云教材體系資源虛擬化框架設(shè)計(jì)方法研究

羅曉莉

［摘要］云教材不僅是一種面向服務(wù)的移動(dòng)交互式數(shù)字教材，還是一種能夠滿足作者、教師、學(xué)生以及編輯聯(lián)合開發(fā)、完善、升級、應(yīng)用教材的新協(xié)同模式，互聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展為其落地提供了重要支撐。其中，云教材的資源服務(wù)化方法是一個(gè)亟待解決的基礎(chǔ)性問題。為了解決云教材資源服務(wù)化頂層設(shè)計(jì)問題，文章在探討云教材體系架構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，分析了云教材資源形態(tài)與資源特性，提出了一種互聯(lián)網(wǎng)支撐下的多角色多維度云教材資源虛擬化框架設(shè)計(jì)，從屬性、任務(wù)和流程三個(gè)層次對云教材虛擬資源生成進(jìn)行了探索，為分布多源的教材資源轉(zhuǎn)化為集中同源的教材云服務(wù)提供了有效解決方案。

［關(guān)鍵詞］云教材；虛擬化；框架設(shè)計(jì)；多維度；多角色

我國教材形式經(jīng)歷了傳統(tǒng)紙質(zhì)教材、電化教材、立體化教材和數(shù)字化教材四個(gè)階段。在當(dāng)前信息技術(shù)高速發(fā)展以及高校信息化環(huán)境全面普及背景下，數(shù)字化教材作為一種新形態(tài)教材獲得了高速發(fā)展。其中，云教材作為一種面向服務(wù)的移動(dòng)交互式數(shù)字教材，是數(shù)字化教材新發(fā)展階段的典型代表［1］。云教材區(qū)別于傳統(tǒng)意義上的數(shù)字化教材，云教材開發(fā)者應(yīng)依據(jù)相關(guān)方情景化、動(dòng)態(tài)化和形象化的編寫、編輯、使用、學(xué)習(xí)等多樣化需求，利用云服務(wù)、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，打造云—網(wǎng)—端的云教材體系，面向用戶端（作者、教師、學(xué)生、編輯等）及所使用物理端（手機(jī)、PC、Pad等），構(gòu)建一種能夠滿足作者、教師、學(xué)生以及編輯聯(lián)合開發(fā)、完善、升級、應(yīng)用教材的新協(xié)同模式［2］。

迄今為止，國內(nèi)外對“云教材”還沒有形成明確的、一致的認(rèn)識。云教材的資源服務(wù)化方法是云教材落地實(shí)施首先需要解決的問題，也是當(dāng)前研究熱點(diǎn)。文章提出了一種基于互聯(lián)網(wǎng)支撐下的多角色多維度云教材資源虛擬化框架設(shè)計(jì)，為解決云教材資源服務(wù)化頂層設(shè)計(jì)問題提供一套有效解決方案。

一、云教材體系架構(gòu)設(shè)計(jì)

一種互聯(lián)網(wǎng)支撐下的云教材體系架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。云教材開發(fā)相關(guān)方包括作者、編輯、教師和學(xué)生等，他們既是云教材的編著者，也是云教材的運(yùn)用者，互動(dòng)參與云教材全壽命全周期過程。云教材編著層為各種可用教材資源提供者，主要來源于作者和編輯，教師、學(xué)生、專家以及其他云教材關(guān)注者也是重要來源；數(shù)據(jù)層指通過互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)獲取教材資源，進(jìn)行相應(yīng)數(shù)字化處理、接入及適配，形成標(biāo)準(zhǔn)化云教材資源數(shù)據(jù)庫；虛擬層將數(shù)據(jù)層資源作虛擬化處理，轉(zhuǎn)化為集中同源的云教材服務(wù)資源，在平臺(tái)上形成即時(shí)可用的教材資源云池；面對用戶的各項(xiàng)個(gè)性化需求，運(yùn)用層作出智能識別及最優(yōu)化響應(yīng)，需求主要來源于教師和學(xué)生，作者、編輯、專家以及其他云教材關(guān)注者也是重要來源。

