云計算環境下教學資源預約服務模式研究

黃漢源+李德陽+張琢+王偉

摘要：隨著教育云的發展，云教學資源被越來越多地運用到課堂教學中。針對教學活動高峰期訪問云資源服務器下載教學資源產生擁堵，而非高峰時段帶寬大量閑置的問題，本文提出了基于用戶需求的云教學資源預約模式，并對預約服務模式的構建，以及該模式中預約任務單、資源反饋單、資源的熱度值、資源冷卻函數等核心內容的設計進行了具體闡述。

關鍵詞：云教學資源；云教學資源預約服務模式；任務單；資源熱度

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2017）06-0068-04

● 概述

當下，云計算技術已被應用到了教育領域，互聯網對教育資源的存儲和利用有了更加充分的詮釋和支持。本文就是在云計算環境下展開的對云教學資源應用方案的思考和探索。

基于云資源開展教學工作的教師主要是通過在云平臺上傳和下載教學資源的方式，來靈活、實時地應用教學資源，但云平臺常出現高峰期訪問云資源服務器下載教學資源產生擁堵，而非高峰時段帶寬大量閑置的問題。鑒于此，本文提出了一種云資源預約服務模式，它能夠使用戶在使用資源前便完成對所需資源的訂制和預約，使資源在被使用前利用空閑的帶寬提前緩存到本地服務器上，以便用戶更有效地獲取和使用資源。

● 教育云服務

教育云服務是指利用虛擬化、負載均衡、分布式存儲等技術深度集成整合各種資源、平臺和應用的云計算平臺，它以租用或免費的服務形式，滿足教育用戶通過各種信息終端完成教學、學習、科研、管理、社會交往等方面的需求，實現發布教育信息、獲取教學資源、開展教學互動、統計教育信息與數據、形成科學決策、實施教育評價、開展協同科研等系列活動。

教學資源指在整個教學過程中，為達到一定的教學目標、實現一定的教學功能而使用的各種資源。教學資源包括各種學習資料、媒體設備、教學環境、人力資源等，是教學系統中一切物化資源和非物化資源的總和。[1]按照《教育資源建設技術規范》[2]的界定，網絡教學資源主要包括各類網絡媒體素材、網絡題庫、試卷、網絡課件、網絡課程、教學案例、常見問題解答、資源目錄索引、文獻資料等。

教育云中的教學資源被稱作云教學資源，它是通過云計算平臺進行部署的數字化教學資源。目前，云教學資源的應用仍然受限于形式相對單一、使用方法不夠靈活、極易被帶寬等客觀因素。因此，路鵬等在《基于“云+代理”模式的數字化校園公共服務平臺設計》中宏觀地提出了一種采用核心平臺與平臺代理結合的教育云服務架構。[3]在其設計的數字化校園公共服務平臺中，核心平臺提供統一、標準化、可共享的云服務，而平臺代理通過與核心平臺的數據交換提供個性化、需要實時運行的應用服務。這樣不僅能在一定程度上減輕云平臺主服務器的訪問壓力，還能使服務器在網絡狀況不太理想的情況下繼續運行必要的應用服務。本文是在其研究成果的基礎上，結合云教學資源的應用規律，對云計算環境下教學資源預約服務模式展開的研究，以便繼續豐富和完善平臺代理的作用。

● 云教學資源預約服務模式的構建

1.構建原則

（1）有預見性的資源優先預約

所謂預約，就是要預先約定使用時間和內容?？紤]到自己可能在何時何地需要何種資源，用戶可以進行預約，所以對資源的預見性是預約的前提。

（2）傳輸避開高峰時間段

預約的目的是方便用戶對云平臺的資源進行獲取和使用，所以在資源的獲取渠道和時間上應注重靈活性，在設計上應考慮到學校教學活動呈現出的規律。例如，學生上下課的時間是固定的，這就有明顯的教學活動高峰時段，所以在構建預約模式時，資源的傳輸應遵循避開高峰時間段的原則，充分利用學校下課、放學等帶寬壓力較小的時間進行傳輸，以避免出現大量用戶同時集中訪問云服務器的情況，分散云服務器的訪問壓力。

（3）內網優先應用

校園網屬于教育城域網的一部分，本文簡稱為內網。教育城域網是通過寬帶骨干網連接教育局內部網和校園網的傳輸網絡，其建設目的是要構建一個學校、縣（區）教育局、市教育局三級教育信息網絡系統，形成輻射全市各縣（區）所有中小學、幼兒園、職業技術學校、各類成人教育培訓機構的網絡。教育城域網是面向社會開放的，具有現代遠程教學功能、教育信息資源共享功能以及教育教學管理信息交換功能，能實現實時視頻信息傳輸的高帶寬的教育信息化網絡系統，內網傳輸的速率明顯高于外部網絡，所以在構建預約模式時應考慮內網優先的原則，充分利用教育城域網內傳輸速率高的優勢，使用戶在需要時能快速獲取資源。

