基于云计算的数字化学习生态系统构建策略

张豪锋，邓敏杰

（河南师范大学 教育技术系，河南 新乡453007）

基于云计算的数字化学习生态系统构建策略

张豪锋，邓敏杰

（河南师范大学 教育技术系，河南 新乡453007）

随着数字化学习的普及，构建完善的数字化学习生态系统已十分重要。但目前的数字化学习生态系统存在缺乏统一的部署环境、可扩展性差、资源利用率低、安全性低、缺乏能动态地分配所需计算等问题。通过分析问题产生的原因，研究将云计算的高可靠性、可扩展性、操作灵活、成本效益优等优势，与数字化学习生态系统整合，探究基于云计算的数字化学习生态系统的构建，设计设施层、资源层、平台层、内容层和服务层的系统架构方案及系统管理、实时监控、政策、应急处理、规定和显示六个模块，并提出资源、调度及预警、保障、优化资源分配、信息安全及实时监控的管理策略，以提供有效的资源利用并维持数字化学习生态系统生态、持续和谐发展。

云计算；数字化学习；学习生态系统

随着信息技术和网络技术的飞速发展，学习者的学习不再仅局限于课堂，而是以网络搜索、学习共同体交互等多种方式实现。数字化学习已成为一种普遍的学习方式，被人们广泛接受，同时也给人们的学习带来了革命性的变化。但是目前数字化学习及数字化学习系统仍存在一定的局限性，尤其是在实现上，构建完善的数字化学习生态系统已十分重要。学习生态系统是指由学习共同体及其现实的和虚拟的学习环境构成的一个功能整体，学习者与学习环境、学习者与其他学习个体和学习群体之间密切联系、相互作用，通过知识吸纳、内化、创新、外化、反馈等过程实现有效学习的发生［1］。然而，现存的数字化学习生态系统存在缺乏统一的部署环境、可扩展性差、计算资源利用率低、安全性低、存在生态危机等问题。

目前，云计算已经成为一个热点话题，也带来了新一代互联网计算模式，它以服务的形式提供计算和储存资源，也是一个有潜能的基础架构。基础设施是数字化学习生态系统的一个重要组成部分，能直接影响到其持续性发展。目前，通过“云”来提供可扩展性的服务和处理、突发传送所需资源，在一定程度上已被大量研究者使用。因此，云计算以服务的形式提供计算和储存资源，也能给数字化学习生态系统提供巨大的价值。本研究在分析目前数字化学习生态系统存在问题的基础上，将云计算的一些优势与数字化学习生态系统整合，探究基于云计算的数字化学习生态系统的相关构建策略，从而建构一个生态、持续、和谐发展的数字化学习生态系统。

一、数字化学习生态系统的组成

美国教育部《2000年度教育技术白皮书》将数字化学习定义为：主要通过因特网进行的学习与教学的活动。数字化学习具有以下特点：时空泛在性，资源无限性，使终身学习成为可能，大大提升学生的积极性、主动性和创造性［2］。近几年来，我们目睹了数字化学习产业发展历程和带来的巨大改变。但学习者、学习资源、学习环境等因素都可能造成网络学习障碍，引起学习者认知能力、行为、外部环境三者之间的矛盾和不协调［3］，从而影响学习生态系统的平衡与可持续发展。许多研究者对这一代数字化学习的学习者隔离、缺乏教师的反馈、缺乏竞争力和所需的能力等表示担忧。

数字化学习生态系统是数字化学习发展的方向。一个成功的数字化学习需要考虑环境、教与学技能、内容、支持、组织等因素。数字化学习生态系统是一种有公司参与并通过学习管理系统而联系在一起的学习共同体。目前，Brodo教授对于数字化学习生态系统组成要素的观点，已普遍被国外相关研究者所认可。Brodo认为，数字化学习生态系统这个术语是用来描述在实施数字化学习解决方案时所需求的所有组成要素的集合［4］。他认为，数字化学习生态系统大致可以分为三大部分：内容提供商、顾问和基础设施。内容提供商主要包括配置、期货和品牌，顾问即咨询人员主要包括策略、补偿、信息技术及相关实施，基础设施包括学习管理系统、学习传递系统和相关工具等。

