曹育紅，袁南輝，毛俊程

(1.廣東技術師范學院 教育技術與傳播學院，廣東 廣州 510665；2.廣州一學就慧軟件技術公司，廣東 廣州 510623)

職業(yè)技能傳承智慧學習環(huán)境的支撐技術*

曹育紅1，袁南輝1，毛俊程2

(1.廣東技術師范學院 教育技術與傳播學院，廣東 廣州 510665；2.廣州一學就慧軟件技術公司，廣東 廣州 510623)

智慧學習環(huán)境的云平臺是職業(yè)技能傳承過程中教育資源服務于大規(guī)模用戶群體、支撐海量數(shù)據(jù)有效匯聚的關鍵。智慧學習構建的支撐技術是實現(xiàn)職業(yè)技能傳承智慧學習環(huán)境的基礎。該文在闡述智慧學習環(huán)境的內涵基礎上，利用云平臺第三方AppScale開源解決項目搭建職業(yè)技能傳承智慧學習環(huán)境云平臺，通過構建服務器集群、存儲設備和網絡設備等基礎設施，在物理服務器上部署虛擬化組件Xen以及云計算管理系統(tǒng)，實現(xiàn)虛擬資源池的管理和按需提供服務。采用動作捕捉技術記錄學習者在知識獲取、技能傳承互動、技能協(xié)作實訓等過程，采用信息物理系統(tǒng)技術在物聯(lián)網環(huán)境感知的基礎上實現(xiàn)人、機、物的互聯(lián)與深度融合，采用大規(guī)模流媒體技術以Adobe Connect為底層支撐，實現(xiàn)在線學習、自主學習管理、學習內容管理等服務功能。

智慧學習環(huán)境；云平臺；情景識別

一、引言

隨著信息技術的發(fā)展，行業(yè)領域對從業(yè)者的職業(yè)技能、學習技能和創(chuàng)新技能提出新的要求，其發(fā)展趨勢就是要建構與之相適應的職業(yè)技能智慧傳承環(huán)境。目前在行業(yè)領域沒有產生大規(guī)模的職業(yè)技能傳承轉移和擴散，其主要原因是缺乏知識傳承擴散的相關條件而使職業(yè)技能傳承停留在師徒范圍內。隨著產業(yè)結構調整和高新技術的發(fā)展，無論在生產部門還是服務部門對具有動手能力強、“技能水平高”的人才需求與日俱增。2015年7月1日國務院出臺《“互聯(lián)網＋”行動的指導意見》，緊密配合“中國制造2025”，通過將制造業(yè)與互聯(lián)網融合來提升制造業(yè)的數(shù)字化、網絡化、智能化水平；采用協(xié)同制造模式促進產業(yè)鏈的協(xié)作發(fā)展。將中國制造向智能制造、網絡化協(xié)同制造和大規(guī)模個性化制造方向推進，構建基于“互聯(lián)網+”的協(xié)同制造公共服務平臺，促進中國制造產業(yè)網絡化生態(tài)體系的良性循環(huán)?！盎ヂ?lián)網+”職業(yè)技能傳承的發(fā)展趨勢就是要建構與之相適應的職業(yè)技能傳承智慧學習環(huán)境，這有助于為國家、社會和企業(yè)培育職業(yè)技能與崗位匹配的人才，并將在提高勞動者素質、促進就業(yè)、實現(xiàn)經濟增長方式轉變和延遲就業(yè)、緩減就業(yè)壓力、促進地方經濟社會發(fā)展、增進社會和諧穩(wěn)定中起到促進作用。

