云環境下區域教育資源共享的分層框架設計研究*

上超望，吳圓圓，劉清堂

(華中師范大學 教育信息技術學院，湖北 武漢 430079)

云環境下區域教育資源共享的分層框架設計研究*

上超望，吳圓圓，劉清堂

(華中師范大學 教育信息技術學院，湖北 武漢 430079)

教育云是未來數字化學習的基本平臺與環境，它為優質教育資源的區域共享提供了一種全新的手段和模式，成為教育資源公共服務平臺建設研究的熱點。該文分析了教育資源共享分層框架的設計需求，提出云環境下面向區域教育資源共享的分層框架模型。該模型采用層次結構展示資源共享建設的全景視圖，具有模塊化、靈活性和可持續擴展等特點，有助于以整體觀的視角推動區域教育資源建設。文章最后給出了模型在區域教育實踐中的典型應用，為區域教育資源云公共服務平臺建設提供了有益的借鑒，為區域內優質教育資源均衡的發展添磚加瓦。

區域教育資源；共享；云計算；分層框架

一、引言

現代信息技術的迅速發展和應用改變了人們學習與生活方式，教育信息化被提升到新的戰略高度。2015年11月，劉延東副總理在第二次全國教育信息化電視電話會議上提出“要進一步完善‘三通兩平臺’工程，努力提升教育信息化促進教育公平的能力，提升數字教育資源開發與服務供給能力，縮小區域教育差距和數字鴻溝，推進教育公平”[1]。“十三五”期間，國家將繼續深入推進“三通兩平臺”工程，推動資源建設與使用的良性互動。教育云是未來數字化學習的基本平臺與環境，教育資源公共服務平臺通過教育云能最大限度實現資源的集約共享，是“三通兩平臺”工程的核心，它服務于教育信息化整體戰略大局，是促進教育均衡發展的關鍵。

凱恩斯定律認為，群體效益的最大化需求決定供給，只要有需求，就會創造供給。區域教育資源共享不是最近才出現的新詞，但一直都是信息技術與教育教學深度融合發展所追求的目標之一，其核心目標在于教育資源區域共同建設開發、共同分享成果、區域互惠互利和區域資源效益最大化[2]。隨著“三通兩平臺”項目的大力推進，廣東省“粵教云”“武漢教育資源公共服務平臺”，以及上海“浦東教育云”等一批具有區域特色的教育資源公共服務平臺項目開展起來，云環境下區域教育資源共享成為研究的熱點。然而，目前的研究成果主要集中于現狀調研、發展策略、服務模式、生態分析、學科應用等方面[3]，也有少部分學者從技術平臺開發角度進行了探討[4]，本文聚焦云環境下區域教育資源從虛擬化封裝到云端多種模式消費的整個共享過程，深入研究并構建云環境下區域教育資源共享的全局框架，以整體觀的視角系統地分析資源共享建設中的多層次問題，推動網絡教育資源建設，充分發揮區域教育資源效益，提升區域教育資源服務供給的質量。

本文提出了云環境下面向區域教育資源共享的分層框架(A Hierarchical Framework for Regional Education Resources Sharing in Cloud Environment，縮寫為HFRES，以下簡稱“分層框架”)，分析了教育資源共享的現實需求，對框架的每層功能進行了詳細論述，并討論了框架在區域教育實踐中的典型應用。

二、分層框架設計的需求分析

(一)分層框架設計需求分析的理論依據

教育資源優化配置理論認為，在其他條件大致相同的情況下，根據帕累托標準，由于部門或組織間技術水平的相對差異會產生教育資源獲取過程的成本差異[5]。教育資源優化配置理論的兩個關鍵概念是資源使用效率和資源分配效率。資源使用效率是指在資源定量的條件下，如何通過對資源的合理分配、組合，以獲得最大價值的產出。資源分配效率指某個單位的優質資源如何跨單位分配到最適宜的使用方向上。教育資源優化配置理論通俗地講是指教育資源的收益與成本之間如何實現最大比例的關系。

云計算環境下，教育資源服務已經從單純的數字信息資源存儲轉變為泛在的服務交付。教育云通過虛擬化技術屏蔽底層實現細節，從管理層面將資源的功能從資源實體上分離出來，面向知識創造者重構教育信息系統[6]。從宏觀上來看，分層框架需要從區域特點出發，拓展獲取途徑，優化應用模式，推動區域城鄉之間、學校之間的交流與特色互補，在區域內讓更多的人花更少的成本享用更優質的資源，擴大社會價值產出。從微觀上來看，加強標準、規范以及技術建設，讓教育資源云服務能夠在區域內無障礙地流通與互操作，使資源從靜態“庫”的建設發展到動態“流”的平臺建設，提升整體效益。

