大數(shù)據(jù)背景下智慧教育云平臺(tái)的構(gòu)建研究

龍虎　張小梅　唐林海

摘要：大數(shù)據(jù)背景下，隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，智慧教育迎來(lái)了智慧化和智能化的云時(shí)代。筆者首先對(duì)大數(shù)據(jù)和智慧教育的概念以及研究現(xiàn)狀進(jìn)行了梳理，給出了智慧教育云平臺(tái)的構(gòu)成以及系統(tǒng)架構(gòu)，通過(guò)利用Hadoop技術(shù)來(lái)對(duì)大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理，采用數(shù)據(jù)挖掘算法并結(jié)合云計(jì)算對(duì)智慧資源的獲取、表示、建模和融合進(jìn)行研究，建立數(shù)據(jù)分析與處理模型圖，將得到的數(shù)據(jù)智能融入智慧教育云平臺(tái)，并對(duì)平臺(tái)進(jìn)行了應(yīng)用和性能的測(cè)試。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù)；智慧教育；Hadoop；云平臺(tái)

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）20-0109-03

大數(shù)據(jù)是繼移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算之后新的IT界流行的詞語(yǔ)，已成為科技、企業(yè)、學(xué)術(shù)界關(guān)注的熱點(diǎn)。國(guó)際權(quán)威雜志《Science》和《Nature》專門出版了有關(guān)大數(shù)據(jù)的專刊，專門探討有關(guān)大數(shù)據(jù)的機(jī)遇以及帶來(lái)的挑戰(zhàn)等問(wèn)題。美國(guó)教育部在2010年11月，發(fā)布了《改變美國(guó)教育：技術(shù)增強(qiáng)的學(xué)習(xí)——美國(guó)國(guó)家教育技術(shù)計(jì)劃2010》[1]（NETP2010），智慧教育方面，IBM提出了構(gòu)建智慧教育的方案。新加坡在2006年就開始了Intelligent Nation 2015計(jì)劃，其中智慧教育是其最重要的組成部分。韓國(guó)教育科學(xué)技術(shù)部（MEST）于2011年6月向韓國(guó)總統(tǒng)府提交了《通往人才大國(guó)之路：推進(jìn)智慧教育戰(zhàn)略》提案，并于同年10月發(fā)布了《推進(jìn)智慧教育戰(zhàn)略》，目的是進(jìn)行智慧教育變革，改造課堂，提高技術(shù)支持的學(xué)習(xí)效果，培養(yǎng)適應(yīng)未來(lái)信息社會(huì)的創(chuàng)新型國(guó)際人才[2]。2014年12月1日由中國(guó)教育部直屬單位教育學(xué)會(huì)在北京主辦了2014國(guó)際智慧教育展覽會(huì)（簡(jiǎn)稱Smart Show），多所學(xué)校還對(duì)智慧教育的產(chǎn)品進(jìn)行了全方位的展示。利用大數(shù)據(jù)技術(shù)可以構(gòu)建復(fù)雜的模型來(lái)表征數(shù)據(jù)和解釋數(shù)據(jù)，利用基于大數(shù)據(jù)的知識(shí)計(jì)算，可從大數(shù)據(jù)中抽取有價(jià)值的知識(shí)，構(gòu)建成可支持查詢、分析和計(jì)算的知識(shí)庫(kù)。知識(shí)計(jì)算的前提是首先構(gòu)建好知識(shí)庫(kù)，其次是多元知識(shí)的融合，此外還有知識(shí)庫(kù)的更新。大數(shù)據(jù)可利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對(duì)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)（包括結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)）進(jìn)行分析與挖掘，及時(shí)掌握學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，對(duì)學(xué)習(xí)的效果、技能水平等進(jìn)行評(píng)估，便于及時(shí)對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行智能診斷，將信息智能推送到用戶端。智慧教育云平臺(tái)能為學(xué)習(xí)者提供很好的智慧學(xué)習(xí)環(huán)境和個(gè)性化的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。通過(guò)運(yùn)用系統(tǒng)分析法，并在梳理國(guó)內(nèi)外智慧教育研究的基礎(chǔ)上，嘗試構(gòu)建大數(shù)據(jù)環(huán)境下智慧教育云平臺(tái)，提出了大數(shù)據(jù)背景下的智慧教育云平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)圖，并對(duì)大數(shù)據(jù)背景下的智慧教育云平臺(tái)進(jìn)行了的應(yīng)用和測(cè)試，以其能為未來(lái)大數(shù)據(jù)環(huán)境下的智慧教育的建設(shè)提供參考。