Chang and Guetl通过描绘一个数字化学习发展所需的全面的构建图，对Brodo提出的数字化学习生态系统组成要素图进行了精简［5］，如图1所示，这些要素体现在：学习共同体或其他利益相关者（被称为生物单位），如教师、辅导员、内容提供商、教学设计者和学科专家等；学习方面的学习媒体、技术和应用于传统教学方法的工具；物理学习环境的边界和数字化学习系统的逻辑边界；学习生态系统的内部和外部的影响，例如，知识的演变、教育目标、学习任务、文化与社会方面和社会、私营企业、利润和非盈利组织和政府的期望等。

二、目前数字化学习生态系统存在的问题及原因

（一）目前数字化学习生态系统存在的问题

数字化学习已成为一种普遍的学习方式，虽已被广泛接受，但仍存在一些问题。作为下一代数字化学习发展方向的数字化学习生态系统，其中优质资源较少，加上海量的学习资源分布散乱、不合理，生态失衡，学习者难以迅速地获取所需信息，降低了学习者的学习效率。而且目前初中生课外写作存在应付性强、写作内容空乏等问题［6］，没有发挥数字化学习资源的优势。因而，对海量资源实现有序地管理和规划已成为数字化学习生态系统急需解决的问题。另外，目前的数字化学习忽略了学习者自身的感受，缺乏师生之间的情感交流和反馈，导致学习者情绪低下、情感缺失、学习热情衰减，而且师生交互缺乏真实感、临场感。

在系统层次上，目前的数字化学习生态系统，缺乏统一的部署环境，系统的稳定性、可靠性弱，可扩展性差，计算资源利用率低，无法处理突发资源需求，资源的优化分配较低，安全性低，缺乏能动态地分配所需计算、储存资源的潜在基础设施和支持模式等。

（二）存在问题的原因分析

数字化学习生态系统存在以上问题的原因是多方面的，从宏观上看，有数字化学习生态系统内部和外部双重原因。内部原因首先表现在对学习共同体的形成意识淡薄，没有充分考虑到“以人为本”的理念，对学习者的学习需求、方式等关注的较少；其次是数字化学习生态系统发育不成熟，系统自身调节能力较弱。数字化学习是伴随着网络而产生的一种新型学习方式，数字化学习生态系统本身仍处在发育阶段，还不成熟，系统的自我调节能力还有待提高。除内因外，还有一些社会生态系统本身的经济、政治、文化发展参差不齐等外部原因。

从微观层面考虑，各种问题产生的原因又不尽相同。目前的数字化学习生态系统，由于计算机技术、网络技术、虚拟技术等技术及计算模式的不成熟，物理机器通常是简单而纯粹的堆叠，并部署和分配大部分资源给某些特定的任务，缺乏统一的部署环境、可扩展性差，也无法实现按需分配资源，降低了资源的利用效率。另外，由物理机器造成的一些软、硬件故障，使服务质量下降，数据安全性降低。而且现存的数字化学习生态系统缺乏能动态地分配所需计算、储存资源的潜在基础设施和支持模式，信息资源组织、管理不便捷，信息安全管理不到位等。

（三）引入云计算的原因

作为对追求理想技术和探索新的学习方式的一种寄托，云计算一出现，就受到了产业界和学术界的积极关注。美国国家标准与技术研究所（NIST）发布的云计算的定义是：云计算是一种服务模式，这种模式下，用户能够方便地、按需访问网络共享池中的可配置资源（如网络、服务器、存储、应用程序和服务），这些共享资源可以通过最少的努力或通过与服务提供者最少的交互得以迅速获取和发布。云计算是当前一个热门的研究领域。云计算技术的出现，将分布在各地的计算机、服务器、数据中心连成一体，将资源利用最大化，用户可以突破时间、地域的限制随时获取自己所需要的应用和数据，而且通过高度共享的云平台，用户之间可以实现应用和数据的快捷共享与高效协作。云计算以共享资源、强大的信息服务载体、高度安全性、高聚合性、虚拟化、可扩展性、服务可用性、低成本投入、使用便捷等优势，得到各个领域的关注。

