教育云的本體設計、開發與評價

楊志和

(上海電機學院 電子信息學院, 上海 201306)

教育云的本體設計、開發與評價

楊志和

(上海電機學院 電子信息學院, 上海 201306)

在分析國內、外教育云應用現狀的基礎上，探討了教育云的概念模型，構建了教育云的概念詞匯表，描述并構建了教育云的領域本體；對教育云的領域本體進行了系統評價,并在評價過程中不斷改進和完善。

教育云; 云服務; 領域本體; 本體開發; 本體評價

云計算技術在教育信息化領域中的應用系統被稱之為“教育云”。教育云將以云服務的形式向教育機構、教育從業人員和學員提供教育信息化所必須的一切軟、硬件服務和教育資源服務，是未來教育信息化的基礎設施(Infrastructure)。借助海量、開放的教育資源大平臺，使學生不再局限于在課堂上學習。教育云平臺的各種資源為學生提供了一個無墻的課堂。

近年來，越來越多的教育云平臺不斷涌現出來。美國確立了教育云優先政策，于2011年啟動了“教育部數據中心整合計劃”和“北卡羅萊納州教育云工程”。美國高等教育的教育云應用實例有Coursera、Udacity和EDX等開放教學聯盟。日本政府從2014年下半年起嘗試推行一種基于云數據中心、電子書包和電子課本的新型“云+端”的教育體系。該新型教育體系將在十多所小學、初中以及高中學校試行，并計劃于2016年在全國范圍以及海外全面推廣、普及。日本九州大學將通過基于云計算環境的實踐課，幫助學生理解可通過數千臺計算機立即運行計算密集型任務的云計算管理系統、設計應用程序以及云基礎設施。英國也正積極推廣高等教育云服務，僅2011年就投入了1250萬英鎊為大學教育和科研提供云計算服務。韓國主要積極推廣中、小學云服務，于2011年投入逾20億美元在中、小學校推廣電子課本，預計到2015年全面淘汰紙質課本，通過教育云提供資源服務[1]。

目前，國內教育云產業仍處于起步階段。2010年10月，IBM與北京工業大學建成了中國首個基于刀片集群的科教云項目，開創了中國教育科研機構全新的IT資源服務及供應模式。無錫市電化教育館利用曙光企業級云計算中心解決方案，以“胖中心瘦學校”模式，構建了無錫教育公共服務云平臺。該平臺打破了地區和學校界線，整合了全市各類教育資源，建立和完善了優質資源共享體系，減少了重復投資，提高了資源利用率。2011年9月，深圳寶安區教育信息化綜合應用云服務平臺開通，為寶安教育系統近50萬師生、學生家長和廣大市民提供公共的教育信息化云服務。四川綿竹市利用地震重組的機會，在思科公司“思蜀援川”項目的幫助下，建立了綿竹教育城域網“教育云”管理平臺，網絡管理到每一位上網用戶，集中體現了“規范管理、服務教育應用”的宗旨。同時，賽爾網絡、聯想公司和廣東全通教育股份有限公司等機構都構建了自己的“教育云平臺”[2]。顯然，教育云產業前景光明，越來越多的教育應用逐漸以云服務的形式運行在電子書包、平板電腦、智能手機和智能電視等云端學習設備當中。

有效地描述、組織和管理教育云及云服務的領域知識，并加以統一和標準化，是云計算環境下數字化學習系統交互和協作的基礎[3]。然而，中國現有的基于學習對象元數據的描述模型擴展性不足，中國網絡教育技術標準體系(Chinese E-learning Technology Standards, CELTS)已較陳舊，難以很好地滿足教育云服務的語義描述的需求，更難以實現大量云服務的智能管理和搜索，嚴重制約了各教育云之間服務的共享和互操作[4]。

