基于教育云的數字校園設計研究

孫永強，鐘紹春，郭軍梅，鐘永江，王 偉

(東北師范大學 信息與軟件工程學院，吉林 長春 130117)

基于教育云的數字校園設計研究

孫永強，鐘紹春，郭軍梅，鐘永江，王 偉①

(東北師范大學 信息與軟件工程學院，吉林 長春 130117)

云計算作為一種新型服務計算模型，對教育領域具有深刻影響。數字校園的服務對象主體是學生，該文基于教育云進行了數字校園的設計研究。文章首先進行學生的服務需求分析，在此基礎上從部署方式、服務類型和建設機制三個方面進行總體規(guī)劃，并從區(qū)域級公有云和校園級私有云兩個層級上對學生視角的教育云服務進行具體部署，為教育云背景下數字校園的建設提供參考，并為學生的個性化學習添磚加瓦。

教育云；數字校園；設計研究

隨著教育信息化和教育改革的不斷推進，近年中小學數字化校園建設成為國內基礎教育發(fā)展的熱點[1]。目前不斷呈現的新技術的應用，對于尚未完全成型的數字化校園的建設具有不可估量的前景。我們有理由相信數字校園伴隨各種新技術的運用將是一個全新的育人環(huán)境，將深刻地改變整個校園的生活方式，乃至人們受教育方式和學習方式[2]。而云計算作為一種新型服務計算模型，是面向服務的架構、分布式計算、網格計算和虛擬化等多種技術發(fā)展融合的產物[3]。隨著云技術的發(fā)展壯大，數字化校園建設的重心將傾向于云平臺的接入、應用[4]。云計算在教育領域中的遷移稱之為“教育云”，也就是說教育云在數字校園的建設中具有很大的研究和運用潛力。本研究即是以學生角色為研究視角，區(qū)域環(huán)境為切入點，來對教育云環(huán)境下的數字校園進行設計。

一、相關概念及教育云在數字校園中的運用優(yōu)勢

教育云是指將教育信息化所需的一切硬件資源利用虛擬化技術構建一個巨大的虛擬資源池，以資源池為基礎搭建面向教育機構、教育從業(yè)人員和學員的服務平臺[5]。

對于數字校園，目前存在四種有代表性的觀點，包括平臺觀、空間觀、環(huán)境觀和過程觀，這些關于數字校園的觀點從不同側面描述了其特點，綜合這些觀點，數字校園具備以下五方面的特征：重點關注學生的有效學習以及創(chuàng)新和轉變教學方式；以服務教育教學作為數字校園建設的基本理念；支持學與教的資源比較豐富；多種應用系統(tǒng)有機集成、相關業(yè)務高度整合；能拓展學校的時空維度并豐富校園文化[6]。

從宏觀的系統(tǒng)建設層次來講，教育云的優(yōu)勢是顯而易見的。首先有利于解決基礎設施、資源配置不均衡和利用效率低的問題；其次有利于解決教育教學應用系統(tǒng)缺乏且不統(tǒng)一的問題，能夠實現系統(tǒng)間數據的共享；最后有利于解決各教育系統(tǒng)之間教育資源的有效共享問題。除了這些宏觀的設施、系統(tǒng)、資源建設層次的優(yōu)勢外，作為有效應用于各教育機構的一種新型服務計算模型，我們應投放更多關注在教育云的有效運用，落實在具體的作為學習主體的學生身上，投入更多精力和時間研究教育云的運用到底能給學生的學習帶來什么樣的實效。目前除了以上三方面的優(yōu)勢外，針對學生主體的優(yōu)勢包括：

第一，學生通過教育云平臺可以向其他同學自主分享和推薦資源，使學生有一定的責任和權限，能夠培養(yǎng)學生的學習主動性和主體參與意識。

第二，學生有機會接觸更多的優(yōu)質資源，且這些資源與以前泛泛的教學資源庫相比，更具有針對性，符合所屬市、區(qū)、校的有效情境。另外，除了教師可以給學生提供的優(yōu)質資源外，還包含學生群體提供的同視角的學習伙伴式資源。

