云計(jì)算環(huán)境下E-learning的IMS-LD規(guī)范

陳軍

（山東醫(yī)學(xué)高等專科學(xué)校 山東省臨沂市 276000）

1 引言

互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展引發(fā)了教育領(lǐng)域的一系列變化和改革[1]。E-learning 已經(jīng)取代了傳統(tǒng)的課堂學(xué)習(xí)，邁向了全民的終身學(xué)習(xí)和按需學(xué)習(xí)，它旨在提供一種可配置的基礎(chǔ)架構(gòu)，將學(xué)習(xí)材料、工具以及服務(wù)融為一體，創(chuàng)建并快捷、有效且經(jīng)濟(jì)地傳送訓(xùn)練或教育內(nèi)容。

依據(jù)一組配置元素，在一個(gè)特定的時(shí)間給學(xué)生和教師創(chuàng)設(shè)一次學(xué)習(xí)經(jīng)歷往往不很容易，尤其是在高校添加了云計(jì)算的時(shí)候。

在技術(shù)層面上使用云（Cloud）進(jìn)行E-learning 能夠克服E-learning 系統(tǒng)的局限性，但各類機(jī)構(gòu)中云訓(xùn)練模塊的擴(kuò)散又造成了E-learning 繁雜的異構(gòu)系統(tǒng)。為此，我們提出了一種新的自適應(yīng)模型，旨在依據(jù)IMS-LD 規(guī)范，按照學(xué)生檔案開展云環(huán)境下的E-learning。該模式能確保分布式體系結(jié)構(gòu)中云訓(xùn)練模塊之間的互通，從而有利于任務(wù)的識(shí)別、重復(fù)利用、共享以及適應(yīng)云環(huán)境下教學(xué)和學(xué)習(xí)資源。

2 高等教育中的云計(jì)算

云計(jì)算作為一項(xiàng)服務(wù)，在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)群里傳送計(jì)算資源（硬件和軟件），它通過遠(yuǎn)程服務(wù)為用戶提供數(shù)據(jù)、軟件和計(jì)算[2]。正是因?yàn)樗鼡碛性S多性能特征，在云環(huán)境下可以提供大量的服務(wù)和應(yīng)用程序。云計(jì)算就是一種基于網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算模型，它能確保用戶根據(jù)所需簡單地使用計(jì)算資源，并通過一定的計(jì)量模式，按照資源的用途支付費(fèi)用，這與水電消耗計(jì)量一樣。

另一方面，許多研究人員表示，他們很需要使用大規(guī)模的云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施，這是因?yàn)椋合惹埃捎谏婕按罅康臄?shù)據(jù)，有些項(xiàng)目和研究活動(dòng)很難或者不能完成，而通過訪問云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施，就變得較為輕松。此外，當(dāng)今云計(jì)算提供商為大學(xué)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)中心、服務(wù)器和應(yīng)用程序提供了“云”中真實(shí)存在，從而取代了這些設(shè)備傳統(tǒng)的“物理”存在。

應(yīng)用云計(jì)算對(duì)于一所高校將會(huì)有很大的幫助，特別是某門課程專門作為軟件即服務(wù)（Software as a Service，SaaS）進(jìn)行開發(fā)和配備應(yīng)用。通過亞馬遜網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（Amazon Web Services，AWS）提供的數(shù)據(jù)儲(chǔ)備、計(jì)算和應(yīng)用程序的租賃服務(wù)，這所學(xué)校就能將本地所擁有的該門課程的基礎(chǔ)設(shè)施移入到Cloud[3]。在有些情況下，一所大學(xué)可能會(huì)成為云服務(wù)提供商，其它學(xué)校通常就可從Cloud 中獲取服務(wù)。更為廣泛地應(yīng)用移動(dòng)設(shè)備也支持云計(jì)算，這是因?yàn)橛脩魩缀蹩梢詮娜魏卧O(shè)備獲取應(yīng)用程序、存儲(chǔ)以及其它資源。

在高校內(nèi)使用云計(jì)算進(jìn)行E-learning 將會(huì)使設(shè)備的復(fù)雜度得以簡化，并且對(duì)E-learning 軟件項(xiàng)目管理的方式也會(huì)產(chǎn)生影響。對(duì)于不同類型的參與者，任務(wù)將會(huì)是特定的。為了更好地了解云計(jì)算的貢獻(xiàn)，我們有必要對(duì)遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)的復(fù)雜性進(jìn)行簡單描述（學(xué)習(xí)者、教師、培訓(xùn)、教育資源、技術(shù)交易、平臺(tái)等等）。為了處理這種復(fù)雜的狀況，我們?cè)O(shè)計(jì)了大規(guī)模集中式云計(jì)算(Massive Centralized Cloud Computing，MCCC)模型，即教育云模型（如圖1），這樣，通過將參與者不同的任務(wù)進(jìn)行聯(lián)合，就能大大減少E-learning 系統(tǒng)中一些不利因素的限制。

