基于云计算的智慧学习环境探究*

杨 澜 曾海军 高步云



基于云计算的智慧学习环境探究*

杨 澜1,2曾海军1高步云1

（1．北京师范大学 互联网教育智能技术及应用国家工程实验室，北京 100875；2．北京师范大学 教育学部教育技术学院，北京 100875）

针对智慧学习环境建设的需求，文章首先解读了云计算和智慧学习环境的内涵，在此基础上设计了基于云计算的智慧学习环境模型；随后设计了基于云计算的智慧学习环境架构，最后构建了基于云计算的智慧学习环境建设机制，以分别为建设基于云计算的智慧学习环境提供理论支持和技术支撑。基于云计算的智慧学习环境是信息时代智慧学习环境发展的新样态，对开展云计算和智慧学习环境的相关研究具有重要意义。

云计算；智慧学习环境；架构设计；建设机制

基于云计算的智慧学习环境（Smart Learning Environment based on Cloud Computing，SLECC）是信息时代智慧学习环境发展的新样态。随着信息技术的迅速发展和教育服务模式的创新升级，云计算已成为智慧教育发展的重要引擎。2016年6月，教育部出台《教育信息化“十三五”规划》，提出要积极利用云计算、大数据等新技术，创新管理平台的建设和应用模式[1]。2017年3月，工业和信息化部印发《云计算发展三年行动计划（2017-2019年）》，指出云计算是信息化发展的重大变革和必然趋势，能为大数据、物联网、人工智能等新兴领域的发展提供基础支撑[2]。而智慧学习环境是教育信息化发展进程中数字学习环境的高端形态，通过物理环境与虚拟环境的融合来满足学习者正式学习和非正式学习的需求，真正为学习者提供全方位、多角度、自适应和个性化的学习支持与服务。

一 内涵解读

1 云计算

关于云计算的界定主要从资源获取、技术支持和获取途径等方面展开，如美国国家标准与技术研究院认为，云计算是一种模式，能够实现随时随地、快捷便利、随需应变地从可配置计算资源共享池获取所需资源（如网络、服务器、存储、应用及服务等），这些资源能够快速供应并释放，使管理工作量及与服务供应商的交互降到最低限度[3]；Youseff等[4]指出，云计算是面向服务的架构、分布式计算、网格计算和虚拟化等多种技术融合的产物；IBM提出，云计算是一种通过网络按需提供计算资源（从应用到数据中心都属于计算资源）和按使用付费的基础架构[5]。综上可知，云计算拥有快速、弹性地提供资源的能力，能以最少的管理工作量或通过与服务供应商的交互来快速部署和释放资源。在云计算背景下，云和端都具有传统模式所不可比拟的优势，但在使用进程中用户的安全和隐私等问题也不容忽视。

2 智慧学习环境

对于智慧学习环境的内涵，学者纷纷提出了自己的不同理解。如吴洪艳[6]从技术角度对智慧学习环境进行了解读，认为智慧学习环境的建设需要云计算、分析技术、网络技术等信息技术的支持，来最终实现学习者特征的动态识别、资源及路径的适应性推荐、过程数据的动态分析和学习成果的综合评价，强调智慧学习环境建设的灵活性和互动性；黄荣怀等[7]从功能角度对智慧学习环境进行了解读，提出智慧学习环境可以实现学习情景感知、学习者特征识别、学习资源与便利互动工具的提供、学习过程的自动记录和学习成果评测，强调最终目标是促进学习者的有效学习，并认为学习方式是智慧学习环境的六大组成部分之一。

二 基于云计算的智慧学习环境模型

基于对云计算和智慧学习环境的内涵解读，本研究设计了基于云计算的智慧学习环境模型，如图1所示。

图1 基于云计算的智慧学习环境模型

在基于云计算的智慧学习环境模型中，智慧学习环境能够实现物理环境与虚拟环境的融合，促进学校、家庭与社会的无缝衔接，支持学习者的正式学习与非正式学习，并提供自适应与个性化的学习支持及服务；虚拟现实、增强现实与全息投影等技术促进了物理环境的延展和虚拟环境的沉浸，有利于智慧学习环境的建设；人工智能技术的兴起，使学习环境朝着更加个性化、适应性、服务于终身学习的智能普适学习环境方向发展[8]；物联网被大量应用于智慧学习环境（如智慧教室等）的建设中，能够实现人人互联、人物互联和物物互联；大数据、学习分析与情感计算能够收集、分析、存储、管理教学过程中产生的大量数据，并提供教学诊断和反馈结果，帮助教师实现高质量的教学；机器人则可以实现“寓教于乐”的教育理念，促进学生与教师的情感交流。