(二)分層框架設計的需求分析

1.關注區域特色

當前區域教育資源共享存在的問題主要表現在建設標準不一、資源貧瘠與同質化問題嚴重、區域優質資源分配失衡、缺乏全盤規劃，以及資源服務的軟硬件容錯能力不強等方面[7]。框架的設計需要從共享需求、云計算優勢、用戶滿意度、區域資源供給成本、區域教育資源服務生態優化等方面出發，充分分析資源結構的分工互補以及區域空間的融合性業務對接關系，關注區域特色與實際應用成效。

2.面向共建共享

教育資源的共建與共享具有公共產品特征，觀念、共識和機制是三個必要因素。其中觀念和共識是“三通兩平臺”建設的前提，已經具有牢固的基礎，只有共建共享的機制需要不斷地完善。框架中機制的設置需要回答“怎么將不同來源的資源提供給用戶”以及“用戶如何拿到資源”這兩個關鍵問題。前者需要解決如何合理組織區域資源和服務，促進資源管理的有序化和規范化；后者需要解決如何面向需求、面向服務，把師生的需求放在價值鏈首端，實現區域內教育資源優化配置與廣泛應用，滿足多樣化的教學和學習需求。

3.易于靈活定位

區域內教育資源共享面向資源提供者、開發者、使用者、教育科研機構、職能部門、在線學習者、企業等多元用戶，涉及到不同層次、不同粒度的云資源功能信息，具有類別多樣化、關系動態化、角色類型層次化等特性。框架的設計必須從整體上描述多種協同關系與依賴關系，靈活定位不同層次用戶的關注點與需求，將資源的分配、共享、調度和使用融合到云服務的業務鏈中，實現資源建設宏觀布局與微觀調控的生態統一。

4.可持續擴展

區域內教育資源的共享是一個持續發展、不斷滾動的過程，沒有終點，也不可能一步到位[8]。因此，分層框架不僅要支持現有的應用，在實現區域教育資源整合應用時，其解決方案和體系結構也必須是可擴展的，以兼容新的教育云服務應用和規范。當有新應用或規范需要部署或者增加時，應避免對現有分層框架進行大量修改或重復性再造，實現可持續地伸縮與集成。

三、云環境下面向區域數字教育資源共享的分層框架設計

(一)分層框架模型的層級與功能

基于前面的需求分析，本文提出云環境下區域教育資源共享的分層框架模型，如下頁圖1所示。HFRES采用分層結構實現模型建構，以簡化資源的組織部署和開發過程，從下至上分為教育資源層、云計算基礎服務層、教育資源云服務供應層、教育資源應用服務層和云端層，低層為高層服務。在模型中，區域教育資源服務與安全保障規范模塊貫穿所有層，為框架提供用戶認證、信任管理、協同授權、數據加密、安全規范與服務標準等方面支持。

我國電化教育的奠基人南國農先生認為，“加快教育信息化進程，既要關注‘建’，更要關注‘用’，‘用’技術產生價值，推動教育改革的深入發展”[9]，這項論述正是分層框架設計思想的來源。在框架中，針對不同的區域教育資源共享需求，資源開發人員只需有選擇性地根據自己的需求專注于某個層功能的構建，忽略其他層的實現細節，從而將更多精力放在如何“用”教育云的優勢產生教育價值，投入到如何更好地管理教學資源、開展教學設計、優化教學的過程中去。

1.教育資源層

教育資源層處于框架體系的最底層，是框架中高層級賴以存在的資源基礎。該層通過嵌入式云終端技術，將區域空間內的各種網絡教育資源包、共享平臺、優秀學習案例、在線課程、服務器、數據庫、存儲設備等軟硬件資源進行虛擬化封裝，匯聚成不同粒度的虛擬教育資源，并通過云服務定義工具，將這些虛擬資源封裝成云服務。

在接入接口的支持下，教育資源層將按照云計算的運作模式，對云教育資源服務進行集中管理和經營，為云計算基礎服務層提供可靠的資源支持，便于區域內不同組織間開展資源共建與共享業務，促進區域教育資源配置的優化。