圖1：教育云模型

云計(jì)算能夠克服E-learning 系統(tǒng)的一些制約因素，其優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）聯(lián)營（Pooling）：聯(lián)營是指為了獲取更為有利的支持，將資源（設(shè)備、技術(shù)、最佳實(shí)踐、應(yīng)用、教育內(nèi)容和基礎(chǔ)設(shè)施）結(jié)盟并進(jìn)行整合，從而避免了不同的工具以及系統(tǒng)之間不兼容問題或者是難以集成問題，確保每個(gè)機(jī)構(gòu)必要地獲取其它地方的現(xiàn)有資源。教育內(nèi)容的聯(lián)營（共享和交換）將會(huì)消除教育的不平衡，防止了有些學(xué)校網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)資源匱乏。

（2）折扣（Discount）：Cloud 能夠更好地應(yīng)對(duì)越來越迅速發(fā)展的信息技術(shù)，同時(shí)，它可能更新所有文檔（如：工作、家庭作業(yè)、合作練習(xí)、科研項(xiàng)目等）的集中和系統(tǒng)化的方式，而且連貫地融入一個(gè)中心點(diǎn)，這將有助于確保其充分性和相關(guān)性；同時(shí)，對(duì)所有用戶呈現(xiàn)相同信息。

（3）靈活性（Elasticity）：IT 以及“云”環(huán)境下的學(xué)習(xí)資源中一個(gè)突出特點(diǎn)就是靈活適應(yīng)的資源以及可利用的手段（服務(wù)器、存儲(chǔ)空間、計(jì)算能力、應(yīng)用程序?qū)嵗蛢?nèi)容），基礎(chǔ)設(shè)施靈活，而且易于尋找所需資源。

（4）經(jīng)濟(jì)（Economies）：每所機(jī)構(gòu)中，規(guī)模得以縮減，機(jī)械和軟件安裝的復(fù)雜度得到降低；而且，因不需發(fā)揮全部潛能，也避免了本機(jī)昂貴的基礎(chǔ)設(shè)施，因此，也就減輕了授權(quán)和維護(hù)的負(fù)擔(dān)。

3 適應(yīng)教育和建模

3.1 適應(yīng)性E-learning

作為一種方法， E-learning 的適應(yīng)性不僅給學(xué)生而且也給教師創(chuàng)造了一次學(xué)習(xí)經(jīng)歷，這要基于在一個(gè)特定時(shí)期一組元素的配置，其目的就是要提高一個(gè)預(yù)定義標(biāo)準(zhǔn)的效能[4]。這些標(biāo)準(zhǔn)可能是教育方面的或是經(jīng)濟(jì)方面的，也可能是基于時(shí)間、基于用戶滿意度或基于其它參與E-learning 的方方面面；要進(jìn)行修改或調(diào)整的元素可以基于內(nèi)容、時(shí)間、順序、評(píng)估、接口等等。

在現(xiàn)代學(xué)習(xí)理論當(dāng)中，有四種主要的自適應(yīng)學(xué)習(xí)方法[5]：

（1）宏觀自適應(yīng)法（Macro-adaptive）：選擇幾個(gè)組件，以便定義E-learning 過程中的總體指導(dǎo)準(zhǔn)則，如：學(xué)習(xí)目標(biāo)或細(xì)節(jié)層次，而且主要應(yīng)根據(jù)學(xué)生的狀況；

（2）性向與處理交互作用（Aptitude-treatment interaction）：對(duì)于能傾不同的學(xué)生，應(yīng)提出不同類型的指令和（或者）不同類型的媒體，以期達(dá)到理想的教學(xué)效果；

（3）微觀自適應(yīng)法（Micro-adaptive）：運(yùn)行特定的任務(wù)時(shí)應(yīng)監(jiān)控學(xué)生的學(xué)習(xí)行為，而且根據(jù)定量信息來調(diào)整教學(xué)設(shè)計(jì)；

（4）建構(gòu)主義合作法（Constructivist-collaborative）：當(dāng)學(xué)生與他人共享知識(shí)和活動(dòng)時(shí)，我們要關(guān)注學(xué)生究竟是如何學(xué)習(xí)的。

