职业技能传承智慧学习环境的支撑技术*

曹育红，袁南辉，毛俊程

(1.广东技术师范学院 教育技术与传播学院，广东 广州 510665；2.广州一学就慧软件技术公司，广东 广州 510623)

职业技能传承智慧学习环境的支撑技术*

曹育红1，袁南辉1，毛俊程2

(1.广东技术师范学院 教育技术与传播学院，广东 广州 510665；2.广州一学就慧软件技术公司，广东 广州 510623)

智慧学习环境的云平台是职业技能传承过程中教育资源服务于大规模用户群体、支撑海量数据有效汇聚的关键。智慧学习构建的支撑技术是实现职业技能传承智慧学习环境的基础。该文在阐述智慧学习环境的内涵基础上，利用云平台第三方AppScale开源解决项目搭建职业技能传承智慧学习环境云平台，通过构建服务器集群、存储设备和网络设备等基础设施，在物理服务器上部署虚拟化组件Xen以及云计算管理系统，实现虚拟资源池的管理和按需提供服务。采用动作捕捉技术记录学习者在知识获取、技能传承互动、技能协作实训等过程，采用信息物理系统技术在物联网环境感知的基础上实现人、机、物的互联与深度融合，采用大规模流媒体技术以Adobe Connect为底层支撑，实现在线学习、自主学习管理、学习内容管理等服务功能。

智慧学习环境；云平台；情景识别

一、引言

随着信息技术的发展，行业领域对从业者的职业技能、学习技能和创新技能提出新的要求，其发展趋势就是要建构与之相适应的职业技能智慧传承环境。目前在行业领域没有产生大规模的职业技能传承转移和扩散，其主要原因是缺乏知识传承扩散的相关条件而使职业技能传承停留在师徒范围内。随着产业结构调整和高新技术的发展，无论在生产部门还是服务部门对具有动手能力强、“技能水平高”的人才需求与日俱增。2015年7月1日国务院出台《“互联网＋”行动的指导意见》，紧密配合“中国制造2025”，通过将制造业与互联网融合来提升制造业的数字化、网络化、智能化水平；采用协同制造模式促进产业链的协作发展。将中国制造向智能制造、网络化协同制造和大规模个性化制造方向推进，构建基于“互联网+”的协同制造公共服务平台，促进中国制造产业网络化生态体系的良性循环。“互联网+”职业技能传承的发展趋势就是要建构与之相适应的职业技能传承智慧学习环境，这有助于为国家、社会和企业培育职业技能与岗位匹配的人才，并将在提高劳动者素质、促进就业、实现经济增长方式转变和延迟就业、缓减就业压力、促进地方经济社会发展、增进社会和谐稳定中起到促进作用。

二、智慧学习环境的内涵

智慧学习环境是一种能感知学习情境、识别学习者特征、提供合适的学习资源与便利的互动工具，能够自动记录学习过程、评测学习效果，促进学习者有效学习的场所或活动空间[1]。智慧学习环境实现物理环境与虚拟环境的融合，为师徒共同体职业技能传承模式提供新的思路，通过师徒共同体中师徒之间和内部其他成员之间的职业技能传承、互动交流、资源共享等活动，把职业技能的隐性知识显性化为共同体可以表达的知识；通过师徒共同体成员的内化吸收，转化为成员个体特有的隐性知识，促进师徒共同体成员职业技能的提升和发展。在信息化背景下智慧学习环境是职业技能传承对学习环境发展的诉求，是有效促进职业技能传承模式和传授方式变革的支撑条件。

