基于三网融合与云计算的融合式远程教育环境研究

薛海峰　崔林　林静

摘要：综合利用各种信息技术，在我国搭建一个让学习者获取教育资源方便快捷、教学交互和体验良好，可多种终端访问和无缝迁移，同时兼顾节约的远程教育环境，是我国远程教育界的重要研究内容之一。文章研究如何利用三网融合和云计算技术构建融合式远程教育环境，讨论其内涵、架构及技术，设计远程教育视频资源云，阐释在不同地区、不同条件下的应用场景，为构建一体化的远程教育环境提供良好的借鉴。

关键词：三网融合；云计算；远程教育环境

0 引言

远程教育是一种与传统的面对面教育不同的教育方式。现代远程教育是以计算机、多媒体技术、通信技术和互联网等高新技术为主要教学手段，进行跨时空教学的方式。信息技术对教育发展具有革命性影响，远程教育对信息技术具有天然的依赖性。远程教育强调利用现代技术手段，向所有有意愿、有能力接受高等教育的人提供学习机会和服务，远程教育的发展是社会进步、教育发展的一个大方向。开展远程教育的重要工作之一就是将教育资源通过各种手段投放给学习者，并通过一定的手段与学习者进行交互和反馈，帮助学习者完成学习，提高学习者的学习效果和质量，使学习者获得知识和技能。我国非常重视利用信息技术开展远程教育以及构建先进的教育系统和平台。《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020）》提出要“大力发展现代远程教育，建设以卫星、电视和互联网等为载体的远程开放继续教育及公共服务平台，为学习者提供方便、灵活、个性化的学习条件”。

目前我国的远程教育技术环境有基于互联网的Web-based Learning（基于Web的学习），基于广播电视网的T-Learning（基于电视的学习），基于电信网的M-Learning（移动学习）等。在我国的发达地区，主要以基于互联网的计算机在线学习为主，学习者可以通过3G手机、平板电脑等随时、随地、随身便利地在线学习。在我国一些欠发达地区，家庭拥有电视的比例较高，互联网普及率较低，网络带宽不高，因此基于广播电视网的T-Learning是远程教育的主要方式。在不发达地区，只能以广播和卫星电视为主要手段通过播放教育资源来开展远程教育。由此可见，我国需要一个良好的一体化的学习平台，能够提供丰富多样的学习体验，实现多终端接入访问，提供个性化的远程学习服务。

1 三网融合、云计算与远程教育

1.1 三网融合

三网融合是指电信网、计算机网、广播电视网打破各自界限，在业务应用方面进行融合。3个网络在技术上趋向一致，网络层面实现互联互通，业务层面互相渗透和交叉，有利于实现网络资源最大程度的共享，其实质是在同一网络上进行语音、数据和图像的传输，实现网络资源的共享，简化网络管理，避免重复建设。三网融合意味着来自电信网、广播电视网、互联网的教育资源将得到汇总和共享，更多优质的教育资源将不再受到载体的限制，用户通过其中一张网就能实现多种用途，也就是说，互联网只针对电脑、广电网只针对电视、通信网只针对手机的信息共享局面将被打破，用户将能够使用电脑、电视、手机3种终端中的任意一种，自由地交叉享受到3种网络系统内的不同服务，例如：民众可用电视遥控器打电话；在手机上看电视剧；随需选择网络和终端，只要拉一条线或无线接入即可完成通信、电视、上网等。三网融合涵盖了从技术到业务各个层面的兼容并包与融合。在技术上需要解决传输层、网络层、应用层的互联互通。本文主要讨论技术层面的问题。

在三网融合进程中，各运营商需要对自己现有的传输网络进行升级改造。有线电视运营商主要提供传统的广播式视频业务，要开展数据和交互式业务，就要进行大规模的双向化改造，例如将广播式的网络改变成能够运行TCP/P协议的数字式双向传输网；电信网络主要提供语音通话服务，通过电信网提供视频、交互服务，主要面临最后100米的宽带接入问题，现在许多家庭可以通过电信网络的DSL宽带技术、光纤入户等方式接入互联网，已经部分实现了语音通话、上网和观看网络电视等功能；计算机网的先天优势是数据异步传输和交互性，在语音和视频信号传输的实时性和服务质量方面存在一定困难。因此计算机网络需要通过提高带宽、改进QoS（Qualityof Service，服务质量）等技术，实现流畅的视频播放、语音通话以及双向数据传输与交互。