教材資源作為云教材體系的核心，以不同形式存在于互聯(lián)網(wǎng)支撐下的云教材體系架構(gòu)中。教材資源作為一種知識載體，源自作者、編輯等知識貢獻(xiàn)者，以客觀的物理形態(tài)存在于編著層；通過一系列技術(shù)處理后形成特定的數(shù)字資源，如基于互聯(lián)網(wǎng)的機(jī)器語言教材資源；在云教材體系架構(gòu)的約束下，經(jīng)教材資源建模等處理后，教材數(shù)字資源傳送到虛擬層，分布多源的教材資源轉(zhuǎn)化為集中同源的教材服務(wù)；最后依據(jù)云教材服務(wù)模式和用戶不同需求，提供各種最優(yōu)化的云服務(wù)，在運(yùn)用層以盡量短的時(shí)間在教材資源云池中提取出最合適的內(nèi)容。

二、云教材資源虛擬化特性分析

在云教材體系架構(gòu)中，虛擬層將數(shù)據(jù)層資源虛擬化，匯集轉(zhuǎn)化生成云服務(wù)內(nèi)容，形成即時(shí)可用的教材資源云池，為用戶提供隨時(shí)可取、按需可用、優(yōu)質(zhì)高效、安全可靠的全周期教材云服務(wù)。教材虛擬化技術(shù)是支撐構(gòu)建教材資源云池的核心關(guān)鍵技術(shù)之一，通過互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、計(jì)算虛擬化等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)云計(jì)算平臺(tái)中全部資源的有效管理和利用，具有數(shù)據(jù)來源多元化、資源內(nèi)容融合化、需求應(yīng)對敏捷化、服務(wù)模式共享化、資源運(yùn)用定制化等特性［3］。

（一）數(shù)據(jù)來源多元化

在傳統(tǒng)教材開發(fā)中，作者和編輯是主要參與者；在云教材開發(fā)過程中，不僅僅只有作者和編輯參與開發(fā)，學(xué)生、專家以及其他云教材關(guān)注者也是重要參與者，均可為云教材的開發(fā)提供有價(jià)值的數(shù)據(jù)資源。另外，以上參與者的身份也具有多元性，比如作者一般為具有扎實(shí)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的教師和豐富工程經(jīng)驗(yàn)的工程人員，參與者身份多元是導(dǎo)致教材資源數(shù)據(jù)來源多元化的重要原因。

（二）資源內(nèi)容融合化

基于云教材內(nèi)容體系設(shè)計(jì)，云教材開發(fā)者可以從多個(gè)層面實(shí)現(xiàn)教材數(shù)字資源融合，如在學(xué)科專業(yè)方面，將所獲取多元化教材資源數(shù)據(jù)按不同學(xué)科的知識和方法進(jìn)行整合；在教材內(nèi)容方面，將理論知識、技術(shù)基礎(chǔ)、試驗(yàn)方法、能力訓(xùn)練以及職業(yè)技能等有機(jī)融合；在物理形態(tài)方面，將來自手機(jī)、PC和Pad等物理端的文字、聲音、圖片、圖像等資源進(jìn)行融合處理等。

（三）需求應(yīng)對敏捷化

云教材開發(fā)者應(yīng)遵循敏捷開發(fā)原則，通過教材虛擬資源與物理資源的松耦合模式、內(nèi)容映射機(jī)制等，以需求變化為中心，快捷獲取需求，敏捷應(yīng)對變化，實(shí)現(xiàn)教材資源云池內(nèi)容可按云業(yè)務(wù)量需求變化而靈活變更。