智慧学习环境已成为全球关注的研究领域，国外研究主题具有鲜明的地域特色，其中智能学习环境的结构功能、适应性学习支持的策略及算法、智慧学习环境的教学策略和案例等是最受关注的研究主题。随着信息技术在职业教育中的应用，未来教室环境、数字技术支持的创新教学以及师生对学习环境的体验等正逐渐成为研究热点，对智慧学习环境在教学性能、学习绩效提升、用户态度和学习体验等已获得趋于正面的研究结论[2]。自2008年始开始伴随着便携式移动手持设备的普及，可穿戴电脑技术及传感技术等创新技术在教育中的应用，智慧学习环境中有关学习活动类型的研究趋于多样化和创新性，学习空间的研究趋于开放性和虚拟性，学习交互类型研究趋于多通道化和多层次性，学习体验研究趋于直观化和丰富性，学习支持研究趋于个性化和自适应性。在新技术支持下全新的学习空间设计、创新的教学形态、真实的学习体验、智慧化的学习支持等将成为未来智慧学习环境的研究重点。

三、智慧学习环境的云平台

智慧学习环境作为一个泛在技术支持下的学习环境，充分利用信息科学技术和人工智能技术实现信息的记录、传输、编辑的智能化、多元化、便捷化，通过大数据的采集、存储、挖掘、呈现等手段，建立技能传承模式、传承风格、传承态度和传承创新模型[3]。职业技能传承智慧学习环境的云平台是职业技能传承过程中教育资源服务于大规模用户群体、支撑海量数据有效汇聚的关键。云平台在服务器、存储、网络等方面提供高可用、高稳定性能的基础设施支持，包含数据中心、云部署管理软件、虚拟化组件和云计算管理系统构成。对于智慧学习环境的云平台依托开源解决方案进行搭建，采用计算虚拟化和存储虚拟化技术将数据中心虚拟化，在智慧学习环境云平台中管理人员利用管理系统定制云平台管理规则，学习者根据自身的需求利用职业技能教育资源管理系统申请相关学习内容。云平台首先对学习者的合法性进行审批，然后根据学习者的申请学习内容云平台自动对虚拟机的类型和容量进行匹配，配置虚拟机服务器硬件及所需的软件和应用，最后虚拟服务器将学习计划、学习内容和学习进度传输给智慧学习环境中的学习者。

(一)云平台基础设施

智慧学习环境云平台建设首先是云平台基础设施的设计、开发与部署，针对XaaS 多层次结构，基础设施层、面向职业技能传承的应用层虚拟化成统一平台是智慧学习环境云平台构建的关键。IaaS层提供基础架构服务，重点建立职业技能行业领域资源信息基础架构，对服务器、存储器实现虚拟化管理，对职业技能资源实现动态分配、动态部署、动态配置和自动回收，实现性价比好、可靠性高、扩展能力强和按需使用的弹性基础设施。为保障运转云服务环境的可用性和稳定性，IaaS层采用数据多级存储、数据系统备份和数据系统恢复方式为职业技能行业领域资源存储提供服务，为职业技能行业领域海量资源的存储和应用提供绿色安全保障服务。在安全信息空间层次提供病毒防护、流程监控与控制等有效的服务，为安全、高可用性的职业技能传承智慧学习环境云平台提供基础支撑。

云平台基础设施的构建采用整合和创新的技术路线。整合来自第三方的解决方案或区域范围内现有的云设施平台资源，利用云平台开源项目搭建职业技能传承智慧学习环境云基础设施研究平台[4]。对于职业技能传承过程中各类传承群体日益增长的网络化存储需求采用高可用性、可扩展云存储技术提供支撑服务，适应智慧学习环境下云平台资源和服务动态部署和云工作流的整合。职业技能传承智慧学习环境云平台采用开源的AppScale 进行扩展， AppScale 环境包括应用负载均衡器节点、应用服务器节点、数据库管理节点和数据库被管节点，如图1所示。利用其应用服务器提供的云计算应用作为执行环境，使用分布式文件系统HDFS、关系型数据库MySQL 集群和NoSQL 数据库等进行多种数据存储，调用分布式系统基础架构Hadoop 的MapReduce编程模型，实施大规模数据分析和处理操作；依托AppScale 平台可以实现统一认证与授权、缓存、电子邮件等功能。

