智慧學(xué)習空間架構(gòu)實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)研究

余必勝，蔣凌雁

(中國地質(zhì)大學(xué) 遠程與繼續(xù)教育學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引言

智慧教育是一種新型教育形式，在新的教育理念指導(dǎo)下，引入更多技術(shù)手段傳遞教育信息，滿足智慧學(xué)習的需要。遠程與繼續(xù)教育學(xué)院作為新型教育形式的實踐者，唯有在智慧學(xué)習的浪潮中搶占先機，方能立于不敗之地。對于智慧學(xué)習的研究分為兩個方面：①在理論上研究從教學(xué)結(jié)構(gòu)向?qū)W習結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，以期構(gòu)建指導(dǎo)智慧學(xué)習的基本范式；②在技術(shù)層面上實現(xiàn)智慧學(xué)習空間，找到合適切入點將相關(guān)技術(shù)引入學(xué)習者空間。架構(gòu)智慧學(xué)習空間，涉及到學(xué)習空間的系統(tǒng)模型與通用服務(wù)平臺模型。本研究從架構(gòu)通用服務(wù)平臺模型入手，對涉及到的關(guān)鍵技術(shù)作完整梳理，并對智慧學(xué)習空間的架構(gòu)進行歸納總結(jié)。

1 架構(gòu)模型

1.1 空間系統(tǒng)模型

智慧學(xué)習空間給學(xué)習者提供一個開放的、能夠相互協(xié)商的學(xué)習環(huán)境，并為學(xué)習者學(xué)習提供必要支持條件，幫助學(xué)習者進行有效學(xué)習。智慧學(xué)習空間設(shè)計架構(gòu)包括了網(wǎng)格、集成、代理與開放理念。其中，網(wǎng)格為智慧學(xué)習空間共享教學(xué)資源、改革不合潮流的教學(xué)方式、教學(xué)管理的自動化等提供了技術(shù)支撐；將體現(xiàn)現(xiàn)代教學(xué)理論的學(xué)習適應(yīng)性等集成進智慧學(xué)習空間，為學(xué)習者提供強大的學(xué)習導(dǎo)航功能；目前運用較廣的虛擬現(xiàn)實學(xué)習空間則是代理理念的具體體現(xiàn)；智慧學(xué)習空間同時應(yīng)該具有可擴展性，允許使用者根據(jù)具體情況添加、更新、刪除某些部件或內(nèi)容，用開放的理論完善、優(yōu)化學(xué)習空間[1]。

參照北師大黃榮懷教授的觀點，將智慧學(xué)習空間的組成要素歸納為學(xué)習資源、智能工具、學(xué)習社群與教學(xué)社群等4個要素，學(xué)習者通過學(xué)習方式、學(xué)習活動與4要素互動。通過跟蹤學(xué)習過程與結(jié)果，調(diào)整教學(xué)方式后，經(jīng)智慧決策作用于學(xué)習者，影響學(xué)習者的學(xué)習方式。該學(xué)與教的方式與智慧學(xué)習空間4個組成要素的相互作用，如圖1所示。

圖1 智慧學(xué)習空間系統(tǒng)模型

學(xué)習者個體在智慧學(xué)習空間中，能夠得到學(xué)習資源與智能工具的有力支持，學(xué)習社群強調(diào)學(xué)習者的互動、協(xié)作、交流，個體間交流有效減少了遠程教育中不可避免的學(xué)習孤獨感，維持并促進了學(xué)習者學(xué)習興趣，保障了有效學(xué)習發(fā)生；而在教學(xué)社群里，教師通過學(xué)習交流，互相切磋，共同在專業(yè)上取得進步。

學(xué)習資源是智慧學(xué)習空間最基本的物質(zhì)基礎(chǔ)，它為教學(xué)雙方都提供了內(nèi)容支撐，智能工具則為學(xué)習空間提供全面技術(shù)支持，學(xué)習社群與教學(xué)社群為資源與工具的進化起到了推動作用。

1.2 服務(wù)平臺模型

智慧學(xué)習通用服務(wù)平臺模型分為基礎(chǔ)設(shè)施層、學(xué)習支撐層、學(xué)習應(yīng)用層、訪問層等4層，基于云計算的智慧學(xué)習通用服務(wù)平臺框架如圖2所示?；A(chǔ)設(shè)施層包括基于各種傳感設(shè)備的感知層、基于物聯(lián)網(wǎng)等的傳輸層，以及在此基礎(chǔ)上的資源庫與相關(guān)信息庫等；學(xué)習支撐層由各種信息開放平臺、云計算平臺與服務(wù)支持平臺組成，實現(xiàn)學(xué)習服務(wù)與系統(tǒng)的可擴展、可伸縮，并向上提供模塊化服務(wù)功能；學(xué)習應(yīng)用層是在學(xué)習支撐層的基礎(chǔ)上開發(fā)或集成的各種應(yīng)用系統(tǒng)，如虛擬教室、在線考試、各類資源庫以及視頻會議系統(tǒng)等；訪問層則是學(xué)習者接口，用戶利用各類終端設(shè)備(如瀏覽器)訪問學(xué)習應(yīng)用層提供的應(yīng)用系統(tǒng)與學(xué)習資源。

