠程教育視頻資源云，闡釋在不同地區(qū)、不同條件下的應用場景，為構(gòu)建一體化的遠程教育環(huán)境提供良好的借鑒。

關(guān)鍵詞：三網(wǎng)融合；云計算；遠程教育環(huán)境

0 引言

遠程教育是一種與傳統(tǒng)的面對面教育不同的教育方式?，F(xiàn)代遠程教育是以計算機、多媒體技術(shù)、通信技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)等高新技術(shù)為主要教學手段，進行跨時空教學的方式。信息技術(shù)對教育發(fā)展具有革命性影響，遠程教育對信息技術(shù)具有天然的依賴性。遠程教育強調(diào)利用現(xiàn)代技術(shù)手段，向所有有意愿、有能力接受高等教育的人提供學習機會和服務，遠程教育的發(fā)展是社會進步、教育發(fā)展的一個大方向。開展遠程教育的重要工作之一就是將教育資源通過各種手段投放給學習者，并通過一定的手段與學習者進行交互和反饋，幫助學習者完成學習，提高學習者的學習效果和質(zhì)量，使學習者獲得知識和技能。我國非常重視利用信息技術(shù)開展遠程教育以及構(gòu)建先進的教育系統(tǒng)和平臺。《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020）》提出要“大力發(fā)展現(xiàn)代遠程教育，建設(shè)以衛(wèi)星、電視和互聯(lián)網(wǎng)等為載體的遠程開放繼續(xù)教育及公共服務平臺，為學習者提供方便、靈活、個性化的學習條件”。

目前我國的遠程教育技術(shù)環(huán)境有基于互聯(lián)網(wǎng)的Web-based Learning（基于Web的學習），基于廣播電視網(wǎng)的T-Learning（基于電視的學習），基于電信網(wǎng)的M-Learning（移動學習）等。在我國的發(fā)達地區(qū)，主要以基于互聯(lián)網(wǎng)的計算機在線學習為主，學習者可以通過3G手機、平板電腦等隨時、隨地、隨身便利地在線學習。在我國一些欠發(fā)達地區(qū)，家庭擁有電視的比例較高，互聯(lián)網(wǎng)普及率較低，網(wǎng)絡帶寬不高，因此基于廣播電視網(wǎng)的T-Learning是遠程教育的主要方式。在不發(fā)達地區(qū)，只能以廣播和衛(wèi)星電視為主要手段通過播放教育資源來開展遠程教育。由此可見，我國需要一個良好的一體化的學習平臺，能夠提供豐富多樣的學習體驗，實現(xiàn)多終端接入訪問，提供個性化的遠程學習服務。

1 三網(wǎng)融合、云計算與遠程教育

1.1 三網(wǎng)融合

三網(wǎng)融合是指電信網(wǎng)、計算機網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)打破各自界限，在業(yè)務應用方面進行融合。3個網(wǎng)絡在技術(shù)上趨向一致，網(wǎng)絡層面實現(xiàn)互聯(lián)互通，業(yè)務層面互相滲透和交叉，有利于實現(xiàn)網(wǎng)絡資源最大程度的共享，其實質(zhì)是在同一網(wǎng)絡上進行語音、數(shù)據(jù)和圖像的傳輸，實現(xiàn)網(wǎng)絡資源的共享，簡化網(wǎng)絡管理，避免重復建設(shè)。三網(wǎng)融合意味著來自電信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)的教育資源將得到匯總和共享，更多優(yōu)質(zhì)的教育資源將不再受到載體的限制，用戶通過其中一張網(wǎng)就能實現(xiàn)多種用途，也就是說，互聯(lián)網(wǎng)只針對電腦、廣電網(wǎng)只針對電視、通信網(wǎng)只針對手機的信息共享局面將被打破，用戶將能夠使用電腦、電視、手機3種終端中的任意一種，自由地交叉享受到3種網(wǎng)絡系統(tǒng)內(nèi)的不同服務，例如：民眾可用電視遙控器打電話；在手機上看電視劇；隨需選擇網(wǎng)絡和終端，只要拉一條線或無線接入即可完成通信、電視、上網(wǎng)等。三網(wǎng)融合涵蓋了從技術(shù)到業(yè)務各個層面的兼容并包與融合。在技術(shù)上需要解決傳輸層、網(wǎng)絡層、應用層的互聯(lián)互通。本文主要討論技術(shù)層面的問題。

