云教材體系資源虛擬化框架設計方法研究

羅曉莉

［摘要］云教材不僅是一種面向服務的移動交互式數字教材，還是一種能夠滿足作者、教師、學生以及編輯聯合開發、完善、升級、應用教材的新協同模式，互聯網等先進技術的發展為其落地提供了重要支撐。其中，云教材的資源服務化方法是一個亟待解決的基礎性問題。為了解決云教材資源服務化頂層設計問題，文章在探討云教材體系架構設計的基礎上，分析了云教材資源形態與資源特性，提出了一種互聯網支撐下的多角色多維度云教材資源虛擬化框架設計，從屬性、任務和流程三個層次對云教材虛擬資源生成進行了探索，為分布多源的教材資源轉化為集中同源的教材云服務提供了有效解決方案。

［關鍵詞］云教材；虛擬化；框架設計；多維度；多角色

我國教材形式經歷了傳統紙質教材、電化教材、立體化教材和數字化教材四個階段。在當前信息技術高速發展以及高校信息化環境全面普及背景下，數字化教材作為一種新形態教材獲得了高速發展。其中，云教材作為一種面向服務的移動交互式數字教材，是數字化教材新發展階段的典型代表［1］。云教材區別于傳統意義上的數字化教材，云教材開發者應依據相關方情景化、動態化和形象化的編寫、編輯、使用、學習等多樣化需求，利用云服務、互聯網、大數據、人工智能等技術，打造云—網—端的云教材體系，面向用戶端（作者、教師、學生、編輯等）及所使用物理端（手機、PC、Pad等），構建一種能夠滿足作者、教師、學生以及編輯聯合開發、完善、升級、應用教材的新協同模式［2］。

迄今為止，國內外對“云教材”還沒有形成明確的、一致的認識。云教材的資源服務化方法是云教材落地實施首先需要解決的問題，也是當前研究熱點。文章提出了一種基于互聯網支撐下的多角色多維度云教材資源虛擬化框架設計，為解決云教材資源服務化頂層設計問題提供一套有效解決方案。

一、云教材體系架構設計

一種互聯網支撐下的云教材體系架構設計如圖1所示。云教材開發相關方包括作者、編輯、教師和學生等，他們既是云教材的編著者，也是云教材的運用者，互動參與云教材全壽命全周期過程。云教材編著層為各種可用教材資源提供者，主要來源于作者和編輯，教師、學生、專家以及其他云教材關注者也是重要來源；數據層指通過互聯網、大數據、人工智能等技術獲取教材資源，進行相應數字化處理、接入及適配，形成標準化云教材資源數據庫；虛擬層將數據層資源作虛擬化處理，轉化為集中同源的云教材服務資源，在平臺上形成即時可用的教材資源云池；面對用戶的各項個性化需求，運用層作出智能識別及最優化響應，需求主要來源于教師和學生，作者、編輯、專家以及其他云教材關注者也是重要來源。

教材資源作為云教材體系的核心，以不同形式存在于互聯網支撐下的云教材體系架構中。教材資源作為一種知識載體，源自作者、編輯等知識貢獻者，以客觀的物理形態存在于編著層；通過一系列技術處理后形成特定的數字資源，如基于互聯網的機器語言教材資源；在云教材體系架構的約束下，經教材資源建模等處理后，教材數字資源傳送到虛擬層，分布多源的教材資源轉化為集中同源的教材服務；最后依據云教材服務模式和用戶不同需求，提供各種最優化的云服務，在運用層以盡量短的時間在教材資源云池中提取出最合適的內容。

二、云教材資源虛擬化特性分析

在云教材體系架構中，虛擬層將數據層資源虛擬化，匯集轉化生成云服務內容，形成即時可用的教材資源云池，為用戶提供隨時可取、按需可用、優質高效、安全可靠的全周期教材云服務。教材虛擬化技術是支撐構建教材資源云池的核心關鍵技術之一，通過互聯網、物聯網、計算虛擬化等技術，實現云計算平臺中全部資源的有效管理和利用，具有數據來源多元化、資源內容融合化、需求應對敏捷化、服務模式共享化、資源運用定制化等特性［3］。