针对目前数字化学习生态系统存在的问题，可以将云计算技术与数字化学习生态系统进行整合。在云计算环境下，构建数字化学习生态系统，发挥云计算的优势，提供具有高可靠性、可扩展性、操作灵活、有成本效益、能自我调控和服务质量担保的基础设施，具体体现如下。

1.大规模基础设施。云计算底层基础拥有相当大的硬件规模，并且由于云计算的普适性，其所提供的服务并不针对某一具体的应用，同一个云计算平台可以运行不同用户的不同应用，可以提供有服务质量担保的基础架构，解决了传统的计算模式中用昂贵的价格换取强大的计算能力的弊端。

2.高可靠性和易扩展性。数据储存在云端，并多副本容错及计算节点策略的使用，使得云计算比本地计算具有更高的可靠性。而且，“云”的规模可以根据需要进行动态扩展，以满足系统动态的变化。

3.动态按需分配资源。云计算提供一种可以调用的虚拟化资源池，从而可以根据负载动态重新配置，并按用户需求动态分配资源，提高了资源的利用率。云计算也可以便捷地得到所需计算并存储资源。另外，通过自动资源管理以及虚拟化的资源池，可以处理突发事件，也能实现劳动密集型的任务，在一定程度上降低了成本。另外，云计算采用了底层硬件架构与上层应用程序协同设计的方案，并通过虚拟化技术的运用，将数据中心的资源虚拟化为资源池，实现主机资源到虚拟机的映射，并可实现动态按需分配资源，提高了资源的利用率。

利用云计算技术可以存储海量的资源、实现大规模的并发访问及数据库的优化管理，增强用户的同时操作与在线交互，实现从海量资源迅速获取有价值的信息，提高数字化学习生态系统的运行效率。另外，云计算提供了相对安全、可靠的数据存储中心，用户将数据存储云端，从而提高了数据的安全性。

三、构建数字化学习生态系统的策略

（一）架构策略

在数字化学习生态系统的架构中，可持续的数字化学习是评价其成功的关键因素之一［7］。基于云计算的数字化学习生态系统主要由设施层、资源层、平台层、内容层和服务层五部分组成。其中，设施层提供系统的物理设施，确保数字化学习生态系统能正常运行，资源层是数字化学习生态系统的资源库。云计算平台层用来管理这些资源，通过虚拟化技术确保资源的稳定性和可靠性，也利于学习者进行可持续的学习。数字化学习资源是数字化学习的关键，因而资源层是数字化学习生态系统能量的来源，平台层是数字化学习生态系统能量的维持，并为内容层和服务层提供计算和储存能量；内容层主要由数字化学习的各种虚拟资源组成，包括网络文件及数据库文件、学习管理系统等，可以用来进行数字化学习内容的存储、维护和管理，同时也为服务层提供一些程序接口和规范；服务层由各种数字化学习服务、通讯等组成，为学习者和其他层提供一些服务功能和各程序间的交互接口。

（二）模块策略

基于云计算的数字化学习生态系统有六个模块：系统管理模块、实时监控模块、政策模块、应急处理模块、规定模块和显示模块。系统管理模块负责整个系统的维护管理功能，包括数据库管理和生态管理等。数据库管理主要是实现数字化学习信息的查询与管理以及数字化学习信息的共享与发布。用户通过云计算服务平台，利用Web浏览器根据权限在线对数据进行浏览、输入、更新、维护、查询等操作，以保证数字的准确性和实时性。数据库管理模块管理着各种空间数据和非空间数据，能为用户提供相应的信息。而生态管理需要充分考虑数字化学习的特征，利用生态学的理论和方法，密切结合现代管理学的基本原理，突破传统的数字化学习的局限，充分利用现代学习生态管理的技术，推进数字化学习的综合规划与利用，提高数字化学习的效率，促进数字化学习生态系统的和谐发展。另外，生态管理也可以促进数字化学习的科学规划和系统管理。