本體(Ontology)作為語義網的核心技術之一，是解決知識交互、知識共享和知識重用的一個有效方法，是描述概念層次結構和語義模型的最好工具。標準化的領域本體為異構的信息系統之間的互操作提供了基本通道[5]。本體的目標是捕獲領域相關的知識，對領域內的知識及其關系進行表示，是術語、詞匯、概念、定義以及關系的集合；它通過描述領域內的知識的概念層次結構來實現語義層的交流與互操作，其作用類似于字典或術語表，但它包含更多的細節和結構，有利于計算機對它們進行自動化處理[6]。

本文將本體應用在教育云的描述與管理上，既可實現教育云之間的互操作，也可利用本體來發現最適合用戶的云服務，從而根據語義發現和選擇特定的教育云服務，來滿足云端用戶“隨需而變”的云服務需求。

1 教育云的概念模型

教育云是教育技術系統發展到云計算時代的產物。為了更好地滿足學習者利用云服務進行個性化自主學習，教育云的應用實例必須充分準確地把握教育云的全局概念模型。教育云對于云端用戶表現出來的是一個技術透明的、無縫互聯的、按需索取的教育資源服務池[7]。這里，資源服務池本質上區別于資源庫，資源服務池不是各部分之和，它表現為一個有機整體，所有的數據、資源與應用都以服務的形式加以描述。從云端用戶的角度看，教育云的概念模型主要有身份層、角色層、服務層和IP層等4層組成，如圖1所示。

圖1 教育云的概念模型Fig.1 Conceptual model of education cloud

(1) 身份層表現為基于身份的互動。主要是基于商業上的服務等級協議，給予用戶不同身份的用戶帳號。用戶包括人員、組織機構代表等。

(2) 角色層表現為基于角色的互動。主要是對用戶進行分類管理并實施相應操作權限的控制；特定的角色與特定的權限是對應的。角色主要包括學習者、教師和管理者等。

(3) 服務層表現為基于服務的互動。基于云服務的模式對教育資源進行組織、管理和應用，在內容上提供從設計、開發、利用、管理到評價的全方位的云服務,在技術上實現面向用戶的透明服務。

(4) IP層表現為基于IP的互動。主要是教育云的服務庫和云數據中心，通常包括數據服務、計算服務和云存儲等基礎設施服務。IP層是系統的技術層，是上層賴以存在的平臺基礎。圖1中用深色區域表明IP層對教育領域的用戶是透明的，即用戶無需關心的。

教育云主要提供過程類和資源類的云服務，而云服務的結果表現為一定等級的服務水平。過程類的云服務通常包括角色、活動目標和事件3個要素；資源類的云服務又可細分為內容類、工具類和生成類等3種類型的資源服務。而這兩種云服務都必須經歷設計、開發、使用、管理和評價等5個生命周期，相應地產生設計、開發、使用、管理和評價5種服務。圖2給出了教育云的部分概念空間。

圖2 教育云的部分概念空間Fig.2 Part of concept circumscription ofthe education cloud

教育云是教育技術系統的一個子類，是教育資源的管理與整合平臺，它對外所提供的服務即教育云服務。教育云服務包括3個層次: 教育數據服務(Education Data as a Service, EDaaS)、教育應用軟件服務(Education Software as a Service, ESaaS)和教育平臺服務(Education Platform as a Service, EPaaS)。教育云的總體結構如圖3所示。

圖3 教育云的總體結構圖Fig.3 Overall structure of the education cloud

EDaaS主要向用戶提供教育數據服務，按照數據服務的來源可分為3種類型[8]: ① 預設性資源,如課件、素材、電子書等；② 生成性資源，如日志、作品、電子學檔等；③ 社會性資源，如博客、微內容等。

ESaaS主要包括學習工具、協作交流工具、搜索工具等教育支撐軟件服務或學習工具軟件服務。

EPaaS是為解決第三方獨立云服務接入教育云的問題而提出的一個服務接入開放框架(Service Access Open Framework)，即提供PaaS服務，主要向應用人員開發各類面向教育云的應用軟件服務，提供開發環境和公用應用程序編程接口(Application Programming Interface, API)等。

