构件化数字教育资源工作室建设研究

赵玉宝　黄晓丹　朱文兴

摘   要：在教育信息化和常态化疫情防控背景下，线上教学、线上线下混合式教学不断增多，凸显出数字教育资源建设和共享工作的重要性。文章基于高校在数字教育资源建设和共享方面的迫切需求，制定建设构件化数字教育资源工作室的方案;通过引入资源构件化方法，完成工作室系统分层框架设计和标准构件结构定义，进而对工作室软硬件进行统一的构件化分类和构件实例化;最终建成了可满足微课程创作、在线直播、远程互动等需求，并支持功能性能柔性扩展的构件化数字教育资源工作室。研究表明，构件化数字教育资源工作室通过将软硬件组成元素构件化、标准化，以积木组合方式组装构件，可良好实现设计功能，同时具有资源复用率高、支持功能性能柔性扩展、适应教育信息化发展需求等优点。

关键词：数字教育资源;构件化;标准化;柔性扩展

中图分类号：G434         文献标志码：A          文章编号：1673-8454（2022）09-0096-07

《教育信息化2.0行动计划》明确提出，“提升数字教育资源服务供给能力，有效支撑学校和师生开展信息化教学应用”，为今后教育信息化的发展指明了方向。教育信息化加速发展叠加新冠肺炎疫情影响，带来远程教育实际需求的增加。本文聚焦微课程创作、在线直播等学校实际问题，提出了建设构件化数字教育资源工作室的方案。通过对工作室软硬件进行整体的逻辑分层，再创新性地采用资源构件化方法对各逻辑层进行构件化和实例化，建成了可满足微课程创作、在线直播、远程互动等需求的构件化数字教育资源工作室。该工作室具有应用效果好、资源利用率高、功能性能柔性可扩展等特点。

一、构件化数字教育资源工作室建设方案

（一）建设背景

教育信息化作为教育系统变革的内生动力，正在引领教育现代化的发展，推动着教育理念和模式的更新。其中，互联网技术与教育需求、教育实践的深度融合，促使在线教学、在线名师讲堂、微课程、在线招生拓展、在线对外宣讲等教育信息共享方面的应用和探索广泛开展，构建了以网络、多媒体、交互等现代信息技术为基础，数字教育资源建设和共享为特点的教育新生态。

在新的教育生态下，各高校将加强支撑数字教育资源建设和共享的软硬件建设作为一项重要工作，纷纷筹建微课程制作室、录播室、直播室等，以满足教育信息化的发展需求[1]。在教育信息化的助力下，知识的载体由纸质资源转向数字资源，微课、慕课等微课程资源打破传统课堂的时空边界，扩大了知识传递的范围，实现了信息的精确投放;教育信息的传播方式由线下转为线上，在线招生拓展、在线对外宣讲等在线直播的信息共享方式，拓展了信息传播和获得的渠道。同时，我国高校大多采用多校区甚至多地办学的模式，优质教学资源相对稀缺，利用微课程、在线直播等方式进行教学资源共享，越来越受各高校的青睐。特别是在新冠疫情防控常态化的实际情况下，线上教学、线上线下混合式教学不断增多，甚至招生拓展、对外宣传等传统上多在实地开展的工作，也逐渐转至线上推进，更加凸显了数字教育资源建设和共享工作的重要性[2]。

如果根据数字教育资源建设和共享工作的具体需求，逐一进行资源部署，或进行多种需求简单组合的多功能室建设，都容易导致人力、物力重复投资，标准不统一，缺少柔性扩展能力等问题，难以适应信息化需求的不断变化和升级。针对此问题，本文提出了建设构件化数字教育资源工作室的方案，尝试通过对工作室进行逻辑分层，减少系统内部耦合性，然后引入资源构件化方法对工作室进行标准化、构件化、实例化，提高其可复用性和可扩展性，从而达到较高的资源利用率、柔性可扩展和满意的功能效果[3][4]。