基于適應(yīng)現(xiàn)代化的系統(tǒng)應(yīng)該把這四種學(xué)習(xí)方法都要考慮在內(nèi)，以便于為E-learning 提供廣泛的可能性。在最強(qiáng)大的建模語言中，我們發(fā)現(xiàn)IMS-LD 最為適用。

3.2 IMS學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)

我們把描述方案作為數(shù)字教育資源的描述性語言，因?yàn)樗试S快速索引教育資源，從而能夠加快信息檢索任務(wù)。

描述方案有幾種標(biāo)準(zhǔn)，學(xué)習(xí)對(duì)象模型（Learning Object Model, LOM）就是其中之一。該模型是一個(gè)元數(shù)據(jù)模型，由IEEE 財(cái)團(tuán)于2002年所開發(fā)，其設(shè)計(jì)目的是為了教學(xué)上的資源描述。它確保了數(shù)字化學(xué)習(xí)資源的加工處理、評(píng)價(jià)、共享、互換交流和重新利用。

另外一種標(biāo)準(zhǔn)是共享內(nèi)容對(duì)象參考模型（(Sharable Content Object Reference Model，SCORM）。該模型的設(shè)計(jì)目的是為了創(chuàng)建結(jié)構(gòu)化的學(xué)習(xí)對(duì)象，從而實(shí)現(xiàn)了需求的易訪問性、適應(yīng)性、可持續(xù)性、互操作性和可重用性。

此外，創(chuàng)建結(jié)構(gòu)化學(xué)習(xí)對(duì)象的另一個(gè)規(guī)范是IMS-LD，它能很好地完成LOM，同時(shí)，也是SCORM 的補(bǔ)充；它為學(xué)習(xí)者實(shí)現(xiàn)他們的目標(biāo)定義了情景明確的學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)。

IMS-LD 提供了一種教育建模語言（Educational Modelling Language, EML），它由荷蘭開放大學(xué)（the Open University of the Netherlands, OUNL）研發(fā)。IMS-LD 使教學(xué)過程的形式化描述適用于在線學(xué)習(xí)中（包括協(xié)作學(xué)習(xí)）多種不同的教學(xué)法。

IMS-LD 的研發(fā)目的就是為各種不同的學(xué)習(xí)情境中的教學(xué)設(shè)計(jì)提供適當(dāng)?shù)哪Ｐ?，這種學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)模式重點(diǎn)在于三個(gè)實(shí)體，即：角色、活動(dòng)和環(huán)境?；顒?dòng)處于過程的中心位置（參照?qǐng)D2）；它被定義為具有特定學(xué)習(xí)目標(biāo)的一項(xiàng)任務(wù)；它是在一定的環(huán)境下，并且基于許多數(shù)字資源，包括學(xué)習(xí)對(duì)象、資源材料、模擬等，由一些不同角色的人（教師、輔導(dǎo)員等）來完成。

圖2：IMS LD 模型

學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)可以基于學(xué)習(xí)者指定的學(xué)習(xí)目標(biāo)所取得的成就；它也可以定義先決條件。正如整個(gè)設(shè)計(jì)允許共享或重用，IMS-LD 也允許這些元素在其它學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)中被重新利用。

3.3 分布式架構(gòu)和教育建模

經(jīng)過全面研究，我們發(fā)現(xiàn)有些研究涉及到了建模學(xué)科教學(xué)（在線課程、課程材料等）。在分布式體系結(jié)構(gòu)中，倉庫的分布式是由元數(shù)據(jù)LOM 基于學(xué)習(xí)對(duì)象（Learning Objects，LOs）的描述，旨在使LO 易于訪問和重復(fù)使用。

為此，我們提出了一個(gè)分布式架構(gòu)，將其置入到一個(gè)系統(tǒng)中，從而將會(huì)使得：

（1）每所高校都能夠利用所提供的所有相關(guān)LOs；

（2）對(duì)每個(gè)LO 進(jìn)行注釋，使其可訪問和可重復(fù)使用；該注釋基于LOM 的元數(shù)據(jù)描述和語義標(biāo)注。

（3）創(chuàng)建一個(gè)所有描述符驅(qū)動(dòng)的教育元數(shù)據(jù)倉庫；校際之間的每項(xiàng)資源都可以共享，且可以遠(yuǎn)程訪問。

另外，通過DBpedia 類別對(duì)LOs 進(jìn)行自動(dòng)分類，可以處理有關(guān)大型倉庫LOs 建模[6]，目的就在于：根據(jù)IEEE LOM，描述LO科目，鏈接文本字段；數(shù)字圖書館在DBpedia 中描述了一組語義類別。