政策模块提供建立和维护教学与学习策略、运行时间和资源调度策略［8］。根据从实时监控模块和系统管理模块获得的数据，政策模块建立具体的解决方案，进而触发规定模块。政策模块也根据一些数字化学习政策，决定哪种物种在资源调度上得到更高的优先权，以保障关键业务的运行。在应急处理模块，部分策略是必须由拥有相应权限的系统管理员手动处理用户的请求，可以用来处理突发的资源需求或者内部纠纷。应急处理模块用于修订、调整并提高资源的配置和管理，也可根据学习者自身条件的不同建立不同使用模式，进行最优学习路径分析，提高数字化学习的效率。应急处理模块是对政策模块的一种有效补充，而其特权高于政策模块。规定模块开始于对政策模块和应急处理模块所制定的资源配置或指挥调度方案的执行，并在短时间内自动配置用户或物种所需的资源。显示模块可以快速显示数字化学习环境中数字化学习资源专题信息、应急预案、反馈信息等，以及进行图形数据的放大、缩小、分层显示等。该模块可以为用户提供学习路径与导航的作用，也可显示一些用户相关的请求信息，如IP地址、用户名和密码等。

（三）管理策略

数字化学习是一个战略优势，生态化的资源组织和调度管理非常有必要。云计算采用虚拟化的资源管理，而云计算的动态性和异构性，决定了资源调度系统的复杂性。对于云计算服务提供商来说，其关键是如何对用户申请的计算资源进行分配和管理。为保证数字化学习生态系统高效地运行，在数字化学习生态系统中，也可引入云计算环境中的虚拟资源的划分预留管理、调度及预警管理、保障管理等策略。

1.资源管理。在数字化学习生态系统中，学习者通过系统的交互接口以网络服务的方式进行访问，其中提供的服务目录是学习者可以访问的所有服务，学习者可以通过系统提供的交互接口从服务目录中选取并调用服务；学习者的服务请求传递给系统的相应模块后，将为用户分配合适的资源，并从数据库中调用相应的数据和配置工具，为用户提供数字化运行环境；云计算的云端系统管理员使用一些系统管理软件和配置工具为用户提供计算和存储资源；用户通过系统交互接口获取自己所申请的服务，并通过相应模块显示服务信息。由于云计算采用了成熟的虚拟化技术，将数据中心的资源虚拟化为资源池，通过简化的服务接口，使用户可以通过各种终端设备享受云提供的各种服务。在云计算环境下，数据中心的一台主机资源可以根据用户的需求映射到多台虚拟机上，因此，基于云计算的数字化学习生态系统的资源管理需要提供对资源的检测以及主机到虚拟机的映射功能。

2.调度和预警管理。基于数字化学习对内容、平台和应用访问的一些规范和要求，政策模块在一定程度上能够预测访问负载，在达到高峰前自动预调度热门的内容、平台和应用等相关资源，以保证并发访问的性能。充分利用调度管理，系统将会提供良好的性能，确保全面优质的服务，从而实现较小的资源冗余和获取较优的成本效益。在引入的调度管理中，有可能会带来平均响应时间变长或资源转向其他方式等负面影响。在系统中，一旦监测数据达到其极值，政策模块将把它当成陷入危机，并建立相应的调度方案，然后触发相应的模块来分配备用或闲置资源到目标物种以缓解危机［8］。因为数字化学习生态系统中调度过程的发生并不会影响用户的正常使用，因而不会对用户产生干扰信息。通过使用预警管理，数字化学习生态系统能处理突发资源需求并及时分配优化资源，提高数字化学习生态系统的运行效率。

3.保障管理。数字化学习生态系统的基础设施由大量的物理机器组成，因而一些硬件／软件故障将是不可避免的。由于这些故障，数字化学习生态系统的服务质量将下降，一些物种甚至会遭受灾难。通过采用一些保障管理措施，能迅速地从不可避免的硬件／软件故障中得到恢复。一旦从实时监控模块发现机器出现故障，物种将由高优先权紧急地产生候选资源来替代，减少故障带来的危害。另外，如果一些物种的访问量低，属于它的资源也将降低。当一个物种的配置和资源消耗接近其底端值时，政策模块要求应急处理将其标记为灭绝物种。通过保障管理，数字化学习生态系统促进一个物种的演化或灭绝以保证其代谢和资源的使用，从而确保物种的整体素质和有效的资源利用，促进数字化学习生态系统生态、持续、和谐地发展。