（二）构件化数字教育资源工作室建设原则

构件化数字教育资源工作室建设原则为：①目标明确。以满足微课程创作、在线直播等数字教育资源建设和共享工作实际需求为中心，建设有柔性、可随教育信息化不断发展而持续演进和升级的数字教育资源工作室。②系统性。数字教育资源工作室是软件和硬件的综合体，方案设计需要将软硬件作为一个整体、一个系统，在“软硬件”上同时发力，并进行系统性布局。③构件化和标准化。设计数字教育资源工作室系统分层框架，定义标准化构件结构，然后将数字教育资源工作室组成要素构件化，结合标准构件结构和当前技术标准，对构件进行标准化、实例化[5]。④柔性可扩展。数字教育资源工作室系统基于需求建模，采用积木组合的方式，通过标准化构件构建而成，是一个柔性系统，能够通过部分构件的升级，快速、灵活地适应客观需求的变化[6]。

（三）构件化数字教育资源工作室系统框架

数字教育资源工作室系统采用三层架构设计，框架如图1所示，分为物理层、数据处理层和应用层[7]。系统框架是系统的“草图”，框架描述的对象是直接构成系统的各个构件。框架分层是指将系统功能构件进行有序分组，应用程序专用功能构件位于上层，硬件等外部环境功能构件位于最下层，数据和业务逻辑处理功能构件位于中间层。分层从逻辑上将系统划分成多个集合，每一层组成一个功能集合，同时层间和层内需要遵循一定的规则，下一层为上一层提供良好的接口和业务支持，层与层之间相对独立，每一层只关心本层的业务和功能。通过分层，可以减弱系统内的关联耦合性，系统各层的依赖关系只存在同层和下一层，这为便捷的维护、精准的故障定位和灵活的功能扩展提供了可能[8]。

1.物理层

物理层是整个数字教育资源工作室系统的硬件基础，由音频采集硬件、视频采集硬件、后台服务器、前台展示设备、网络搭建设备、外部环境设施等组成。物理层通过音频和视频采集设備捕获音视频信号，然后转发至数据处理层。物理层设备广泛存在着控制模块，可以对上层转发来的命令进行响应，如实现拍摄范围的调整，以及拍摄场景的搭建、替换等。

2.数据处理层

数据处理层是数字教育资源工作室系统的软件基础，根据实现具体功能的操作，包括对物理层采集数据的处理和业务逻辑的处理。数据处理层连接应用层和物理层，在系统中起到承上启下的作用。对于底层物理层而言，数据处理层是调用者;对顶层应用层而言，数据处理层是被调用者。如果将物理层采集数据比喻成“积木”，数据处理层就是实现了这些“积木”的搭建。数据处理层实现音频信号处理、色度键控、虚拟场景等系统关键视频技术应用，同时也实现硬件设备的网络连接。

3.应用层

应用层直接面向用户，是系统对外的窗口，承载着数字教育资源工作室系统的对外业务功能。系统在应用层接收用户输入的数据，并显示最终处理结果，为用户提供了一个与系统直接交互的界面。应用层支持的业务功能越丰富，数据处理层对应的业务处理逻辑就越复杂。

数字教育资源工作室系统存在两类信息流：控制信息流和数据信息流。控制信息流往往从顶层出发，流向底层;数据信息流相反，一般从底层出发，流向顶层。控制信息流是由应用层发起的业务和功能请求，交数据处理层处理或传递至物理层处理形成的信息流;数据信息流是由物理层采集到的音视频数据，传输至数据处理层或应用层进行处理形成的信息流。

采用分层结构的系统具有弱耦合的特性，层与层的依赖是向下的。顶层对底层是“无知”的，顶层设计的改变对底层没有任何影响。再通过构件技术、标准构件结构定义将各层组成元素构件化、标准化，形成能够支持可抽取、可替换、可扩展的积木式框架[9]。

