张子石,金义富,吴 涛
(1.岭南师范学院 信息科学与技术学院,广东 湛江 524048;2.岭南师范学院 教育技术研究所,广东 湛江 524048;3.广东高等学校数字化学习工程技术开发中心,广东 湛江 524037)
信息技术对教育发展具有革命性的影响,这已经成为全社会的共识。2012年9月5日,时任国务委员的刘延东副总理在“全国教育信息化工作电视电话会议”上指出:“推动‘网络学习空间人人通’,促进教学方式与学习方式的变革。为师生建立个人网络学习空间,体现着教育信息化未来发展方向。今明两年要把网络学习空间从目前的60万个提高到600万个,力争用5年左右时间使所有教师和初中以上学生都拥有实名的网络学习空间,促进教与学、教与教、学与学的全面互动,努力在网络学习空间建设与应用方面走在世界前列[1]。”由此,能够提供网络学习空间的教育平台像雨后春笋一样涌现出来,未来教育空间站就是其中之一。未来教育空间站利用目前知识工程、云计算、大数据、物联网、虚拟仿真和移动学习等先进技术,为粤西区域教师和学生建立多维度、立体化、高效的网络学习空间平台。未来教育空间站能够使每人都拥有一个实名的网络学习空间,把信息技术和教育的深度融合落实到日常的教学、学习和管理中,实现中小学校教师跨校际、跨区域、跨城乡的网络教学研修,实现师生互动、生生互动和家校互动,实现优质数字教育资源师生共享,对继续教育和终生教育都有重大意义。
国际空间站是人类进行太空科学研究和开发太空资源的平台,促使人类发展从地球走向太空。网络学习空间平台的总体发展构想也是要促进教育科学研究从传统的“自然时空”向信息技术所支撑的“数字时空”进行延伸和跨越[2]。因此,认真研究借鉴国际空间站的结构和设计经验,对于网络学习空间平台的规划和设计再合适不过了。国际空间站包括三大部分:轨道站、地面站、控制中心。
1.轨道站
轨道站,就是在太空飞行的实体部分,最具有技术性和代表性,所以通常就被叫做“空间站”,其主要结构包括基础桁架、居住舱、服务舱、功能货舱、实验舱、节点舱、穹顶舱、移动服务系统、能源系统和太阳能电池帆板等部分[3]。对应网络学习空间平台,轨道站的设计启发我们应该设计一块相当规模的物理空间作为平台的立足点,并且要根据平台需求做必要的电源、通信、结构等基础设施及装修工作;要注意实验舱是空间站最核心价值体现所在,而在空间站中可做的实验内容是极为广泛的,因此不能用僵化的方式来建设实验舱,而要能够不断发展、升级和变化;平台设计应尽可能充分利用有限的空间建设多个为教学科研服务的实验室,组件化、移动式的实验机柜是非常好的方式;平台应该采用开放的架构,便于有相关专长的合作单位接入;平台要在有线网络、无线网络双重覆盖的基础上,部署物联传感网络,能够实现“泛在学习”,支持老师、学生在移动环境下自主、合作、探究式地开展教学。
2.地面站
地面站是为了与空间站协同互动而建设的,主要包括两部分:与空间站之间的通讯系统、地面站的职能系统。地面站对应着网络学习空间平台覆盖的实习基地、继续教育基地以及地方中小学校。网络学习空间平台与所覆盖的外围中小学之间的应用,完全是建立在数字网络通讯的基础之上,而且多媒体网络应用是主要的应用形态。因此,要重点解决好所覆盖的外围中小学与网络学习空间平台的互联互通和带宽问题,并要保障其质量和可用性。由于粤西中小学校发展极不均衡,网络学习空间平台需要设计多种方式的通讯系统。要想实现网络学习空间平台的目标,就需要根据各个领域应用职能的不同,设计配置相应的职能系统。例如,如果希望中小学校的学生参与到课堂的互动反馈之中,就有必要在这个地面站配备相关的互动反馈设备。
3.控制中心
国际空间站使用七个地面控制中心,采用这种分布式的控制中心是国际合作的需要,而不是技术上的必需[4]。从国际空间站的控制中心的建设经验中,我们可以借鉴到:控制中心不仅仅是维护空间站设备的运行,更重要的是空间站中各项任务的调度;网络学习空间平台中的每项任务,要能够事前规划、计划,方方面面按照指令执行;一个强大、可靠的内部通讯系统是保障及时协调控制地面站、轨道站、控制中心相关人员、设备的关键;开放的体系、可移动的架构非常重要;要做好数据的备份工作,应急的时候可以接管控制,必要的时候可以扩展分控制中心。