2.構成要素分析

教學資源指在整個教學過程中使用的各種資源。從云教學資源的應用過程來分析，預約服務應該包括預約人、預約資源、預約代理服務器、云資源存儲服務器、本地存儲服務器、約束條件等要素。

預約人，即需要使用資源的教育工作者，也就是預約服務的主體，產生預約需求的一方。預約人主要是對資源進行檢索、下載和使用。

預約資源是預約服務的客體，屬于被預約方。教學計劃指導教學資源的應用，所以教學資源是有章可循的。每一門課都有其教學計劃，粗略地看，課本上的目錄便是一個簡單的教學計劃，而教師也是根據教學大綱的規定實施教學，因此資源的使用是有范圍、有先后順序的，同時也是有時效性的，這使得資源能在整個預約過程中體現出一個完整的生命周期，包括制訂教學計劃產生資源使用需求、通過檢索選擇相應資源、資源預約任務單制定下載計劃、使用已預先下載的資源、清理已使用的本地資源等。預約資源生命周期如圖1所示。

預約代理服務器是預約服務的主要操作者，是連通用戶、云存儲端和本地存儲端三方的橋梁，負責獲取預約者的請求并提供解決方案，其職能貫穿整個生命周期。

云資源存儲服務器是資源的云存儲端，它物理分散，邏輯集中，其存儲位置對于用戶來說是透明的。

本地存儲服務器可以理解為學校的本地服務器，其特點是存儲空間相對較小，但與校園網內各終端間傳輸較快。

約束條件是對預約行為的一系列限制要求，可分為主觀約束條件和客觀約束條件。

預約者對所需求的資源有其預期的使用或獲取時間，可視為主觀約束條件，即該資源有可能是當下急需的，也有可能在時間容忍度上是可以接受的。所以預約者的需求主要由目標資源和急需程度兩部分組成。根據帶寬空閑時間的規律，我們大致可將需求程度分為加急（馬上就要）、急（2～4小時后需要）、不太急（1或2天后需要）和不急（10天后需要）四個等級。

預約的客觀約束條件主要包括帶寬壓力和資源大小兩方面。對需求程度的劃分是出于對帶寬壓力的分析。學校一天內上課的時間約為6小時，這6小時是教學資源使用的高峰期，同時也是需求的高峰期，每節課之間有10～15分鐘課間休息時間，中午有1小時左右的午休時間，這是帶寬壓力較小的碎片時間，每天下班后到第二天上班前，是帶寬基本處于空閑的大范圍閑置期。第二天上班，網絡又進入活躍和忙碌的狀態，如此循環。在周末和節假日，學校對云服務器的訪問更是大片空白，如何有效地利用這些特點便是預約的關鍵。

3.模式結構

根據服務模式的構建原則和構成要素，預約服務模式結構可分為三層，即應用層、管理層和資源層。具體內容如圖2所示。

應用層主要指用戶應用界面，即為資源預約人提供交互服務。

管理層即預約代理服務器層，可提供資源檢索服務、預約下載服務和資源管理服務三類服務。

（1）資源檢索服務可為用戶呈現資源檢索結果，同時推送其他相關資源供用戶參考，用戶可以對檢索結果進行有選擇的預約。

（2）預約下載服務，即受理用戶的預約下載請求，結合主觀和客觀的約束條件制訂相應的下載方案，并在合理的時間內用合理的方式傳送資源。

（3）資源管理服務，即通過對用戶行為和反饋意見的分析，梳理、豐富和完善資源的特征，同時管理已下載到本地的資源，包括延長資源被清除的周期或及時清理過期資源，完成預約服務生命周期的最后一個環節，確保本地存儲空間不被冗余的資源過度占用。

資源層即數據層，包括本地存儲和云端存儲的資源。

資源預約服務模式的工作流程可描述如下：首先用戶向資源檢索服務提出檢索請求，然后資源檢索服務根據用戶提供的關鍵詞訪問云服務器端的資源特征庫尋找相應特征，并在云資源庫中匹配相應資源，連同推薦資源一同呈現給用戶，最后用戶選取要下載的資源后向預約下載服務提交下載指令，預約下載服務制訂下載方案。如果本地已有所需資源，在用戶急需的情況下，可以直接返回資源下載地址，在用戶不急需的情況下，可以更新資源的刪除周期，確保資源在用戶預期使用期限前不被清除。如果本地沒有所需資源，在用戶急需的情況下，可以直接返回云資源存儲服務器中相應資源的下載地址，在用戶不急需的情況下，可以根據用戶要求、網絡帶寬情況等約束條件制訂合理的下載方案，并在相應的時間段向云資源存儲服務器傳達傳輸指令，將所需資源預存到本地存儲服務器。