（一）數據來源多元化

在傳統教材開發中，作者和編輯是主要參與者；在云教材開發過程中，不僅僅只有作者和編輯參與開發，學生、專家以及其他云教材關注者也是重要參與者，均可為云教材的開發提供有價值的數據資源。另外，以上參與者的身份也具有多元性，比如作者一般為具有扎實教學經驗的教師和豐富工程經驗的工程人員，參與者身份多元是導致教材資源數據來源多元化的重要原因。

（二）資源內容融合化

基于云教材內容體系設計，云教材開發者可以從多個層面實現教材數字資源融合，如在學科專業方面，將所獲取多元化教材資源數據按不同學科的知識和方法進行整合；在教材內容方面，將理論知識、技術基礎、試驗方法、能力訓練以及職業技能等有機融合；在物理形態方面，將來自手機、PC和Pad等物理端的文字、聲音、圖片、圖像等資源進行融合處理等。

（三）需求應對敏捷化

云教材開發者應遵循敏捷開發原則，通過教材虛擬資源與物理資源的松耦合模式、內容映射機制等，以需求變化為中心，快捷獲取需求，敏捷應對變化，實現教材資源云池內容可按云業務量需求變化而靈活變更。

（四）服務模式共享化

云教材開發者應以教材資源高效利用和全面共享為目標，使教材資源環境構建可按需進行、動態調度，支持各種軟硬教材資源的接入和運維，實現教材資源利用最大化；采用容錯技術，任務環境在發生單點故障、遭受攻擊時可動態遷移至其他物理端繼續運行，確保多主體、多模式協同運行正常。

（五）資源運用定制化

云教材面向各類教材資源應用服務，具備可定制化人機物交互、任務執行、工具應用、知識應用、綜合視圖等功能；在全生命周期內，支持各種教材資源用戶按需定制個性化終端設備、運行環境、界面風格、交互方式等。

三、多角色多維度云教材資源虛擬化框架設計

針對教材資源種類繁多、形式多樣、應用模式靈活等特點，文章提出了一種多角色多維度云教材資源虛擬化框架設計方法。首先對云教材資源進行規范化描述，在教材資源數據層，將來自于作者、教師、學生、編輯等教材資源用戶的原始數據轉化為計算機語言，形成教材資源數據；在教材資源語法層，利用教材資源數據和教材資源建模方法，對各類型教材資源進行統一化建模，基于多角色多維度資源分類處理方法對所有教材資源進行語法層標準化定義，形成教材資源庫；教材資源語義層接收教材資源信息后，進行特征解析與提取、資源語義標注、語義模型構建等流程化作業，完成教材資源語義標注，形成教材資源語義知識庫［4］。

云教材資源多角色指云教材開發過程中的眾多參與者，包括作者、編輯、教師、學生、專家以及其他云教材關注者等。云教材資源以三種形態存在：教材資源、教材資源所具有的知識能力、教材資源所提供的教材云服務。假定A、B、C分別代表以上三種形態資源的集合，從B至A可建立知識能力到教材資源的一對多的映射關系，這種映射被稱之為一個云教材維度，同一教材資源可以與同一角色多種維度的知識能力產生關聯，云教材資源多維度則指此類多種映射關系，如圖2所示。

C代表教材云服務，是將不同教材資源、知識能力、服務模式及用戶需求的教材資源聚合形成的功能教材云，分為教材信息獲取云、教材信息處理云和教材信息保障云。

教材信息獲取云：針對教材云空間的多維互聯關系，教材云服務體系必須具有各種參與者實時的信息獲取能力。云教材編著將在多角色空間同步展開，具有專業范圍廣、參與角色多、時空不同步、交互頻繁、瞬息萬變等特征，云教材開發者要使教材云服務知識具備廣度和深度。

教材信息處理云：針對大量的多源異構教材信息，教材云服務體系必須具有智能、高效的多源信息融合處理能力及計算判斷決策能力。只有將教材信息獲取流程中各環節數據進行有效融合，教材云才能獲得可靠、有效的數據支撐。另外，由于信息來源較多、交互迭代頻繁，存在信息質量層次不清、真實虛假信息并存、殘缺無效信息泛濫等問題。在教材信息處理中，云教材開發者須充分發揮云計算技術精確、靈活、即時等優勢，采用數據挖掘、信息融合、智能識別、在線決策等前沿技術，對海量教材信息數據去粗取精、去偽存真，確保用戶以最短時間獲取最有用、最準確的教材信息。