二、数字教育资源工作室系统构件化实践

（一）数字教育资源工作室系统标准构件结构设计

随着教育需求的不断变化、演进，需要依靠软硬件的复用、更新、新增，实现数字教育资源工作室系统的柔性扩展，以完善和丰富数字教育资源工作室功能，保证系统的业务支持能力和系统开发的质量与效率。系统柔性扩展的关键在于构件的标准化，构件标准的制定以高可用性为原则。对于行业内已经应用，并被证实成熟度高、稳定性好的软硬件构件标准，可以直接借鉴使用或按需适应性修改后使用。其余无法直接获取的软硬件构件标准，需要结合国家技术标准和数字教育资源工作室系统具体构件需求，从资源基本参数、对外接口、软硬件安全要求等方面做出标准制定。如表1所示，本文采用统一的结构定义系统构件，进而构建数字教育资源工作室系统标准构件[10]。系统标准构件结构定义由资源列表和对外接口说明两部分组成。其中，资源列表包含资源参数和相关国家参考标准;对外接口对接口的输入、输出参数和参数格式，以及相关国家参考标准进行了阐述。

（二）数字教育资源工作室系统构件划分

根据数字教育资源工作室系统的三层框架设计、建设现状和层内组成元素业务功能，对其软硬件组成元素进行构件化划分[11]，如表2所示。

1.物理层构件

根据系统硬件特性和功能对物理层进行构件化划分。该层构件属于底层构件，包含音频采集硬件、视频采集硬件、后台服务器、前台展示设备、网络搭建设备和外部环境设备共计六类组成构件，为整个系统提供数据来源和硬件支持。

2.数据处理层构件

数据处理层将系统软件按照功能特点进行模块化、构件化划分。该层包含音频处理技术、色度键控技术、虚拟场景技术、视频合成技术和直播流推送技术共计五类组成构件，属于专业通用构件，通过常用算法、基本数据结构等，实现整个系统的数据和业务逻辑处理。

3.应用层构件

应用层构件根据用户的业务需求和具体对外业务进行构件化划分，属于直接面向用户和实现人机互动的构件。目前，系统已建设完成微课程创作模块、教学比赛视频创作模块、在线招生拓展模块、在线对外宣传模块、线上名师工作室模块和远程互动模块共计六类组成构件，实现整个系统与用户的交互和对外输出[12][13]。

（三）数字教育资源工作室系统标准构件实例

根据标准构件结构设计，结合国家现行技术标准和行业通用技术参数，将数字教育资源工作室系统各组成构件进行标准化定义[14]，如表3所示。

（四）构件化数字教育资源工作室的可柔性演进

数字教育资源工作室柔性系统的开发分为三个阶段（如图2所示）：首先，根据客观系统的组成特点抽象出三层结构的系统架构;其次，结合标准构件结构设计，获得系统的实例化标准构件;最后，实例化构件随客观系统的需求变化进行同步更新。

柔性系统的开发路径为：“客观物理系统->系统分层架构->标准构件结构定义->系统构件实例化->系统构件实例更新->柔性系统”。系统的可柔性演进过程为：首先，基于系統的分层架构设计。分层架构设计为系统各构件的逻辑划分和减少构件间的关联耦合性提供了基础。其次，基于标准构件结构定义。该定义为构件实例化和构件的更新提供了标准和依据。系统组成构件由于其标准性，容易随着客观需求的动态变化进行相应的调整和更新，是柔性系统建立的基础。最后，基于系统标准构件组合方式开发。积木组合式的开发方式为构件更新调整提供了便利，也为便捷快速地适应新的系统需求提供了保障[15]。

三、构件化数字教育资源工作室应用成效

山东大学数字教育资源工作室自2020年3月开始建设以来，采用标准构件积木式组合方式，根据学校实际需求，不断更新和扩展相应的功能构件。应用层先后有微课程创作模块、教学比赛视频创作模块、在线招生拓展模块、在线对外宣传模块、线上名师工作室模块、远程互动模块共计六个构件上线，具备为教师提供进行微课程创作、在线直播等数字教育资源建设和共享的能力。应用层六个功能模块构件依托同一套物理层构件，避免了硬件资源的多次投资。同时，数据处理层和应用层标准接口的定义为应用层的扩展提供了便利，减少了时间和成本支出。