第三，學生能夠通過教育云系統(tǒng)與同屬市、區(qū)、校的學科名師等直接對話，摒棄以往教學中只圍繞自己任課教師的學習方式，從而突破單一的思維模式。

第四，利用教育云系統(tǒng)可以實現跨校、跨區(qū)等的協(xié)作性學習活動，不管是對學生的學習能力或綜合素質等都有幫助。

二、學生視角的服務需求分析

本研究的主題是數字化校園的設計，校園生活中的主體活動是課堂學習，那么設計中處于首位的當然是用于支撐課堂學習的部分，即課堂支撐。說到學生，在校園中的多數活動皆為促進學習，而關于學習，涉及的主要范圍包括學什么、怎么學、學得如何以及如何學以致用這四個方面。四方面內容具體映射到數字校園的設計中，相對應的即為學習資源、學習服務、學習測評和實踐活動。當然這是廣泛意義上的學習。按照福田小學王玨老師說的“教育云服務的三大主題：資源云服務、學習云服務和個性化學習服務”[7]，教育云服務中的針對學生個體的個性化學習空間是當仁不讓的一大需求。另外從學生的總體需求分析來看，學生除了在校園中的這些學習活動外，還應包括個人信息統(tǒng)計與管理和系統(tǒng)常見問題解答部分。

1.課堂支撐

課堂支撐，顧名思義是專為支撐學生在課堂上的學習活動所設計的。要全方位支撐課堂學習需要從三個階段分步進行：課前預習支撐、課中學習支撐和課后復習支撐。學生通過課前預習能夠順利解決本課知識學習之前需要掌握的基本技能和知識，且對將要學的學習內容有一定程度的理解，甚至已經發(fā)現了新內容中的問題。課中學習支撐部分能夠為學生提供教師在課堂上涉獵到的一些有助于本課學習的關聯(lián)知識和工具等。課后復習支撐甚至一定程度上能夠代替課后作業(yè)。隨著信息技術的不斷發(fā)展，各種手持終端設備功能越來越齊，教育云服務的其中一個巨大優(yōu)勢就是能夠減輕終端設備的負載，即學生可以用手機、平板電腦等移動設備隨時隨地完成課后作業(yè)等形式的復習鞏固活動。

2.學習資源

作為教育云服務的三大主題之一的學習資源部分,是教育云背景下的數字校園建設的重點之一。這里的學習資源除了為以上的“課堂支撐”提供資源外，更多的是支持學生的自主學習。我們知道，在當前的網絡學習領域，“微”學習很受學生歡迎，微應用有微博，微資源有微視頻、微電影等。這種“微”形式的資源短小精悍，更符合基礎教育階段學生的注意力時間有限的規(guī)律，更能夠順應當前移動學習盛行的趨勢。因此在學習資源部分除了電子教材、學案、課堂實錄等較大篇幅的素材外，應在一定程度上對微資源重視起來。

3.學習服務

學習服務是對課堂學習的有效補充，甚至部分可替代或效果優(yōu)于傳統(tǒng)的課堂學習。例如虛擬實驗室服務可以承擔理科類實驗的學習，尤其是那些具有危險性和現有條件較難實現的實驗，學生在虛擬情境中完成實驗過程，不僅克服以上困難，且能夠自主控制，易控制實驗條件，實驗現象易觀察。虛擬圖書館服務對學生學習實現拓展，且學生能夠隨時、隨地地在虛擬圖書館中學習，具有更大的隨意性，比較符合學生的個性化發(fā)展。各種學習應用工具服務可以根據學生個人愛好、習慣自主選擇適合自己的學習應用軟件，有利于應材施“學”。

4.學習測評

學習測評可以是一個大題庫，有試題、試卷，可以自主組卷、智能組卷，可以自主測評或教師統(tǒng)一組織測評。完成測評后，對結果進行智能分析和教師人為分析，輸出結果，反饋給學生，從而為學生的查漏補缺和下階段的學習提供參考。其中由區(qū)域主導、學校執(zhí)行的大型正式考試，如期末考試，最終統(tǒng)計分析得出的結果必須上傳至區(qū)域，以便其對轄區(qū)內的學校進行有效管理與評價，而其它測驗性質的小考試，如單元測驗、知識點測驗等，則無需上傳至區(qū)域。

5.實踐活動

實踐活動主要是為了檢驗學生“理論用于實踐”的成果，一般是跨單元、跨學科等的綜合性活動，需要同學間、班際甚至校際協(xié)作完成。除了這些用于檢驗學習成果的活動外，還需包含其他一些體現和鍛煉能力的課外自主探究或協(xié)作探究性活動，不管是組織能力還是團隊協(xié)作能力，例如籃球等。

6.個性化學習空間

個性化學習空間更像是學生個人的一個“后花園”，包括學生個人所屬班級、學校兩個團體的動態(tài)，其它主要是Web2.0應用服務，如微博、博客、輕博客、RSS，類似于SNS網站的服務模式，用戶需要手動添加除了班級以外的聯(lián)系人形成通訊錄實現即時通訊。另外收藏的學習資源、定制的學習應用服務都應在個性化學習空間給予體現，真正實現多維度個性化。