未来教育空间站总体的发展构想是以现代教育理念为指导、以现代信息技术为支撑,建立以岭南师范学院为中心,服务于粤西区域中小学校,覆盖教育实习基地和继续教育基地,辐射全体互联网络用户,实现传统课堂与网络课堂、高校课堂与中小学课堂、城市课堂与农村课堂、普通教育与继续教育在实践、空间、内容及方式四个维度的融合,建成国内先进、广东领先的网络学习空间平台[5]。根据国际空间站的建设经验,未来教育空间站选定面积1600m2的整栋综合实验楼作为项目的轨道站和控制中心,进行电力、网络、计算、存储、安全等基础设施的建设,建立一系列教学科研的“实验舱”,开展未来教育的创新实验。实验舱能够开展复合现代教育理念的教学实验,并且空间站中可以不断地扩展开设有学科特色、阶段特色的实验,比如英语、语文、数学、科学等。建立一个“穹顶舱”,让人们可以领略到未来教育空间站给教育带来的不一样的风景。建设一个控制中心,重点是监控、内部通讯、调度系统的建设,使得整个空间站可以集中管理、无线控制,并实现远程管理。未来教育空间站能够根据所需要覆盖的不同用户建立各种类型的地面站,建立与空间站主体协作的通讯系统、职能系统。未来教育空间站希望将来能够覆盖粤西地区的所有实习基地、继续教育基地和中小学校,并能够向社会提供终身教育服务。未来教育空间站的外围建设,应能适应外围中小学校接入条件、装备能力的差异,要能支持、兼容多种接入方式和装备水平。未来教育空间站在主体和外围建设的基础上,支持一系列的教育业务应用,如实习、见习的远程指导及管理,优质教师资源的远程推送等。
网络学习空间平台发展目标的清晰确立,有利于统一认识协调发展,有利于集中各方面的资源并优化资源的配置,有利于抓住重点和明确方向,从而保障平台的成功建立。经过梳理,未来教育空间站的发展目标可以概括为:一个中心平台、两项外延职能、三级服务对象、四维八角融合[6],如下页图1所示。
1.一个中心平台
以教育现代化理念为指导,建设国内先进、广东领先的现代教师专业发展及教育创新服务平台,服务于师范生培养及教育创新,促进教师教育培养模式、课程教学内容方法改革,为提高学校师范生教学技能、增强师范生就业竞争力和打造学校教师教育品牌做贡献[7]。
2.两项外延职能
图1 结构化发展目标
未来“教育”空间站之所以不仅仅是个未来“教师”空间站,还在于其强化和扩展了两项外延职能:教师职后教育职能和数字化教育公共服务职能。这两项外延职能以现代信息技术为支撑,扩展了未来教育空间站的应用,使之能够服务于地方教育,为校地合作、综合教育改革试验区、粤西教育高地的建设服务,并促进社会终身教育体系的完善。教师职后教育职能为粤西区域中小学教师的继续教育、新任教师培训、骨干教师培训、校长培训、教育技术能力培训提供服务;数字化教育公共服务职能为偏远地区农村中小学输出优质教学资源及教学创新成果,构建区域中小学教育发展状况数据库,并为学习型社会提供数字化公共教育服务。
3.三级服务对象
按照应用服务的状况及网络状况的不同,未来教育空间站的服务对象可以分为三级:一级服务对象是岭南师范学院的教师学生,网络规划建设以岭南师范学院为中心,覆盖各教育实习基地及对口支援单位,主体采用内部专网,辅以有质量保证的VPN接入;二级服务对象是粤西区域的中小学生,空间站服务能力覆盖各继续教育基地,服务粤西中小学生,网络通讯方面以VPN为主;三级服务对象是数字化公共教育的社会学习者,空间站服务能力涵盖社区教育和终身教育,辐射全体Internet网络用户,网络通讯方面以互联公网为主。
4.四维八角融合
