教育云的本体设计、开发与评价

杨志和

(上海电机学院 电子信息学院, 上海 201306)

教育云的本体设计、开发与评价

杨志和

(上海电机学院 电子信息学院, 上海 201306)

在分析国内、外教育云应用现状的基础上，探讨了教育云的概念模型，构建了教育云的概念词汇表，描述并构建了教育云的领域本体；对教育云的领域本体进行了系统评价,并在评价过程中不断改进和完善。

教育云; 云服务; 领域本体; 本体开发; 本体评价

云计算技术在教育信息化领域中的应用系统被称之为“教育云”。教育云将以云服务的形式向教育机构、教育从业人员和学员提供教育信息化所必须的一切软、硬件服务和教育资源服务，是未来教育信息化的基础设施(Infrastructure)。借助海量、开放的教育资源大平台，使学生不再局限于在课堂上学习。教育云平台的各种资源为学生提供了一个无墙的课堂。

近年来，越来越多的教育云平台不断涌现出来。美国确立了教育云优先政策，于2011年启动了“教育部数据中心整合计划”和“北卡罗莱纳州教育云工程”。美国高等教育的教育云应用实例有Coursera、Udacity和EDX等开放教学联盟。日本政府从2014年下半年起尝试推行一种基于云数据中心、电子书包和电子课本的新型“云+端”的教育体系。该新型教育体系将在十多所小学、初中以及高中学校试行，并计划于2016年在全国范围以及海外全面推广、普及。日本九州大学将通过基于云计算环境的实践课，帮助学生理解可通过数千台计算机立即运行计算密集型任务的云计算管理系统、设计应用程序以及云基础设施。英国也正积极推广高等教育云服务，仅2011年就投入了1250万英镑为大学教育和科研提供云计算服务。韩国主要积极推广中、小学云服务，于2011年投入逾20亿美元在中、小学校推广电子课本，预计到2015年全面淘汰纸质课本，通过教育云提供资源服务[1]。

目前，国内教育云产业仍处于起步阶段。2010年10月，IBM与北京工业大学建成了中国首个基于刀片集群的科教云项目，开创了中国教育科研机构全新的IT资源服务及供应模式。无锡市电化教育馆利用曙光企业级云计算中心解决方案，以“胖中心瘦学校”模式，构建了无锡教育公共服务云平台。该平台打破了地区和学校界线，整合了全市各类教育资源，建立和完善了优质资源共享体系，减少了重复投资，提高了资源利用率。2011年9月，深圳宝安区教育信息化综合应用云服务平台开通，为宝安教育系统近50万师生、学生家长和广大市民提供公共的教育信息化云服务。四川绵竹市利用地震重组的机会，在思科公司“思蜀援川”项目的帮助下，建立了绵竹教育城域网“教育云”管理平台，网络管理到每一位上网用户，集中体现了“规范管理、服务教育应用”的宗旨。同时，赛尔网络、联想公司和广东全通教育股份有限公司等机构都构建了自己的“教育云平台”[2]。显然，教育云产业前景光明，越来越多的教育应用逐渐以云服务的形式运行在电子书包、平板电脑、智能手机和智能电视等云端学习设备当中。

有效地描述、组织和管理教育云及云服务的领域知识，并加以统一和标准化，是云计算环境下数字化学习系统交互和协作的基础[3]。然而，中国现有的基于学习对象元数据的描述模型扩展性不足，中国网络教育技术标准体系(Chinese E-learning Technology Standards, CELTS)已较陈旧，难以很好地满足教育云服务的语义描述的需求，更难以实现大量云服务的智能管理和搜索，严重制约了各教育云之间服务的共享和互操作[4]。

本体(Ontology)作为语义网的核心技术之一，是解决知识交互、知识共享和知识重用的一个有效方法，是描述概念层次结构和语义模型的最好工具。标准化的领域本体为异构的信息系统之间的互操作提供了基本通道[5]。本体的目标是捕获领域相关的知识，对领域内的知识及其关系进行表示，是术语、词汇、概念、定义以及关系的集合；它通过描述领域内的知识的概念层次结构来实现语义层的交流与互操作，其作用类似于字典或术语表，但它包含更多的细节和结构，有利于计算机对它们进行自动化处理[6]。

本文将本体应用在教育云的描述与管理上，既可实现教育云之间的互操作，也可利用本体来发现最适合用户的云服务，从而根据语义发现和选择特定的教育云服务，来满足云端用户“随需而变”的云服务需求。