另外，通用云基礎架構層(IaaS)是與具體應用領域無關的云服務基礎設施，為用戶提供數據中心、服務器、存儲器和網絡等硬件設施的使用服務，用戶根據使用情況付費。

2 教育云的概念詞匯表

教育云概念詞匯表是為構建教育云主題領域本體而提供的參考信息的概念和梳理的基本術語的定義[9]。通常，該概念詞匯表需要不斷完善和規約。本文歸納了教育云的部分概念及其解釋，如表1所示。

本文分析了本體的概念和性質,采用了一種基于面向對象的描述方法，可輕松地描述數量龐大、關系復雜的本體內的各種邏輯關系,同時為語義網的邏輯層的自動推理奠定了基礎。

表1 教育云的部分概念詞匯表Tab.1 Portion of concept glossary of the education cloud

云服務描述模型用于描述云服務的屬性和方法，如服務實體、服務可以實現的功能，以及服務的性能參數等。本文分析、確立了云服務的描述模型，表2給出了云服務類的屬性信息表。

表2 云服務類的屬性信息表Tab.2 Attribute information table of cloud services class

教育云提供云服務的具體交付細節由服務水平等級協議(Service-Level Agreement, SLA)來規定，即SLA界定了云服務提供者承諾以怎樣的服務水平給服務請求者提供云服務[10]。云服務的服務水平描述模板的屬性信息如表3所示。

表3 服務水平描述模板屬性信息表Tab.3 Attribute information table of service level description template

3 教育云的領域本體

本文采用領域特征分析的方法來對本體建模。該方法可充分體現領域本體所需要的3個特性: 可擴展性、進化性、共享和重用性。基于領域特征分析的本體構建的過程可以細分為以下步驟[11]: ① 領域信息的收集與分析；② 重點概念和關系的確定；③ 建立本體框架；④ 形式化的編碼；⑤ 確認與評價；⑥ 進化。

本文根據教育技術的定義和云服務的作用，將教育云分解為5個子系統: 設計云、開發云、應用云、管理云、評價云等。教育云與相關子系統間的關系如圖4所示。

圖4 教育云的相關子系統的關系圖Fig.4 Related subsystem relationship inthe education cloud

本文使用Protégé開源的可視化工具描繪了教育云的領域本體，所構建的類、屬性和關系如圖5所示。

對教育云的本體形式可表示為

Education_Cloud={Education_Design_Cloud, Education_Development_Cloud, Education_Utilization_Cloud, Education_Management_Cloud, Education_Evaluation_Cloud}

整個教育云的環境本體包括云服務請求者本體、云服務提供者本體和教育云本體。其中，教育云本體包括服務過程本體、服務水平本體、服務質量本體、計量與統計本體和教育資源本體。它們的關系如圖6所示。

教育云的服務過程本體借助IOPE[12](Inputs,Outputs,Precondition, Effects用于描述Web服務的4個要素)來描述服務過程本體：

Cloud_Service_Process={Process_Model, Process_Participant, Service_Capability, Process_Precondition,Process_Circumstances, Process_Input, Process_Output, Service_Effect}

故可構建出教育云的服務過程本體結構圖如7所示。

教育云的服務水平本體包含服務水平描述(Service Level Description, SLD)、服務水平分類(Service Level Classification, SLC)(如金牌服務、銀牌服務和銅牌服務等)、服務等級協議(Service Level Agreement, SLA)和服務類關聯信息(Service Class Relation Information)等。教育云的服務水平本體的形式化可表示為

Cloud_Service_Level={Service_Level_Description, Service_Level_Agreement, Service_Level_Classification, Service_Class_Relation_Info}

其中

Service_Level_Classification={Bronze_Medal_Service, Silver_Medal_Service，Gold_Medal_Service}

圖5 教育云的領域本體Fig.5 Domain ontology of education cloud

圖6 教育云的概念模型中的本體關系圖Fig.6 Ontology relationship in the conceptualmodel of the education cloud

因此，可以構建出教育云的服務水平本體結構圖如圖8所示。

教育資源本體ERO的的定義可形式化表示為

Education_Resource=ER(General, Technical, Lifecycle, Educational, Classification, Relation)={ER.General, ER.Technical, ER.Lifecycle, ER.Educational, ER.Classification, ER.Relation}