充分发挥现代信息技术的特点,消除师范生培养、在职教师继续培训、教学创新与教学实践相脱节的痼疾,实现传统课堂教学与网络课堂教学、城市课堂教学与农村课堂教学、师范高校课堂教学与中小学课堂教学、普通教育教学与在职教师继续教育教学等八个角度在时间、空间、内容及方式四个维度的融合[8]。
网络学习空间平台要能够为学生、老师、家长提供一个专属的网络学习空间,构建创新型学习沟通生活方式,以学生成长记录为核心,以智慧校园文化建设为纽带,以教学资源共建共享为驱动,满足教学研讨、个性化学习、互动交流等信息化需求,进而实现“数字化学习”环境下教与学的变革与创新。根据网络学习空间平台的功能需求,未来教育空间站应建设成为:
1.教学科研的平台
目前,我国中小学正处于课程改革蓬勃期,其中特别强调互动式教育所提倡的“自主、合作、探究”的教学方式,创建多维、互动的教学组织形式。网络学习空间平台要为粤西区域教师开展教学科研提供环境支持。这要求未来教育空间站具备相当的先进性,顺应教育理念及信息技术的发展趋势,为教学科研活动提供探索性的装备条件;具备相当的灵活性,场地、设备和功能服务尽可能灵活复用;同时需要具备相当的开放性和可扩展性,适应教学科研的不断发展。
2.教学实践的平台
未来教育空间站应该为粤西区域教师提供教学模式创新的实践平台。这除了要求未来教育空间站能够提供常规教学的必要支撑外,还要能够真实准确地记录教学实践的数据,并能够提供评价、反思的功能服务。与未来教育空间站建立之前相比较,最直接的变化还在于实习、见习、观摩方式的变化。未来教育空间站将打破空间、时间上的障碍,让师范生的实习、见习、观摩可以实现远程高清互动。师范生还可以进入未来教育空间站开展教育实践类课程,借助教育空间站内的各种实时互动性的多媒体教学设备,体验和学习“自主、合作、探究”的教学方式,并通过师生网络面对面试讲的方式培养教育技能。
3.教学观摩的平台
未来教育空间站能够实现大量实时、非实时教学活动的音视频直播和点播功能,并提供观摩师生参与指导、讨论、评价的机制。未来教育空间站是教师接受职后继续教育的平台,是参与、观摩、学习其它中小学优秀教师课堂教学的窗口。更重要的是教师还将获得未来教育空间站内产生的优质教育资源及其他成果的服务。
4.网络教学的平台
未来教育空间站将成为教师打破时间、空间的障碍,指导学生实习、见习的平台。未来教育空间站的数字化教学服务功能完善后,能够提供强大的学生个性化学习功能,外围中小学也可以借助未来教育空间站软硬件资源开展网络教学。
5.教育资源的平台
未来教育空间站能够从教学一线获取、再生最有生命力的教育资源,利用云计算和大数据技术自动生成强大的教育资源库。未来教育空间站具有良好的在线调查的功能,具备搜集第一手教学资料的能力,支持资源的搜索、点播、评价、分享、排行、分类等功能。
未来教育空间站是一个肩负着教育创新任务的网络学习空间平台,因此在技术定位上要求未来教育空间站要符合信息技术及教育技术发展趋势,适度超前,实现跨越式发展。云计算和物联网是当今IT领域已经确认的发展大趋势。云计算“按需配置”的特性,以及物联网在师生互动反馈、智能控制等方面的应用,都符合未来教育空间站的技术定位。技术选型应遵循“百家争鸣”“共容互通”的原则,整个未来教育空间站建设不能依赖于一家产品,而应该取各家之长,并有机整合。
网络学习空间平台要基于开放式的云计算架构,融合教与学相关信息、资源和服务,为教师、学生、家长和教育管理者提供互动学习网络空间,提升教育科研水平,促进教师专业化发展,实现课堂教学远程辐射,增强名校名师效应,扩大优质资源受众群体,实现教育公平和均衡发展。网络学习空间平台要为学生提供个性化、智能化的绿色学习环境,实时、非实时的跨时空互动交流,直播、自主点播相结合,不仅可以实时聆听名师课程,还可以按照个人兴趣爱好自主选择课程学习,提高学生学习的自觉性、积极性。教师利用网络学习空间平台能够观摩优秀同行教师课堂教学,并与其他教师进行区域或跨区域的教学研讨,提升个人专业能力;同时可以了解学生的学习和生活,有利于因材施教,开展教学及辅导工作。家长利用网络学习空间平台能够全面地了解孩子的学习情况,加强家校互动,同时可以与其他家长们交流育儿心得;同时因学生公平享受到优质的师资及学习环境,大大减轻家长对孩子教育的担忧,进而缓解择校热、农村空心化现象。教育主管部门及学校利用网络学习空间平台能够解决区域教育不均衡、优秀教育资源共享难的问题,缩小了学校间差距,促进优秀教师资源科学和合理配置,推动教育体制改革。
