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基于云计算的诺亚舟云学习系统设计及应用

 一、研发背景

  基于目前教育信息化及人类学习模式发展的需求,诺亚舟提出“云学习”系统,该系统基于先进的教育理念,较好地满足了《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010原2020年)》的要求,为学习者、教育者、研发者等提供以知识学习为核心的个性化功能需求和服务,实现资源的共建共享。

  二、系统介绍

  云计算(Cloud computing),是一种基于互联网的计算方式,通过这种方式,共享的软硬件资源和信息可以按需提供给计算机和其他设备。云计算具有如下优点:①低的软硬件投入,客户几乎不用投入运维成本;②云计算提供了最可靠、最安全的数据存储中心,用户不用再担心数据丢失、病毒入侵等麻烦;③云计算可方便地实现不同设备、跨地域的数据应用与共享。云计算在客户管理、人才管理等很多领域得到了广泛的应用,云学习系统就是云计算在E-Learning领域的一个应用。

  云学习(C-Learning)系统就是基于云计算、知识工程和语义网络等基础技术,在学习理论、系统工程理论指导下,采用云计算和组件技术,以互动探究为特色,以资源商店、组件商店和网站商店为核心机制,建立的开放式、跨系统、全民化终身学习的系统。

  三、设计理念与结构

  1.云学习的核心设计理念

  在云计算的环境下,以知识为核心,为实现学习之目的表示知识;以学习者为主体,反映人脑规律和变化,设立学习激励机制;以互动探究为资源特色,学习者与知识互动;以开放式开发为持续成长策略,基于网络组织资源开发和程序开发,提供运营获利机制。

  2.云学习系统的结构模型

  云学习系统在系统架构上做了精心设计,使系统与以往其他学习系统不同,具有高度的可重用性和可扩展性。

图1

 
  3.云学习系统的核心机制

  (1)互动学习组件(iCOM),是面向不同的学习对象专门开发的、在课件编辑器中可重用或者可独立运行的、并能记录学习行为的交互式学习软件。

  iCOM组件是满足互动探究式学习的关键技术架构,它借鉴COM的设计思想和积件思想,设计了一种互动学习程序开发技术标准。iCOM分为四种类型:一是活动性组件;二是专用组件;匹配固定的学习对象;三是科目通用组件,匹配科目某类学习对象;四是数据通用组件,匹配某种数据类型,所有科目都适用。互动组件配置学习对象的方式有两种:一是利用Web服务端程序批量产生的应用(比如U学课堂中的互动词汇,互动句子);二是课件编辑器中手工配置,诺亚舟云学习平台中专门开发的学习资源开发软件BlosMX,是一个功能强大的基于HTML的课件编辑器,支持选择和配置iCOM,为快速开发互动探究式学习资源探索了一条新路。

  BlosMX以用户自主建立课程系列模式整合课件,既方便个人管理,同时也适合在平台上的专业共享。BlosMX配备强大的同步资源库,提供全学段、多版本的互动课文、句子及词汇供用户在课件中使用。BlosMX提供功能全面、形式多样的互动学习组件,只需简单设置学段学科、教材版本及单元课节,即可在课件中直接添加交互组件,较为便捷地设计出自己理想的课程。

  (2)云知识,是以云计算为基础,将知识颗粒化、类型化,表示知识和知识间的关系,而建立的通用的巨型知识网络。在云知识中,知识的获取、知识的表示和应用都是基于云端的。

  在云学习系统中,知识库需要表现知识和管理知识。该库核心是表现知识,让知识可视化,具备可操作性;学习者通过与知识的互动,完成知识学习任务,构建学习型知识库。该知识库以知识为节点,用多媒体数据和程序表示知识(包括事实、概念、程序、元认知等)的属性,用节点连接表示知识关系的巨型网络系统,为互动学习组件提供知识片段,满足在记忆、理解、应用、分析、评价、创新等认知过程中,发生具体学习行为时的需要。从符号形态分为:词汇型知识库、句子型知识库、组件知识库。这一点不同于以知识记录为重点的库,这种表记重在用术语表示知识,为知识运用者提供检索和展示。

  为满足动态知识提供,对知识库以及知识库中的知识进行属性管理而设计的软件程序为知识管理系统。管理知识库中知识之间引用关系的计算机程序,对知识引用关系进行添加、检索、删除、修改,并将引用关系作为属性绑定到知识单元并动态提供给云学习中的应用。