二、智慧學習環(huán)境的內涵

智慧學習環(huán)境是一種能感知學習情境、識別學習者特征、提供合適的學習資源與便利的互動工具，能夠自動記錄學習過程、評測學習效果，促進學習者有效學習的場所或活動空間[1]。智慧學習環(huán)境實現(xiàn)物理環(huán)境與虛擬環(huán)境的融合，為師徒共同體職業(yè)技能傳承模式提供新的思路，通過師徒共同體中師徒之間和內部其他成員之間的職業(yè)技能傳承、互動交流、資源共享等活動，把職業(yè)技能的隱性知識顯性化為共同體可以表達的知識；通過師徒共同體成員的內化吸收，轉化為成員個體特有的隱性知識，促進師徒共同體成員職業(yè)技能的提升和發(fā)展。在信息化背景下智慧學習環(huán)境是職業(yè)技能傳承對學習環(huán)境發(fā)展的訴求，是有效促進職業(yè)技能傳承模式和傳授方式變革的支撐條件。

智慧學習環(huán)境已成為全球關注的研究領域，國外研究主題具有鮮明的地域特色，其中智能學習環(huán)境的結構功能、適應性學習支持的策略及算法、智慧學習環(huán)境的教學策略和案例等是最受關注的研究主題。隨著信息技術在職業(yè)教育中的應用，未來教室環(huán)境、數(shù)字技術支持的創(chuàng)新教學以及師生對學習環(huán)境的體驗等正逐漸成為研究熱點，對智慧學習環(huán)境在教學性能、學習績效提升、用戶態(tài)度和學習體驗等已獲得趨于正面的研究結論[2]。自2008年始開始伴隨著便攜式移動手持設備的普及，可穿戴電腦技術及傳感技術等創(chuàng)新技術在教育中的應用，智慧學習環(huán)境中有關學習活動類型的研究趨于多樣化和創(chuàng)新性，學習空間的研究趨于開放性和虛擬性，學習交互類型研究趨于多通道化和多層次性，學習體驗研究趨于直觀化和豐富性，學習支持研究趨于個性化和自適應性。在新技術支持下全新的學習空間設計、創(chuàng)新的教學形態(tài)、真實的學習體驗、智慧化的學習支持等將成為未來智慧學習環(huán)境的研究重點。

三、智慧學習環(huán)境的云平臺

智慧學習環(huán)境作為一個泛在技術支持下的學習環(huán)境，充分利用信息科學技術和人工智能技術實現(xiàn)信息的記錄、傳輸、編輯的智能化、多元化、便捷化，通過大數(shù)據(jù)的采集、存儲、挖掘、呈現(xiàn)等手段，建立技能傳承模式、傳承風格、傳承態(tài)度和傳承創(chuàng)新模型[3]。職業(yè)技能傳承智慧學習環(huán)境的云平臺是職業(yè)技能傳承過程中教育資源服務于大規(guī)模用戶群體、支撐海量數(shù)據(jù)有效匯聚的關鍵。云平臺在服務器、存儲、網絡等方面提供高可用、高穩(wěn)定性能的基礎設施支持，包含數(shù)據(jù)中心、云部署管理軟件、虛擬化組件和云計算管理系統(tǒng)構成。對于智慧學習環(huán)境的云平臺依托開源解決方案進行搭建，采用計算虛擬化和存儲虛擬化技術將數(shù)據(jù)中心虛擬化，在智慧學習環(huán)境云平臺中管理人員利用管理系統(tǒng)定制云平臺管理規(guī)則，學習者根據(jù)自身的需求利用職業(yè)技能教育資源管理系統(tǒng)申請相關學習內容。云平臺首先對學習者的合法性進行審批，然后根據(jù)學習者的申請學習內容云平臺自動對虛擬機的類型和容量進行匹配，配置虛擬機服務器硬件及所需的軟件和應用，最后虛擬服務器將學習計劃、學習內容和學習進度傳輸給智慧學習環(huán)境中的學習者。