图1 AppScale环境

应用负载均衡器节点可以部署、运行和监管开发者提交的应用，根据应用负载的变化增加或减少资源；接收并认证最终用户的服务请求。应用服务器为应用提供分布式运行环境，数据库管理节点和被管节点一起为应用提供可伸缩和可靠的分布式存储服务。

众所周知，用户的需求多种多样，并且处在快速变化的过程当中。云平台必须能够提供与用户需求相适应的敏捷云服务。所谓敏捷，是指按照定制的业务流程，灵活地装配和集成云服务，为用户提供个性化解决方案，真正做到“按需使用，随需应变”。云计算数据中心和云平台分别实现了基础设施和操作系统级别的敏捷性，但是还不支持应用(云服务)级别的敏捷性。

(二)云计算数据中心

云计算数据中心的建设首先构建服务器集群、存储设备和网络设备等基础设施，然后在物理服务器上部署虚拟化组件Xen，使得每台物理服务器可以同时运行多个虚拟机实例，最后部署云计算管理系统，实现虚拟资源池的管理和按需提供服务。数据中心的整体结构如图2所示。

图2 云计算数据中心

云计算数据中心的云控制器节点负责用户和所有虚拟化资源的管理，管理人员和用户通过Web、REST 和SOAP 接口访问服务；同时云控制器节点部署简单存储服务Walrus，用于虚拟机镜像以及用户数据的存取，Walrus 采用“存储桶+对象”的方式组织数据，一个对象对应一个文件。云计算数据中心包含多个计算机集群，每个集群又包含多个物理节点，即物理服务器；集群控制器节点在集群范围内部署和监控虚拟机实例，在虚拟机之间构建虚拟网络。每个物理节点上安装的节点控制器负责接收集群控制器的指令，通过Xen 组件管理虚拟机实例的创建、执行、监控和销毁。存储控制器节点为虚拟机实例提供持久化的块存储服务，按照需要把物理存储设备以逻辑卷的形式加载到虚拟机实例上[5]。

(三)云服务的实现

对数据、应用和流程三个层次提供云服务的集成框架如右图3所示，其中，PetalsESB 是适合广域网环境的分布式服务总线，提供消息路由机制，支持多种通信协议和数据格式的转换；PetalsESB 的负载均衡组件保证服务总线不会存在单点失效问题；工作流管理组件提供BPEL(Business Process Execution Language，业务流程执行语言)编辑器和执行引擎；服务治理组件在注册信息库中保存所有服务的元数据，用于云服务的注册和查找；服务监控组件对云服务流程进行实时监控和分析；分布式服务总线是实现云服务集成的核心组件，负责配置、设计、调试和部署云服务流程的集成开发环境。

图3 云服务集成实现方案

四、智慧学习环境支撑技术

职业技能传承智慧学习环境的支撑技术包括动作捕捉技术、情景识别技术和学习技术等主要支撑技术。

(一)动作捕获技术

职业技能传承过程中获取职业技能的显性知识和隐性知识是很重要的一个环节，采用职业技能传承智慧学习环境的动作捕获技术记录职业技能智慧传承全过程，建立学习者模型来追踪传承过程、分析传承结果、评测传承效果。

作为最常用的动作捕获技术——光学式动作捕捉技术是基于计算机视觉原理利用红外摄像机跟踪拍摄目标特定光点，对图像传感器上生成的数据进行三角测量来获得目标的3D空间位置。特定移动光点包括被动式标记点、主动式标记点和时间调制式主动标记点。被动式标记点构造简单，捕捉范围大，既没有运动方式的限制，又可以根据不同捕捉需求灵活变化，其精度可以达到像素极。主动式标记点是为解决被动式系统光球被遮住的问题而采用主动发射光线的LED，由于主动发光可以直接将光线发送至摄影机，这样就减少光线路线距离而使捕捉范围更大。时间调制式主动标记点是对主动式系统标记点体积较大、无法捕捉太细致动作的改进，将LED标记点经过自带的板载处理与高速摄像机进行无线电同步，实现在室外阳光下的运动捕捉。职业技能动作捕获制作流程如下页图4所示。