教材信息保障云：教材云服務用戶群體龐大，教材信息更新快、用戶角色轉化快、用戶個性化需求多。云教材開發者應綜合運用云平臺多元保障能力，為教材云提高信息服務效能提供保障。

四、多層次云教材虛擬資源生成

以往單一化的虛擬資源生成方法已無法滿足云教材用戶的多樣化需求，因此云教材開發者須采用多層次云教材資源虛擬化方法。云教材資源及其知識能力的多層次特性主要來源于兩個方面：一是云教材用戶的多樣化需求，二是云教材資源描述時的維度差異。云教材開發者應采用云教材資源規范化描述方法，建立云教材資源語義填充模型，以充分表達云教材資源的多層次特性，并實現不同維度層間數據轉化。云教材開發者主要按照屬性、任務和流程三個層次，生成云教材虛擬資源［5］。

（一）面向屬性的云教材虛擬資源生成

屬性主要指云教材資源具有知識能力的本質特性，是多層次云教材資源的基本維度。面向屬性的云教材虛擬資源生成按照云教材資源所具備的知識能力，將相同或者相近知識能力所對應的云教材資源劃分為同類，并提升同一云教材虛擬資源范圍內的所有知識能力的同構性。對云教材虛擬資源的生成，云教材開發者可從邏輯層面解耦教材資源和與之對應的知識能力，防止教材資源運行過程中動態變化導致的資源失效

問題。

（二）面向任務的云教材虛擬資源生成

面向任務的云教材虛擬資源生成與云教材開發參與者角色有關，主要存在作者、教師、學生、編輯四種角色，每種角色代表云教材資源虛擬化工作任務中的一項子任務。每項子任務需要的知識能力和云教材資源所能提供的知識能力決定了虛擬資源生成質量，并對教材資源和虛擬資源之間的匹配性有較大影響。作者、編輯、教師和學生互動參與云教材全壽命全周期過程，是云教材虛擬資源的提供者，也是云教材的使用者。因此，云教材開發者須從云教材資源編著者和云教材資源運用者雙向維度和視角，衡量云教材資源和虛擬資源之間的匹配程度。

（三）面向流程的云教材虛擬資源生成

在教材資源虛擬化任務所分解的任務流中，每一個節點被定義為一個生成活動，節點按時序約束關系排序。每一個生成活動對應一種云教材虛擬資源，由全流程生成活動產生云教材虛擬資源集合。在面向流程的云教材虛擬資源集合中，每一種云教材虛擬資源均可支持虛擬資源集合中每一個生成活動完成。

五、結語

當前，云教材作為新形態智能立體化數字教材成為教育部教材建設大力推動的新形態教材。文章針對云教材資源服務化頂層設計問題，提出了一種互聯網支撐下的多角色多維度云教材資源虛擬化框架，進行了多層次云教材虛擬資源生成方法研究，以期為大力推動我國云教材體系化建設、工程化落地提供有價值的解決方案。

［參考文獻］

［1］蔡喆，趙延永.新形態教材的策劃與出版探析：以云教材為例［J］.今傳媒，2023（04）：63-66.

［2］尚潔.《國際貿易實務》云教材創新建設與實踐探索［J］.武漢交通職業學院學報，2022（04）：121-124.

［3］李晶晶，王菲.產教融合背景下高職交通土建類專業核心課程云教材的內涵與開發研究［J］.中國多媒體與網絡教學學報（中旬刊），2023（02）：13-16.

［4］周文，顏喜富，孫曉民，等.一種網絡信息體系支撐下的云作戰資源虛擬化框架設計［C］//國防科技大學系統工程學院.第四屆體系工程學術會議論文集：數字化轉型中的體系工程.［出版者不詳］，2022：2-11.

［5］鄭可飚.虛擬化技術在云計算環境下的性能優化與資源管理研究［J］.數字通信世界，2023（05）：50-52.