云环境下区域教育资源共享的分层框架设计研究*

上超望，吴圆圆，刘清堂

(华中师范大学 教育信息技术学院，湖北 武汉 430079)

云环境下区域教育资源共享的分层框架设计研究*

上超望，吴圆圆，刘清堂

(华中师范大学 教育信息技术学院，湖北 武汉 430079)

教育云是未来数字化学习的基本平台与环境，它为优质教育资源的区域共享提供了一种全新的手段和模式，成为教育资源公共服务平台建设研究的热点。该文分析了教育资源共享分层框架的设计需求，提出云环境下面向区域教育资源共享的分层框架模型。该模型采用层次结构展示资源共享建设的全景视图，具有模块化、灵活性和可持续扩展等特点，有助于以整体观的视角推动区域教育资源建设。文章最后给出了模型在区域教育实践中的典型应用，为区域教育资源云公共服务平台建设提供了有益的借鉴，为区域内优质教育资源均衡的发展添砖加瓦。

区域教育资源；共享；云计算；分层框架

一、引言

现代信息技术的迅速发展和应用改变了人们学习与生活方式，教育信息化被提升到新的战略高度。2015年11月，刘延东副总理在第二次全国教育信息化电视电话会议上提出“要进一步完善‘三通两平台’工程，努力提升教育信息化促进教育公平的能力，提升数字教育资源开发与服务供给能力，缩小区域教育差距和数字鸿沟，推进教育公平”[1]。“十三五”期间，国家将继续深入推进“三通两平台”工程，推动资源建设与使用的良性互动。教育云是未来数字化学习的基本平台与环境，教育资源公共服务平台通过教育云能最大限度实现资源的集约共享，是“三通两平台”工程的核心，它服务于教育信息化整体战略大局，是促进教育均衡发展的关键。

凯恩斯定律认为，群体效益的最大化需求决定供给，只要有需求，就会创造供给。区域教育资源共享不是最近才出现的新词，但一直都是信息技术与教育教学深度融合发展所追求的目标之一，其核心目标在于教育资源区域共同建设开发、共同分享成果、区域互惠互利和区域资源效益最大化[2]。随着“三通两平台”项目的大力推进，广东省“粤教云”“武汉教育资源公共服务平台”，以及上海“浦东教育云”等一批具有区域特色的教育资源公共服务平台项目开展起来，云环境下区域教育资源共享成为研究的热点。然而，目前的研究成果主要集中于现状调研、发展策略、服务模式、生态分析、学科应用等方面[3]，也有少部分学者从技术平台开发角度进行了探讨[4]，本文聚焦云环境下区域教育资源从虚拟化封装到云端多种模式消费的整个共享过程，深入研究并构建云环境下区域教育资源共享的全局框架，以整体观的视角系统地分析资源共享建设中的多层次问题，推动网络教育资源建设，充分发挥区域教育资源效益，提升区域教育资源服务供给的质量。

本文提出了云环境下面向区域教育资源共享的分层框架(A Hierarchical Framework for Regional Education Resources Sharing in Cloud Environment，缩写为HFRES，以下简称“分层框架”)，分析了教育资源共享的现实需求，对框架的每层功能进行了详细论述，并讨论了框架在区域教育实践中的典型应用。

二、分层框架设计的需求分析

(一)分层框架设计需求分析的理论依据

教育资源优化配置理论认为，在其他条件大致相同的情况下，根据帕累托标准，由于部门或组织间技术水平的相对差异会产生教育资源获取过程的成本差异[5]。教育资源优化配置理论的两个关键概念是资源使用效率和资源分配效率。资源使用效率是指在资源定量的条件下，如何通过对资源的合理分配、组合，以获得最大价值的产出。资源分配效率指某个单位的优质资源如何跨单位分配到最适宜的使用方向上。教育资源优化配置理论通俗地讲是指教育资源的收益与成本之间如何实现最大比例的关系。

云计算环境下，教育资源服务已经从单纯的数字信息资源存储转变为泛在的服务交付。教育云通过虚拟化技术屏蔽底层实现细节，从管理层面将资源的功能从资源实体上分离出来，面向知识创造者重构教育信息系统[6]。从宏观上来看，分层框架需要从区域特点出发，拓展获取途径，优化应用模式，推动区域城乡之间、学校之间的交流与特色互补，在区域内让更多的人花更少的成本享用更优质的资源，扩大社会价值产出。从微观上来看，加强标准、规范以及技术建设，让教育资源云服务能够在区域内无障碍地流通与互操作，使资源从静态“库”的建设发展到动态“流”的平台建设，提升整体效益。