(二)情景识别技术

职业技能传承智慧学习环境的情景识别是依托信息物理系统技术在物联网环境感知的基础上实现人、机、物的互联与深度融合。信息物理系统(CPS，Cyber Physical Systems)是基于嵌入式设备的高效能网络化智能信息系统，将计算技术、控制技术、通信技术等技术融合一体，通过计算单元和物理对象在网络环境下相互影响的反馈循环实现现实世界与虚拟世界的相互协同和交互，提供实时通信、实时感知、动态控制、远程精准控制以及信息反馈等方面的功能[6]。CPS融合传感器技术、自动控制技术、计算技术和网络技术，将信息系统与物理系统依托网络联接成一个大型分布式实时系统。CPS体系架构分为感知层、网络层、认知层、控制层，如图5所示。感知层由传感器、控制器和采集器等感知设备组成，负责感知职业技能传承环境的物理属性；其中，网络层负责将物理环境对象与信息世界相联建立协同控制的CPS实时网络，在实现数据交换的同时，为系统提供协同感知服务、实时网络服务和实时网络分组传输服务；认知层负责对物理世界感知和认识，采用感知数据进行认知计算和推理分析，认知层由认知适配层、管理层和逻辑层组成；控制层则负责制定控制策略，其依据是来自于认知层的认知结果，通过发布远程控制指令来指挥各个物理设备终端，使得这些终端设备可以协同工作，建立物理世界反馈循环控制系统。

图4 职业技能动作捕获制作流程

图5 CPS体系架构

(三)学习技术

职业技能传承智慧学习环境中的学习技术是以计算机作为认知工具，系统地应用一种整体性知识来设计、执行、管理和评价职业技能传承过程中教与学，利用相应的学习工具实现特定职业技能传承目标[7]。职业技能传承智慧学习环境学习系统依托Adobe Connect实现自主点播学习、在线课程学习和在线项目学习等功能，其系统功能架构如图6所示。

图6 职业技能传承智慧学习环境学习系统

1.自主点播学习

自主点播学习基于Connect的视频会议解决方案实现学习内容自主点播。其学习过程是首先录制职业技能传承教学活动，为该职业技能分配一个唯一的可点播的URL地址；然后对传承内容和受传对象赋予自主点播学习的访问权限；通过设置文件共享、桌面共享等方式创建与该职业技能相关的教学资源归档文件；在接到点播请求后将启动该职业技能的URL链接，通过播放该职业传承内容的视频信息进行观摩学习；在视频播的过程中将学习记录发送至服务器，使传承者可以及时获取受传承对象的自主点播学习情况。

2.在线课程学习

Adobe Connect在线课程系统在职业技能传承的课程、课程表和虚拟教室等方向为在线课程学习提供技术保障。在线课程学习过程是建立职业技能传承内容数据库，包括汇总性职业技能内容、某一职业技能内容以及基于访问权限的职业技能内容；然后将职业技能内容库中相关课程与受传承对象关联，通过设置评估测试来避免在没有完全掌握该职业技能课程内容前而退出学习的情况；跟踪受传承对象的学习进度使其下次进入在线课程学习时可以在上次离开的位置继续学习课程；以学生登记、访客登记、URL权限等三种访问级别开展虚拟教室职业技能传承会话；职业技能传承者为受传承对象定制学习计划并依此生成课程表；在线课程学习实现不同地域同步按需学习，记录受传承对象的学习过程、学习状态和学习效果。