1.2 云计算

2006年8月9日，Google在搜索引擎大会上首次提出“云计算（Cloud Computing）”的概念，标志着云计算被正式提出。美国国家标准与技术研究所（NIST：National Institute of Standards andTechnology）认为：云计算使用按量付费的模型，这种模式提供可用的、便捷的、按需的网络访问，进入可配置的计算资源共享池（例如网络、服务器、存储、应用及服务等），这些资源能够被快速提供和释放，只需投入很少的管理工作，或与服务供应商进行很少的交互。

云计算有3种服务模型：①基础设施即服务（InS：Infrastructure as a Service），消费者可租用处理、存储、网络和其他基本的计算资源，能够在其上部署和运行任何软件；②平台即服务（Paas：Platform as a Service），由提供商将消费者需要的编程语言、工具、基础性软件等进行搭建和维护，消费者只需租用这个搭建好的平台即可；③软件即服务（SaaS：Software as a Service），即由提供者提供应用程序，消费者以Web的方式浏览和使用。根据云计算的部署模型，依据云的拥有者和提供服务对象的范围，云可以分为4类：私有云、社区云、公有云和混合云。云具有5个基本特点：随需应变的自助服务、无处不在的网络访问、资源共享池、快速而灵活以及计量付费服务。从历史的发展角度看，云计算是IT资源和服务从分散到集中与专业化的必然发展趋势，是未来IT服务的主要模式之一，也是未来IT的核心产业之一，因此受到政府、业界和学者的广泛重视和认可。endprint

由于云计算技术可以使IT资源和服务集中化和专业化，最大限度地提高IT资源的利用率，实现无基础设施的信息化，因此云计算技术对IT和社会有深远的意义和影响。现在云计算如雨后春笋般蓬勃发展。远程教育的信息平台可以充分利用云计算技术，通过共享资源池有效调度，保障远程教育中视频、课程资源、交互等业务的快速投放和实时性。

2 融合式远程教育环境

目前大多数远程教学环境中，多种通讯网络上的应用并没有很好的整合，而是相对分离的运行，例如通过卫星网广播教学电视节目，通过互联网提供交互，二者之间在时间上是割裂的，学习者收看电视节目的同时无法及时交互，只能事后通过BBS、电子邮件等方式交互；后台数据也没有统一管理，教师无法了解学生收看电视节目的情况；远程教学普遍存在着师生互动较少、视频资源利用率低、优质资源难以普及到边远农村地区等问题。因此，虽然现在已经具有丰富的教学资源和可用于远程教育交互的信息技术，但是将他们有效整合并服务于教学的过程中尚有一些不尽如人意的地方。文献提出了基于多屏合一的连续性混合式学习系统，但是在视频传输等关键技术上未作更多研究。

现在计算机、电视、手机、平板电脑等已经比较普及，学习者通过任意一种终端进行学习是一种必然趋势，因此远程教育机构有必要建立一种用户能够通过各种终端接入、有效衔接、终端间无缝漫游的交互式远程教育环境，即本文所定义的融合式远程教育环境。也就是说，在融合式远程教育环境中，学习者可以通过任意一种终端接人访问，并且各个终端之间实现无缝衔接和漫游，并可以利用各终端便利地开展教学活动与交互，例如，学习者可以在家里通过电脑进行网上学习，观看一段视频课程资源；在上班路上可以通过手机继续观看这段视频的剩余部分，学习者的学习内容完全能够衔接和交互学习。

2.1 融合式远程教育环境总体设计

融合式远程教育环境需要打通多种网络，将学习环境有机地部署在多种网络环境中，并能够基于各种网络的特点进行有针对性的技术改造与升级，提供有特点的服务，从而提供基于多网的无缝融合式远程教育环境。融合式远程教育环境的框架如图1所示。

图1所示三网融合的网络环境是指各网络运营商对自己的网络（电信网、广播电视网等）进行了有针对性的改造，能够适应双向数字信号传输的网络环境。最左端的学习者可以利用各种终端，通过该网络环境开展远程学习。三网融合接入网关提供多网络接入的路由服务，为广播、音频、视频、点播、Wifi/WiMAX、VOD、IPTV等提供全能的接入服务。三网融合业务平台接口则可以针对不同的网络特点，提供有针对性的服务，例如，IPTV主要提供以视频资源为主的服务，对于手机等移动设备，可以提供具有较少数据交互的移动学习服务。通过基于互联网的计算机在线学习，可直接接入到在线学习平台进行学习。