在三網(wǎng)融合進程中，各運營商需要對自己現(xiàn)有的傳輸網(wǎng)絡進行升級改造。有線電視運營商主要提供傳統(tǒng)的廣播式視頻業(yè)務，要開展數(shù)據(jù)和交互式業(yè)務，就要進行大規(guī)模的雙向化改造，例如將廣播式的網(wǎng)絡改變成能夠運行TCP/P協(xié)議的數(shù)字式雙向傳輸網(wǎng)；電信網(wǎng)絡主要提供語音通話服務，通過電信網(wǎng)提供視頻、交互服務，主要面臨最后100米的寬帶接入問題，現(xiàn)在許多家庭可以通過電信網(wǎng)絡的DSL寬帶技術(shù)、光纖入戶等方式接入互聯(lián)網(wǎng)，已經(jīng)部分實現(xiàn)了語音通話、上網(wǎng)和觀看網(wǎng)絡電視等功能；計算機網(wǎng)的先天優(yōu)勢是數(shù)據(jù)異步傳輸和交互性，在語音和視頻信號傳輸?shù)膶崟r性和服務質(zhì)量方面存在一定困難。因此計算機網(wǎng)絡需要通過提高帶寬、改進QoS（Qualityof Service，服務質(zhì)量）等技術(shù)，實現(xiàn)流暢的視頻播放、語音通話以及雙向數(shù)據(jù)傳輸與交互。

1.2 云計算

2006年8月9日，Google在搜索引擎大會上首次提出“云計算（Cloud Computing）”的概念，標志著云計算被正式提出。美國國家標準與技術(shù)研究所（NIST：National Institute of Standards andTechnology）認為：云計算使用按量付費的模型，這種模式提供可用的、便捷的、按需的網(wǎng)絡訪問，進入可配置的計算資源共享池（例如網(wǎng)絡、服務器、存儲、應用及服務等），這些資源能夠被快速提供和釋放，只需投入很少的管理工作，或與服務供應商進行很少的交互。

云計算有3種服務模型：①基礎(chǔ)設(shè)施即服務（InS：Infrastructure as a Service），消費者可租用處理、存儲、網(wǎng)絡和其他基本的計算資源，能夠在其上部署和運行任何軟件；②平臺即服務（Paas：Platform as a Service），由提供商將消費者需要的編程語言、工具、基礎(chǔ)性軟件等進行搭建和維護，消費者只需租用這個搭建好的平臺即可；③軟件即服務（SaaS：Software as a Service），即由提供者提供應用程序，消費者以Web的方式瀏覽和使用。根據(jù)云計算的部署模型，依據(jù)云的擁有者和提供服務對象的范圍，云可以分為4類：私有云、社區(qū)云、公有云和混合云。云具有5個基本特點：隨需應變的自助服務、無處不在的網(wǎng)絡訪問、資源共享池、快速而靈活以及計量付費服務。從歷史的發(fā)展角度看，云計算是IT資源和服務從分散到集中與專業(yè)化的必然發(fā)展趨勢，是未來IT服務的主要模式之一，也是未來IT的核心產(chǎn)業(yè)之一，因此受到政府、業(yè)界和學者的廣泛重視和認可。endprint