7.信息統(tǒng)計與管理

學生的一些個人信息需要系統(tǒng)能夠給予系統(tǒng)統(tǒng)計與管理，如學生檔案、成績管理、課程表等，另外系統(tǒng)能對成績等給予統(tǒng)計分析，輸出圖表，提示學生最近需要注意的問題，例如某門學科成績下降，給予提醒。另外包括一卡通系統(tǒng)信息，校園一卡通系統(tǒng)指的是學生在校園內容的一些活動一卡通用，包括考勤、校園超市購物、圖書館等。例如學生每天進出校門時間，只要學生攜帶卡，則門禁系統(tǒng)自動識別并記錄時間。系統(tǒng)記錄卡的使用情況，并對信息進行統(tǒng)計和分析，給予提示適當提醒，例如最近消費較高，系統(tǒng)給予提醒。

三、總體規(guī)劃

教育云的統(tǒng)籌規(guī)劃是一項規(guī)模宏大的工作，最上級可至國家級教育云，依次往下包含省級教育云、地市級教育云、縣區(qū)級教育云，以及最下層級的校級教育云等多個層級。本研究的設計規(guī)劃著重在教育云與數字校園的結合規(guī)劃上，因此從最下級的校級教育云開始，只上升至區(qū)域級教育云的規(guī)劃，凡是不屬于校級教育云的服務均歸屬到區(qū)域級教育云這一層級上。區(qū)域教育云背景下的數字校園的總體規(guī)劃是從部署方式、服務類型和建設機制這三個方面來進行的。

1.部署方式

采用混合云的部署方式，即區(qū)域公有云與校園私有云相互聯(lián)通。區(qū)域公有云由現有的教育網絡信息中心擴建而成，校園私有云沿用當前的網絡信息中心即可。區(qū)域公有云設立一個管理中心對資源和服務等進行管理，校園私有云由各學校自行管理。

2.服務類型

服務類型包括三類：基礎設施即服務(IaaS)、平臺即服務(PaaS)和軟件即服務(SaaS)。相應的教育云平臺架構包括三層：基礎設施層、平臺層和教育應用軟件層?；A設施層，為高層提供計算、數據存儲和網絡通訊等資源，即提供IaaS；平臺層，構建在基礎設施層之上，面向開發(fā)人員，為開發(fā)各類基于云計算的教育應用軟件提供開發(fā)環(huán)境和公用API等，即提供PaaS；教育應用軟件層，提供各類的教育教學相關的應用軟件，即提供面向教育的SaaS[8]。

3.建設機制

在區(qū)域教育云系統(tǒng)中，基礎設施層由各個學校私有云和區(qū)域公有云共同建設和管理；平臺層由區(qū)域教育云的管理機構與學校共同協(xié)商之后制定；教育應用軟件層則由學校和區(qū)域管理機構根據其具體的需要，由學校、區(qū)域管理機構主導，自己開發(fā)或尋找合適的教育軟件開發(fā)企業(yè)進行開發(fā)。

綜合以上的部署方式、服務類型和建設機制，并分析三者之間的交叉關系，有如圖1所示的總體架構。

圖1 教育云總體架構圖

四、具體部署

伴隨移動設備和移動學習的快速發(fā)展，作為移動終端設備的手機、平板電腦等逐漸成為學生的移動學習終端。除了現有的臺式電腦、筆記本電腦等已存的學習終端外，上述的移動學習終端設備在教育云的背景下也扮演著幾乎完全相同的角色。在教育云系統(tǒng)中，學生利用這些終端設備通過瀏覽器在統(tǒng)一信息門戶網站登錄進行身份認證就能夠方便快捷地享用其中的服務。

如上文所述，教育云系統(tǒng)的部署方式有區(qū)域公有云和學校私有云兩種，服務類型有基礎設施即服務、平臺即服務和軟件即服務三種，那么現在從不同類型云的各自的服務類型出發(fā)，結合以上的需求分析對區(qū)域教育云系統(tǒng)中的業(yè)務進行具體部署，如圖2所示。

圖2 區(qū)域教育云系統(tǒng)具體部署

1.區(qū)域公有教育云服務的具體部署

區(qū)域公有教育云的基礎設施層包括服務器、存儲設備和網絡設備，同時為區(qū)域云和校園云提供服務。平臺層包括開發(fā)環(huán)境、公用API、Web服務API，為區(qū)域云和校園云提供服務，其中學?？梢越柚似脚_層開發(fā)個性化應用服務，并將其置于校園云應用軟件層中。應用軟件層包括課堂支撐系統(tǒng)、學習資源庫、學習服務系統(tǒng)、學習測評系統(tǒng)、實踐活動系統(tǒng)、常見問題解答庫以及學生個性化學習空間中的所有Web 2.0應用服務。