(一)云平臺基礎設施

智慧學習環(huán)境云平臺建設首先是云平臺基礎設施的設計、開發(fā)與部署，針對XaaS 多層次結構，基礎設施層、面向職業(yè)技能傳承的應用層虛擬化成統(tǒng)一平臺是智慧學習環(huán)境云平臺構建的關鍵。IaaS層提供基礎架構服務，重點建立職業(yè)技能行業(yè)領域資源信息基礎架構，對服務器、存儲器實現(xiàn)虛擬化管理，對職業(yè)技能資源實現(xiàn)動態(tài)分配、動態(tài)部署、動態(tài)配置和自動回收，實現(xiàn)性價比好、可靠性高、擴展能力強和按需使用的彈性基礎設施。為保障運轉云服務環(huán)境的可用性和穩(wěn)定性，IaaS層采用數(shù)據(jù)多級存儲、數(shù)據(jù)系統(tǒng)備份和數(shù)據(jù)系統(tǒng)恢復方式為職業(yè)技能行業(yè)領域資源存儲提供服務，為職業(yè)技能行業(yè)領域海量資源的存儲和應用提供綠色安全保障服務。在安全信息空間層次提供病毒防護、流程監(jiān)控與控制等有效的服務，為安全、高可用性的職業(yè)技能傳承智慧學習環(huán)境云平臺提供基礎支撐。

云平臺基礎設施的構建采用整合和創(chuàng)新的技術路線。整合來自第三方的解決方案或區(qū)域范圍內現(xiàn)有的云設施平臺資源，利用云平臺開源項目搭建職業(yè)技能傳承智慧學習環(huán)境云基礎設施研究平臺[4]。對于職業(yè)技能傳承過程中各類傳承群體日益增長的網絡化存儲需求采用高可用性、可擴展云存儲技術提供支撐服務，適應智慧學習環(huán)境下云平臺資源和服務動態(tài)部署和云工作流的整合。職業(yè)技能傳承智慧學習環(huán)境云平臺采用開源的AppScale 進行擴展， AppScale 環(huán)境包括應用負載均衡器節(jié)點、應用服務器節(jié)點、數(shù)據(jù)庫管理節(jié)點和數(shù)據(jù)庫被管節(jié)點，如圖1所示。利用其應用服務器提供的云計算應用作為執(zhí)行環(huán)境，使用分布式文件系統(tǒng)HDFS、關系型數(shù)據(jù)庫MySQL 集群和NoSQL 數(shù)據(jù)庫等進行多種數(shù)據(jù)存儲，調用分布式系統(tǒng)基礎架構Hadoop 的MapReduce編程模型，實施大規(guī)模數(shù)據(jù)分析和處理操作；依托AppScale 平臺可以實現(xiàn)統(tǒng)一認證與授權、緩存、電子郵件等功能。

圖1 AppScale環(huán)境

應用負載均衡器節(jié)點可以部署、運行和監(jiān)管開發(fā)者提交的應用，根據(jù)應用負載的變化增加或減少資源；接收并認證最終用戶的服務請求。應用服務器為應用提供分布式運行環(huán)境，數(shù)據(jù)庫管理節(jié)點和被管節(jié)點一起為應用提供可伸縮和可靠的分布式存儲服務。

眾所周知，用戶的需求多種多樣，并且處在快速變化的過程當中。云平臺必須能夠提供與用戶需求相適應的敏捷云服務。所謂敏捷，是指按照定制的業(yè)務流程，靈活地裝配和集成云服務，為用戶提供個性化解決方案，真正做到“按需使用，隨需應變”。云計算數(shù)據(jù)中心和云平臺分別實現(xiàn)了基礎設施和操作系統(tǒng)級別的敏捷性，但是還不支持應用(云服務)級別的敏捷性。

(二)云計算數(shù)據(jù)中心

云計算數(shù)據(jù)中心的建設首先構建服務器集群、存儲設備和網絡設備等基礎設施，然后在物理服務器上部署虛擬化組件Xen，使得每臺物理服務器可以同時運行多個虛擬機實例，最后部署云計算管理系統(tǒng)，實現(xiàn)虛擬資源池的管理和按需提供服務。數(shù)據(jù)中心的整體結構如圖2所示。