此外，数字化学习生态系统的信息安全管理也是很重要的［9］。在云计算环境下，数字化学习生态系统的信息安全管理，可以从确保信息安全管理、创建策略程序、相关措施的实施和监控等方面开展，具体体现在平衡结构利益、文化交流、信誉协调、组织同步、许可证规范以及技术维度等方面。

数字化学习已经成为一种被广泛接受的学习模式，但作为数字化学习发展方向的数字化学习生态系统仍存在一定的局限性。目前的数字化学习生态系统中，物理机器通常是简单而纯粹的堆叠，并部署和分配大部分资源给某些特定的任务，缺乏统一的部署环境、计算资源利用率低、安全性低等。本研究探讨了基于云计算的数字化学习生态系统的架构、模块、管理等构建策略，初步实现了一个可靠性高、操作灵活性大、能自我调控和有服务质量担保的数字化学习生态系统，整合了云计算的优势，并采用一些管理措施来确保教与学活动、生态系统的质量和运行。相关研究认为，云计算将是下一代互联网技术发展的方向，但如何更好地将云计算与数字化学习生态系统相结合，在数字化学习生态系统中充分发挥云计算技术和云服务的优势，仍需相关研究者做进一步深入研究。

［1］张豪锋，卜彩丽.略论学习生态系统［J］.中国远程教育，2007（4）.

［2］李雪梅，郝立兴，戴新菊，等.个人因素对E－learning的影响分析［J］.现代教育技术，2010（2）.

［3］张豪锋，李海龙.网络学习障碍分析及其对策研究［J］.河南师范大学学报（哲学社会科学版），2011（2）.

［4］J.A.Brodo.Today’s Ecosystem of e－learning［DB／OL］.（2006－09－21）［2010－08－12］http：／／www.richardson.com／pdf／ecosystem.pdf.

［5］V.Chang，C.Guetl.E－Learning Ecosystem （ELES）——A Holistic Approach for the Development of More Effective Learning Environment for Small－and－Medium Sized Enterprises（SMEs）［C］.Proceedings of the Inaugural IEEE International Conference on Digital Ecosystems and Technologies.Piscataway：IEEE Press，2007：440－445.

［6］张豪锋，李小娟，易小珍.运用博客进行初中生课外写作训练的研究［J］.中国电化教育，2011（3）.

［7］Bhavani Sridharan，Hepu Deng，Brian Corbitt.Critical success factors in e－learning ecosystems：aqualitative study［J］.Journal of Systems and Information Technology，2010（4）.

［8］Bo Dong，Qinghua Zheng，Jie Yang，Haifei Li，Mu Qiao.An E－learning Ecosystem Based on Cloud Computing Infrastructure［C］.2009Ninth IEEE International Conference on Advanced Learning Technologies，New York：IEEE Computer Society，2009：125－127.

［9］Vanessa Chang，Lorna Uden.Governance for E－learning Ecosystem［C］.2008Second IEEE International Conference on Digital Ecosystems and Technologies，Piscataway：IEEE Press，2008：340－345.

［责任编辑 孙景峰］

Based on Cloud Computing’s E－learning Ecosystem Construction Strategy

ZHANG Hao－feng，et al
（Henan Normal University，Xinxiang 453007，China）

With the popularity of digital learning，building perfect e－learning ecosystem is very important.But the current e－learning ecosystem exist some problems，for example lack of unified deployment environment，poor scalability，low utilization of resources，poor safety and short of dynamic allocation of computation required，etc.By analyzing causes of these problems，the study integrate e－learning ecosystem with cloud computing which has some advantages of high reliability，expansibility，flexible operation and excellent cost－effective，etc.This research explore an e－learning ecosystem construction that is based on cloud computing，design the system architecture scheme which includes facilities layer，resources layer，platform layer，content layer，service layer，and six module which includes system management，real－time monitoring，policy，emergency treatment，provisions and shows.Finally it proposes optimization resource，scheduling，warning，indemnity，optimizing the resources distribution，information security and real－time monitoring management strategy to provide effective resource utilization and maintain the ecologization，sustainable and harmonious development of e－learning ecosystem.

cloud computing；E－learning；E－learning ecosystem

G40－057

A

1000－2359（2012）01－0231－05

张豪锋（1959—），河南洛阳人，河南师范大学教育技术系教授，主要从事教育技术理论及应用研究。

2011－09－20