  (3)知识引擎,包括知识搜索、提供、推理三大引擎。

  知识搜索引擎KSE(Knowledge Search Engine)是指按照知识属性及其关系的策略,运用特定的计算机程序在知识库和互联网上进行知识搜索,提供知识检索和数据提供功能。

  知识提供引擎KPS(Knowledge Provider System)以知识为检索点,按照需求元数据描述需求,对知识属性进行萃取的计算机程序。
知识推理引擎,就是在学习的过程中,对学习者接触的多个知识,利用知识库进行匹配、识别和推理,从而影响程序执行逻辑,提供用户不同玩法的服务端软件程序。

  4.云学习系统的服务模式

图2

  利用“云学习”站簇,以云计算为基础,向学习者、课程开发者、组件开发者、知识开发者、运营者、研究者等不同类型的用户群,提供以知识学习为核心的相关功能,实现共建共享系统的服务。

  组件开发平台及组件商店,为开发人员提供了一个开放的开发环境。平台通过向程序开发者提供学习组件开发环境和知识云接口,从而指导开发出可以记录学生学习状态并作出评价的学习组件。在使用开发工具进行开发的过程中,确定学生在使用这个学习组件进行学习的过程中需要对哪些学习状态进行记录,将这些学习状态与学习行为对应起来,映射到相关评价模型上,从而实现学习的记录和评价。可以开发供课件编辑器使用的学习组件或者与知识云关联的能独立运行的应用程序。

  课程开发平台及资源商店,向教师提供课程设计、评价模型设计、学习任务设定、任务目标设定、资源开发、资源提供、学习记录产生、利用评价模型进行多维变焦分析与反馈等系统化服务,资源写作器能产生知识云链接,引用和配置学习组件,产生互动探究式学习资源。

  互动学习平台,以学习者为中心,以互动为主要特色,为学习者开发丰富的互动学习资源,开创多种互动学习模式,打造互联网互动学习环境,并对学习者的学习行为进行记录和评价,根据评价推送相关资源,满足学习者的个性学习、终身学习需求。

  网站开发平台及网站商店,提供对互动学习主网站克隆机制,使任何组织或者个人都能轻松拥有自己的“云学习”网站,众多的“云学习”网站簇,共享云学习资源。

  除此以外,还提供数据分析服务,向教育主管机构和研究人员提供数据分析接口,实现个性化管理。

  四、主要优势与特色

  该学习系统主要的特色是具有互动组件技术。有了互动组件,教师开发学习资源,就如同在超市挑选商品一样,随手就可以做出高质量的学习资源,通过因特网,学习资源的开发共享变得容易。互动组件是基于因特网进行开发的,是开放式的,能利用因特网进行组织和开发,汇集到一起,组成大量的应用,从而实现资源的共建共享。

  五、在教育中的应用

  云学习平板电脑——诺亚舟“优学派”(uPAD)的诞生,实现了云学习系统在教育中的重大应用。诺亚舟在2011年6月份开始推出“优学派”的U5和U8两个型号。其内置两个系统,一个是安卓系统(即云学习系统),另一个是诺亚舟的NP系统。NP系统,荟萃了诺亚舟历年来开发的学习功能的经典应用、包括九科同步、点读、搜学、数学画板、理化实验室等丰富的应用,供学生下载使用,保障了在无网络环境下有充足的应用。“优学派”独创的这种动态双服务器技术架构,提供了有网络没网络都能学习的便利,从而实现即时即需学习。

  “优学派”支持远程桌面控制协议,可以在Windows端利用tightVNC客户端或者浏览器的VNC协议,利用专门开发的iCOM组件,把“优学派”的桌面抓到教师的PC端投影,基于该机制,诺亚舟提供了在线体验功能,可以远程操控uPAD的NP系统和安卓系统的所有功能,如uPAD的IP是192.168.1.8,则在浏览器的地址栏输入vnc://192.168.1.8:5801,可以通过浏览器来远程访问并操控演示uPAD,从而实现教师在课堂上用优学派进行教学。

  六、总结及展望

  云学习系统目前虽已取得初步成绩,但要实现云学习系统的开放共享,助推教育的公平性,其系统开发和成长还有一个复杂和长期的过程,需要社会各界的支持和参与。希望云学习系统能借《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020年)》带来的机遇,在国家有关部门的支持下,在专家学者的指导下,在一线教师的参与下,实现教育资源的共建共享,融聚天下智慧,引领教育未来。

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