職業技能傳承智慧學習環境的支撐技術*

曹育紅，袁南輝，毛俊程

(1.廣東技術師范學院 教育技術與傳播學院，廣東 廣州 510665；2.廣州一學就慧軟件技術公司，廣東 廣州 510623)

職業技能傳承智慧學習環境的支撐技術*

曹育紅1，袁南輝1，毛俊程2

(1.廣東技術師范學院 教育技術與傳播學院，廣東 廣州 510665；2.廣州一學就慧軟件技術公司，廣東 廣州 510623)

智慧學習環境的云平臺是職業技能傳承過程中教育資源服務于大規模用戶群體、支撐海量數據有效匯聚的關鍵。智慧學習構建的支撐技術是實現職業技能傳承智慧學習環境的基礎。該文在闡述智慧學習環境的內涵基礎上，利用云平臺第三方AppScale開源解決項目搭建職業技能傳承智慧學習環境云平臺，通過構建服務器集群、存儲設備和網絡設備等基礎設施，在物理服務器上部署虛擬化組件Xen以及云計算管理系統，實現虛擬資源池的管理和按需提供服務。采用動作捕捉技術記錄學習者在知識獲取、技能傳承互動、技能協作實訓等過程，采用信息物理系統技術在物聯網環境感知的基礎上實現人、機、物的互聯與深度融合，采用大規模流媒體技術以Adobe Connect為底層支撐，實現在線學習、自主學習管理、學習內容管理等服務功能。

智慧學習環境；云平臺；情景識別

一、引言

隨著信息技術的發展，行業領域對從業者的職業技能、學習技能和創新技能提出新的要求，其發展趨勢就是要建構與之相適應的職業技能智慧傳承環境。目前在行業領域沒有產生大規模的職業技能傳承轉移和擴散，其主要原因是缺乏知識傳承擴散的相關條件而使職業技能傳承停留在師徒范圍內。隨著產業結構調整和高新技術的發展，無論在生產部門還是服務部門對具有動手能力強、“技能水平高”的人才需求與日俱增。2015年7月1日國務院出臺《“互聯網＋”行動的指導意見》，緊密配合“中國制造2025”，通過將制造業與互聯網融合來提升制造業的數字化、網絡化、智能化水平；采用協同制造模式促進產業鏈的協作發展。將中國制造向智能制造、網絡化協同制造和大規模個性化制造方向推進，構建基于“互聯網+”的協同制造公共服務平臺，促進中國制造產業網絡化生態體系的良性循環。“互聯網+”職業技能傳承的發展趨勢就是要建構與之相適應的職業技能傳承智慧學習環境，這有助于為國家、社會和企業培育職業技能與崗位匹配的人才，并將在提高勞動者素質、促進就業、實現經濟增長方式轉變和延遲就業、緩減就業壓力、促進地方經濟社會發展、增進社會和諧穩定中起到促進作用。

二、智慧學習環境的內涵

智慧學習環境是一種能感知學習情境、識別學習者特征、提供合適的學習資源與便利的互動工具，能夠自動記錄學習過程、評測學習效果，促進學習者有效學習的場所或活動空間[1]。智慧學習環境實現物理環境與虛擬環境的融合，為師徒共同體職業技能傳承模式提供新的思路，通過師徒共同體中師徒之間和內部其他成員之間的職業技能傳承、互動交流、資源共享等活動，把職業技能的隱性知識顯性化為共同體可以表達的知識；通過師徒共同體成員的內化吸收，轉化為成員個體特有的隱性知識，促進師徒共同體成員職業技能的提升和發展。在信息化背景下智慧學習環境是職業技能傳承對學習環境發展的訴求，是有效促進職業技能傳承模式和傳授方式變革的支撐條件。

智慧學習環境已成為全球關注的研究領域，國外研究主題具有鮮明的地域特色，其中智能學習環境的結構功能、適應性學習支持的策略及算法、智慧學習環境的教學策略和案例等是最受關注的研究主題。隨著信息技術在職業教育中的應用，未來教室環境、數字技術支持的創新教學以及師生對學習環境的體驗等正逐漸成為研究熱點，對智慧學習環境在教學性能、學習績效提升、用戶態度和學習體驗等已獲得趨于正面的研究結論[2]。自2008年始開始伴隨著便攜式移動手持設備的普及，可穿戴電腦技術及傳感技術等創新技術在教育中的應用，智慧學習環境中有關學習活動類型的研究趨于多樣化和創新性，學習空間的研究趨于開放性和虛擬性，學習交互類型研究趨于多通道化和多層次性，學習體驗研究趨于直觀化和豐富性，學習支持研究趨于個性化和自適應性。在新技術支持下全新的學習空間設計、創新的教學形態、真實的學習體驗、智慧化的學習支持等將成為未來智慧學習環境的研究重點。