（四）服務(wù)模式共享化

云教材開發(fā)者應(yīng)以教材資源高效利用和全面共享為目標(biāo)，使教材資源環(huán)境構(gòu)建可按需進(jìn)行、動(dòng)態(tài)調(diào)度，支持各種軟硬教材資源的接入和運(yùn)維，實(shí)現(xiàn)教材資源利用最大化；采用容錯(cuò)技術(shù)，任務(wù)環(huán)境在發(fā)生單點(diǎn)故障、遭受攻擊時(shí)可動(dòng)態(tài)遷移至其他物理端繼續(xù)運(yùn)行，確保多主體、多模式協(xié)同運(yùn)行正常。

（五）資源運(yùn)用定制化

云教材面向各類教材資源應(yīng)用服務(wù)，具備可定制化人機(jī)物交互、任務(wù)執(zhí)行、工具應(yīng)用、知識應(yīng)用、綜合視圖等功能；在全生命周期內(nèi)，支持各種教材資源用戶按需定制個(gè)性化終端設(shè)備、運(yùn)行環(huán)境、界面風(fēng)格、交互方式等。

三、多角色多維度云教材資源虛擬化框架設(shè)計(jì)

針對教材資源種類繁多、形式多樣、應(yīng)用模式靈活等特點(diǎn)，文章提出了一種多角色多維度云教材資源虛擬化框架設(shè)計(jì)方法。首先對云教材資源進(jìn)行規(guī)范化描述，在教材資源數(shù)據(jù)層，將來自于作者、教師、學(xué)生、編輯等教材資源用戶的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)語言，形成教材資源數(shù)據(jù)；在教材資源語法層，利用教材資源數(shù)據(jù)和教材資源建模方法，對各類型教材資源進(jìn)行統(tǒng)一化建模，基于多角色多維度資源分類處理方法對所有教材資源進(jìn)行語法層標(biāo)準(zhǔn)化定義，形成教材資源庫；教材資源語義層接收教材資源信息后，進(jìn)行特征解析與提取、資源語義標(biāo)注、語義模型構(gòu)建等流程化作業(yè)，完成教材資源語義標(biāo)注，形成教材資源語義知識庫［4］。

云教材資源多角色指云教材開發(fā)過程中的眾多參與者，包括作者、編輯、教師、學(xué)生、專家以及其他云教材關(guān)注者等。云教材資源以三種形態(tài)存在：教材資源、教材資源所具有的知識能力、教材資源所提供的教材云服務(wù)。假定A、B、C分別代表以上三種形態(tài)資源的集合，從B至A可建立知識能力到教材資源的一對多的映射關(guān)系，這種映射被稱之為一個(gè)云教材維度，同一教材資源可以與同一角色多種維度的知識能力產(chǎn)生關(guān)聯(lián)，云教材資源多維度則指此類多種映射關(guān)系，如圖2所示。

C代表教材云服務(wù)，是將不同教材資源、知識能力、服務(wù)模式及用戶需求的教材資源聚合形成的功能教材云，分為教材信息獲取云、教材信息處理云和教材信息保障云。

教材信息獲取云：針對教材云空間的多維互聯(lián)關(guān)系，教材云服務(wù)體系必須具有各種參與者實(shí)時(shí)的信息獲取能力。云教材編著將在多角色空間同步展開，具有專業(yè)范圍廣、參與角色多、時(shí)空不同步、交互頻繁、瞬息萬變等特征，云教材開發(fā)者要使教材云服務(wù)知識具備廣度和深度。

教材信息處理云：針對大量的多源異構(gòu)教材信息，教材云服務(wù)體系必須具有智能、高效的多源信息融合處理能力及計(jì)算判斷決策能力。只有將教材信息獲取流程中各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效融合，教材云才能獲得可靠、有效的數(shù)據(jù)支撐。另外，由于信息來源較多、交互迭代頻繁，存在信息質(zhì)量層次不清、真實(shí)虛假信息并存、殘缺無效信息泛濫等問題。在教材信息處理中，云教材開發(fā)者須充分發(fā)揮云計(jì)算技術(shù)精確、靈活、即時(shí)等優(yōu)勢，采用數(shù)據(jù)挖掘、信息融合、智能識別、在線決策等前沿技術(shù)，對海量教材信息數(shù)據(jù)去粗取精、去偽存真，確保用戶以最短時(shí)間獲取最有用、最準(zhǔn)確的教材信息。