圖2 云計算數(shù)據(jù)中心

云計算數(shù)據(jù)中心的云控制器節(jié)點負責用戶和所有虛擬化資源的管理，管理人員和用戶通過Web、REST 和SOAP 接口訪問服務；同時云控制器節(jié)點部署簡單存儲服務Walrus，用于虛擬機鏡像以及用戶數(shù)據(jù)的存取，Walrus 采用“存儲桶+對象”的方式組織數(shù)據(jù)，一個對象對應一個文件。云計算數(shù)據(jù)中心包含多個計算機集群，每個集群又包含多個物理節(jié)點，即物理服務器；集群控制器節(jié)點在集群范圍內部署和監(jiān)控虛擬機實例，在虛擬機之間構建虛擬網絡。每個物理節(jié)點上安裝的節(jié)點控制器負責接收集群控制器的指令，通過Xen 組件管理虛擬機實例的創(chuàng)建、執(zhí)行、監(jiān)控和銷毀。存儲控制器節(jié)點為虛擬機實例提供持久化的塊存儲服務，按照需要把物理存儲設備以邏輯卷的形式加載到虛擬機實例上[5]。

(三)云服務的實現(xiàn)

對數(shù)據(jù)、應用和流程三個層次提供云服務的集成框架如右圖3所示，其中，PetalsESB 是適合廣域網環(huán)境的分布式服務總線，提供消息路由機制，支持多種通信協(xié)議和數(shù)據(jù)格式的轉換；PetalsESB 的負載均衡組件保證服務總線不會存在單點失效問題；工作流管理組件提供BPEL(Business Process Execution Language，業(yè)務流程執(zhí)行語言)編輯器和執(zhí)行引擎；服務治理組件在注冊信息庫中保存所有服務的元數(shù)據(jù)，用于云服務的注冊和查找；服務監(jiān)控組件對云服務流程進行實時監(jiān)控和分析；分布式服務總線是實現(xiàn)云服務集成的核心組件，負責配置、設計、調試和部署云服務流程的集成開發(fā)環(huán)境。

圖3 云服務集成實現(xiàn)方案

四、智慧學習環(huán)境支撐技術

職業(yè)技能傳承智慧學習環(huán)境的支撐技術包括動作捕捉技術、情景識別技術和學習技術等主要支撐技術。

(一)動作捕獲技術

職業(yè)技能傳承過程中獲取職業(yè)技能的顯性知識和隱性知識是很重要的一個環(huán)節(jié)，采用職業(yè)技能傳承智慧學習環(huán)境的動作捕獲技術記錄職業(yè)技能智慧傳承全過程，建立學習者模型來追蹤傳承過程、分析傳承結果、評測傳承效果。

作為最常用的動作捕獲技術——光學式動作捕捉技術是基于計算機視覺原理利用紅外攝像機跟蹤拍攝目標特定光點，對圖像傳感器上生成的數(shù)據(jù)進行三角測量來獲得目標的3D空間位置。特定移動光點包括被動式標記點、主動式標記點和時間調制式主動標記點。被動式標記點構造簡單，捕捉范圍大，既沒有運動方式的限制，又可以根據(jù)不同捕捉需求靈活變化，其精度可以達到像素極。主動式標記點是為解決被動式系統(tǒng)光球被遮住的問題而采用主動發(fā)射光線的LED，由于主動發(fā)光可以直接將光線發(fā)送至攝影機，這樣就減少光線路線距離而使捕捉范圍更大。時間調制式主動標記點是對主動式系統(tǒng)標記點體積較大、無法捕捉太細致動作的改進，將LED標記點經過自帶的板載處理與高速攝像機進行無線電同步，實現(xiàn)在室外陽光下的運動捕捉。職業(yè)技能動作捕獲制作流程如下頁圖4所示。