由于云計算技術(shù)可以使IT資源和服務集中化和專業(yè)化，最大限度地提高IT資源的利用率，實現(xiàn)無基礎(chǔ)設(shè)施的信息化，因此云計算技術(shù)對IT和社會有深遠的意義和影響?，F(xiàn)在云計算如雨后春筍般蓬勃發(fā)展。遠程教育的信息平臺可以充分利用云計算技術(shù)，通過共享資源池有效調(diào)度，保障遠程教育中視頻、課程資源、交互等業(yè)務的快速投放和實時性。

2 融合式遠程教育環(huán)境

目前大多數(shù)遠程教學環(huán)境中，多種通訊網(wǎng)絡上的應用并沒有很好的整合，而是相對分離的運行，例如通過衛(wèi)星網(wǎng)廣播教學電視節(jié)目，通過互聯(lián)網(wǎng)提供交互，二者之間在時間上是割裂的，學習者收看電視節(jié)目的同時無法及時交互，只能事后通過BBS、電子郵件等方式交互；后臺數(shù)據(jù)也沒有統(tǒng)一管理，教師無法了解學生收看電視節(jié)目的情況；遠程教學普遍存在著師生互動較少、視頻資源利用率低、優(yōu)質(zhì)資源難以普及到邊遠農(nóng)村地區(qū)等問題。因此，雖然現(xiàn)在已經(jīng)具有豐富的教學資源和可用于遠程教育交互的信息技術(shù)，但是將他們有效整合并服務于教學的過程中尚有一些不盡如人意的地方。文獻提出了基于多屏合一的連續(xù)性混合式學習系統(tǒng)，但是在視頻傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)上未作更多研究。

現(xiàn)在計算機、電視、手機、平板電腦等已經(jīng)比較普及，學習者通過任意一種終端進行學習是一種必然趨勢，因此遠程教育機構(gòu)有必要建立一種用戶能夠通過各種終端接入、有效銜接、終端間無縫漫游的交互式遠程教育環(huán)境，即本文所定義的融合式遠程教育環(huán)境。也就是說，在融合式遠程教育環(huán)境中，學習者可以通過任意一種終端接人訪問，并且各個終端之間實現(xiàn)無縫銜接和漫游，并可以利用各終端便利地開展教學活動與交互，例如，學習者可以在家里通過電腦進行網(wǎng)上學習，觀看一段視頻課程資源；在上班路上可以通過手機繼續(xù)觀看這段視頻的剩余部分，學習者的學習內(nèi)容完全能夠銜接和交互學習。

2.1 融合式遠程教育環(huán)境總體設(shè)計

融合式遠程教育環(huán)境需要打通多種網(wǎng)絡，將學習環(huán)境有機地部署在多種網(wǎng)絡環(huán)境中，并能夠基于各種網(wǎng)絡的特點進行有針對性的技術(shù)改造與升級，提供有特點的服務，從而提供基于多網(wǎng)的無縫融合式遠程教育環(huán)境。融合式遠程教育環(huán)境的框架如圖1所示。

圖1所示三網(wǎng)融合的網(wǎng)絡環(huán)境是指各網(wǎng)絡運營商對自己的網(wǎng)絡（電信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)等）進行了有針對性的改造，能夠適應雙向數(shù)字信號傳輸?shù)木W(wǎng)絡環(huán)境。最左端的學習者可以利用各種終端，通過該網(wǎng)絡環(huán)境開展遠程學習。三網(wǎng)融合接入網(wǎng)關(guān)提供多網(wǎng)絡接入的路由服務，為廣播、音頻、視頻、點播、Wifi/WiMAX、VOD、IPTV等提供全能的接入服務。三網(wǎng)融合業(yè)務平臺接口則可以針對不同的網(wǎng)絡特點，提供有針對性的服務，例如，IPTV主要提供以視頻資源為主的服務，對于手機等移動設(shè)備，可以提供具有較少數(shù)據(jù)交互的移動學習服務。通過基于互聯(lián)網(wǎng)的計算機在線學習，可直接接入到在線學習平臺進行學習。