圖 1 云環境下面向區域數字教育資源共享的分層框架模型

2.云計算基礎服務層

云計算基礎服務層將教育資源層封裝和接入的虛擬化資源部署在云節點中，并建立資源服務索引，實現教育資源的池化和動態調度。基礎服務層是區域教育資源云服務有序開展的關鍵層，參考云計算的服務模式，我們將云計算基礎服務層劃分為IaaS(基礎設施即服務)、PaaS(平臺即服務)和SaaS(軟件即服務)三種不同類型。

IaaS將虛擬化教育資源構造為同構的數據資源池(數據資源匯聚)、存儲資源池(透明地為用戶提供虛擬的存儲服務)和計算資源池(為有需求的用戶將云計算虛擬的計算能力匯聚在一起)，并且封裝成服務提供給云用戶。用戶則相當于使用“裸機”，可在上面部署和運行任意軟件，比如操作系統和應用程序等。

PaaS將軟件開發平臺作為服務提供給用戶，提供海量教育數據管理、并行計算、教育軟件運行和開發等服務。QoS管理負責管理教育資源服務的質量，中間件幫助用戶開發和集成復雜的應用軟件，負載監控引擎負責對平臺在教育資源服務中的能力進行管理和控制。

SaaS將教育軟件程序封裝成軟件服務供用戶使用，用戶可以定制特定的應用程序，根據需要動態地封裝知識構件、業務構件、資源構件等單元來創造出更加實用的區域資源服務。

3.教育資源云服務供應層

教育資源云服務供應層在分層框架中起著承上(提供一體化資源)啟下(充分應用虛擬化云資源)的關鍵作用，是完成區域教育資源云服務效能的核心組成部分。哈佛大學信息經濟學家約翰·雷蓋茨(John LeGates)2010年在著名的《信息化資源政策項目報告》一書中指出，資源共享配置的本質是對資源的數量、質量和類型進行時空整合。其中，資源配置的結構化組織和使用者角度的無礙獲得是兩個核心維度[10]。根據這一思想，結合教育資源云服務供應層的屬性和區域教育資源建設的特點，我們在本層設置了區域云教育資源共建組織、區域云教育資源共享獲取與一體化支持三個主要模塊。

一體化支持模塊從區域資源特色和實際出發，利用互補的標準、質量、技術、售后和規劃服務優勢，為區域云教育資源互惠合作的組織與獲取進行“后勤”支持。依托區域標準化聯盟，結合教育技術標準和規范，一體化支持模塊可統一領域內的術語和概念，讓教育資源云服務能夠在區域內無障礙地流通與互操作，提高區域內資源協同開發的效率。在此方面，ISO/IEC JTC1、ITU-T、DMTF(Distributed Management Task Force，分布式管理任務組)、NIST、SNIA等發布的云技術標準，ISO/IEC JTC1 SC36、IMS、IEEE/LTSC以及ADL，尤其是面向中國特色的CELTS教育資源建設系列規范均可發揮重要作用[11]。

區域云教育資源共建組織是對云教育資源進行有序管理，其目的是實現怎么根據用戶的需求將不同來源的資源提供給用戶，以獲得資源最大價值的產出。云教育服務資源分類管理子模塊對眾多已注冊在IaaS、PaaS、SaaS云節點中的區域資源進行特征標記，以方便資源搜索和查找。資源標準化子模塊在標準聯盟的支持下(主要利用CELTS系列標準)，對資源進行標準化定義。領域本體共建功能模塊對資源實體特征與實體間關系進行描述，為區域內云教育資源抽象層次上的互操作提供支持。有了資源標準化和本體共建的支持，資源集成模型就可以對區域內來自不同學校、公司、科研單位的異構資源進行整合。同時，整個區域教育資源共建組織過程還需要不斷修訂和改進，以實現過程監管和反饋支持，質量監控和演化管理模塊正是扮演這樣的角色，促進優質教育信息資源配置績效的最大化。

區域云教育資源共享獲取主要關注用戶怎么拿到資源，使資源跨單位分配到最適宜的使用方向上。其中，資源獲取方案定制模塊在資源獲取中為用戶增加自己的業務邏輯，按需滿足用戶的個性化資源獲取方案設計。多維度語義檢索服務、云服務調度和服務自動集成功能可自動選取區域內云教育資源，從時間、費用和可靠性等多個特征角度合理地集成資源。資源共享過程管理模塊則通過構建一套“建立、運作、優化”的過程方法群，為區域用戶基于過程的共享獲取提供支持。