(二)分层框架设计的需求分析

1.关注区域特色

当前区域教育资源共享存在的问题主要表现在建设标准不一、资源贫瘠与同质化问题严重、区域优质资源分配失衡、缺乏全盘规划，以及资源服务的软硬件容错能力不强等方面[7]。框架的设计需要从共享需求、云计算优势、用户满意度、区域资源供给成本、区域教育资源服务生态优化等方面出发，充分分析资源结构的分工互补以及区域空间的融合性业务对接关系，关注区域特色与实际应用成效。

2.面向共建共享

教育资源的共建与共享具有公共产品特征，观念、共识和机制是三个必要因素。其中观念和共识是“三通两平台”建设的前提，已经具有牢固的基础，只有共建共享的机制需要不断地完善。框架中机制的设置需要回答“怎么将不同来源的资源提供给用户”以及“用户如何拿到资源”这两个关键问题。前者需要解决如何合理组织区域资源和服务，促进资源管理的有序化和规范化；后者需要解决如何面向需求、面向服务，把师生的需求放在价值链首端，实现区域内教育资源优化配置与广泛应用，满足多样化的教学和学习需求。

3.易于灵活定位

区域内教育资源共享面向资源提供者、开发者、使用者、教育科研机构、职能部门、在线学习者、企业等多元用户，涉及到不同层次、不同粒度的云资源功能信息，具有类别多样化、关系动态化、角色类型层次化等特性。框架的设计必须从整体上描述多种协同关系与依赖关系，灵活定位不同层次用户的关注点与需求，将资源的分配、共享、调度和使用融合到云服务的业务链中，实现资源建设宏观布局与微观调控的生态统一。

4.可持续扩展

区域内教育资源的共享是一个持续发展、不断滚动的过程，没有终点，也不可能一步到位[8]。因此，分层框架不仅要支持现有的应用，在实现区域教育资源整合应用时，其解决方案和体系结构也必须是可扩展的，以兼容新的教育云服务应用和规范。当有新应用或规范需要部署或者增加时，应避免对现有分层框架进行大量修改或重复性再造，实现可持续地伸缩与集成。

三、云环境下面向区域数字教育资源共享的分层框架设计

(一)分层框架模型的层级与功能

基于前面的需求分析，本文提出云环境下区域教育资源共享的分层框架模型，如下页图1所示。HFRES采用分层结构实现模型建构，以简化资源的组织部署和开发过程，从下至上分为教育资源层、云计算基础服务层、教育资源云服务供应层、教育资源应用服务层和云端层，低层为高层服务。在模型中，区域教育资源服务与安全保障规范模块贯穿所有层，为框架提供用户认证、信任管理、协同授权、数据加密、安全规范与服务标准等方面支持。

我国电化教育的奠基人南国农先生认为，“加快教育信息化进程，既要关注‘建’，更要关注‘用’，‘用’技术产生价值，推动教育改革的深入发展”[9]，这项论述正是分层框架设计思想的来源。在框架中，针对不同的区域教育资源共享需求，资源开发人员只需有选择性地根据自己的需求专注于某个层功能的构建，忽略其他层的实现细节，从而将更多精力放在如何“用”教育云的优势产生教育价值，投入到如何更好地管理教学资源、开展教学设计、优化教学的过程中去。

1.教育资源层

教育资源层处于框架体系的最底层，是框架中高层级赖以存在的资源基础。该层通过嵌入式云终端技术，将区域空间内的各种网络教育资源包、共享平台、优秀学习案例、在线课程、服务器、数据库、存储设备等软硬件资源进行虚拟化封装，汇聚成不同粒度的虚拟教育资源，并通过云服务定义工具，将这些虚拟资源封装成云服务。

在接入接口的支持下，教育资源层将按照云计算的运作模式，对云教育资源服务进行集中管理和经营，为云计算基础服务层提供可靠的资源支持，便于区域内不同组织间开展资源共建与共享业务，促进区域教育资源配置的优化。