2.2 基于云計算的遠程教育環(huán)境

云計算可以帶來動態(tài)、彈性、快速交付等便利和優(yōu)勢。利用云計算技術(shù)建立的遠程教育環(huán)境，可以為教育機構(gòu)和學習者提供個性化的教育空間和學習空間服務（圖1中SaaS層實現(xiàn)此服務）；同時云計算技術(shù)在視頻資源的采集、處理、存儲、發(fā)布方面能夠充分發(fā)揮其優(yōu)勢，通過資源池針對不同類型終端發(fā)布自適應的視頻格式與大小（包含在圖1的PaaS層和IaaS層）。

SaaS層的遠程學習平臺、教務管理平臺、資源平臺和學習支持服務，實現(xiàn)了遠程教育的核心功能。該部分平臺除了具有基于互聯(lián)網(wǎng)的在線教學等功能外，還要建立針對移動終端以及電視等開發(fā)的后臺系統(tǒng)，例如，遠程學習平臺中包括了為智能手機開發(fā)的后臺程序，能夠與手機的前端應用軟件配合，完成移動教學功能，同時通過三網(wǎng)融合中的移動網(wǎng)關(guān)聯(lián)通手機和服務器端軟件，并自動將用戶的行為和教學過程記錄到后臺數(shù)據(jù)庫，供各終端調(diào)用，實現(xiàn)不同終端間的銜接和融合。

PaaS層包括中間件、數(shù)據(jù)庫、系統(tǒng)軟件、Web服務器、云平臺自動化監(jiān)控和管理工具以及視頻采集制作與管理、視頻自適應發(fā)布、課程資源制作和管理等平臺與軟件。通過PaaS平臺能夠有效地管理IaaS平臺，并為SaaS提供有效支撐。中間件、數(shù)據(jù)庫、系統(tǒng)軟件、Web服務器、云平臺自動化監(jiān)控和管理工具是平臺層的基本內(nèi)容，關(guān)于視頻和課程資源方面的軟件與平臺是遠程教學平臺所特有的。視頻采集制作與管理、視頻自適應發(fā)布是實現(xiàn)數(shù)字化學習資源中視頻部分的采集、管理、制作與發(fā)布，是三網(wǎng)融合中融合式學習平臺的重要部分。

IaaS層包括由服務器、存儲和網(wǎng)絡構(gòu)建的海量資源存儲系統(tǒng)（云存儲）、計算資源池（計算虛擬化）、網(wǎng)絡虛擬化等基礎(chǔ)設(shè)施，是遠程教育環(huán)境的IT基礎(chǔ)支撐。其中網(wǎng)絡環(huán)境將電信、互聯(lián)網(wǎng)和電視網(wǎng)進行了接人融合的網(wǎng)絡環(huán)境，能夠統(tǒng)一運行TCP/IP協(xié)議。在搭建基于云的遠程教育環(huán)境時，基礎(chǔ)設(shè)施部分可以采用租用或者托管的方式來獲得，應該將重點放在SaaS層和PaaS層中的重點業(yè)務部分。

通過上述融合式遠程教育環(huán)境的建設(shè)，可以實現(xiàn)實時遠程面授交互，提供給學生更多的接入方式、交互渠道、參與途徑和資源傳輸渠道，提高遠程教育優(yōu)質(zhì)教學資源的有效利用率，并能夠適應我國信息化區(qū)域發(fā)展的不平衡特點，為不同區(qū)域提供統(tǒng)一平臺下的有針對性服務，以期解決目前遠程教學中師生缺乏充分的互動、視頻資源利用率低、面授課到課率低、優(yōu)質(zhì)資源難以普及到邊遠農(nóng)村地區(qū)等問題。

