云模式下大學區(qū)教育資源服務平臺及關鍵技術研究

盧 穎,劉白林

(西安工業(yè)大學 計算機科學與工程學院,西安 710021)

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云模式下大學區(qū)教育資源服務平臺及關鍵技術研究

盧 穎,劉白林

(西安工業(yè)大學 計算機科學與工程學院,西安 710021)

論文對基于云計算構建的大學區(qū)教育資源公共服務平臺進行了架構分析，同時針對資源庫建設中異構信息系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)交換共享的關鍵問題，以學區(qū)教育為核心，利用元數(shù)據(jù)技術提出了一套符合國標且服務平臺實際需求的元數(shù)據(jù)標準設計方案，同時給出了XML標識及描述方法.上述研究對實現(xiàn)大學區(qū)內(nèi)教育資源共享，促進資源優(yōu)化配置，提高教育水平的均衡發(fā)展有一定的價值.

云平臺；大學區(qū)；教育資源公共服務；元數(shù)據(jù)

大學區(qū)教育資源共享服務，其目的在于整合學區(qū)內(nèi)各校優(yōu)秀的教學資源，提高整體教學水平和教學質(zhì)量，讓目前有限的資源獲取到最大的使用效益，從而縮小教育的不公平，促進教育水平的均衡發(fā)展.

一直以來，各區(qū)中小學校都在積極開展教育教學資源的建設，開發(fā)建成了許多網(wǎng)絡資源庫，但也逐漸暴露出了一些問題：① 資源共享缺乏統(tǒng)一的建設標準和有效的資源交流平臺.以G12A平臺為例，其建設缺乏技術規(guī)范標準、所開發(fā)資源屬性描述不同，編碼分目屬性標準存在差異，為資源搜索、定位的及利用帶來不便，導致大量資源重復開發(fā)[1].② 現(xiàn)有資源平臺缺乏合理規(guī)劃，各機構重復建設.各校內(nèi)部只根據(jù)自身需要開發(fā)教學資源平臺，由于平臺間數(shù)據(jù)庫接口不一致，無法實現(xiàn)資源共享[2-3].③ 硬件設備無法共享，基礎設施利用率極低[3-4].文獻[5]曾以廣州越秀區(qū)學區(qū)管理為例從區(qū)域、學區(qū) 、學校三個層面，對知識資源的共建共享，方式與途徑開展了實證研究，勾畫出實現(xiàn)區(qū)域教學資源整合的途徑，但并未給出具體的平臺建設方案.文獻[6-7]闡述了云技術的概念和特點，并以“世界大學城”云平臺和計算機基礎課程教學資源庫為例介紹了云計算技術在教育領域中應用所具有的優(yōu)勢.“云”計算技術具有高度可擴展、彈性、按需取用的特點，基于云在資源整合上的優(yōu)勢，創(chuàng)建大學區(qū)教育資源公共服務平臺可以有效促進資源的優(yōu)化配置以及優(yōu)秀資源的利用與共享.

本文基于云計算服務模式對該平臺的整體架構和資源庫的建設進行了研究和分析，并采用元數(shù)據(jù)技術提出了一套符合國家標準且滿足服務平臺實際需求的元數(shù)據(jù)標準，從而解決學區(qū)教育信息資源跨學科、多源異構異質(zhì)特性導致資源共享程度低、互操作性差、阻礙資源在大學區(qū)三級資源體系內(nèi)的共建共享問題.

1 大學區(qū)教育資源公共服務平臺整體架構

如圖1所示，平臺整體架構分為四層，分別對應不同的云服務.基礎設施層(IaaS)由各種網(wǎng)絡基礎設備構成，如計算設備、服務器、存儲器等，為平臺提供各種虛擬資源服務；平臺服務層(PaaS)為該平臺提供軟件運行支撐環(huán)境和公共服務接口；軟件應用服務層(SaaS)向用戶提供大學區(qū)教育資源的各種應用軟件服務[8-9].根據(jù)該平臺服務模式，由參與合作的各學區(qū)資源組成教育資源“云”.用戶在訪問云時，無需知道資源的具體物理存儲位置，系統(tǒng)能自動分析并確定訪問者的IP地址，制定路由尋徑策略，訪問其臨近資源.課題采用基于云計算的SaaS服務模式，使用統(tǒng)一身份認證方式對普通用戶的資源訪問授權，只需注冊一次，即可訪問所有服務器資源，從而實現(xiàn)學區(qū)內(nèi)資源共享.教學資源保存在云端采用Hadoop框架，使用MapReduce和HDFS技術實現(xiàn).