1 智慧教育概述

智慧教育是整合物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)通信、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等先進(jìn)信息技術(shù)的增強(qiáng)型數(shù)字教育（Enhanced e-Education），是對(duì)數(shù)字教育的進(jìn)一步發(fā)展[3]。智慧教育的真諦就是通過(guò)利用智能化技術(shù)（靈巧技術(shù)）構(gòu)建智能化環(huán)境，讓師生施展靈巧的教與學(xué)方法，使其由不能變?yōu)榭赡?，由小能變?yōu)榇竽埽瑥亩囵B(yǎng)具有良好價(jià)值取向、較高思維品質(zhì)和較強(qiáng)施為能力的人才[4]。智慧教育可培養(yǎng)出智慧型和創(chuàng)新型的人才，智慧教育的核心技術(shù)為大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、移動(dòng)通信和定位技術(shù)。智慧教育的學(xué)習(xí)資源是動(dòng)態(tài)生成的，MOOCs、微課、移動(dòng)課件、電子教材、可進(jìn)化的內(nèi)容庫(kù)，智慧教育的學(xué)習(xí)方式主要有泛在學(xué)習(xí)和云學(xué)習(xí)以及無(wú)縫學(xué)習(xí)；智慧教育的教學(xué)方式主要有以學(xué)習(xí)者為中心，大規(guī)模在線開放教學(xué)（MOOCs）、深度互動(dòng)教學(xué)、智能教學(xué)（智能備課、智能批閱等等）、科研方式：跨地域大規(guī)模協(xié)同科研，科研數(shù)據(jù)及時(shí)分享與深度挖掘；管理方式：高度標(biāo)準(zhǔn)化、歸一化管理、智能管控；評(píng)價(jià)思維：數(shù)據(jù)導(dǎo)向的評(píng)價(jià)、基于大數(shù)據(jù)庫(kù)的科學(xué)評(píng)價(jià)。

2 智慧教育云平臺(tái)

智慧教育云平臺(tái)可為學(xué)生提供基于知識(shí)圖譜（所有知識(shí)點(diǎn)匯聚的知識(shí)架構(gòu)圖）的學(xué)習(xí)，知識(shí)架構(gòu)圖有利于學(xué)習(xí)者快速查找自己需要的知識(shí)點(diǎn)，只需點(diǎn)擊便可輕松獲取自己想要的知識(shí)，使學(xué)生更容易把握學(xué)習(xí)的脈絡(luò)。智慧教育云平臺(tái)主要由智慧教育、智慧學(xué)習(xí)、智慧服務(wù)、智慧資源、智慧環(huán)境、智慧管理和智慧評(píng)價(jià)等多個(gè)部分組成，如下圖1所示。

圖1 智慧教育云平臺(tái)的構(gòu)成

智慧教育和智慧學(xué)習(xí)是智慧教育云平臺(tái)的核心部分，通過(guò)該平臺(tái)教師可實(shí)現(xiàn)智慧教學(xué)，學(xué)生可實(shí)現(xiàn)智慧學(xué)習(xí)，智慧資源主要是指智慧教育資源和智慧學(xué)習(xí)資源，在云平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)智慧資源的智慧檢索和共享，智慧管理、智慧環(huán)境和智慧評(píng)價(jià)是智慧教育云平臺(tái)不可或缺的，都具有重要的作用。教師通過(guò)云平臺(tái)可實(shí)時(shí)在線查看學(xué)生的學(xué)習(xí)情況反饋信息以及通過(guò)聚類分析來(lái)獲取有用信息，并針對(duì)該信息進(jìn)行有針對(duì)性的授課和解答。豐富的智慧教學(xué)場(chǎng)景可為教師帶來(lái)新的互動(dòng)教學(xué)體驗(yàn)，教師可通過(guò)學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)和成長(zhǎng)軌跡，利用數(shù)據(jù)可視化技術(shù)和人工智能技術(shù)以及數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，來(lái)對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度和知識(shí)掌握情況進(jìn)行可視化顯示，并對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行個(gè)性化和科學(xué)性的評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)后可及時(shí)將信息智能推送到學(xué)習(xí)終端，獲得信息后可及時(shí)做出調(diào)整，以便于提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

3 大數(shù)據(jù)背景下智慧教育云平臺(tái)的構(gòu)建

智慧教育歷來(lái)受到人們的重視，在國(guó)內(nèi)已有很多專家和學(xué)者研究，智慧教育云平臺(tái)的構(gòu)建是智慧教育大廈的重要部分，該平臺(tái)可支持各類智慧教育，如在線交互式學(xué)習(xí)、在線互動(dòng)教學(xué)、智慧管理、智慧評(píng)價(jià)等，大數(shù)據(jù)背景下的智慧教育云平臺(tái)打破了傳統(tǒng)的教育信息化邊界，可實(shí)現(xiàn)在線數(shù)據(jù)信息的可視化以及可視化智慧教育管控，遠(yuǎn)程督導(dǎo)等。