1 教育云的概念模型

教育云是教育技术系统发展到云计算时代的产物。为了更好地满足学习者利用云服务进行个性化自主学习，教育云的应用实例必须充分准确地把握教育云的全局概念模型。教育云对于云端用户表现出来的是一个技术透明的、无缝互联的、按需索取的教育资源服务池[7]。这里，资源服务池本质上区别于资源库，资源服务池不是各部分之和，它表现为一个有机整体，所有的数据、资源与应用都以服务的形式加以描述。从云端用户的角度看，教育云的概念模型主要有身份层、角色层、服务层和IP层等4层组成，如图1所示。

图1 教育云的概念模型Fig.1 Conceptual model of education cloud

(1) 身份层表现为基于身份的互动。主要是基于商业上的服务等级协议，给予用户不同身份的用户帐号。用户包括人员、组织机构代表等。

(2) 角色层表现为基于角色的互动。主要是对用户进行分类管理并实施相应操作权限的控制；特定的角色与特定的权限是对应的。角色主要包括学习者、教师和管理者等。

(3) 服务层表现为基于服务的互动。基于云服务的模式对教育资源进行组织、管理和应用，在内容上提供从设计、开发、利用、管理到评价的全方位的云服务,在技术上实现面向用户的透明服务。

(4) IP层表现为基于IP的互动。主要是教育云的服务库和云数据中心，通常包括数据服务、计算服务和云存储等基础设施服务。IP层是系统的技术层，是上层赖以存在的平台基础。图1中用深色区域表明IP层对教育领域的用户是透明的，即用户无需关心的。

教育云主要提供过程类和资源类的云服务，而云服务的结果表现为一定等级的服务水平。过程类的云服务通常包括角色、活动目标和事件3个要素；资源类的云服务又可细分为内容类、工具类和生成类等3种类型的资源服务。而这两种云服务都必须经历设计、开发、使用、管理和评价等5个生命周期，相应地产生设计、开发、使用、管理和评价5种服务。图2给出了教育云的部分概念空间。

图2 教育云的部分概念空间Fig.2 Part of concept circumscription ofthe education cloud

教育云是教育技术系统的一个子类，是教育资源的管理与整合平台，它对外所提供的服务即教育云服务。教育云服务包括3个层次: 教育数据服务(Education Data as a Service, EDaaS)、教育应用软件服务(Education Software as a Service, ESaaS)和教育平台服务(Education Platform as a Service, EPaaS)。教育云的总体结构如图3所示。

图3 教育云的总体结构图Fig.3 Overall structure of the education cloud

EDaaS主要向用户提供教育数据服务，按照数据服务的来源可分为3种类型[8]: ① 预设性资源,如课件、素材、电子书等；② 生成性资源，如日志、作品、电子学档等；③ 社会性资源，如博客、微内容等。

ESaaS主要包括学习工具、协作交流工具、搜索工具等教育支撑软件服务或学习工具软件服务。

EPaaS是为解决第三方独立云服务接入教育云的问题而提出的一个服务接入开放框架(Service Access Open Framework)，即提供PaaS服务，主要向应用人员开发各类面向教育云的应用软件服务，提供开发环境和公用应用程序编程接口(Application Programming Interface, API)等。

另外，通用云基础架构层(IaaS)是与具体应用领域无关的云服务基础设施，为用户提供数据中心、服务器、存储器和网络等硬件设施的使用服务，用户根据使用情况付费。

2 教育云的概念词汇表

教育云概念词汇表是为构建教育云主题领域本体而提供的参考信息的概念和梳理的基本术语的定义[9]。通常，该概念词汇表需要不断完善和规约。本文归纳了教育云的部分概念及其解释，如表1所示。

本文分析了本体的概念和性质,采用了一种基于面向对象的描述方法，可轻松地描述数量庞大、关系复杂的本体内的各种逻辑关系,同时为语义网的逻辑层的自动推理奠定了基础。

表1 教育云的部分概念词汇表Tab.1 Portion of concept glossary of the education cloud

云服务描述模型用于描述云服务的属性和方法，如服务实体、服务可以实现的功能，以及服务的性能参数等。本文分析、确立了云服务的描述模型，表2给出了云服务类的属性信息表。

表2 云服务类的属性信息表Tab.2 Attribute information table of cloud services class

教育云提供云服务的具体交付细节由服务水平等级协议(Service-Level Agreement, SLA)来规定，即SLA界定了云服务提供者承诺以怎样的服务水平给服务请求者提供云服务[10]。云服务的服务水平描述模板的属性信息如表3所示。