2.2 基于云计算的远程教育环境

云计算可以带来动态、弹性、快速交付等便利和优势。利用云计算技术建立的远程教育环境，可以为教育机构和学习者提供个性化的教育空间和学习空间服务（图1中SaaS层实现此服务）；同时云计算技术在视频资源的采集、处理、存储、发布方面能够充分发挥其优势，通过资源池针对不同类型终端发布自适应的视频格式与大小（包含在图1的PaaS层和IaaS层）。

SaaS层的远程学习平台、教务管理平台、资源平台和学习支持服务，实现了远程教育的核心功能。该部分平台除了具有基于互联网的在线教学等功能外，还要建立针对移动终端以及电视等开发的后台系统，例如，远程学习平台中包括了为智能手机开发的后台程序，能够与手机的前端应用软件配合，完成移动教学功能，同时通过三网融合中的移动网关联通手机和服务器端软件，并自动将用户的行为和教学过程记录到后台数据库，供各终端调用，实现不同终端间的衔接和融合。

PaaS层包括中间件、数据库、系统软件、Web服务器、云平台自动化监控和管理工具以及视频采集制作与管理、视频自适应发布、课程资源制作和管理等平台与软件。通过PaaS平台能够有效地管理IaaS平台，并为SaaS提供有效支撑。中间件、数据库、系统软件、Web服务器、云平台自动化监控和管理工具是平台层的基本内容，关于视频和课程资源方面的软件与平台是远程教学平台所特有的。视频采集制作与管理、视频自适应发布是实现数字化学习资源中视频部分的采集、管理、制作与发布，是三网融合中融合式学习平台的重要部分。

IaaS层包括由服务器、存储和网络构建的海量资源存储系统（云存储）、计算资源池（计算虚拟化）、网络虚拟化等基础设施，是远程教育环境的IT基础支撑。其中网络环境将电信、互联网和电视网进行了接人融合的网络环境，能够统一运行TCP/IP协议。在搭建基于云的远程教育环境时，基础设施部分可以采用租用或者托管的方式来获得，应该将重点放在SaaS层和PaaS层中的重点业务部分。

通过上述融合式远程教育环境的建设，可以实现实时远程面授交互，提供给学生更多的接入方式、交互渠道、参与途径和资源传输渠道，提高远程教育优质教学资源的有效利用率，并能够适应我国信息化区域发展的不平衡特点，为不同区域提供统一平台下的有针对性服务，以期解决目前远程教学中师生缺乏充分的互动、视频资源利用率低、面授课到课率低、优质资源难以普及到边远农村地区等问题。

2.3 远程教育视频资源云

利用三网融合网络环境，可以有效解决数字化教学资源的分发问题，但是对于远程教育领域缺乏一定的针对性。利用云计算技术和三网融合可以搭建包括教学视频的采编、制作、管理、版权保护、播放等功能的远程教育视频资源云，同时与学习平台配合共同实现教学过程中的交互和多终端访问教学资源，如图2所示。

图2所示最下层为三网融合的网络环境，也就是说互联网、电信网和广播电视网已经在运营商端进行了融合，利用其中一个网络即可完成三个网络的功能。视频云IaaS层是视频云的基础设施层，其中包括了存储、计算和网络资源池供上层使用与调度。在视频云PaaS层是视频云的平台层，在平台层，具有视频生产服务、视频编播管理服务、版权管理服务、各类型平台播放服务以及视频调用打包接口服务等，在左边是具有视频采编服务。当然在平台层还包括对IaaS层的调度和管理，例如视频生产时，需要大容量存储保存原始视频资源；在资源编辑时，需要通过非线性编辑系统对视频资源进行多层处理；在播放时，需要针对多终端类型和网络状况，利用各类型平台播放服务将原始码流转化为适合的码流并通过视频播放服务器播出。在进行视频处理时需要通过版权管理服务对视频进行版权保护，利用DRM（Digital Rights Management）平台进行版权处理并在播放时进行版权保护。视频调用打包接口服务为课程资源包的制作提供视频资源的调用与打包服务。视频云SaaS层是视频云的应用层，为终端用户提供视频的生产、播放、版权应用等。视频资源云是利用云计算技术搭建的远程教育环境的一个重要组成部分，二者是一个统一的整体。endprint