大數(shù)據(jù)背景下，由于數(shù)據(jù)量巨大，因此，需要用Hadoop來(lái)對(duì)大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理，大數(shù)據(jù)環(huán)境下的智慧教育云平臺(tái)數(shù)據(jù)分析與處理模型圖中物理層是底層部分，在該層可實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)資源的存儲(chǔ)，通過(guò)Hadoop和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、機(jī)器學(xué)習(xí)以及數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)以及人工智能技術(shù)可實(shí)現(xiàn)信息的智能推送，該平臺(tái)的應(yīng)用層主要部分有智慧教學(xué)、智慧學(xué)習(xí)、智慧管理、智慧服務(wù)、智慧環(huán)境和智慧評(píng)價(jià)多個(gè)部分組成。大數(shù)據(jù)環(huán)境下的智慧教育云平臺(tái)數(shù)據(jù)分析與處理模型圖如下圖2所示。

圖2 大數(shù)據(jù)環(huán)境下的智慧教育云平臺(tái)數(shù)據(jù)分析與處理模型圖

3.1 平臺(tái)總體架構(gòu)

大數(shù)據(jù)環(huán)境下，根據(jù)智慧教育云平臺(tái)的設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)流程，給出了智慧教育云平臺(tái)的架構(gòu)圖，該架構(gòu)共分為七層，如下圖3所示。

圖 3 大數(shù)據(jù)環(huán)境下智慧教育云平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)圖

（1）物理層

在物理層，主要包括一些硬件設(shè)備，如海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、服務(wù)器和計(jì)算機(jī)等，在大數(shù)據(jù)環(huán)境下，該層起著非常重要的作用。

（2）虛擬資源層

虛擬資源層位于物理層之上，邏輯層之下，主要包括網(wǎng)絡(luò)資源池、存儲(chǔ)資源池、數(shù)據(jù)資源池、計(jì)算資源池四個(gè)部分，該部分為平臺(tái)的運(yùn)行提供了保障。

（3）邏輯層

邏輯層位于虛擬資源層和應(yīng)用層之間，為智慧教育云平臺(tái)平臺(tái)的核心管理層，負(fù)責(zé)對(duì)任務(wù)以及資源等方面進(jìn)行管理，并對(duì)用戶的請(qǐng)求給予及時(shí)的響應(yīng)，使資源實(shí)現(xiàn)有效地管理，并為用戶提供安全有效地服務(wù)。

（4）展現(xiàn)層

展現(xiàn)層位于應(yīng)用層之上，該層主要提供手機(jī)客戶端、WEB門戶、WAP門戶等的展現(xiàn)方式，主要有展現(xiàn)模塊、接入模塊和可視化模塊三部分。展現(xiàn)模塊主要包括欄目展現(xiàn)、個(gè)性化設(shè)置、信息推送、個(gè)人信息管理、內(nèi)容搜索、注冊(cè)登錄、欄目管理等部分構(gòu)成；接入模塊，主要有服務(wù)接入、接入授權(quán)、接入配置等部分組成，可視化模塊，主要有在線數(shù)據(jù)信息可視化，可視化智慧教育管控等多個(gè)部分組成。

（5）應(yīng)用層

應(yīng)用層在邏輯層之上，展現(xiàn)層之下，在該層中，主要有智慧教學(xué)、智慧學(xué)習(xí)、智慧管理、智慧服務(wù)、智慧環(huán)境和智慧評(píng)價(jià)等部分組成，主要為教師、學(xué)生、家長(zhǎng)提供應(yīng)用服務(wù)，通過(guò)利用現(xiàn)有的智慧信息資源，為用戶提供個(gè)性化、多樣化、全方位的智慧服務(wù)。

（6）網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層位于用戶層和展現(xiàn)層之間，用戶可通過(guò)CMNET、CTNET等網(wǎng)絡(luò)接入智慧教育云平臺(tái)系統(tǒng)。

（7）用戶層

用戶層位于網(wǎng)絡(luò)層之上，智慧教育云平臺(tái)支持手機(jī)、PC機(jī)等多種類型的終端設(shè)備接入訪問(wèn)。

3.2 平臺(tái)的開發(fā)