(二)情景識別技術

職業(yè)技能傳承智慧學習環(huán)境的情景識別是依托信息物理系統(tǒng)技術在物聯(lián)網環(huán)境感知的基礎上實現(xiàn)人、機、物的互聯(lián)與深度融合。信息物理系統(tǒng)(CPS，Cyber Physical Systems)是基于嵌入式設備的高效能網絡化智能信息系統(tǒng)，將計算技術、控制技術、通信技術等技術融合一體，通過計算單元和物理對象在網絡環(huán)境下相互影響的反饋循環(huán)實現(xiàn)現(xiàn)實世界與虛擬世界的相互協(xié)同和交互，提供實時通信、實時感知、動態(tài)控制、遠程精準控制以及信息反饋等方面的功能[6]。CPS融合傳感器技術、自動控制技術、計算技術和網絡技術，將信息系統(tǒng)與物理系統(tǒng)依托網絡聯(lián)接成一個大型分布式實時系統(tǒng)。CPS體系架構分為感知層、網絡層、認知層、控制層，如圖5所示。感知層由傳感器、控制器和采集器等感知設備組成，負責感知職業(yè)技能傳承環(huán)境的物理屬性；其中，網絡層負責將物理環(huán)境對象與信息世界相聯(lián)建立協(xié)同控制的CPS實時網絡，在實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的同時，為系統(tǒng)提供協(xié)同感知服務、實時網絡服務和實時網絡分組傳輸服務；認知層負責對物理世界感知和認識，采用感知數(shù)據(jù)進行認知計算和推理分析，認知層由認知適配層、管理層和邏輯層組成；控制層則負責制定控制策略，其依據(jù)是來自于認知層的認知結果，通過發(fā)布遠程控制指令來指揮各個物理設備終端，使得這些終端設備可以協(xié)同工作，建立物理世界反饋循環(huán)控制系統(tǒng)。

圖4 職業(yè)技能動作捕獲制作流程

圖5 CPS體系架構

(三)學習技術

職業(yè)技能傳承智慧學習環(huán)境中的學習技術是以計算機作為認知工具，系統(tǒng)地應用一種整體性知識來設計、執(zhí)行、管理和評價職業(yè)技能傳承過程中教與學，利用相應的學習工具實現(xiàn)特定職業(yè)技能傳承目標[7]。職業(yè)技能傳承智慧學習環(huán)境學習系統(tǒng)依托Adobe Connect實現(xiàn)自主點播學習、在線課程學習和在線項目學習等功能，其系統(tǒng)功能架構如圖6所示。

圖6 職業(yè)技能傳承智慧學習環(huán)境學習系統(tǒng)

1.自主點播學習

自主點播學習基于Connect的視頻會議解決方案實現(xiàn)學習內容自主點播。其學習過程是首先錄制職業(yè)技能傳承教學活動，為該職業(yè)技能分配一個唯一的可點播的URL地址；然后對傳承內容和受傳對象賦予自主點播學習的訪問權限；通過設置文件共享、桌面共享等方式創(chuàng)建與該職業(yè)技能相關的教學資源歸檔文件；在接到點播請求后將啟動該職業(yè)技能的URL鏈接，通過播放該職業(yè)傳承內容的視頻信息進行觀摩學習；在視頻播的過程中將學習記錄發(fā)送至服務器，使傳承者可以及時獲取受傳承對象的自主點播學習情況。

2.在線課程學習

Adobe Connect在線課程系統(tǒng)在職業(yè)技能傳承的課程、課程表和虛擬教室等方向為在線課程學習提供技術保障。在線課程學習過程是建立職業(yè)技能傳承內容數(shù)據(jù)庫，包括匯總性職業(yè)技能內容、某一職業(yè)技能內容以及基于訪問權限的職業(yè)技能內容；然后將職業(yè)技能內容庫中相關課程與受傳承對象關聯(lián)，通過設置評估測試來避免在沒有完全掌握該職業(yè)技能課程內容前而退出學習的情況；跟蹤受傳承對象的學習進度使其下次進入在線課程學習時可以在上次離開的位置繼續(xù)學習課程；以學生登記、訪客登記、URL權限等三種訪問級別開展虛擬教室職業(yè)技能傳承會話；職業(yè)技能傳承者為受傳承對象定制學習計劃并依此生成課程表；在線課程學習實現(xiàn)不同地域同步按需學習，記錄受傳承對象的學習過程、學習狀態(tài)和學習效果。