圖1 大學區(qū)教育資源公共服務云平臺架構

2 系統(tǒng)功能設計

平臺集成多級資源庫管理、題庫管理、教師電子備授課、班級博客、互動平臺、網(wǎng)絡信息發(fā)布等子系統(tǒng)于一體，能實現(xiàn)統(tǒng)一用戶認證管理、一站式統(tǒng)一登錄，共分六個模塊，功能如下：

1) 教育資源門戶子系統(tǒng).資源門戶是公共服務平臺的統(tǒng)一發(fā)布模塊，能夠?qū)W校以及各個院系老師、學生的資源以及外采資源，通過門戶進行集中展示，包含綜合門戶、教師個人門戶和學生個人門戶，學院、教師和學生能夠?qū)Ω髯缘馁Y料進行管理，支持對資源進行按日、周、月瀏覽/下載的統(tǒng)計和排行.

2) 統(tǒng)一身份認證子系統(tǒng).支持統(tǒng)一身份認證，可以對用戶的基本信息進行一體化管理，實現(xiàn)單點登錄.

3) 題庫子系統(tǒng).題庫子系統(tǒng)提供試題上傳、下載、編輯、檢查、查詢、刪除、答題等功能.

4) 網(wǎng)上備課子系統(tǒng).提供網(wǎng)上備課系統(tǒng)，支持電子課件和教案的檢索、上傳、統(tǒng)計、下載等管理功能.

5) 班級博客子系統(tǒng).教師和學生等班級成員可在班級博客上發(fā)布文章日志、建立班級相冊、上傳資料文檔等，教師能夠在線布置作業(yè)，學生登錄班級博客即可收到作業(yè)通知，并進行查看.

6) 系統(tǒng)管理子系統(tǒng).系統(tǒng)管理員可在系統(tǒng)管理子系統(tǒng)中對系統(tǒng)進行管理，包括資源庫的管理、用戶管理、統(tǒng)計分析管理等.

3 學區(qū)資源服務平臺共享資源庫建設

大學區(qū)教育資源公共服務平臺的建設規(guī)劃是系統(tǒng)進行宏觀部署和具體實施的依據(jù).以下從平臺資源體系的建立和共享資源庫內(nèi)容建設方案兩個方面來進行分析.

1) 資源體系的建立

大學區(qū)教育資源公共服務平臺采用“云計算”部署模式，包括大學區(qū)、學區(qū)、學校三級資源體系.以大學區(qū)教育資源庫為主體，學區(qū)、學校分別作為二、三級資源體，在大學區(qū)內(nèi)實現(xiàn)資源的最大共享，如圖2所示.

圖2 大學區(qū)、學區(qū)、學校三級分布式資源庫體系示意圖

各級資源庫的定位如下：

第一級：大學區(qū)級為基礎教育資源庫.存儲的內(nèi)容主要為：覆蓋中小學各學科的、通用的國家和省級課程信息化資源、學科教學內(nèi)容的擴展資源和用于教師教學研究、教育科研和有關培訓、進修的信息化資源以及一些特有的稀缺信息化教育教學資源.

第二級：學區(qū)級為區(qū)內(nèi)各學區(qū)基礎教育資源庫.存儲的主要內(nèi)容：本學區(qū)的學科課程教育教學通用資源；具有本學區(qū)教育教學特色的有關資源；教育科學研究的有關資源.

第三級：校級資源庫.以滿足一線教學應用為核心，以全面提高教育教學質(zhì)量為目標，同時在具體內(nèi)容和功能上，更加個性化，建設具有學校特點的個性資源庫.存儲的主要內(nèi)容為：具有本校特色的教師網(wǎng)上備課、授課和支持學生拓展知識、進行研究性學習等用途的教學資源；支持校本教研、校本培訓和普及信息技術知識和應用能力的資源.

各級用戶可根據(jù)需求使用平臺所提供的服務，也可部署管理平臺和服務節(jié)點，資源部署方案如圖3所示.