图 1 云环境下面向区域数字教育资源共享的分层框架模型

2.云计算基础服务层

云计算基础服务层将教育资源层封装和接入的虚拟化资源部署在云节点中，并建立资源服务索引，实现教育资源的池化和动态调度。基础服务层是区域教育资源云服务有序开展的关键层，参考云计算的服务模式，我们将云计算基础服务层划分为IaaS(基础设施即服务)、PaaS(平台即服务)和SaaS(软件即服务)三种不同类型。

IaaS将虚拟化教育资源构造为同构的数据资源池(数据资源汇聚)、存储资源池(透明地为用户提供虚拟的存储服务)和计算资源池(为有需求的用户将云计算虚拟的计算能力汇聚在一起)，并且封装成服务提供给云用户。用户则相当于使用“裸机”，可在上面部署和运行任意软件，比如操作系统和应用程序等。

PaaS将软件开发平台作为服务提供给用户，提供海量教育数据管理、并行计算、教育软件运行和开发等服务。QoS管理负责管理教育资源服务的质量，中间件帮助用户开发和集成复杂的应用软件，负载监控引擎负责对平台在教育资源服务中的能力进行管理和控制。

SaaS将教育软件程序封装成软件服务供用户使用，用户可以定制特定的应用程序，根据需要动态地封装知识构件、业务构件、资源构件等单元来创造出更加实用的区域资源服务。

3.教育资源云服务供应层

教育资源云服务供应层在分层框架中起着承上(提供一体化资源)启下(充分应用虚拟化云资源)的关键作用，是完成区域教育资源云服务效能的核心组成部分。哈佛大学信息经济学家约翰·雷盖茨(John LeGates)2010年在著名的《信息化资源政策项目报告》一书中指出，资源共享配置的本质是对资源的数量、质量和类型进行时空整合。其中，资源配置的结构化组织和使用者角度的无碍获得是两个核心维度[10]。根据这一思想，结合教育资源云服务供应层的属性和区域教育资源建设的特点，我们在本层设置了区域云教育资源共建组织、区域云教育资源共享获取与一体化支持三个主要模块。

一体化支持模块从区域资源特色和实际出发，利用互补的标准、质量、技术、售后和规划服务优势，为区域云教育资源互惠合作的组织与获取进行“后勤”支持。依托区域标准化联盟，结合教育技术标准和规范，一体化支持模块可统一领域内的术语和概念，让教育资源云服务能够在区域内无障碍地流通与互操作，提高区域内资源协同开发的效率。在此方面，ISO/IEC JTC1、ITU-T、DMTF(Distributed Management Task Force，分布式管理任务组)、NIST、SNIA等发布的云技术标准，ISO/IEC JTC1 SC36、IMS、IEEE/LTSC以及ADL，尤其是面向中国特色的CELTS教育资源建设系列规范均可发挥重要作用[11]。

区域云教育资源共建组织是对云教育资源进行有序管理，其目的是实现怎么根据用户的需求将不同来源的资源提供给用户，以获得资源最大价值的产出。云教育服务资源分类管理子模块对众多已注册在IaaS、PaaS、SaaS云节点中的区域资源进行特征标记，以方便资源搜索和查找。资源标准化子模块在标准联盟的支持下(主要利用CELTS系列标准)，对资源进行标准化定义。领域本体共建功能模块对资源实体特征与实体间关系进行描述，为区域内云教育资源抽象层次上的互操作提供支持。有了资源标准化和本体共建的支持，资源集成模型就可以对区域内来自不同学校、公司、科研单位的异构资源进行整合。同时，整个区域教育资源共建组织过程还需要不断修订和改进，以实现过程监管和反馈支持，质量监控和演化管理模块正是扮演这样的角色，促进优质教育信息资源配置绩效的最大化。

区域云教育资源共享获取主要关注用户怎么拿到资源，使资源跨单位分配到最适宜的使用方向上。其中，资源获取方案定制模块在资源获取中为用户增加自己的业务逻辑，按需满足用户的个性化资源获取方案设计。多维度语义检索服务、云服务调度和服务自动集成功能可自动选取区域内云教育资源，从时间、费用和可靠性等多个特征角度合理地集成资源。资源共享过程管理模块则通过构建一套“建立、运作、优化”的过程方法群，为区域用户基于过程的共享获取提供支持。