3.在線項目學習

在線項目學習以Adobe Connect實時聯(lián)機視頻會議系統(tǒng)為基礎，將不同地域的受傳承對象組織起來共同完成某一項目。在線項目學習過程針對某一具體項目創(chuàng)建一個帶有URL地址的虛擬會議室，職業(yè)技能傳承者按照項目需求對會議室進行布局；參與此項目的受傳承對象按項目需求被賦予不同的角色，角色決定其能夠執(zhí)行功能和使用權限；項目會議室由職業(yè)技能傳承者控制其開關狀態(tài)，在會議中將完成該項目所需的職業(yè)技能資源以視頻和音頻形式進行傳遞和共享，同時采用電子白板、分組私聊、實時音頻和實時視頻等形式進行項目討論。

五、結論

本文從智慧學習環(huán)境的云平臺基礎設施、數(shù)據(jù)中心以及云服務三個方面管理職業(yè)技能傳承虛擬資源，采用動作捕捉技術記錄學習者在知識獲取、技能傳承互動、技能協(xié)作實訓等過程；采用信息物理系統(tǒng)技術在物聯(lián)網環(huán)境感知的基礎上實現(xiàn)人、機、物的互聯(lián)與深度融合；采用大規(guī)模流媒體技術以Adobe Connect為底層支撐，實現(xiàn)在線學習、自主學習管理、學習內容管理等服務功能，為職業(yè)技能傳承智慧學習環(huán)境的構建提供一定的理論支持，為智慧學習環(huán)境的硬件系統(tǒng)配置和軟件系統(tǒng)設計提供指導。

[1] 黃榮懷,楊俊鋒.從數(shù)字學習環(huán)境到智慧學習環(huán)境——學習環(huán)境的變革與趨勢[EB/OL]. http://www.doc88.com/p-341802106300.html,2016-01-02.

[2] 徐顯龍,錢冬明.職業(yè)教育智慧學習環(huán)境的設計及應用情景研究[J].華東師范大學學報,2014,(3):60-69.

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[7] 楊現(xiàn)民,余勝泉.智慧教育體系架構與關鍵支撐技術[J].中國電化教育,2015,(1):77-84.

責任編輯：趙興龍

The Intelligent Study Environment Support Technology of Professional Skill Inheritance

Cao Yuhong1, Yuan nanhui1, Mao Juncheng2
(1.College of Educational Technology and Communication, Guangdong Polytechnic Normal University, Guangzhou Guangdong 510665; 2.Guangzhou Yixuejiuhui Software Company Limited, Guangzhou Guangdong 510623)

The intelligent study environment during the transmission of cloud platform is vocational skills education resources to serve the mass user groups, support the key to effective gathering huge amounts of data. Intelligent study support technology is the foundation of implement vocational skills inheritance wisdom learning environment. In this paper, on the basis of interpreting the connotation of the intelligent study environment, using third-party cloud platform AppScale to open source projects set up vocational skills study environment. The inheritance intelligent cloud platform is built with a cluster of servers, storage devices and network infrastructure, such as deployment on physical server virtualization component Xen and cloud computing management system, which are used to realize the virtual resource pool management and provide service on demand. The learners are recorded with a motion capture technology in knowledge acquisition and skill inheritance process, such as interaction and collaboration skills training,Physical systems, which are using the information technology from the Internet environment perception on the basis of realizing man,machine, the interconnection of content and depth of fusion. The large-scale streaming media technology in Adobe Connect to the underlying support is used to realize the self-study, self-managements online.

The Intelligent Study Environment; Cloud Platform; Scene Identification

G434

：A

1006—9860(2016)03—0087—05

曹育紅：博士，副教授，研究方向為職業(yè)教育技術、職業(yè)技能智慧傳承(yuhongcao@126.com)。

袁南輝：教授，研究方向為教育技術(ynhzhj@163.com)。

2016年1月11日

* 本文受教育部人文社科研究項目“智慧學習環(huán)境下師徒共同體職業(yè)技能傳承模式研究” (項目編號：15YJA880003)資助。