安全審計與監管模塊從身份認證、訪問授權、綜合防護、安全審計方面借鑒現有的云安全規范，對區域教育資源獲取與消費中的安全問題進行維護和管理。目前，可借鑒的云安全規范主要有：ISO/IEC JTC1的云計算安全和隱私、CSA(Cloud Security Alliance，云安全聯盟)的云計算關鍵領域安全指南、TOG(The Open Group，開放組)的云安全和SOA參考框架、NIST的云計算安全障礙與緩和措施規范，以及ITU-T的云計算運營安全指南等。

4.教育資源應用服務層

數字化學習時代是資源創新、知識協同與個性彰顯的時代。在供應層的支持下，教育資源應用服務層可以利用區域內豐富的資源，滿足用戶個性化和多樣化的教研和學習需求。通過基于WEB的服務界面和資源列表，教育資源應用服務層直接為區域用戶(區域內需要各種教育資源的學校、教育科研單位、職能部門、企業或個人)提供云平臺的各項教學與科研核心業務，如網絡學習空間、名師空間、主題資源空間、在線備課服務、協作教研、MOOC、區域課程論壇、流媒體點播VOD、區域優質與特色資源示范，以及獲得相應服務的開放接口等。教育資源應用服務在服務方式上可以采用公益供給與市場供給相結合的方式，利用免費共享模式、會員模式、學習卡模式和學習資源超市模式等服務方式，不斷提升云環境下區域共享資源的供給質量、效益和效能。

除了上述核心業務，教育資源應用服務也可以按照用戶個性化需求進行資源服務的靈活定制，從而促成區域內用戶間的互惠互助，共同提高。

5.云端層

云端層本質上是應用環境接入層，支持筆記本、PC、iPad、智能手機、智能家電等多種終端接入。通過三大網絡(移動網、互聯網、廣電網)，該層為區域內教育機構、教育提供者和接受者提供了按需服務、動態調配、人人可學、處處可學的學習服務環境，支持具有區域或學科特色的教研服務與應用模式創新。

(二)分層框架的特點分析

1.提供了云環境下區域教育資源共享的全景視圖。HFRES采用模塊化分層的方式簡化區域教育資源部署和服務的過程，提高了資源的復用性，有助于發揮云計算技術在區域優質教育資源協同建設與使用中的整體效應，為多層次的資源協作共建與集成共享奠定了體系結構基礎。

2.兼顧多方面的教育資源需求。數字教育資源共享的目的之一在于滿足區域內用戶對優質教育資源的多種需求，HFRES模型參考云計算的功能層次將數字教育資源細化為不同粒度的服務，兼顧教育領域內不同學科、不同機構的人員對教育資源的多方面需求，資源需求者可以根據自身不同的需求靈活選擇服務。

3.具有良好的可擴展性。HFRES模型從技術方面給出一種云環境下可定制的區域教育資源共享結構。新的技術和規范可以很方便地融入該模型，有助于區域云平臺下教育資源開發人員或管理人員在資源共享的規劃中兼顧目前需求和未來發展。

四、分層框架在區域教育實踐中的應用

依托國家數字化學習工程技術研究中心“區域云端一體化學習平臺”項目，HFRES框架已在實踐應用環境中得到成功實施。該項目為武漢、蘭州、蘇州和深圳等部分地區中小學提供面向區域應用的課程資源服務，為盤活區域教育資源，實現資源區域統籌和協調發展發揮了積極作用。

HFRES在區域教育實踐中的運行模式如下頁圖2所示。區域教育資源共建共享云中主要存在三類角色，即區域教育資源請求者(區域內需要各種教育資源的學校、教育科研單位、企業或個人)、提供者(區域內提供各種教育資源的學校、教育科研單位、企業或個人)以及云運營者(構建、管理、運行和維護整個區域共建共享云系統的企業)。提供者通過虛擬化技術，以服務的形式將各類教育資源(軟件、硬件、服務、數據和學科知識等)接入到云平臺中。請求者向云平臺提交應用需求，搜索云平臺中的區域教育資源。云運營者主要實現對云平臺的高效管理和運營等，協調請求者和提供者的關系。