未来教育空间站可以从横向和纵向两个方向来实现网络学习空间的功能,其中横向侧重于物理结构,主要从划分空间站主体系列功能实验室和外围系列地面站建设来实现;而纵向侧重于逻辑结构,主要从划分空间站逻辑架构的层次关系来实现。
1.主体系列
(1)云计算数据中心
云计算数据中心是最关键的基础服务设施,特色是采用云计算技术,建立最新一代的数据中心,为未来教育空间站提供按需分配的、可靠的、容易管理的计算、存储、网络、安全等服务。
(2)用户体验中心
用户体验中心要建设成最吸引人的部分,起到未来教育空间站展示、推广、用户培训的作用,扩大平台的影响,保障平台的普及应用。体验中心可以充分利用电梯、走廊的空间,综合凸现平台内各部分先进的信息技术和教育技术,采用“裸眼3D”演示平台的各项功能内容。实体设计上要引入VI视觉识别的要素,将技术与艺术有机地结合。
(3)管理服务中心
管理服务中心是保障未来教育空间站正常运营的管理机构,综合了控制中心、设备管理、客户服务的职能。管理服务中心的建设重点是对各种设备及应用系统的集中监控、远程控制、移动控制、协同调度、功能互通等。
(4)3D打印教学中心
3D打印技术的崛起引起了社会各行业领域的强烈关注,3D打印技术对教学教育的积极作用也得到了各国教育专家的普遍认可。未来教育空间站探索3D打印技术在教学当中的应用,有助于增强学生在实践中学习能力,为互动式课堂教育提供感观空间,为3D打印技术在基础教育方面实践积累宝贵的经验[9]。
(5)网真课堂
网真课堂是未来教育空间站最重要的应用。网真课堂是以实体教室为载体,构建在宽带基础上,打破时间空间的限制,支持多个异地课堂的远程音视频高清实时互动教室,把物理上分割的多个教室,转换成逻辑上、感受上像是真的单一课堂。网真课堂能够开展远程互动教学、观摩,进行远程实习、见习指导,是实现四维八角融合的集中体现。
(6)虚拟课堂
虚拟课堂是以网络空间为主的课堂,构建在互联网基础上,支持大量的桌面用户以及手持终端,支持数据、音视频在复杂的网络环境下的实时互动,可以用于网上的公开课、在线辅导答疑及网络数据视频会议应用,是开展继续教育的理想平台。
(7)物联网反馈课堂
物联网反馈课堂,这是新型的实体教室,以物联网、无线网络为基础,支持多种形态的互动反馈终端,包括表决器、智能手机、电子书包、平板电脑、上网本、笔记本电脑等,方便学生参与互动;支持主观、客观各种题型,采用先进的实时反馈统计分析理念及方法,帮助老师更有效地进行课堂及课后的互动教学。
(8)网络教育电视台
网络教育电视台是基于视频分享技术并符合Web2.0设计理念的集视频点播、直播、广播、视频会议为一体的综合视频技术应用系统。它主要有两大功能:一是演示观摩体验中心在数字空间的延伸和扩展;二是提供未来教育空间站优质教育视频资源服务的平台。
2.外围系列
未来教育空间站外围系列主要是不同类型地面站的建设,主要包括:网真课堂地面站,用于配合主体部分的网真课堂开展网真教学;虚拟课堂地面站,支持会议室、办公桌面、宽带、窄带等多种条件进入虚拟课堂参加教学;互动反馈地面站,配合主体部分的互动反馈课堂开展互动反馈教学;3D教学地面站,配合主体部分的3D实验室开展教学科研;自主学习地面站,配合主体部分的自主学习实验室开展相应学科的自主学习;数字电视地面站,支持电脑、机顶盒、平板电脑、智能手机等多种终端接入空间站,实现音视频的泛在学习。
未来教育空间站的纵向建设可以划为五个层次,逻辑架构的层次关系大致如图2所示,从下到上分别为:基础设施层、基础服务层、应用支撑层、应用系统层和门户层。