智慧教育依托智慧学习环境，旨在培养学习者的终身学习能力和创新创造能力。而在信息技术高速发展的进程中，学习环境不断发生变化，终身学习理念也随之逐渐深入人心。在此背景下，非正式学习逐渐得到重视和关注。基于云计算的智慧学习环境在多种新兴技术的支撑下，能更好地支持场馆学习、STEAM教育、深度学习等非正式学习方式，并促进教学交互：场馆学习最初被称为“博物馆学习”，现指在博物馆、科技馆、图书馆等一系列非正式学习场景中发生的学习；STEAM教育架起了正式学习与非正式学习的“桥梁”，作为学习方式之一的STEAM教育正呼唤学习空间的变革，并致力于创新创造能力的培养；智慧学习环境中教学交互的根本指向是引发深度学习的发生，而深度学习历来被认为是学习结果的高级表现形式，其从认知层面区别于浅层学习，是一种主动的、批判性的学习方式，并最终实现有意义学习[9]。

基于云计算的智慧学习环境不仅可以提供给用户便捷、按需的网络访问和资源共享路径，还能在一定程度上满足用户个性化、智能化的学习需求——需指出的是，这里的“用户”并不限于学生和教师。基于云计算的智慧学习环境模型的提出，在一定程度上回应了社会信息化对学习环境变革的诉求。此外，为了给基于云计算的智慧学习环境建设提供理论支持与技术支撑，本研究设计了基于云计算的智慧学习环境架构、构建了基于云计算的智慧学习环境建设机制。

三 基于云计算的智慧学习环境架构设计

针对智慧学习环境建设的需要，本研究设计了包含基础层、数据层、云层、服务层和场域层的基于云计算的智慧学习环境架构，如图2所示。

图2 基于云计算的智慧学习环境架构

1 基础层：基于云计算的智慧学习环境的“基石”

基础层包括教学过程中涉及的所有设施，它是基于云计算的智慧学习环境的“基石”。其中，云服务器既是云计算的重要组件，也是基于云计算的智慧学习环境的必要设施。云服务器实现了计算、存储、在线备份、托管和带宽等功能，是提供综合业务的服务平台。摄像机、智能电子白板、智能投影机、智能桌椅、音频增强设备、中央控制系统等硬件设施和手提电脑、平板、手机等移动设备，为教学活动的有效开展提供了平台支持和技术支撑。智创空间由3D打印机、3D扫描仪和教育机器人等基本的创客构件组成，结合相关学习资源（如数字教材等），以跨平台、跨屏幕等形式开展创客教育和STEAM教育[10]。基础层较好地实现了云和端的交互，提高了师生互动的频率，丰富了资源的获取与呈现方式。

2 数据层：基于云计算的智慧学习环境的“发动机”

数据层包含教学过程中产生的所有数据，是基于云计算的智慧学习环境的“发动机”。大量的学生行为数据形成数据流，学生数据库和学生行为数据以数据流的形式每时每刻都在进行着传输、交换与释放；学生和教师之间的交互产生过程数据——学生数据库、学生行为数据与过程数据构成了一个左循环。数据层的架构是高度对称的，因此教师方数据传输、交换与释放的流程与学生方相同，并且教师数据库、教师行为数据与过程数据构成了一个右循环。此外，学生行为数据、教师行为数据与过程数据还构成了一个中循环。左、中、右三个循环通过数据层本身的存储、再生和诊断等功能，以数据流的形式，不间断地为基于云计算的智慧学习环境提供全面的数据服务。

3 云层：基于云计算的智慧学习环境的“中枢系统”

云层由资源云、数据云和服务云三部分组成，是基于云计算的智慧学习环境的“中枢系统”。资源云是校内资源和校外资源的集合，其中资源的内容、形式和种类不受限制。数据云能够支持数据的存储、上传、下载、交换和更新等。经由数据云，资源云和服务云可以进行信息的交流与对话。云层在整个架构设计中承担着“承上启下”的角色——服务云承接服务层，为教学过程提供精准服务和个性化推荐，而资源云的资源被编码成数据流向数据层。

4 服务层：基于云计算的智慧学习环境的“主体”

服务层能够满足教师方备课、授课的基础需求，同时能实现教学过程中学生方的协作与学习，是基于云计算的智慧学习环境的“主体”。服务层的各个功能不分主次与先后，针对用户的需求被灵活取用。其中，服务层的反馈、管理功能可以有效调整并监控教学活动，个性化推荐则丰富了教学方式。

5 场域层：基于云计算的智慧学习环境与外界联系的“通道”

场域是物理学中“场”的概念引申到社会学而形成的术语，强调人与环境的作用[11]。场域层包括公共场所、家庭、学校、社区、工作场所等五大场域和教室、学区、场馆、农村等四大拓展场域[12]，是基于云计算的智慧学习环境与外界联系的“通道”。场域层的设计理念符合5A（Anyone、Anytime、Anywhere、Anydevice、Anyform）学习原则[13]，重点强调多样的设备选择和信息获取方式。人工智能（Artificial Intelligence，AI）、虚拟现实（Virtual Reality，VR）等技术的发展，丰富了场域的内涵和维度。