安全审计与监管模块从身份认证、访问授权、综合防护、安全审计方面借鉴现有的云安全规范，对区域教育资源获取与消费中的安全问题进行维护和管理。目前，可借鉴的云安全规范主要有：ISO/IEC JTC1的云计算安全和隐私、CSA(Cloud Security Alliance，云安全联盟)的云计算关键领域安全指南、TOG(The Open Group，开放组)的云安全和SOA参考框架、NIST的云计算安全障碍与缓和措施规范，以及ITU-T的云计算运营安全指南等。

4.教育资源应用服务层

数字化学习时代是资源创新、知识协同与个性彰显的时代。在供应层的支持下，教育资源应用服务层可以利用区域内丰富的资源，满足用户个性化和多样化的教研和学习需求。通过基于WEB的服务界面和资源列表，教育资源应用服务层直接为区域用户(区域内需要各种教育资源的学校、教育科研单位、职能部门、企业或个人)提供云平台的各项教学与科研核心业务，如网络学习空间、名师空间、主题资源空间、在线备课服务、协作教研、MOOC、区域课程论坛、流媒体点播VOD、区域优质与特色资源示范，以及获得相应服务的开放接口等。教育资源应用服务在服务方式上可以采用公益供给与市场供给相结合的方式，利用免费共享模式、会员模式、学习卡模式和学习资源超市模式等服务方式，不断提升云环境下区域共享资源的供给质量、效益和效能。

除了上述核心业务，教育资源应用服务也可以按照用户个性化需求进行资源服务的灵活定制，从而促成区域内用户间的互惠互助，共同提高。

5.云端层

云端层本质上是应用环境接入层，支持笔记本、PC、iPad、智能手机、智能家电等多种终端接入。通过三大网络(移动网、互联网、广电网)，该层为区域内教育机构、教育提供者和接受者提供了按需服务、动态调配、人人可学、处处可学的学习服务环境，支持具有区域或学科特色的教研服务与应用模式创新。

(二)分层框架的特点分析

1.提供了云环境下区域教育资源共享的全景视图。HFRES采用模块化分层的方式简化区域教育资源部署和服务的过程，提高了资源的复用性，有助于发挥云计算技术在区域优质教育资源协同建设与使用中的整体效应，为多层次的资源协作共建与集成共享奠定了体系结构基础。

2.兼顾多方面的教育资源需求。数字教育资源共享的目的之一在于满足区域内用户对优质教育资源的多种需求，HFRES模型参考云计算的功能层次将数字教育资源细化为不同粒度的服务，兼顾教育领域内不同学科、不同机构的人员对教育资源的多方面需求，资源需求者可以根据自身不同的需求灵活选择服务。

3.具有良好的可扩展性。HFRES模型从技术方面给出一种云环境下可定制的区域教育资源共享结构。新的技术和规范可以很方便地融入该模型，有助于区域云平台下教育资源开发人员或管理人员在资源共享的规划中兼顾目前需求和未来发展。

四、分层框架在区域教育实践中的应用

依托国家数字化学习工程技术研究中心“区域云端一体化学习平台”项目，HFRES框架已在实践应用环境中得到成功实施。该项目为武汉、兰州、苏州和深圳等部分地区中小学提供面向区域应用的课程资源服务，为盘活区域教育资源，实现资源区域统筹和协调发展发挥了积极作用。

HFRES在区域教育实践中的运行模式如下页图2所示。区域教育资源共建共享云中主要存在三类角色，即区域教育资源请求者(区域内需要各种教育资源的学校、教育科研单位、企业或个人)、提供者(区域内提供各种教育资源的学校、教育科研单位、企业或个人)以及云运营者(构建、管理、运行和维护整个区域共建共享云系统的企业)。提供者通过虚拟化技术，以服务的形式将各类教育资源(软件、硬件、服务、数据和学科知识等)接入到云平台中。请求者向云平台提交应用需求，搜索云平台中的区域教育资源。云运营者主要实现对云平台的高效管理和运营等，协调请求者和提供者的关系。