圖2 基于云計算的智慧學(xué)習通用服務(wù)平臺框架

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 云計算

云計算技術(shù)目前得到業(yè)界廣泛應(yīng)用，大量的公有云與私有云集成計算與存儲資源，使用相對統(tǒng)一的接口提供各自的云服務(wù)。云計算平臺是支撐智慧學(xué)習空間構(gòu)建的關(guān)鍵要素，云平臺的用戶與服務(wù)提供商可以動態(tài)加入或退出。

云計算在智慧學(xué)習空間構(gòu)建中的作用表現(xiàn)為以下方面：

(1)設(shè)備集成與智慧化控制。智慧學(xué)習空間是一個由許多先進技術(shù)支持的泛在技術(shù)學(xué)習環(huán)境，為保證各個技術(shù)系統(tǒng)的模塊化，要求硬件系統(tǒng)必須獨立存在，并需要相應(yīng)軟件系統(tǒng)的支持。智慧學(xué)習空間中進行各種教學(xué)活動與交互活動產(chǎn)生的實時數(shù)據(jù)，需要傳輸與存儲系統(tǒng)的支持。用戶可以根據(jù)需要租用云計算中心提供的存儲、計算與應(yīng)用程序服務(wù)。云計算的廉價解決方案為智慧學(xué)習空間中的資源整合與集成服務(wù)提供了可靠技術(shù)支持。

(2)個性化學(xué)習環(huán)境。學(xué)生利用學(xué)習終端自主到云中心選擇適合自己的學(xué)習模型與學(xué)習媒體，同時選擇適合自己的學(xué)習方式與自我控制學(xué)習過程，實現(xiàn)有效學(xué)習。

(3)安全可靠的數(shù)據(jù)存儲與管理。云計算平臺提供可靠安全的數(shù)據(jù)存儲中心，專業(yè)的團隊管理、嚴格的權(quán)限管理策略能保證數(shù)據(jù)安全，使得學(xué)習資源可以達到有效低成本共享。

(4)數(shù)據(jù)與軟件共享。云計算平臺提供了數(shù)據(jù)與軟件的集成，節(jié)約了智慧學(xué)習空間中的軟件成本，提高了效率。使用智慧學(xué)習空間的教師與學(xué)生在獲得一定的授權(quán)后，可以在任何時間、地點訪問云端資源，實現(xiàn)了資源的有效共享。

(5)學(xué)習個性化。智慧教室中的教師與學(xué)生都是有不同特性的個體。面對不同個體提供的應(yīng)該是個性化學(xué)習支持；不同教師對同一個知識點有不同理解，會采用不同方法進行教學(xué)，需要提供不同教學(xué)資源進行支撐。不同的學(xué)生在同一個知識點上會產(chǎn)生不同的學(xué)習進度與學(xué)習需求，需要不同的學(xué)習資源庫支撐。

2.2 大數(shù)據(jù)

智慧學(xué)習空間構(gòu)建需要使用大量的科學(xué)計算與海量數(shù)據(jù)處理，利用云計算進行動態(tài)資源調(diào)度實現(xiàn)一個可靠且可擴展的計算環(huán)境進行海量數(shù)據(jù)處理，要運用海量數(shù)據(jù)處理編程模型。比較通用的如Google公司設(shè)計的Map-Reduce編程模型，是一種主流海量數(shù)據(jù)處理編程模型，將業(yè)務(wù)邏輯與實現(xiàn)細節(jié)隔離開來，使開發(fā)者能夠?qū)Ｗ⒂跇I(yè)務(wù)邏輯的實現(xiàn)。

智慧學(xué)習空間中的教室錄播系統(tǒng)與各種交互學(xué)習設(shè)備在教學(xué)中會產(chǎn)生海量異構(gòu)數(shù)據(jù)信息。這些數(shù)據(jù)經(jīng)過存儲、處理、查詢與分析后服務(wù)于智慧學(xué)習空間，以更便捷、直觀、易于理解的方式向?qū)W習者提供信息。