教材信息保障云：教材云服務(wù)用戶群體龐大，教材信息更新快、用戶角色轉(zhuǎn)化快、用戶個(gè)性化需求多。云教材開發(fā)者應(yīng)綜合運(yùn)用云平臺(tái)多元保障能力，為教材云提高信息服務(wù)效能提供保障。

四、多層次云教材虛擬資源生成

以往單一化的虛擬資源生成方法已無法滿足云教材用戶的多樣化需求，因此云教材開發(fā)者須采用多層次云教材資源虛擬化方法。云教材資源及其知識能力的多層次特性主要來源于兩個(gè)方面：一是云教材用戶的多樣化需求，二是云教材資源描述時(shí)的維度差異。云教材開發(fā)者應(yīng)采用云教材資源規(guī)范化描述方法，建立云教材資源語義填充模型，以充分表達(dá)云教材資源的多層次特性，并實(shí)現(xiàn)不同維度層間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化。云教材開發(fā)者主要按照屬性、任務(wù)和流程三個(gè)層次，生成云教材虛擬資源［5］。

（一）面向?qū)傩缘脑平滩奶摂M資源生成

屬性主要指云教材資源具有知識能力的本質(zhì)特性，是多層次云教材資源的基本維度。面向?qū)傩缘脑平滩奶摂M資源生成按照云教材資源所具備的知識能力，將相同或者相近知識能力所對應(yīng)的云教材資源劃分為同類，并提升同一云教材虛擬資源范圍內(nèi)的所有知識能力的同構(gòu)性。對云教材虛擬資源的生成，云教材開發(fā)者可從邏輯層面解耦教材資源和與之對應(yīng)的知識能力，防止教材資源運(yùn)行過程中動(dòng)態(tài)變化導(dǎo)致的資源失效

問題。

（二）面向任務(wù)的云教材虛擬資源生成

面向任務(wù)的云教材虛擬資源生成與云教材開發(fā)參與者角色有關(guān)，主要存在作者、教師、學(xué)生、編輯四種角色，每種角色代表云教材資源虛擬化工作任務(wù)中的一項(xiàng)子任務(wù)。每項(xiàng)子任務(wù)需要的知識能力和云教材資源所能提供的知識能力決定了虛擬資源生成質(zhì)量，并對教材資源和虛擬資源之間的匹配性有較大影響。作者、編輯、教師和學(xué)生互動(dòng)參與云教材全壽命全周期過程，是云教材虛擬資源的提供者，也是云教材的使用者。因此，云教材開發(fā)者須從云教材資源編著者和云教材資源運(yùn)用者雙向維度和視角，衡量云教材資源和虛擬資源之間的匹配程度。

（三）面向流程的云教材虛擬資源生成

在教材資源虛擬化任務(wù)所分解的任務(wù)流中，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)被定義為一個(gè)生成活動(dòng)，節(jié)點(diǎn)按時(shí)序約束關(guān)系排序。每一個(gè)生成活動(dòng)對應(yīng)一種云教材虛擬資源，由全流程生成活動(dòng)產(chǎn)生云教材虛擬資源集合。在面向流程的云教材虛擬資源集合中，每一種云教材虛擬資源均可支持虛擬資源集合中每一個(gè)生成活動(dòng)完成。

五、結(jié)語

當(dāng)前，云教材作為新形態(tài)智能立體化數(shù)字教材成為教育部教材建設(shè)大力推動(dòng)的新形態(tài)教材。文章針對云教材資源服務(wù)化頂層設(shè)計(jì)問題，提出了一種互聯(lián)網(wǎng)支撐下的多角色多維度云教材資源虛擬化框架，進(jìn)行了多層次云教材虛擬資源生成方法研究，以期為大力推動(dòng)我國云教材體系化建設(shè)、工程化落地提供有價(jià)值的解決方案。

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