在三网融合环境中，多种终端（如有线电视、PC、PAD、智能手机、家庭信息机等）通过视频资源云可以有效地观看视频资源并实时交互。但是在某些环境下只能实现单向通信（如通过卫星电视收看视频资源），可以利用传统电话呼叫远程教育机构的呼叫中心，通过语音实现双向交互，并及时解答学习者问题。

3 针对不同地区的应用场景

在目前我国各地区信息化发展不平衡的状况下，融合式远程教育环境可以有效解决开展远程教育遇到的一些问题，形成适应不同地区和城市的教育和教学组织模式。下面探讨如何利用这种远程教育环境在几种不同类型地区开展远程教育。

3.1 发达地区和城市的应用场景

在我国的一些发达地区和城市，可以综合运用各种终端，方便接入广播电视网、电信网和互联网，学习者可以获得实时交互和参与性更强、音视频质量更高、接人条件更灵活的远程教育环境。也就是说发达地区的用户有条件通过图1中的所有终端接入远程教育环境，进行高质量的、实时交互的远程在线或非在线学习，充分体现了“人人、时时、处处”的学习理念。

例如，学习者可以随时通过智能手机接人3G网络开展在线学习，可以将课程资源尤其是其中的视频资源下载到手机、PAD中进行非在线学习，回到家中可以通过PC在线学习，如果有问题，随时可以拨打语音电话实时求助，也可以通过电视点播视频资源进行学习，或者通过电视录播功能，将视频节目录播后再反复观看学习。同时融合式远程学习平台实时记录用户的学习行为，用户开展远程学习时在不同终端切换时可以实现学习内容和过程无缝衔接，比如，学习者在户外通过智能手机学习，到家后打开电脑开始学习时，学习内容将无缝衔接，不用从头开始查找学习内容就可继续学习。这种融合式的学习环境实现了学习过程在远程学习终端之间的无缝迁移，大大提高了学习者的平台体验和学习体验，也充分体现了以学习者为中心的理念。

3.2 欠发达地区的应用场景

欠发达地区的网络普及尚有一定距离，实时的交互和高质量的视频教学较难保证，家庭中大多具有电视、计算机和手机等，拥有带机顶盒的数字有线电视，但是家庭接人互联网比例尚不高，学习者可以通过数字有线电视进行视频资源的点播，但是实时交互性较差。因此在欠发达地区，重点解决视频资源的播看以及一定的教学交互，此时的教学手段以非实时异步为主。图3所示为欠发达地区进行远程学习的系统示意图

在欠发达地区，教学资源可以通过数字电视系统把视频资源云中的视频高质量的播放，用户可以在家庭实时收看，也可以通过具有录播功能的数字电视预约并录播教学节目，然后反复观看学习；学习者可以到教学点或者在有网络条件的地方一次性将教学资源包打包下载到智能手机或PC中进行非在线学习；学习者在遇到问题时，可以选择到面授的教学点或者通过打电话到呼叫中心获得帮助和解疑答惑。在多终端使用方面，可以使用智能手机或者PAD等，借助2G网络等获得与学习平台间的小数据量的交互。

3.3 边远落后地区的应用场景

在我国的边远落后地区，互联网、有线电视网基本没有，在这些区域开展远程教育，只能利用有限的卫星电视和电话开展远程教学。教学点可以通过卫星集中下载IP课程资源包，学生利用电视集中收看教学节目，如果有教师，可以在现场实现面授辅导教学。此外，有的边疆哨所等，可以通过卫星电视接收教学节目并实时收看，如果有疑问，可以通过语音电话获得一定的答疑和互动。在边远落后地区开展远程教学，由于网络和经济条件的限制而缺少基本设施，只能最低限度地保证教学视频资源的投放，学习中的交互比较难以进行。

4 结语

融合式远程教育环境的搭建需要利用更多的新技术来不断完善升级，如全面的基于移动设备的解决方案，利用物联网技术和虚拟现实技术提高学习者的临场感，完善远程教育环境的生态系统。此外要深入研究如何在欠发达地区和边远落后地区开展高质量的远程教育，为学习者提供高质量的教学资源，并能够实时交互，有效互动解决学生的学习问题，提高教学质量和教学效果，解决教育的盲点和教育不公平等问题。通过融合式远程教育环境构建更好地服务于全民学习和终身教育体系。

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（见习编辑：刘丽丽）endprint