四 基于云计算的智慧学习环境建设机制

基于云计算的智慧学习环境建设机制包含3层：基础设施层、中间件层和云门户层，涉及基于云计算的智慧学习环境建设机制所需的技术支撑，具体如图3所示。

1 基础设施层

本研究基于云计算管理平台OpenStack、分布式系统基础架构Hadoop和虚拟化技术Xen，设计了基于云计算的智慧学习环境的基础设施层。其中，云计算管理平台OpenStack由控制节点、计算节点、网络节点、存储节点四大部分组成[14]，而部署云计算管理平台OpenStack四大节点的各组件包括镜像服务管理组件Glance、管理授权组件Keystone、控制组件Horizon，计算组件Nova，网络组件Neutron，对象存储组件Swift和块存储组件Cinder。分布式系统基础架构Hadoop包括分布式文件系统HDFS、编程模型MapReduce和分布式存储系统Hbase。虚拟化技术Xen被用来搭建高性能的虚拟化平台。在基础设施层中，闲置资源被高效、便捷地上传到“云”上，完成了整合应用与动态扩容。

图3 基于云计算的智慧学习环境建设机制

2 中间件层

中间件层是连接基础设施层和云门户层的“桥梁”，使基础设施层和门户层更易维护和扩展。中间件是一种计算机软件，可以为操作系统无法直接使用的软件应用提供服务，被比喻为“软件胶水”[15]。中间件由服务节点和资源节点组成——服务节点可以是安装了Linux系统的服务器，也可以是PC；资源节点是具体完成操作任务的节点，可以采用PC机来搭建。中间件主要采用Shell、FTP、Web Service等通信技术，在通信组件、远程文件组件和数据库组件的支持下，利用OpenStack工具集和MySQL数据库等工具完成对服务节点和资源节点的配置与部署，同时在每个节点部署Hadoop来实现资源的创建、分析、下载、管理和存储等。中间件层是对基础设施层功能的封装，并向云门户层提供服务，实现用户通过云门户层对中间件层资源的操作，同时将云门户层的服务请求传达至基础设施层。

3 云门户层

云门户层建立在中间件层的基础上，其建设需要满足云用户和云管理员的需求，同时也要满足云服务供应商的需求[16]。云门户层采用基于模型层（Model）、视图层（View）和控制层（Controller）三个组件的MVC开发模式。云门户层利用J2EE架构和Spring框架搭建Web平台，同时结合Servlet程序为云用户和云管理员的操作提供便捷的接口。云管理员可以对云用户的身份和行为进行认证和管理[17]，以应对基于云计算的智慧学习环境出现不稳定的情况。最终，云门户层向云用户提供的是一个不用承担云服务供应商锁定风险的、灵活的云平台。

五 结语

本研究首先通过解读云计算和智慧学习环境的内涵，设计了基于云计算的智慧学习环境模型。随后，本研究提出了包含基础层、数据层、云层、服务层和场域层的基于云计算的智慧学习环境架构设计，以便为建设基于云计算的智慧学习环境提供理论支持。最后，本研究构建了包含基础设施层、中间件层和云门户层的基于云计算的智慧学习环境建设机制，以便为建设基于云计算的智慧学习环境提供技术支撑。

值得一提的是，云计算的安全问题不仅包含传统信息管理系统存在的安全漏洞，也包含云计算运营和管理过程中产生的一系列安全隐患[18]。云计算的运营安全和管理安全会直接影响基于云计算的智慧学习环境建设的安全性和稳定性。因此，各高校在建设基于云计算的智慧学习环境时应做好运营安全和管理安全的相关工作：一方面，应足够重视建设过程中的云计算安全标准、安全技术和安全管理等问题[19]；另一方面，从源头抓起，加强基于云计算的智慧学习环境建设过程中每一环节的数据安全监管，保护师生隐私[20]。

[1]教育部.教育信息化“十三五”规划[OL].

[2]信息化和软件服务业司.工业和信息化部关于印发《云计算发展三年行动计划(2017-2019年)》的通知[OL].

[3]NIST. The NIST definition of cloud computing[OL].

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[5]IBM. What is cloud computing?[OL].

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Research on the Smart Learning Environment based on Cloud Computing

YANG Lan1,2ZENG Hai-jun1GAO Bu-yun1

Aiming at the needs of smart learning environment construction, this paper interpreted firstly the connotation of cloud computing and smart learning environment. Meanwhile, the model of smart learning environment based on cloud computing (SLECC) was constructed. Then, the architecture of SLECC was designed, and further the construction mechanism of SLECC was built, excepting to provid theoretical and technical support for the construction of SLECC, respectively. The SLECC was a new form of intelligent learning environment development in the information age, and was of great significance to carry out related research on cloud computing and smart learning environment.

cloud computing; smart learning environment; architecture design; construction mechanism

G40-057

A

1009—8097（2018）11—0026—07

10.3969/j.issn.1009-8097.2018.11.004

本文为北京师范大学教育学部学生科研基金资助项目“基于云计算的智慧学习环境设计与应用研究”（项目编号：1712106）的阶段性研究成果。

杨澜，在读硕士，研究方向为教育技术基本理论、智慧学习环境、云计算和大数据等，邮箱为younglan@mail.bnu.edu.cn。

2018年3月9日

编辑：小米