表3 服务水平描述模板属性信息表Tab.3 Attribute information table of service level description template

3 教育云的领域本体

本文采用领域特征分析的方法来对本体建模。该方法可充分体现领域本体所需要的3个特性: 可扩展性、进化性、共享和重用性。基于领域特征分析的本体构建的过程可以细分为以下步骤[11]: ① 领域信息的收集与分析；② 重点概念和关系的确定；③ 建立本体框架；④ 形式化的编码；⑤ 确认与评价；⑥ 进化。

本文根据教育技术的定义和云服务的作用，将教育云分解为5个子系统: 设计云、开发云、应用云、管理云、评价云等。教育云与相关子系统间的关系如图4所示。

图4 教育云的相关子系统的关系图Fig.4 Related subsystem relationship inthe education cloud

本文使用Protégé开源的可视化工具描绘了教育云的领域本体，所构建的类、属性和关系如图5所示。

对教育云的本体形式可表示为

Education_Cloud={Education_Design_Cloud, Education_Development_Cloud, Education_Utilization_Cloud, Education_Management_Cloud, Education_Evaluation_Cloud}

整个教育云的环境本体包括云服务请求者本体、云服务提供者本体和教育云本体。其中，教育云本体包括服务过程本体、服务水平本体、服务质量本体、计量与统计本体和教育资源本体。它们的关系如图6所示。

教育云的服务过程本体借助IOPE[12](Inputs,Outputs,Precondition, Effects用于描述Web服务的4个要素)来描述服务过程本体：

Cloud_Service_Process={Process_Model, Process_Participant, Service_Capability, Process_Precondition,Process_Circumstances, Process_Input, Process_Output, Service_Effect}

故可构建出教育云的服务过程本体结构图如7所示。

教育云的服务水平本体包含服务水平描述(Service Level Description, SLD)、服务水平分类(Service Level Classification, SLC)(如金牌服务、银牌服务和铜牌服务等)、服务等级协议(Service Level Agreement, SLA)和服务类关联信息(Service Class Relation Information)等。教育云的服务水平本体的形式化可表示为

Cloud_Service_Level={Service_Level_Description, Service_Level_Agreement, Service_Level_Classification, Service_Class_Relation_Info}

其中

Service_Level_Classification={Bronze_Medal_Service, Silver_Medal_Service，Gold_Medal_Service}

图5 教育云的领域本体Fig.5 Domain ontology of education cloud

图6 教育云的概念模型中的本体关系图Fig.6 Ontology relationship in the conceptualmodel of the education cloud

因此，可以构建出教育云的服务水平本体结构图如图8所示。

教育资源本体ERO的的定义可形式化表示为

Education_Resource=ER(General, Technical, Lifecycle, Educational, Classification, Relation)={ER.General, ER.Technical, ER.Lifecycle, ER.Educational, ER.Classification, ER.Relation}

由于篇幅限制，本文对于开发的教育云本体的内容只做方法和过程的描述，不再列举其他的本体细节。

4 本体的评价与改进

为使本文所开发的本体有更广阔的应用前景，使其更好地发挥本体的知识共享的作用，必须对该本体进行系统性的评价。本文采用基于应用的本体评价方法，即将本体应用到具体的项目或应用中，通过评价应用的结果或效果来评价本体的优劣[13]。在应用过程中，选取了完备性、恰当性、可用性、明确性、可扩展性、适用性以及结构合理性等7个评价指标[14]，各指标的具体含义如表4所示。为提高评价的效率，本文假设各评价指标具有相同的权重，且各项指标的取值范围均有优秀、良好、中等、较差等4个等级；然后通过计算各等级纵向累加之和，其中累加之和最大的等级即为本文本体的总体评价。

图7 教育云的服务过程本体Fig.7 Service process ontology in the education cloud

图8 教育云的服务水平本体Fig.8 Service level ontology in the education cloud

笔者以调查问卷的方式对本文设计的教育云本体模型及本体描述信息进行评价。选取的调查对象为教育信息化领域的技术工程师、本体工程师和知识工程师，分别是华东师范大学教育信息化系统工程研究中心的“电子书包资源服务云”项目团队和上海云未科技股份有限公司的“教育桌云”项目团队，他们都有着该领域相关项目的建设经验或知识经验[3]115-116，能够结合他们正在开发的教育云项目对本文所开发的教育云的本体模型作出客观、准确的评价。本次调查共发放问卷60份，收回56份，有效回收率为93.33%。经统计，得到对本体评价的情况如表5所示。