圖3 資源部署規(guī)劃

在每個學區(qū)建立資源服務器群，學區(qū)所轄范圍的學生、教師、學校管理員通過統(tǒng)一門戶對其身份和權限進行識別，分別提供訪問、下載、上傳資源等服務，同時，對資源進行分級管理，資源可以按照學校、學區(qū)、大學區(qū)分為三個層次，根據(jù)用戶的授權進行有針對性的開發(fā)，在學區(qū)內(nèi)部建立資源數(shù)據(jù)庫，提供資源存儲服務.不同學區(qū)之間的資源公共服務平臺可以通過數(shù)據(jù)接口進行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)資源的共享和流轉.

2) 共享資源庫內(nèi)容的建設

① 實驗教學素材庫的建立.其中涵蓋各年級生物、化學、地理、物理等課程的實驗素材和實驗設計內(nèi)容.

② 多媒體教學素材庫的建立.包括圖形圖片、音頻視頻、文本、動畫等多媒體素材.

③ 課件庫的建立.用于教育教學的各類電子演示文稿.CAI，PPT等.

④ 案例庫.包括具有實踐指導意義的指導教學的模型、作品、事件或現(xiàn)象等材料.

⑤ 技能庫.包括特定學科領域的基本技能、項目、技術規(guī)范操作守則等.

⑥ 課程標準庫.各類課程的學習大綱.

⑦ 試題庫.各年級不同科目的試題習題，試卷資源.

在構建該資源庫的過程中，根據(jù)載體形式的不同，課題采用了不同的構建方法.按照資源的來源，可將信息劃分為數(shù)據(jù)庫、電子文件(包括文本、圖形、圖像、視頻、音頻、課件等)等不同形式.例如，本課題中數(shù)據(jù)庫信息資源可以通過專用的信息抽取工具如ETL技術實現(xiàn)，通過對源數(shù)據(jù)的抽取(extract)、轉換(transform)、加載(load)等過程將可共享的數(shù)據(jù)庫信息資源匯集到共享資源庫中.電子文件及課件類資源可以通過信息橋接軟件，將可共享的電子文件類信息資源匯集到資源庫中.

4 大學區(qū)教育資源元數(shù)據(jù)設計

在平臺的建設過程中存在著一些針對資源庫建設的關鍵問題.包括如何對資源有效存儲，資源如何方便的進行查詢，資源能否重用、交換等.要解決這些問題，就必須對資源進行規(guī)范化的編目和標準化的存儲.規(guī)范化的編目，可以對資源的信息特征進行有效標注，從而實現(xiàn)資源的歸類管理，方便查詢與定位；標準化的存儲，可以幫助同構資源庫和異構資源庫實現(xiàn)資源交換[10].歸結到一點，就是如何對資源的元數(shù)據(jù)信息進行描述，從而實現(xiàn)資源的存儲、管理、查詢和重用.這里需要以大學區(qū)教育為核心，建立一套既符合國際和國家相關元數(shù)據(jù)標準，又符合服務平臺實際需要的元數(shù)據(jù)應用方案.

1) 資源服務平臺元數(shù)據(jù)標準的制定

元數(shù)據(jù)概念的提出最初是為解決網(wǎng)絡資源無序化而來的.它被稱之為“關于數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)”，專門用來描述數(shù)據(jù)的特征和屬性，其目的是提供比查看內(nèi)容本身更多的有用信息.元數(shù)據(jù)標準是元數(shù)據(jù)的集合，一般會包括語義層次上的著錄規(guī)則和語法層次上的規(guī)定.目前流行的元數(shù)據(jù)標準很多，在教育領域比較普遍應用的是：DC (Dublin Core，都柏林核心元素集)、LOM(Learning Object Metadata，基于學習對象的元數(shù)據(jù))等，中國教育信息化技術標準委員會也提出有：CELTS.3、CELTS.41等標準[11].

本文在設計大學區(qū)教育資源元數(shù)據(jù)標準的過程中，權衡面向?qū)ο蠡ゲ僮餍?、通用性、個性化及盡可能降低描述能力復雜度之間的關系，在調(diào)研和比較國內(nèi)外應用較廣的多種元數(shù)據(jù)標準后，以LOM標準及對應的國家規(guī)范celts-41.1為參考，結合所研究大學區(qū)資源庫的本身應用需求，制定了一套資源庫的元數(shù)據(jù)標準體系.基本結構如圖4所示.