● 云資源服務模式中的核心內容設計

從云資源預約服務模式的工作流程中可以看出，預約人在啟動預約工作時，需要闡述清楚具體任務及針對該任務的各種約束條件。下面將對云資源預約服務模式中的資源預約任務單、資源反饋單、資源的熱度值和資源冷卻函數進行詳細設計。

1.預約任務單的設計

預約任務單就是預約任務的清單。為了方便預約下載模塊對預約任務的受理，預約代理服務器會將資源信息、用戶信息以及主觀約束條件以任務單的形式提交給預約下載服務，然后預約下載服務結合任務單與實際網絡狀況制訂下載方案。

資源信息包括資源名稱、資源標簽（學科、課名、媒體類型、熱度、評分、下載量、用戶評價等）、資源所對應的教學設計環節（教學目標分析、情境創設、信息資源設計、自主學習設計、協作學習環境設計、學習效果評價設計、強化練習設計等）。[4]

用戶信息包括用戶姓名、用戶所在學校、用戶任教學科、年級等。

下載要求（主觀約束條件）：預計使用日期、使用天數等。

預約任務單可與資源檢索服務結合，以網頁的形式呈現給用戶，由用戶自主填寫。

2.資源反饋單的設計

資源反饋單主要用于收集用戶對資源使用情況的反饋意見，以便整理和更新資源特征，方便用戶對資源的選擇及對相關資源的推薦。

資源反饋包括對資源的使用評分，用戶可以在使用資源后以分數的形式對資源做出量化評價，評價主要包括操作性、美觀、資源所對應的教學設計環節、綜合評分等。同時，用戶對資源的反饋還包括對該資源所應用課堂形式的建議。

反饋單在相應資源的預期使用日期后，以問卷頁面的形式向用戶呈現，由用戶自主填寫。

3.資源的熱度值設計

資源的熱度值（H）是資源受歡迎程度的直觀呈現，也是資源在使用后從本地被清理時的重要依據。當資源長期無人下載或評分過低時，熱度會逐漸降低；反之，當資源在短期內被多次下載或評分較高時，熱度則逐漸上升。熱度值的科學確定可以通過數據挖掘結合熱度衰減擬合曲線的分析進行。

4.資源冷卻函數的設計

資源冷卻函數是資源熱度值進行衰減的依據。因為資源在其時效性過期后被利用的可能性將大大降低，如果仍然存在于本地存儲服務器中將會占用太多存儲空間，妨礙其他資源的預存。但考慮到資源在被預約者使用后短期內可能還會被其他預約者使用，在一位預約者使用完后立即清理本地存儲是不科學的，我們將資源的熱度值通過冷卻函數轉化為冷卻值Hcold，資源帶著熱度值標簽H被預存到本地存儲服務器且暫時保持冷卻值Hcold不變，當資源被使用后或超出預計使用日期后，冷卻值Hcold開始逐漸衰減，當冷卻值衰減為0時，資源將被清除。如果資源尚未冷卻為0，又有對該資源的預約需求時，則重置該資源的冷卻值和冷卻函數。

資源在本地存儲服務器中的存活天數可通過熱度和冷卻函數擬合一條衰減曲線來表示，之所以不采用線性表示，是因為同學科的同類資源在教學計劃中的使用日期通常較為接近，而不同班級或不同學校對同一課程開展教學活動的時間往往前后相距幾日，因此本地資源在存活時間的前幾日和后幾日中的等待價值是不同的。

參考文獻：

[1]項國雄，魏丹丹.教育技術的資源觀——對教育技術資源內涵的重新審視[J].中國電化教育，2005，216（1）.

[2]教育部教育資源建設技術規范[EB/OL].[2016-9-11].http：//www.cnshu.cn/biaozhun/ShowSoftDown.asp？UrlID=26&SoftID=534187.

[3]路鵬，周東岱，鐘紹春，等.基于“云+代理”模式的數字化校園公共服務平臺設計[J].電化教育研究，2012（10）：64-68+73.

[4]何克抗.建構主義的教學模式、教學方法與教學設計[J].北京師范大學學報：社會科學版，1997（05）：74-81.