三、智慧學習環境的云平臺

智慧學習環境作為一個泛在技術支持下的學習環境，充分利用信息科學技術和人工智能技術實現信息的記錄、傳輸、編輯的智能化、多元化、便捷化，通過大數據的采集、存儲、挖掘、呈現等手段，建立技能傳承模式、傳承風格、傳承態度和傳承創新模型[3]。職業技能傳承智慧學習環境的云平臺是職業技能傳承過程中教育資源服務于大規模用戶群體、支撐海量數據有效匯聚的關鍵。云平臺在服務器、存儲、網絡等方面提供高可用、高穩定性能的基礎設施支持，包含數據中心、云部署管理軟件、虛擬化組件和云計算管理系統構成。對于智慧學習環境的云平臺依托開源解決方案進行搭建，采用計算虛擬化和存儲虛擬化技術將數據中心虛擬化，在智慧學習環境云平臺中管理人員利用管理系統定制云平臺管理規則，學習者根據自身的需求利用職業技能教育資源管理系統申請相關學習內容。云平臺首先對學習者的合法性進行審批，然后根據學習者的申請學習內容云平臺自動對虛擬機的類型和容量進行匹配，配置虛擬機服務器硬件及所需的軟件和應用，最后虛擬服務器將學習計劃、學習內容和學習進度傳輸給智慧學習環境中的學習者。

(一)云平臺基礎設施

智慧學習環境云平臺建設首先是云平臺基礎設施的設計、開發與部署，針對XaaS 多層次結構，基礎設施層、面向職業技能傳承的應用層虛擬化成統一平臺是智慧學習環境云平臺構建的關鍵。IaaS層提供基礎架構服務，重點建立職業技能行業領域資源信息基礎架構，對服務器、存儲器實現虛擬化管理，對職業技能資源實現動態分配、動態部署、動態配置和自動回收，實現性價比好、可靠性高、擴展能力強和按需使用的彈性基礎設施。為保障運轉云服務環境的可用性和穩定性，IaaS層采用數據多級存儲、數據系統備份和數據系統恢復方式為職業技能行業領域資源存儲提供服務，為職業技能行業領域海量資源的存儲和應用提供綠色安全保障服務。在安全信息空間層次提供病毒防護、流程監控與控制等有效的服務，為安全、高可用性的職業技能傳承智慧學習環境云平臺提供基礎支撐。

云平臺基礎設施的構建采用整合和創新的技術路線。整合來自第三方的解決方案或區域范圍內現有的云設施平臺資源，利用云平臺開源項目搭建職業技能傳承智慧學習環境云基礎設施研究平臺[4]。對于職業技能傳承過程中各類傳承群體日益增長的網絡化存儲需求采用高可用性、可擴展云存儲技術提供支撐服務，適應智慧學習環境下云平臺資源和服務動態部署和云工作流的整合。職業技能傳承智慧學習環境云平臺采用開源的AppScale 進行擴展， AppScale 環境包括應用負載均衡器節點、應用服務器節點、數據庫管理節點和數據庫被管節點，如圖1所示。利用其應用服務器提供的云計算應用作為執行環境，使用分布式文件系統HDFS、關系型數據庫MySQL 集群和NoSQL 數據庫等進行多種數據存儲，調用分布式系統基礎架構Hadoop 的MapReduce編程模型，實施大規模數據分析和處理操作；依托AppScale 平臺可以實現統一認證與授權、緩存、電子郵件等功能。

圖1 AppScale環境

應用負載均衡器節點可以部署、運行和監管開發者提交的應用，根據應用負載的變化增加或減少資源；接收并認證最終用戶的服務請求。應用服務器為應用提供分布式運行環境，數據庫管理節點和被管節點一起為應用提供可伸縮和可靠的分布式存儲服務。

眾所周知，用戶的需求多種多樣，并且處在快速變化的過程當中。云平臺必須能夠提供與用戶需求相適應的敏捷云服務。所謂敏捷，是指按照定制的業務流程，靈活地裝配和集成云服務，為用戶提供個性化解決方案，真正做到“按需使用，隨需應變”。云計算數據中心和云平臺分別實現了基礎設施和操作系統級別的敏捷性，但是還不支持應用(云服務)級別的敏捷性。

(二)云計算數據中心

云計算數據中心的建設首先構建服務器集群、存儲設備和網絡設備等基礎設施，然后在物理服務器上部署虛擬化組件Xen，使得每臺物理服務器可以同時運行多個虛擬機實例，最后部署云計算管理系統，實現虛擬資源池的管理和按需提供服務。數據中心的整體結構如圖2所示。