表4 本体的评价指标Tab.4 Evaluation indexes of the ontology

表5 本体评价的各指标评级分布情况表Tab.5 Index rating distribution of ontology evaluation

由表5的统计数据看，评价为“优秀”的有74次、“良好”有156次、“中等”有118次、“较差”有44次，各等级所占评价总数的比例分别为18.88%、39.80%、30.10%、11.22%。

由此可见，本文所构建的教育云领域本体的总体评价是“良好”。但要改善并提高本体的实用性，必须看具体各指标的评级情况，如本文教育云本体的可用性和完备性，还有待进一步完善，这正是本文后续研究工作的内容，将在今后的研究中找出该本体的薄弱的不完善的因素，并加以改善。

5 结 语

本文构建了教育云的本体模型，并对教育云的领域本体进行了设计、开发与评价，使教育云服务具有语义信息和逻辑推理能力，利用本体的概念匹配技术可以查找与云服务消费者需求相匹配的云服务。

本体的开发是一个不断积累和完善的过程，还需要针对本文中的本体开发出更多的应用实例，开展更多的实践，来验证该本体对教育云的管理及云服务互操作等方面的积极作用[15]。同时，教育信息化领域的变化和发展非常迅速，每当出现新的概念或某概念出现一种新的子类时，在本体领域的知识库中某些相关本体应当及时更新，以反映这种变化，据此，应当持续地对本文中的本体进行更新和完善。

[1] 杨宗凯.教育云规模化应用示范[EB/OL].(2013-10-25)[2014-01-30].http:∥wenku.baidu.con/link?url=I7LtR7EaEbOxDX0an41PBzXSuhNQh6WShKIBg9-XzDzIah_-7H0qqLP6q2MgiNF5WNQbxEa4oksyl3yU-stBe3Ynv6M-RaF5ypY7ynSTccbCT.

[2] 姜红德.教育云“落地”的获与惑[J].中国信息化，2014(14): 48-49.

[3] 杨志和.教育资源云服务本体与技术规范研究[D].上海: 华东师范大学，2012: 4-5.

[4] 马捷，刘小乐，黄岚，等.教育领域本体构建研究[J].情报理论与实践，2012，35(7): 104-108.

[5] 位传海，范太华.基于本体的学习资源语义检索系统研究与设计[J].电化教育研究，2012(2): 70-74.

[6] 谢明凤，孙新.基于本体知识管理的远程个性化网络学习系统模型研究[J].中国电化教育，2012，(11): 47-53.

[7] 祝智庭，姜昌华.教育云开启泛在学习之门[J].中国教育网络，2011(6): 16-17.

[8] 祝智庭，管珏琪.我国基础教育信息化新发展: 从“班班通”到“教育云”[J].中国教育信息化，2011(7): 4-8.

[9] 凌绍东，霍林，王超面.面向语义网的中文本体应用研究[J].计算机技术与发展，2014，24(2): 194-201.

[10] 程丽，邢海风.基于教育云的电子书包设计与应用研究[J].河南师范大学学报: 自然科学版，2014，42(3): 148-152.

[11] 颜时彦，王胜清，罗云川，等.云环境下基于FCA的领域本体协作构建模式初探[J].现代图书情报技术，2014，30(3): 49-56.

[12] 崔金栋，徐宝祥.IOPE视角下网格服务本体匹配算法研究[J].现代图书情报技术，2014(5): 10-17.

[13] 宋丹辉.本体评价研究综述[J].情报理论与实践，2011，34(9): 118-122.

[14] 张太华，顾新建，何二宝.产品知识模块本体的评价指标体系[J].贵州师范大学学报: 自然科学版，2012,30(1): 94-99.

Design, Development and Evaluation of Education Cloud Ontology

YANGZhihe

(School of Electronics Information Engineering, Shanghai Dianji University, Shanghai 201306, China)

Based on an analysis of the application status of education cloud inside and outside China, the paper discussed a conceptual model of the education cloud. Constructed the concept glossary of education cloud, An education cloud domain ontology is described and built. The domain ontology of education cloud was evaluated systemically and improved continually in the evaluation process.

education cloud; cloud service； domain ontology； ontology development； ontology evaluation

2014 - 07 - 24

国家社会科学基金项目资助(11AXW001)

杨志和(1979-)，男，讲师，博士，主要研究方向为云计算与服务工程，E-mail: yangzh@sdju.edu.cn

2095 - 0020(2014)05 -0269 - 08

TP 391

A