图2 HFRES在区域教育实践中的运行模式

依托云平台可以全面、深入整合学科课程资源，以《Web技术及教育网站开发》(以下简称《网站开发》)课程为例。该课程内容涉及平面设计、ASP.NET程序开发、数据库原理与应用、面向对象程序设计以及软件工程等内容，课程开设的院系有具有鲜明学科特色的教信学院、计科学院、信管学院、数媒学院以及和华中师大签有区域资源共享协议的兄弟高校的院系。课程特点是课时偏少、内容较多，需要课堂教学和学生主动探索教学模式紧密结合。

区域内各单位可以发挥自身优势，由学校主导，教育行政部门支持，电教系统和平台研发团队通过区域标准、质量、技术、售后和规划联盟确保资源跨单位无障碍流通。各院系可依据学科特色开发《网站开发》核心内容部分或全部资源(利用资源共建组织功能保证资源的开放性，以便其他应用者可以结合学科需求进行二次加工)，然后在区域内积极通过资源共享获取功能，加强综合课程资源和以促进学生自主学习为主的(如面向对象程序设计、软件工程等)资源二次开发和整合，以获得最大价值的产出。同时，可利用资源应用服务层提供的功能不断创新资源应用模式和教学方式，从而使既定的资源产生最大的效益，在区域内实现教育资源共享即服务。

五、结论及后续研究

著名教育经济学家艾瑞克·汉纳谢克( Eric Hanushek)认为，与单纯的扩大教育资源投入相比，提高资源利用效率对于产出的影响有更大的空间[12]。云计算技术打破了传统的教育信息化的边界，让更多的学校、教师和学生能够平等地应用信息化资源服务。本文提出一种面向区域的数字教育资源共享框架模型，能够满足教育资源从虚拟化封装到共享云端消费的多层次需求，具有模块化、灵活性和可扩展性等特点，有助于充分发挥区域优质教育资源效益，可为区域教育资源公共服务平台建设提供有益的借鉴。下一步我们的研究工作将从区域教育资源共享建设中知识产权保护的角度，设计一个多维的教育资源云服务安全框架，从多个层次保障教育资源共享获取的安全性，研究区域教育资源共建共享的价值互换模型，探索区域云教育资源共享与服务的激励机制。

[1] 中华人民共和国教育部.以教育信息化全面推动教育现代化——刘延东副总理在第二次全国教育信息化工作电视电话会议上的讲话[EB/OL].http://www.moe.gov.cn/jyb_xwfb/moe_176/201601/t20160122_228616.html,2015-11-19.

[2] Saad M,Babar N,Amir H, et al. Resource management in cloud computing: Taxonomy, prospects, and challenges[J]. Computers and Electrical Engineering,2015,(7):21-45.

[3] 钱冬明,管珏琪,祝智庭.数字教育资源共建共享的系统分析框架研究[J].电化教育研究,2013,(7):53-70.

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[10] John LeGates.Program on Information Resources Policy(2rd)[M].Virginia:Information Resources Press,2010.27-33.

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[12] Eric A. Hanushek. The Economic Impact of Educational Quality[M].UK:Edward Elgar Publishing,2015.6-19.

作者简介：

上超望：副教授，博士，主要研究方向为远程教育原理、智能知识服务(scw@mail.ccnu.edu.cn)。

A Hierarchical Framework for Regional Educational Resources Sharing in Cloud Environment

Shang Chaowang, Wu Yuanyuan, Liu Qingtang
(School of Education and Information Technology, Central China Normal University, Wuhan Hubei 430079)

Educational cloud is a basic platform and environment for future e-Learning. It provides new methods and modes for regional high quality education resources sharing. Educational cloud becomes a research hotspot in education resources public service platform construction. The paper analyzes the demands of education resources sharing, proposes a hierarchical framework for regional education resources sharing in cloud environment (HFRES). HFRES uses a hierarchical structure to show the panorama view of resources sharing, which has the characteristics of modular, fl exibility, and sustainable scalability. It is helpful to promote the regional education resources construction from the integral view. At last, the paper gives some typical services modes of the model in practice. The research can provide bene fi cial reference for regional education resources sharing in the cloud environment, and make contribution for harmonious development of regional high quality education resources.

Regional Education Resources; Sharing; Cloud Computing; Hierarchical Framework

G434

A

2016年9月15日

责任编辑：赵兴龙

1006—9860(2016)12—0067—06

*本文系2014年度教育部人文社会科学研究项目“基于数字水印的网络视频教学资源版权保护研究”(项目编号：14YJA880058)研究成果。