圖2 云計算數據中心

云計算數據中心的云控制器節點負責用戶和所有虛擬化資源的管理，管理人員和用戶通過Web、REST 和SOAP 接口訪問服務；同時云控制器節點部署簡單存儲服務Walrus，用于虛擬機鏡像以及用戶數據的存取，Walrus 采用“存儲桶+對象”的方式組織數據，一個對象對應一個文件。云計算數據中心包含多個計算機集群，每個集群又包含多個物理節點，即物理服務器；集群控制器節點在集群范圍內部署和監控虛擬機實例，在虛擬機之間構建虛擬網絡。每個物理節點上安裝的節點控制器負責接收集群控制器的指令，通過Xen 組件管理虛擬機實例的創建、執行、監控和銷毀。存儲控制器節點為虛擬機實例提供持久化的塊存儲服務，按照需要把物理存儲設備以邏輯卷的形式加載到虛擬機實例上[5]。

(三)云服務的實現

對數據、應用和流程三個層次提供云服務的集成框架如右圖3所示，其中，PetalsESB 是適合廣域網環境的分布式服務總線，提供消息路由機制，支持多種通信協議和數據格式的轉換；PetalsESB 的負載均衡組件保證服務總線不會存在單點失效問題；工作流管理組件提供BPEL(Business Process Execution Language，業務流程執行語言)編輯器和執行引擎；服務治理組件在注冊信息庫中保存所有服務的元數據，用于云服務的注冊和查找；服務監控組件對云服務流程進行實時監控和分析；分布式服務總線是實現云服務集成的核心組件，負責配置、設計、調試和部署云服務流程的集成開發環境。

圖3 云服務集成實現方案

四、智慧學習環境支撐技術

職業技能傳承智慧學習環境的支撐技術包括動作捕捉技術、情景識別技術和學習技術等主要支撐技術。

(一)動作捕獲技術

職業技能傳承過程中獲取職業技能的顯性知識和隱性知識是很重要的一個環節，采用職業技能傳承智慧學習環境的動作捕獲技術記錄職業技能智慧傳承全過程，建立學習者模型來追蹤傳承過程、分析傳承結果、評測傳承效果。

作為最常用的動作捕獲技術——光學式動作捕捉技術是基于計算機視覺原理利用紅外攝像機跟蹤拍攝目標特定光點，對圖像傳感器上生成的數據進行三角測量來獲得目標的3D空間位置。特定移動光點包括被動式標記點、主動式標記點和時間調制式主動標記點。被動式標記點構造簡單，捕捉范圍大，既沒有運動方式的限制，又可以根據不同捕捉需求靈活變化，其精度可以達到像素極。主動式標記點是為解決被動式系統光球被遮住的問題而采用主動發射光線的LED，由于主動發光可以直接將光線發送至攝影機，這樣就減少光線路線距離而使捕捉范圍更大。時間調制式主動標記點是對主動式系統標記點體積較大、無法捕捉太細致動作的改進，將LED標記點經過自帶的板載處理與高速攝像機進行無線電同步，實現在室外陽光下的運動捕捉。職業技能動作捕獲制作流程如下頁圖4所示。

(二)情景識別技術

職業技能傳承智慧學習環境的情景識別是依托信息物理系統技術在物聯網環境感知的基礎上實現人、機、物的互聯與深度融合。信息物理系統(CPS，Cyber Physical Systems)是基于嵌入式設備的高效能網絡化智能信息系統，將計算技術、控制技術、通信技術等技術融合一體，通過計算單元和物理對象在網絡環境下相互影響的反饋循環實現現實世界與虛擬世界的相互協同和交互，提供實時通信、實時感知、動態控制、遠程精準控制以及信息反饋等方面的功能[6]。CPS融合傳感器技術、自動控制技術、計算技術和網絡技術，將信息系統與物理系統依托網絡聯接成一個大型分布式實時系統。CPS體系架構分為感知層、網絡層、認知層、控制層，如圖5所示。感知層由傳感器、控制器和采集器等感知設備組成，負責感知職業技能傳承環境的物理屬性；其中，網絡層負責將物理環境對象與信息世界相聯建立協同控制的CPS實時網絡，在實現數據交換的同時，為系統提供協同感知服務、實時網絡服務和實時網絡分組傳輸服務；認知層負責對物理世界感知和認識，采用感知數據進行認知計算和推理分析，認知層由認知適配層、管理層和邏輯層組成；控制層則負責制定控制策略，其依據是來自于認知層的認知結果，通過發布遠程控制指令來指揮各個物理設備終端，使得這些終端設備可以協同工作，建立物理世界反饋循環控制系統。