圖2 HFRES在區域教育實踐中的運行模式

依托云平臺可以全面、深入整合學科課程資源，以《Web技術及教育網站開發》(以下簡稱《網站開發》)課程為例。該課程內容涉及平面設計、ASP.NET程序開發、數據庫原理與應用、面向對象程序設計以及軟件工程等內容，課程開設的院系有具有鮮明學科特色的教信學院、計科學院、信管學院、數媒學院以及和華中師大簽有區域資源共享協議的兄弟高校的院系。課程特點是課時偏少、內容較多，需要課堂教學和學生主動探索教學模式緊密結合。

區域內各單位可以發揮自身優勢，由學校主導，教育行政部門支持，電教系統和平臺研發團隊通過區域標準、質量、技術、售后和規劃聯盟確保資源跨單位無障礙流通。各院系可依據學科特色開發《網站開發》核心內容部分或全部資源(利用資源共建組織功能保證資源的開放性，以便其他應用者可以結合學科需求進行二次加工)，然后在區域內積極通過資源共享獲取功能，加強綜合課程資源和以促進學生自主學習為主的(如面向對象程序設計、軟件工程等)資源二次開發和整合，以獲得最大價值的產出。同時，可利用資源應用服務層提供的功能不斷創新資源應用模式和教學方式，從而使既定的資源產生最大的效益，在區域內實現教育資源共享即服務。

五、結論及后續研究

著名教育經濟學家艾瑞克·漢納謝克( Eric Hanushek)認為，與單純的擴大教育資源投入相比，提高資源利用效率對于產出的影響有更大的空間[12]。云計算技術打破了傳統的教育信息化的邊界，讓更多的學校、教師和學生能夠平等地應用信息化資源服務。本文提出一種面向區域的數字教育資源共享框架模型，能夠滿足教育資源從虛擬化封裝到共享云端消費的多層次需求，具有模塊化、靈活性和可擴展性等特點，有助于充分發揮區域優質教育資源效益，可為區域教育資源公共服務平臺建設提供有益的借鑒。下一步我們的研究工作將從區域教育資源共享建設中知識產權保護的角度，設計一個多維的教育資源云服務安全框架，從多個層次保障教育資源共享獲取的安全性，研究區域教育資源共建共享的價值互換模型，探索區域云教育資源共享與服務的激勵機制。

[1] 中華人民共和國教育部.以教育信息化全面推動教育現代化——劉延東副總理在第二次全國教育信息化工作電視電話會議上的講話[EB/OL].http://www.moe.gov.cn/jyb_xwfb/moe_176/201601/t20160122_228616.html,2015-11-19.

[2] Saad M,Babar N,Amir H, et al. Resource management in cloud computing: Taxonomy, prospects, and challenges[J]. Computers and Electrical Engineering,2015,(7):21-45.

[3] 錢冬明,管玨琪,祝智庭.數字教育資源共建共享的系統分析框架研究[J].電化教育研究,2013,(7):53-70.

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[8] 陳學軍,黃利華.基于云計算的義務教育學科課程資源共建共享模式[J].中國電化教育,2013,(1):81-87.

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[12] Eric A. Hanushek. The Economic Impact of Educational Quality[M].UK:Edward Elgar Publishing,2015.6-19.

作者簡介：

上超望：副教授，博士，主要研究方向為遠程教育原理、智能知識服務(scw@mail.ccnu.edu.cn)。

A Hierarchical Framework for Regional Educational Resources Sharing in Cloud Environment

Shang Chaowang, Wu Yuanyuan, Liu Qingtang
(School of Education and Information Technology, Central China Normal University, Wuhan Hubei 430079)

Educational cloud is a basic platform and environment for future e-Learning. It provides new methods and modes for regional high quality education resources sharing. Educational cloud becomes a research hotspot in education resources public service platform construction. The paper analyzes the demands of education resources sharing, proposes a hierarchical framework for regional education resources sharing in cloud environment (HFRES). HFRES uses a hierarchical structure to show the panorama view of resources sharing, which has the characteristics of modular, fl exibility, and sustainable scalability. It is helpful to promote the regional education resources construction from the integral view. At last, the paper gives some typical services modes of the model in practice. The research can provide bene fi cial reference for regional education resources sharing in the cloud environment, and make contribution for harmonious development of regional high quality education resources.

Regional Education Resources; Sharing; Cloud Computing; Hierarchical Framework

G434

A

2016年9月15日

責任編輯：趙興龍

1006—9860(2016)12—0067—06

*本文系2014年度教育部人文社會科學研究項目“基于數字水印的網絡視頻教學資源版權保護研究”(項目編號：14YJA880058)研究成果。