2.3 遠程教育視頻資源云

利用三網(wǎng)融合網(wǎng)絡環(huán)境，可以有效解決數(shù)字化教學資源的分發(fā)問題，但是對于遠程教育領(lǐng)域缺乏一定的針對性。利用云計算技術(shù)和三網(wǎng)融合可以搭建包括教學視頻的采編、制作、管理、版權(quán)保護、播放等功能的遠程教育視頻資源云，同時與學習平臺配合共同實現(xiàn)教學過程中的交互和多終端訪問教學資源，如圖2所示。

圖2所示最下層為三網(wǎng)融合的網(wǎng)絡環(huán)境，也就是說互聯(lián)網(wǎng)、電信網(wǎng)和廣播電視網(wǎng)已經(jīng)在運營商端進行了融合，利用其中一個網(wǎng)絡即可完成三個網(wǎng)絡的功能。視頻云IaaS層是視頻云的基礎(chǔ)設(shè)施層，其中包括了存儲、計算和網(wǎng)絡資源池供上層使用與調(diào)度。在視頻云PaaS層是視頻云的平臺層，在平臺層，具有視頻生產(chǎn)服務、視頻編播管理服務、版權(quán)管理服務、各類型平臺播放服務以及視頻調(diào)用打包接口服務等，在左邊是具有視頻采編服務。當然在平臺層還包括對IaaS層的調(diào)度和管理，例如視頻生產(chǎn)時，需要大容量存儲保存原始視頻資源；在資源編輯時，需要通過非線性編輯系統(tǒng)對視頻資源進行多層處理；在播放時，需要針對多終端類型和網(wǎng)絡狀況，利用各類型平臺播放服務將原始碼流轉(zhuǎn)化為適合的碼流并通過視頻播放服務器播出。在進行視頻處理時需要通過版權(quán)管理服務對視頻進行版權(quán)保護，利用DRM（Digital Rights Management）平臺進行版權(quán)處理并在播放時進行版權(quán)保護。視頻調(diào)用打包接口服務為課程資源包的制作提供視頻資源的調(diào)用與打包服務。視頻云SaaS層是視頻云的應用層，為終端用戶提供視頻的生產(chǎn)、播放、版權(quán)應用等。視頻資源云是利用云計算技術(shù)搭建的遠程教育環(huán)境的一個重要組成部分，二者是一個統(tǒng)一的整體。endprint

在三網(wǎng)融合環(huán)境中，多種終端（如有線電視、PC、PAD、智能手機、家庭信息機等）通過視頻資源云可以有效地觀看視頻資源并實時交互。但是在某些環(huán)境下只能實現(xiàn)單向通信（如通過衛(wèi)星電視收看視頻資源），可以利用傳統(tǒng)電話呼叫遠程教育機構(gòu)的呼叫中心，通過語音實現(xiàn)雙向交互，并及時解答學習者問題。

3 針對不同地區(qū)的應用場景

在目前我國各地區(qū)信息化發(fā)展不平衡的狀況下，融合式遠程教育環(huán)境可以有效解決開展遠程教育遇到的一些問題，形成適應不同地區(qū)和城市的教育和教學組織模式。下面探討如何利用這種遠程教育環(huán)境在幾種不同類型地區(qū)開展遠程教育。

3.1 發(fā)達地區(qū)和城市的應用場景

在我國的一些發(fā)達地區(qū)和城市，可以綜合運用各種終端，方便接入廣播電視網(wǎng)、電信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)，學習者可以獲得實時交互和參與性更強、音視頻質(zhì)量更高、接人條件更靈活的遠程教育環(huán)境。也就是說發(fā)達地區(qū)的用戶有條件通過圖1中的所有終端接入遠程教育環(huán)境，進行高質(zhì)量的、實時交互的遠程在線或非在線學習，充分體現(xiàn)了“人人、時時、處處”的學習理念。