圖4 職業技能動作捕獲制作流程

圖5 CPS體系架構

(三)學習技術

職業技能傳承智慧學習環境中的學習技術是以計算機作為認知工具，系統地應用一種整體性知識來設計、執行、管理和評價職業技能傳承過程中教與學，利用相應的學習工具實現特定職業技能傳承目標[7]。職業技能傳承智慧學習環境學習系統依托Adobe Connect實現自主點播學習、在線課程學習和在線項目學習等功能，其系統功能架構如圖6所示。

圖6 職業技能傳承智慧學習環境學習系統

1.自主點播學習

自主點播學習基于Connect的視頻會議解決方案實現學習內容自主點播。其學習過程是首先錄制職業技能傳承教學活動，為該職業技能分配一個唯一的可點播的URL地址；然后對傳承內容和受傳對象賦予自主點播學習的訪問權限；通過設置文件共享、桌面共享等方式創建與該職業技能相關的教學資源歸檔文件；在接到點播請求后將啟動該職業技能的URL鏈接，通過播放該職業傳承內容的視頻信息進行觀摩學習；在視頻播的過程中將學習記錄發送至服務器，使傳承者可以及時獲取受傳承對象的自主點播學習情況。

2.在線課程學習

Adobe Connect在線課程系統在職業技能傳承的課程、課程表和虛擬教室等方向為在線課程學習提供技術保障。在線課程學習過程是建立職業技能傳承內容數據庫，包括匯總性職業技能內容、某一職業技能內容以及基于訪問權限的職業技能內容；然后將職業技能內容庫中相關課程與受傳承對象關聯，通過設置評估測試來避免在沒有完全掌握該職業技能課程內容前而退出學習的情況；跟蹤受傳承對象的學習進度使其下次進入在線課程學習時可以在上次離開的位置繼續學習課程；以學生登記、訪客登記、URL權限等三種訪問級別開展虛擬教室職業技能傳承會話；職業技能傳承者為受傳承對象定制學習計劃并依此生成課程表；在線課程學習實現不同地域同步按需學習，記錄受傳承對象的學習過程、學習狀態和學習效果。

3.在線項目學習

在線項目學習以Adobe Connect實時聯機視頻會議系統為基礎，將不同地域的受傳承對象組織起來共同完成某一項目。在線項目學習過程針對某一具體項目創建一個帶有URL地址的虛擬會議室，職業技能傳承者按照項目需求對會議室進行布局；參與此項目的受傳承對象按項目需求被賦予不同的角色，角色決定其能夠執行功能和使用權限；項目會議室由職業技能傳承者控制其開關狀態，在會議中將完成該項目所需的職業技能資源以視頻和音頻形式進行傳遞和共享，同時采用電子白板、分組私聊、實時音頻和實時視頻等形式進行項目討論。

五、結論

本文從智慧學習環境的云平臺基礎設施、數據中心以及云服務三個方面管理職業技能傳承虛擬資源，采用動作捕捉技術記錄學習者在知識獲取、技能傳承互動、技能協作實訓等過程；采用信息物理系統技術在物聯網環境感知的基礎上實現人、機、物的互聯與深度融合；采用大規模流媒體技術以Adobe Connect為底層支撐，實現在線學習、自主學習管理、學習內容管理等服務功能，為職業技能傳承智慧學習環境的構建提供一定的理論支持，為智慧學習環境的硬件系統配置和軟件系統設計提供指導。

[1] 黃榮懷,楊俊鋒.從數字學習環境到智慧學習環境——學習環境的變革與趨勢[EB/OL]. http://www.doc88.com/p-341802106300.html,2016-01-02.

[2] 徐顯龍,錢冬明.職業教育智慧學習環境的設計及應用情景研究[J].華東師范大學學報,2014,(3):60-69.

[3] 張永和,肖廣德等.智慧學習環境中的學習情景識別[EB/OL]. http://www.docin.com/p-465252555.html,2016-01-02.

[4] 李葆萍,江紹祥等.智慧學習環境的研究現狀和趨勢[EB/OL]. http://www.doc88.com/p-4032100780843.html,2016-01-05.

[5] 王鳳琦,陳守強.智慧學習環境的設計與構建[J].遼寧師范大學學報,2013,36(6):964-891.

[6] 王中杰,謝璐璐.信息物理整合系統研究綜述[J].自動化學，2011,37(10):115-116.

[7] 楊現民,余勝泉.智慧教育體系架構與關鍵支撐技術[J].中國電化教育,2015,(1):77-84.

責任編輯：趙興龍

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

曹育紅：博士，副教授，研究方向為職業教育技術、職業技能智慧傳承(yuhongcao@126.com)。

袁南輝：教授，研究方向為教育技術(ynhzhj@163.com)。

2016年1月11日

* 本文受教育部人文社科研究項目“智慧學習環境下師徒共同體職業技能傳承模式研究” (項目編號：15YJA880003)資助。