另外，由于契合教师工作需要，工作室备受教师青睐。迄今为止，数字教育资源工作室共出色完成微课程创作一百余次、微课程视频时长三百多小时，已发布在校内课程中心、网络教学、中国大学MOOC等多个平台，优质教学资源的共享范围不局限于校内的“三地八校”区间，还扩大到了校外;教学比赛视频制作五十余次，其中13门课程已入围省级比赛决赛，不仅展示了教师的教学能力和水平，也促进了教师教学方法的交流和教学技能的提升;在线招生拓展和对外宣传一百余次，对有招生计划的31个省份逐个开展精准招生宣讲，解答学校招生政策、招生专业、招生计划等学生和家长关心的问题，同时启用在线互动功能，对学生和家长的疑问进行实时解答，在线参与观众累计超过10万人次，是近年来我校招生拓展工作开展的主要途径之一，深受学生和家长的好评与认可;开展在线名师讲座二十余次，保证名师工作室相关工作的平稳开展，为教师深入教学研讨与课题研究、助力教育教学质量提升和打造高水平学科品牌提供积极帮助。

四、结语

数字教育资源工作室建设基于标准化构件的积木式组合，具有如下特点：①新功能扩展灵活。依据标准化构件对资源和接口的定义，新增的标准化功能构件与系统融合自然，兼容性问题少，同时可复用原系统资源，减少了投资和建设时间成本。②原有功能升级平滑。构件的标准性降低开发升级难度的同时，构件间的弱耦合性减少构件升级时对系统的影响，可实现原有功能的平滑升级。③设计功能实现效果良好。該工作室多样化的建设和共享模式、高质量的创作水平、方便简洁的操作、稳定流畅的直播效果、灵活实时的交互等优点，使其深受师生的好评。随着教育信息化建设的持续深入，以及客观需求的不断更新，构件化数字教育资源工作室必然能为学校的教学和科研工作提供可靠保障。

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作者简介：

赵玉宝，高级工程师，硕士，主要研究方向为教育技术研究与教学改革，邮箱：53289591@qq.com;

黄晓丹，工程师，硕士，通讯作者，主要研究方向为教育技术研究与教学改革，邮箱：huangxiaodan@sdu.edu.cn;

朱文兴，教授，博士，博士生导师，主要研究方向为人工智能、智能驾驶技术、车联网技术、交通流控制和教学改革，邮箱：zhuwenxing@sdu.edu.cn。

Research on the Construction Practice of Component-based

Online Education Resource Studio

Yubao ZHAO Xiaodan HUANG Wenxing ZHU

（1.Center for Teaching Promotion and Teacher Development， Shandong University， Jinan Shandong 250100;

2.School of Control Science and Engineering， Shandong University， Jinan Shandong 250061）

Abstract： Under the education informatization and normalized pandemic prevention and control， online and offline mixed teaching mode has become common， which makes the construction and sharing of digital educational resources even more crucial. Facing the urgent needs of universities in digital education resources construction and sharing， the plan of building a component-based online education resources studio has been formulated. By applying the resource componentization， it has designed the framework of the studio system， defined the standard component-based structure， and achieved unified component-based classification and instantiation of software and hardware of the studio. Eventually， the studio can not only meet the needs of micro-course creation， online broadcasting and remote interaction， but also support flexible expansion of functional performance. The modularized online education resource studio has been proved to ably realize the design functions by modularizing and standardizing the hardware and software components and assembling them in the way of building blocks. Meanwhile， it has the advantages of high reuse rate of resources， supporting flexible expansion of functional performance， and adapting to the development needs of education informatization.

Keywords： Online education resources; Componentization; Standardization; Flexible extension

编辑：王晓明   校对：李晓萍