由于篇幅限制，本文對于開發的教育云本體的內容只做方法和過程的描述，不再列舉其他的本體細節。

4 本體的評價與改進

為使本文所開發的本體有更廣闊的應用前景，使其更好地發揮本體的知識共享的作用，必須對該本體進行系統性的評價。本文采用基于應用的本體評價方法，即將本體應用到具體的項目或應用中，通過評價應用的結果或效果來評價本體的優劣[13]。在應用過程中，選取了完備性、恰當性、可用性、明確性、可擴展性、適用性以及結構合理性等7個評價指標[14]，各指標的具體含義如表4所示。為提高評價的效率，本文假設各評價指標具有相同的權重，且各項指標的取值范圍均有優秀、良好、中等、較差等4個等級；然后通過計算各等級縱向累加之和，其中累加之和最大的等級即為本文本體的總體評價。

圖7 教育云的服務過程本體Fig.7 Service process ontology in the education cloud

圖8 教育云的服務水平本體Fig.8 Service level ontology in the education cloud

筆者以調查問卷的方式對本文設計的教育云本體模型及本體描述信息進行評價。選取的調查對象為教育信息化領域的技術工程師、本體工程師和知識工程師，分別是華東師范大學教育信息化系統工程研究中心的“電子書包資源服務云”項目團隊和上海云未科技股份有限公司的“教育桌云”項目團隊，他們都有著該領域相關項目的建設經驗或知識經驗[3]115-116，能夠結合他們正在開發的教育云項目對本文所開發的教育云的本體模型作出客觀、準確的評價。本次調查共發放問卷60份，收回56份，有效回收率為93.33%。經統計，得到對本體評價的情況如表5所示。

表4 本體的評價指標Tab.4 Evaluation indexes of the ontology

表5 本體評價的各指標評級分布情況表Tab.5 Index rating distribution of ontology evaluation

由表5的統計數據看，評價為“優秀”的有74次、“良好”有156次、“中等”有118次、“較差”有44次，各等級所占評價總數的比例分別為18.88%、39.80%、30.10%、11.22%。

由此可見，本文所構建的教育云領域本體的總體評價是“良好”。但要改善并提高本體的實用性，必須看具體各指標的評級情況，如本文教育云本體的可用性和完備性，還有待進一步完善，這正是本文后續研究工作的內容，將在今后的研究中找出該本體的薄弱的不完善的因素，并加以改善。

5 結 語

本文構建了教育云的本體模型，并對教育云的領域本體進行了設計、開發與評價，使教育云服務具有語義信息和邏輯推理能力，利用本體的概念匹配技術可以查找與云服務消費者需求相匹配的云服務。

本體的開發是一個不斷積累和完善的過程，還需要針對本文中的本體開發出更多的應用實例，開展更多的實踐，來驗證該本體對教育云的管理及云服務互操作等方面的積極作用[15]。同時，教育信息化領域的變化和發展非常迅速，每當出現新的概念或某概念出現一種新的子類時，在本體領域的知識庫中某些相關本體應當及時更新，以反映這種變化，據此，應當持續地對本文中的本體進行更新和完善。

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Design, Development and Evaluation of Education Cloud Ontology

YANGZhihe

(School of Electronics Information Engineering, Shanghai Dianji University, Shanghai 201306, China)

Based on an analysis of the application status of education cloud inside and outside China, the paper discussed a conceptual model of the education cloud. Constructed the concept glossary of education cloud, An education cloud domain ontology is described and built. The domain ontology of education cloud was evaluated systemically and improved continually in the evaluation process.

education cloud; cloud service； domain ontology； ontology development； ontology evaluation

2014 - 07 - 24

國家社會科學基金項目資助(11AXW001)

楊志和(1979-)，男，講師，博士，主要研究方向為云計算與服務工程，E-mail: yangzh@sdju.edu.cn

2095 - 0020(2014)05 -0269 - 08

TP 391

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