圖4 資源建設規(guī)范基本結構

其中核心必選數(shù)據(jù)元素包括6類，13種元數(shù)據(jù)，分別為：通用(標識、標題、語種、描述、關鍵字)，生存期(貢獻)，元-元數(shù)據(jù)(元數(shù)據(jù)方案、貢獻、語種)，技術(格式)，教育(學習資源類型)，分類(目的、分類路徑).參照通用可選數(shù)據(jù)元素集及大學區(qū)所需屬性，給出擴展的元數(shù)據(jù)16種見表1，部分詞匯表見表2.

2) 元數(shù)據(jù)的XML標識及描述

在上述元數(shù)據(jù)標準基礎上，本文采用XML技術對大學區(qū)公共資源服務平臺的元數(shù)據(jù)進行標識，以達到方便數(shù)據(jù)交換、共享及查詢的目的.XML語言即可用于數(shù)據(jù)的精確表達，也可作為標準的數(shù)據(jù)交換格式為異構信息系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交流提供有效方法.論文以資源庫中的一份PPT課件資源為例，對其進行描述，首先依照LOM規(guī)范寫出文件的可能的描述信息，見表3.再根據(jù)由XML提供的標準數(shù)據(jù)交換格式對其元數(shù)據(jù)進行標識.不僅利于信息的收錄與索引，同時也使平臺中的學校、學區(qū)、大學區(qū)多層資源庫間的數(shù)據(jù)交換更為方便.

表1 大學區(qū)資源服務平臺擴展元數(shù)據(jù)

表2 部分詞匯表

表3 PPT素材的部分屬性描述舉例

5 結 論

1) 從設計思路、整體架構、平臺資源庫建設、系統(tǒng)模塊設計方案等方面對基于云計算的大學區(qū)教育資源公共服務平臺展開研究和探討，以學區(qū)教育為核心提出了元數(shù)據(jù)建立標準.該設計模式能有效實現(xiàn)學區(qū)內(nèi)校與校之間的互聯(lián)互通，為學區(qū)教育資源共享奠定了基礎.

2) 平臺實現(xiàn)了對市級所轄各學區(qū)的基礎教育教學資源的全面管理，以及自建資源和外來資源的統(tǒng)一維護.平臺使用過程中，各級用戶通過對元數(shù)據(jù)的定義、發(fā)布、管理，可方便地實現(xiàn)對大學區(qū)教育資源的基本定義.元數(shù)據(jù)的管理通過針對不同類型資源選擇不同元數(shù)據(jù)模板，從而實現(xiàn)按照資源類型和特征來配置其表現(xiàn)形式.首先配置模板基本參數(shù)，包括使用場景、元數(shù)據(jù)數(shù)量等；下一步定義該模板中的所有元數(shù)據(jù)，包括元數(shù)據(jù)的名稱、類型、長度及必填項和默認值.通過元數(shù)據(jù)的定義影響資源的描述方式，從而達到一套系統(tǒng)為多種資源提供元數(shù)據(jù)管理服務的需求.平臺可自動生成該元數(shù)據(jù)的XML定義文件，作為與其它異構信息系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換的依據(jù)，用戶通過選擇數(shù)據(jù)庫類型與之綁定，從而解決了學區(qū)內(nèi)異構系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換.

3) 基于云計算的資源共享服務模式能有效降低教育信息化建設成本，并可憑借其具有的可擴展性優(yōu)勢，不斷滿足教育信息化的快速成長和服務多元化需求，由此提升各學區(qū)教育水平，緩解教育發(fā)展的不均衡.

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(責任編輯、校對 張立新)

Research on School-District Educational Resources Service Platform and Key Technology Based on Cloud Computing

LUYing,LIUBailin

(School of Computer Science and Engineering,Xi’an Technological University,Xi’an 710021,China)

This paper describes the architecture of Wide-range District Public Education Resources Service Platform based on the cloud computing model. As for the "data exchange and sharing between heterogeneous information systems" in the construction of the resource database, a design scheme for the metadata standard which meets the national standard and the real needs of the service platform is presented by using the metadata technology. And also the XML meta-markup and the description method are given. The study mentioned above is of value in sharing education resources within a Wide-range District, optimizing resources allocation and balancing educational development.

cloud platform;wide-range district education;educational resources service;metadata

10.16185/j.jxatu.edu.cn.2016.09.010

2016-05-20

陜西省教育廳專項科研計劃項目(2013JK1158)

盧 穎( 1978-)，女，西安工業(yè)大學副教授，主要研究方向為云計算技術，計算機網(wǎng)絡仿真.E-mail：luyingkk@sina.com.

TP37

A

1673-9965(2016)09-0738-06