2.校園私有教育云服務的具體部署

校園私有教育云的基礎設施層與區(qū)域云一樣包括服務器、存儲設備和網絡設備，不過從功能上、規(guī)模上可能比區(qū)域云要弱。校園云不提供平臺服務，因為區(qū)域云的平臺服務是在區(qū)域與學校管理機構互相協(xié)調的基礎上建設而成的，即使學校要開發(fā)個性化應用，只借助區(qū)域云的平臺層就能夠滿足要求。應用軟件層主要是學生信息的統(tǒng)計與管理，因為這些信息或其統(tǒng)計結果可能需要與校園中的其他應用軟件共享或關聯(lián)數據，而這些應用軟件有可能是學校借助區(qū)域云的平臺層自行開發(fā)的，因此信息的統(tǒng)計與管理服務歸屬于校園私有云。另外校園云需要存儲的信息主要是個性化學習空間中本校學生發(fā)表的個性化信息，這也是學習過程中的生成性學習內容，有利于教師對其統(tǒng)計整理，將隱性知識顯性化，然后將這些顯性化的知識上傳到區(qū)域公有教育云中，方便更多學生學習。

五、結束語

本研究是區(qū)域教育云背景下的基于學生視角的數字校園建設，希望能為今后教育云與數字校園的結合提供參考。直觀地說，教育云的應用使資源的利用率(不管是硬件還是軟件資源)提升，從客觀條件上平衡了學校間的多方面的差距，如資源、教學等。從學生視角來看，教育云使學生的正式學習和非正式學習結合更緊密，且離個性化學習又邁近一步?？傊?，教育云的應用前景廣闊，會使我們受益無窮，所以我們期望其能早日實現，發(fā)揮其潛在優(yōu)勢，為教育領域帶來深刻影響。

[1] 張虹波,申軍霞.中小學數字校園內涵探究[J].中國電化教育,2009,(7):56-59.

[2] 李奕.數字校園——教育信息化發(fā)展之路[M].北京：北京教育出版社,2004.157-159.

[3] Lamia Youseff,Maria Butrico,Dolma Da Silva.Toward aUnified Ontology of Cloud Computing[EB/OL]. www.collab-ogce.org/gce08/images/7/76/LamiaYouseff.pdf，2014-01-14.

[4] 郭鵬,紀青瑩.基于云計算的數字化校園架構研究[J].計算機光盤軟件與應用,2012,(5):133-134.

[5] 王康,廖漢文,張巖.云計算在基礎教育信息化建設中的應用研究[J].現代教育技術,2012,22(4):104-106.

[6] 黃榮懷,張進寶,胡永斌,楊俊鋒.智慧校園-數字校園發(fā)展的必然趨勢[J].開放教育研究,2012,18(4):12-17.

[7] 王玨.深圳市教育云思路研討[EB/OL].http://rc.k12.com.cn/cloudRes/res/show/id/344289，2014-01-14.

[8] 章澤昂,鄔家煒.基于云計算的教育信息化平臺的研究[J].中國遠程教育,2010,(6):66-69.

孫永強：特級教師，在讀博士，研究方向為數字化學習環(huán)境()。

鐘紹春：教授，博導，研究方向為信息技術與課程整合、數字化學習環(huán)境(sczhong@sina.com)。

郭軍梅：在讀碩士，研究方向為數字化學習環(huán)境(476935343@qq.com)。

鐘永江：教授，博士，研究方向為智能學習系統(tǒng)、數字化學習環(huán)境(zhongyj@nenu.edu.cn)。

王偉：講師，博士，研究方向為智能學習系統(tǒng)、數字化學習環(huán)境(dorrisww@126.com)。

2013年12月24日

責任編輯：馬小強

Design Research of Digital Campus Based on Educational Cloud

Sun Yongqiang, Zhong Shaochun, Guo Junmei, Zhong Yongjiang, Wang Wei
(School of Information and Software Engineering, Northeast Normal University, Changchun Jilin 130117)

Cloud computing as a new service model, has a profound impact on the field of education. Students are the main service targets of digital campus. After the analysis of students' service to the digital campus, the paper put forwards an overall plan from the aspects of deployment, service type and construction mechanism, and describes the deploy method from the region-level public cloud and campus-level private cloud of students perspective. The paper can provide reference for constructing digital campus based on educational clouds and it is meaningful to individualized learning.

Educational Cloud; Digital Campus; Design Research

G434

A

1006—9860(2014)04—0094—04

① 王偉為本文通訊作者。