4 云中的互操作模型

通過對(duì)這一領(lǐng)域的研究，我們認(rèn)為：在云計(jì)算中，電子學(xué)習(xí)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)不太適應(yīng)教學(xué)和建模。基于教學(xué)和學(xué)習(xí)資源的分布式架構(gòu)，我們分析了在云計(jì)算中建模的貢獻(xiàn)。

4.1 云中的教學(xué)模型

假設(shè)在云中涉及到幾所大學(xué)，我們?nèi)绾尾拍芨鶕?jù)學(xué)生的需求受益于其中的資源并保持它們之間的互操作性，同時(shí)，促進(jìn)云中任務(wù)的識(shí)別、資源的重用、共享和適應(yīng)教學(xué)和學(xué)習(xí)資源？每位學(xué)生都是大學(xué)云的組成部分，他學(xué)習(xí)IMS-LD 建模課程，并且也可以訪問其它大學(xué)所提供的相似的內(nèi)容，從而豐富他的專業(yè)知識(shí)。

IMS-LD 語言建模開發(fā)的目的就是適應(yīng)學(xué)習(xí)者的訓(xùn)練需求且獲得支持；同時(shí)，教師能夠共同協(xié)作，提高對(duì)學(xué)習(xí)者的訓(xùn)練質(zhì)量。因此，不論是教師還是學(xué)習(xí)者都能從中受益。

在我們的模型設(shè)計(jì)中（圖2），各種實(shí)體均已列出。其中，作為云中的學(xué)習(xí)者和幫助者（老師、輔導(dǎo)員和協(xié)調(diào)人），角色（Roles）是由不同屬性的人所扮演。我們?cè)诨顒?dòng)（Activities）方面進(jìn)行投資，從而確保了不同角色之間所需的互操作性；在不同的環(huán)境中，活動(dòng)可以被不同角色多次重復(fù)使用。環(huán)境（Environments）包括所有類型的學(xué)習(xí)對(duì)象（LO）或在活動(dòng)中角色所使用的服務(wù)以及活動(dòng)中角色產(chǎn)生的結(jié)果。

4.2 云中教學(xué)模型的優(yōu)點(diǎn)

我們的所設(shè)計(jì)的教學(xué)模型對(duì)于云中的不同角色都大有益處。

對(duì)于學(xué)習(xí)者來說，通過教育云使用IMS-LD 就可以獲取更多利益。學(xué)習(xí)者可以從自己的大學(xué)選取網(wǎng)絡(luò)課程，他們也可以從其它的大學(xué)選取類似的網(wǎng)絡(luò)課程，從而，豐富他們的知識(shí)。

對(duì)于教師來說，通過教育云也能得到很多益處。當(dāng)他們與其他教師進(jìn)行合作時(shí)，就可以互換資源并能為學(xué)生創(chuàng)建更為優(yōu)質(zhì)的內(nèi)容資源；當(dāng)然，他們也完全可以從云中借用其他教師的課程資源。

在學(xué)習(xí)環(huán)境中，通過云計(jì)算使用IMS LD 規(guī)范進(jìn)行E-learning，對(duì)于各種角色都會(huì)有三個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：

（1）各大高校教師可以循環(huán)使用云中的學(xué)習(xí)資源（Learning Objects），從而可以節(jié)省很多的精力和時(shí)間；

（2）學(xué)習(xí)者之間共享學(xué)習(xí)資源，就可提高他們學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)的滿意度，促進(jìn)他們對(duì)主題內(nèi)容的積極態(tài)度；教師能夠了解云中的其它課程資源，從而提高方案設(shè)計(jì)的質(zhì)量；

（3）根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，教師就能夠?yàn)橄乱徊降墓ぷ髂繕?biāo)制定學(xué)習(xí)內(nèi)容。

5 結(jié)束語

綜上所述，云計(jì)算能夠?yàn)镋-learning 系統(tǒng)提供幾大優(yōu)勢(shì)，不論學(xué)習(xí)者還是教師都能夠從中受益。在分布式體系結(jié)構(gòu)中，用戶使用IMS-LD 規(guī)范能保證異構(gòu)平臺(tái)之間的互通性，從而有利于任務(wù)的識(shí)別、循環(huán)利用、共享以及適應(yīng)云環(huán)境下教學(xué)和學(xué)習(xí)資源。同時(shí)，我們應(yīng)該看到，IMS-LD 規(guī)范比較適合我國高等教育現(xiàn)狀，參照這一規(guī)范設(shè)計(jì)的教學(xué)模式和方法，對(duì)改善我國高等教育水平，形成中國特色的教育技術(shù)都會(huì)有極大的幫助。