例如，學習者可以隨時通過智能手機接人3G網(wǎng)絡開展在線學習，可以將課程資源尤其是其中的視頻資源下載到手機、PAD中進行非在線學習，回到家中可以通過PC在線學習，如果有問題，隨時可以撥打語音電話實時求助，也可以通過電視點播視頻資源進行學習，或者通過電視錄播功能，將視頻節(jié)目錄播后再反復觀看學習。同時融合式遠程學習平臺實時記錄用戶的學習行為，用戶開展遠程學習時在不同終端切換時可以實現(xiàn)學習內(nèi)容和過程無縫銜接，比如，學習者在戶外通過智能手機學習，到家后打開電腦開始學習時，學習內(nèi)容將無縫銜接，不用從頭開始查找學習內(nèi)容就可繼續(xù)學習。這種融合式的學習環(huán)境實現(xiàn)了學習過程在遠程學習終端之間的無縫遷移，大大提高了學習者的平臺體驗和學習體驗，也充分體現(xiàn)了以學習者為中心的理念。

3.2 欠發(fā)達地區(qū)的應用場景

欠發(fā)達地區(qū)的網(wǎng)絡普及尚有一定距離，實時的交互和高質(zhì)量的視頻教學較難保證，家庭中大多具有電視、計算機和手機等，擁有帶機頂盒的數(shù)字有線電視，但是家庭接人互聯(lián)網(wǎng)比例尚不高，學習者可以通過數(shù)字有線電視進行視頻資源的點播，但是實時交互性較差。因此在欠發(fā)達地區(qū)，重點解決視頻資源的播看以及一定的教學交互，此時的教學手段以非實時異步為主。圖3所示為欠發(fā)達地區(qū)進行遠程學習的系統(tǒng)示意圖

在欠發(fā)達地區(qū)，教學資源可以通過數(shù)字電視系統(tǒng)把視頻資源云中的視頻高質(zhì)量的播放，用戶可以在家庭實時收看，也可以通過具有錄播功能的數(shù)字電視預約并錄播教學節(jié)目，然后反復觀看學習；學習者可以到教學點或者在有網(wǎng)絡條件的地方一次性將教學資源包打包下載到智能手機或PC中進行非在線學習；學習者在遇到問題時，可以選擇到面授的教學點或者通過打電話到呼叫中心獲得幫助和解疑答惑。在多終端使用方面，可以使用智能手機或者PAD等，借助2G網(wǎng)絡等獲得與學習平臺間的小數(shù)據(jù)量的交互。

3.3 邊遠落后地區(qū)的應用場景

在我國的邊遠落后地區(qū)，互聯(lián)網(wǎng)、有線電視網(wǎng)基本沒有，在這些區(qū)域開展遠程教育，只能利用有限的衛(wèi)星電視和電話開展遠程教學。教學點可以通過衛(wèi)星集中下載IP課程資源包，學生利用電視集中收看教學節(jié)目，如果有教師，可以在現(xiàn)場實現(xiàn)面授輔導教學。此外，有的邊疆哨所等，可以通過衛(wèi)星電視接收教學節(jié)目并實時收看，如果有疑問，可以通過語音電話獲得一定的答疑和互動。在邊遠落后地區(qū)開展遠程教學，由于網(wǎng)絡和經(jīng)濟條件的限制而缺少基本設(shè)施，只能最低限度地保證教學視頻資源的投放，學習中的交互比較難以進行。

4 結(jié)語

融合式遠程教育環(huán)境的搭建需要利用更多的新技術(shù)來不斷完善升級，如全面的基于移動設(shè)備的解決方案，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)提高學習者的臨場感，完善遠程教育環(huán)境的生態(tài)系統(tǒng)。此外要深入研究如何在欠發(fā)達地區(qū)和邊遠落后地區(qū)開展高質(zhì)量的遠程教育，為學習者提供高質(zhì)量的教學資源，并能夠?qū)崟r交互，有效互動解決學生的學習問題，提高教學質(zhì)量和教學效果，解決教育的盲點和教育不公平等問題。通過融合式遠程教育環(huán)境構(gòu)建更好地服務于全民學習和終身教育體系。

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（見習編輯：劉麗麗）endprint