從數(shù)據(jù)分析上看，常用的大數(shù)據(jù)分析方法如數(shù)據(jù)挖掘、統(tǒng)計分析、語義與情感分析等可以為豐富智慧學(xué)習空間建構(gòu)研究提供幫助，有助于深入挖掘、分析或預(yù)測智慧學(xué)習空間產(chǎn)生的海量異構(gòu)信息，對所需數(shù)據(jù)進行高效統(tǒng)計，探索不同數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。從數(shù)據(jù)呈現(xiàn)上看，大數(shù)據(jù)分析方法可以更直觀甚至可視化的方式揭示研究結(jié)果內(nèi)部各要素之間的關(guān)系，加深學(xué)習者對研究結(jié)果的理解[2-3]。

運用大數(shù)據(jù)分析方法進行智慧學(xué)習空間架構(gòu)的研究是十分重要與必要的，在幫助研究者科學(xué)、有效、深入挖掘智慧學(xué)習中產(chǎn)生數(shù)據(jù)的同時，借助于相關(guān)研究成果，智慧學(xué)習空間也能為學(xué)習者提供更好的服務(wù)。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)指在指定通信協(xié)議下，通過特征識別體，使用識別設(shè)備把現(xiàn)實物品接入互聯(lián)網(wǎng)，現(xiàn)實物品因而有了數(shù)字特征與網(wǎng)絡(luò)特性，物品、網(wǎng)絡(luò)與人之間可以進行多元信息交換與通信。目前各類傳感器的使用得到極大發(fā)展，理論知識與現(xiàn)實環(huán)境之間有了溝通橋梁，虛擬空間里可以有更真實的體驗，逼真的體驗?zāi)苤苯犹岣邔W(xué)習興趣。這種基于物聯(lián)網(wǎng)的更為優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源，為教學(xué)質(zhì)量的提升提供了堅實的物質(zhì)基礎(chǔ)[4]。

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以拓展學(xué)習空間提供泛在服務(wù)，促進理論知識與實踐相結(jié)合，使學(xué)習活動得以延伸，課堂教學(xué)與學(xué)習活動更加真實有效[5]。

智慧學(xué)習空間物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)架在完整的無線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，利用二維條碼、RFID、傳感器等實現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入與輸出。

2.3.1 RFID子網(wǎng)

RFID射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，主要由標簽與閱讀器組成。運用RFID標簽技術(shù)可以整合學(xué)習環(huán)境，數(shù)據(jù)的輸入與輸出均通過各類卡介質(zhì)傳輸，目前主要應(yīng)用于學(xué)校校門無接觸式自動檢查登記、自動感應(yīng)學(xué)生考勤、宿舍管理、人員定位、會議無線感應(yīng)式簽到、實驗室引導(dǎo)、導(dǎo)游等。

2.3.2 二維碼子網(wǎng)

二維碼又稱QR Code(Quick Response Code)，是目前流行的一種編碼方式，比傳統(tǒng)的Bar Code條形碼能存的更多的信息，而且能表達更多的數(shù)據(jù)類型。二維條碼可分為堆疊式/行排式二維碼與矩陣式二維碼兩類，通過圖像輸入設(shè)備或光電掃描設(shè)備自動識讀以實現(xiàn)信息自動處理。它能存儲大容量信息，占用更小空間(相同信息容量下占條形碼1/10空間)，有效表現(xiàn)各種字體，特別適合日文字母與漢字。它具備強大糾錯功能，部分編碼變臟與破損也能恢復(fù)數(shù)據(jù)，從任意方向讀取，支持數(shù)據(jù)合并。

2.3.3 傳感器子網(wǎng)

傳感器是物聯(lián)網(wǎng)的神經(jīng)末梢，可以檢測出物品的實際數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對物品信息的正確識別。

3 結(jié)語

泛在學(xué)習方式賦予了學(xué)習者空間更多的內(nèi)涵，為傳統(tǒng)音視頻、電子教材教案重新定義了練習與考試，提供了豐富的數(shù)字化資源與工具。多層次的終端設(shè)備，低至智能手機、高至虛擬現(xiàn)實設(shè)備，林林總總，都構(gòu)成了智慧學(xué)習空間的一部分。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)幫助現(xiàn)實的物理對象實現(xiàn)了連通，傳感技術(shù)無障礙感知了學(xué)習環(huán)境，獲取海量的交互數(shù)據(jù)信息；大數(shù)據(jù)分析有助于研究者深入挖掘、分析或預(yù)測智慧學(xué)習空間產(chǎn)生的海量異構(gòu)信息；而云計算通過大量的公有云與私有云，以相對廉價的方式提供了可靠的計算與存儲資源。這些關(guān)鍵技術(shù)在教育領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，收集學(xué)習行為數(shù)據(jù)，分析學(xué)習行為及其中包含的若干關(guān)系，進而判斷學(xué)習是否有效發(fā)生，為學(xué)習決策提供支持，讓學(xué)習者擁有更多的資源選擇機會，從技術(shù)角度完善了智慧學(xué)習空間，形成了智慧學(xué)習生態(tài)。