為了構(gòu)建大數(shù)據(jù)背景下的智慧教育云平臺(tái)，本研究進(jìn)行了智慧教育云的HADOOP大數(shù)據(jù)平臺(tái)物理上部署在操作系統(tǒng)和虛擬化環(huán)境之上的測(cè)試，用到的軟硬件設(shè)施包括：筆記本電腦3臺(tái)，服務(wù)器一個(gè)，一個(gè)hadoop-1.2.1.tar.gz以及Sun java6-jdk、SSH、Eclipse和Ubuntu 12.04.3 x86_64安裝包。安裝和部署的步驟如下：①首先安裝Ubuntu ，選用默認(rèn)配置即可。②安裝JDK，設(shè)置Sun java6-jdk為默認(rèn)的JAVA程序。③安裝SSH，安裝完成后，還需配置SSH。④安裝HADOOP，具體的安裝和配置可參見(jiàn)HADOOP技術(shù)詳解[4]。更新HADOOP環(huán)境變量，部署HDFS作為分布式文件系統(tǒng)，用于文件級(jí)操作，部署HBASE用于分布式的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，采取基于的列式存儲(chǔ)，采用Hadoop MapReduce 做非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的批量處理，HIVE和IMPALA的整合構(gòu)成非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)查詢和分析的基礎(chǔ)，采用HADOOP的ECLIPSE-PLUGIN作為集成化的編譯環(huán)境。配置文件conf/core-site.xml，部分代碼為：

fs.default.name

hdfs：主機(jī)名：端口號(hào)

Hadoop.tmp.dir

/home/Hadoop/Hadoop_home/var

配置文件conf/mapred-site.xml，部分代碼為：

mapred.jobtracker

主機(jī)名：端口號(hào)

mapred.local.dir

/home/Hadoop/Hadoop_home/var

配置文件conf/hdfs-site.xml，部分代碼為：

dfs.name.dir

/home/Hadoop/name1，/home/Hadoop/name2

dfs.data.dir

/home/Hadoop/data1，/home/Hadoop/data2

啟動(dòng)Hadoop，格式化一個(gè)新的分布式文件系統(tǒng)，啟動(dòng)所有節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行測(cè)試，瀏覽NAME NODE和JOBTRACKER的網(wǎng)絡(luò)接口，找到默認(rèn)地址。

3.3 性能測(cè)試

通過(guò)對(duì)大數(shù)據(jù)環(huán)境下智慧教育云平臺(tái)的部分進(jìn)行測(cè)試，分別用1至15臺(tái)終端來(lái)登錄平臺(tái)進(jìn)行智慧學(xué)習(xí)和智慧教學(xué)，每一個(gè)終端從服務(wù)器中讀取600M的教學(xué)資源和學(xué)習(xí)資源，并與傳統(tǒng)模式進(jìn)行對(duì)比，得出結(jié)果如圖3所示。

圖3 兩種不同模式下的測(cè)試效果圖

圖3中主要展示了客戶端讀取資源的理論速度和云平臺(tái)以及普通的移動(dòng)學(xué)習(xí)平臺(tái)的資源讀取速度，理論上的速度是指在沒(méi)有任何的損耗和帶寬的延遲以及交換機(jī)之間達(dá)到鏈路飽和的情況下的速度。通過(guò)測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，大數(shù)據(jù)環(huán)境下，在客戶端數(shù)量相同的情況下，智慧教育云平臺(tái)的資源讀取速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的移動(dòng)學(xué)習(xí)平臺(tái)的速度，但是當(dāng)客戶端數(shù)量增加時(shí)，云平臺(tái)的資源讀取速度放緩，但放緩的速度較為緩慢，而傳統(tǒng)的移動(dòng)學(xué)習(xí)平臺(tái)放緩的速度較快。

4 結(jié)束語(yǔ)

以大數(shù)據(jù)為背景，構(gòu)建智慧教育云平臺(tái)是全方位實(shí)現(xiàn)家校與校校的互聯(lián)、互通的平臺(tái)，是搭建教師和學(xué)生以及家長(zhǎng)溝通橋梁，在云端上可以體現(xiàn)新的教學(xué)模式和學(xué)習(xí)模式，如翻轉(zhuǎn)課堂以及以人為本的個(gè)性化學(xué)習(xí)，創(chuàng)建長(zhǎng)期可循環(huán)的資源共建共享模式，資源使用者同時(shí)是資源建設(shè)者，各級(jí)平臺(tái)間相互推送、各教師用戶分享制作的優(yōu)質(zhì)資源，利用該平臺(tái)可以提高高校教育資源利用率，實(shí)現(xiàn)智慧教育資源的共享，具有推廣利用的價(jià)值。

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