1.基础设施层
基础设施层包括必要的装修、配电、照明、消防、安全、空调等内容。基础设施层的主要工作是云数据中心的机房工程,体验中心、演播室的装修设计,服务中心及各个功能课室的基础设施,制定各种地面站的装修规范,如配电、照明、天花、地面、墙壁、窗帘等。基础设施层建设要引入基本的视觉识别VI设计,包括logo、基本字体、基本颜色、标牌、展板等VI应用,统一平台视觉感官方面的基本风格。整体风格需要适合教育环境的特色,贵洁而不贵华,整体上简洁、明亮、朴素、文雅,并充满空间科幻感。
图2 逻辑架构层次关系
2.基础服务层
基础服务层包括网络覆盖(含物联传感网络)、计算、存储、安全等内容。建立云数据中心相关的信息系统,实现多种形式的网络互联,提供多个网络出口,通信容量应满足现有业务和将来需求的增长。云数据中心应具有良好的安全性,充分地应用身份认证、数字签名、防火墙、入侵检测防护、信息过滤、病毒防范等相关安全技术,以保证系统和信息的安全性;具有健壮性、可靠性、可用性,能处理海量数据存取访问,支持数量庞大的并发用户访问,快速响应。未来教育空间站主体实现有线、无线网络全覆盖,关键区域的物联传感网络覆盖。基本的教育终端设备也规划进入这一层。平台所采用的硬件设备应符合相关的业界标准,除了一些需要固定安装的设备之外,尽可能采用便携、移动台车、航空柜之类的形态,便于设备的复用和场地功能的多样化。
3.应用支撑层
应用支撑层将多个应用系统所需要的、共性的功能抽象出来以便于复用,保障整体项目能够支持各应用系统之间的数据共享,实现应用系统的数据集成、应用集成、业务集成。未来教育空间站所采用的软件应符合相关的业界标准,并具有完整的应用系统接口规范,提供与遗留系统、新开发系统的有效集成接口;专门设立“音视频综合应用”的系统,将音视频以及终端信息产品(如电子白板、计算机、平板电脑、互动反馈设备)信号的编码、传输、解码统一设计,实现视频监控、录播等基础应用有机整合,提高相关软硬件的利用率。
4.应用系统层
应用系统层面向网络继续教育、远程实习管理、教学督导、教学评价、监控、资源管理、网络电视台等各种业务应用,每一种业务应用都会在应用系统有其体现。应用层系统的开发越来越趋向于“微应用”,如远程教育与学习,可以分解为远程互动课堂、网上课堂、在线辅导、在线资源管理、学习过程管理等功能服务性的应用,然后通过业务流程管理,整合为完整应用呈现在系统门户中,从而适应业务流程的不断变化和发展,最终演化为SOA架构的应用。这层采用XML、Web Services、EAI、.NET、J2EE等业界主流技术构建应用系统,利用标准的三层或多层架构进行应用系统开发,并预留必需的Web服务接口,以便实现应用集成。应用系统具有先进、稳定的体系结构,支持软件组件复用,支持系统互操作,支持跨平台及分布式应用[10]。
5.门户层
门户层为未来教育空间站的各类用户提供个性化的门户服务,提供方便、灵活、友好的用户操作界面。门户层是用户进入未来教育空间站的入口,用户能够在空间站中得到的服务和数据都在这里呈现。强大的门户系统包括应用系统集成、单点登录、个性化服务、门户内容管理、搜索引擎等功能。门户建设从简单到复杂有很多种方式,可以随着平台的发展阶段选择不同的方式,但要注意用户的使用习惯和用户体验,不断优化而不要出现倒退。
建设教育信息化的大型项目,必须有策略地推进,才能保障项目的成功。根据未来教育空间站建设过程中经验,可以得到网络学习空间平台项目的推进策略。
未来教育空间站的目标是要进一步提升粤西区域教育信息化的建设与应用水平,因此网络学习空间平台的建设首先要确立“以应用拉动建设”的推进策略,以应用建设为主线,重点关注应用价值的体现,同时充分考虑基础设施建设的科学性。规划时应优先安排那些直接给用户提供服务的应用和体现网络学习空间核心价值的应用,并根据“整体规划分步实施”的原则,分期分批逐步建设平台中的各个应用子系统[11]。在建设网络学习空间平台各应用子系统的时候,优先建设统一的门户系统,同时确保新建各个应用子系统与用户门户的整合。