3.在线项目学习

在线项目学习以Adobe Connect实时联机视频会议系统为基础，将不同地域的受传承对象组织起来共同完成某一项目。在线项目学习过程针对某一具体项目创建一个带有URL地址的虚拟会议室，职业技能传承者按照项目需求对会议室进行布局；参与此项目的受传承对象按项目需求被赋予不同的角色，角色决定其能够执行功能和使用权限；项目会议室由职业技能传承者控制其开关状态，在会议中将完成该项目所需的职业技能资源以视频和音频形式进行传递和共享，同时采用电子白板、分组私聊、实时音频和实时视频等形式进行项目讨论。

五、结论

本文从智慧学习环境的云平台基础设施、数据中心以及云服务三个方面管理职业技能传承虚拟资源，采用动作捕捉技术记录学习者在知识获取、技能传承互动、技能协作实训等过程；采用信息物理系统技术在物联网环境感知的基础上实现人、机、物的互联与深度融合；采用大规模流媒体技术以Adobe Connect为底层支撑，实现在线学习、自主学习管理、学习内容管理等服务功能，为职业技能传承智慧学习环境的构建提供一定的理论支持，为智慧学习环境的硬件系统配置和软件系统设计提供指导。

[1] 黄荣怀,杨俊锋.从数字学习环境到智慧学习环境——学习环境的变革与趋势[EB/OL]. http://www.doc88.com/p-341802106300.html,2016-01-02.

[2] 徐显龙,钱冬明.职业教育智慧学习环境的设计及应用情景研究[J].华东师范大学学报,2014,(3):60-69.

[3] 张永和,肖广德等.智慧学习环境中的学习情景识别[EB/OL]. http://www.docin.com/p-465252555.html,2016-01-02.

[4] 李葆萍,江绍祥等.智慧学习环境的研究现状和趋势[EB/OL]. http://www.doc88.com/p-4032100780843.html,2016-01-05.

[5] 王凤琦,陈守强.智慧学习环境的设计与构建[J].辽宁师范大学学报,2013,36(6):964-891.

[6] 王中杰,谢璐璐.信息物理整合系统研究综述[J].自动化学，2011,37(10):115-116.

[7] 杨现民,余胜泉.智慧教育体系架构与关键支撑技术[J].中国电化教育,2015,(1):77-84.

责任编辑：赵兴龙

The Intelligent Study Environment Support Technology of Professional Skill Inheritance

Cao Yuhong1, Yuan nanhui1, Mao Juncheng2
(1.College of Educational Technology and Communication, Guangdong Polytechnic Normal University, Guangzhou Guangdong 510665; 2.Guangzhou Yixuejiuhui Software Company Limited, Guangzhou Guangdong 510623)

The intelligent study environment during the transmission of cloud platform is vocational skills education resources to serve the mass user groups, support the key to effective gathering huge amounts of data. Intelligent study support technology is the foundation of implement vocational skills inheritance wisdom learning environment. In this paper, on the basis of interpreting the connotation of the intelligent study environment, using third-party cloud platform AppScale to open source projects set up vocational skills study environment. The inheritance intelligent cloud platform is built with a cluster of servers, storage devices and network infrastructure, such as deployment on physical server virtualization component Xen and cloud computing management system, which are used to realize the virtual resource pool management and provide service on demand. The learners are recorded with a motion capture technology in knowledge acquisition and skill inheritance process, such as interaction and collaboration skills training,Physical systems, which are using the information technology from the Internet environment perception on the basis of realizing man,machine, the interconnection of content and depth of fusion. The large-scale streaming media technology in Adobe Connect to the underlying support is used to realize the self-study, self-managements online.

The Intelligent Study Environment; Cloud Platform; Scene Identification

G434

：A

1006—9860(2016)03—0087—05

曹育红：博士，副教授，研究方向为职业教育技术、职业技能智慧传承(yuhongcao@126.com)。

袁南辉：教授，研究方向为教育技术(ynhzhj@163.com)。

2016年1月11日

* 本文受教育部人文社科研究项目“智慧学习环境下师徒共同体职业技能传承模式研究” (项目编号：15YJA880003)资助。