未来教育空间站每个应用系统的开发建设都依赖于应用支撑平台与基础软件服务。基础软件服务与应用支撑、运行维护和安全管理是网络学习空间平台体系中最稳定的基础设施部分,技术相对成熟,因此这部分系统的建设应首先统一建设完成,否则上层应用系统建设就会成为“空中楼阁”,或者造成重复建设,浪费投资,并给未来的整合工作造成高额成本和巨大难度。例如项目组开始设计时更多地是从应用的角度去构思平台功能,没有考虑数据中心的建设。但后来发现未来教育空间站所需要的计算、网络、存储、数据、应用、安全、可扩展性、可用性都非常依赖于数据中心,因此将“数据中心”作为一个基础的子项目优先建设。
项目管理对于网络学习空间平台建设的成功有重要影响。世界范围的统计数字表明,信息化建设特别是大型项目建设的成功率非常低,失败率高达30%左右。提高项目建设成功率的有效途径是采用科学成熟的项目管理。在未来教育空间站的建设中,引入专业的信息化建设监理服务机构,大大提高建设项目的成功率。
在信息化项目的成功要素中,用户培训和推广使用是不可轻视、忽视的因素。任何信息系统只有得到用户认可并广泛使用才有可能产生效益。此外,领导的认同和重视也是现有体制内搞好信息化建设不可或缺的一环。因此,需要充分重视网络学习空间平台的用户培训和推广使用环节,通过领导推动、资金落实、人员保障等措施推进平台的用户培训和推广使用。
网络学习空间平台的建设是一项长期的、具有相当规模和复杂性的系统工程,它的应用需求种类繁多,调研、建设和开发周期长,资金投入大,受时间、资金、人力资源的限制,不可能一蹴而就。而且针对同样的功能需求,会有多种技术实现方案。在网络学习空间平台建设中,力求将需求分析、功能设计、技术产品选型、预算控制、调整优化五个环节形成一个有机的循环,不断迭代求精。特别是可以根据平台项目的发展需要,进一步从优秀合作伙伴之中引入“外脑”,通过与高素质的系统集成商和产品供应商的密切合作,形成长期战略合作伙伴关系,借助合作伙伴在信息化建设的整体规划、系统设计、开发建设、安全部署、运行维护及项目管理等过程的经验和方法,获得覆盖整个信息系统建设生命周期的方法论和管理经验的支撑,有效地减小建设大型教育信息化项目的技术风险,提高项目的成功率。
[1]刘延东.把握机遇 加快推进 开创教育信息化工作新局面——在全国教育信息化工作电视电话会议上的讲话[EB/OL].http://www.jyb.cn/china/gnxw/201211/t20121109_517195.html,2014-11-05.
[2][5]张子石,金义富,吴涛.创新学科平台,引领未来教育——教育空间平台的案例分析研究[J].电化教育研究,2013,(9):77-82.
[3]新浪时代科技.国际空间站的由来主要功能及结构详细介绍[EB/OL].http://tech.sina.com.cn/other/2004-04-18/2058350599.shtml,2014-11-10.
[4]苏新.国际空间站的7个地面控制中心[J].国际太空,1996,(4):16-18.
[6][7][8]金义富,王伟东,张子石.未来教育空间站设计与运行模式研究[J].电化教育研究,2012,(9):77-81.
[9]广东之窗.3D打印借势新兴数字技术 促进教育综合改革[EB/OL].http://www.igdzc.com/technology/20140120/21990.html,2014-11-11.
[10]兰瑞乐,林雯,杨满福.教师教育信息化创新平台——“未来教师空间站”的设计与应用[J].广西师范学院学报(自然科学版),2009,(1):103-106.
[11]欧启忠.未来教师空间站网络教育平台设计[J].中国教育信息化,2011,(17):85-87.