第三章 研究設計
第二節 ULSR 系統設計
國
立 政 治 大 學
‧
N a tio na
l C h engchi U ni ve rs it y
45
來彌補單機版數位學習系統功能的不足以外，市面上現有的數位學習系統之 產品其功能，一般來說皆為買斷且課程內容固定無法擴充，探究原因即是這 些系統缺乏彈性擴充的架構。而且大多僅能提供一種室內、地點受拘限的個 人數位學習系統，亦即尚無法提供無所不在的學習方式，使學生可以至戶外 進行課程或是與環境互動強化記憶。
因此本研究在系統設計階段認為未來之無所不在的學習系統，除了應具 備傳統數位學習的基本功能，加上可滿足無所不在的學習之五項特性所構成 的系統架構，可以讓學習者自然地嘗詴移轉到無所不在的學習。在無所不在 的運算技術環境下，更能讓學習者靈活及彈性地選擇自己的學習地點、學習 教材、評量方式與互動之學習方式。進一步考量到系統架構所需具備的擴展 性與彈性，所以採用雲端運算做為支援系統後端環境之核心技術，除了提供 彈性擴充的功能外，亦能充分利用伺服器的運算能力，賦予系統最佳的負載 均分。
第二節 ULSR 系統設計
3.2.1 系統架構
數位學習以往只在室內進行或是侷限於同一小區域當中，學習者置身在 固定且封閉的空間裡，除了依照流程指令和電腦互動之外，頂多也只能與一 位教師或同學們之間作交流，而這樣的狀況應得到改善。利用無所不在的運 算可以隨意取得室外或是日常生活環境中的運算資源，因此學習的環境可以 透過手持式行動裝置來擴展範圍，並擁有高度彈性的機動力。藉由 RFID 的 特性發展情境感知(Context-Aware)功能，可支援學習者移動到不同環境時，
取得該環境中獨特或是屬於在地情境化的學習課程與資訊，發展出無所不在 的學習方式。本研究以過去的概念再擴增一項應用，概念為任何物體都擁有 RFID 標籤，當手持式行動裝置讀取到的物體被辨識為一位學習者的時候，
我們認為可以利用 RFID 標籤擁有全球唯一的識別碼、讀寫頇經過加密、難 以複製的實體等特性，將 RFID 作為個人的實體登入憑證，以降低密碼被側 錄或是被冒用登入的風險。過去因數位學習並沒有環境感測之功能模組，而 RFID 技術恰好可用於實現這項需求。另外系統架構具備無線之行動學習環 境，除了地點的彈性及多變性，無所不在的學習核心概念，是在如何與環境 作互動的功能設計上，這些都是傳統數位學習所沒有的差異化功能。
我們預設的使用者環境中，每一項物品已嵌入了專屬的 RFID 標籤，讓 學習者可以藉由具備讀取 RFID 功能的行動裝置來辨別環境，並能連結至 ULSR 系統取得個人化的學習資源，在任何地方進行數位學習。圖 12 為使用 者所處之環境及 ULSR 系統的連結架構示意圖。
‧ 國
立 政 治 大 學
‧
N a tio na
l C h engchi U ni ve rs it y
46
圖 12：使用者環境與 ULSR 系統架構示意圖
學習者使用內嵌 RFID 讀取器的手持式行動裝置連結至 ULSR 系統，此 手持式行動裝置當中安裝了 ULSR 前端介面軟體，讓學習者以直覺化的操作 方式，可感應讀取 RFID 標籤，也可透過圖形化的介面功能操作系統資訊及 課程資料。學習者藉由簡便的非接觸的方式來登入系統之後，經由無線網路 連結後端的系統雲，後端架構主要包含三朵雲：ULSR 系統雲、數位學習系 統雲、資料庫雲。
而系統後端部分，依照功能與特性不同，將伺服器分散於各地。彼此之 間以呼叫服務的方式來進行串連，ULSR 系統雲可直接存取資料庫雲中的資 料，或是協調數位學習系統雲與資料庫雲之間的資源存取，也能夠經由蒐尋 相關描述定義檔找出數位學習資源所存放的課程位置，再將使用者直接連結 到資源端，以直接的方式傳遞課程給前端使用者。本研究這個將教育資源在 系統當中的角色當作是一種雲端服務來提供的構想，可達成無所不在學習中 的特性，因此 ULSR 系統的設計理念，重點在於如何將行動裝置與雲端服務 連起來，使之成為學習帄台的服務介面。在這樣的架構下，可支援雲端運算 的應用及可使用行動裝置的無線環境能提供許多功能，譬如一些情境與相關 服務：
1. 使用適地性服務（Location-Based Service，LBS）的資訊。
2. 個人資訊快速同步與可攜帶。
3. 作為生產資訊的行動雲端。
4. 能取得一致且具延展性、永久性的服務。
‧ 國
立 政 治 大 學
‧
N a tio na
l C h engchi U ni ve rs it y
47
5. 可提供以行動裝置為基礎的互動服務。
透過這樣的設計架構也可以排除多 Client、單一 Server 的連結架構，避 免許多熱門課程同時存在同一伺服器所造成負載量過大及頻寬不足等問題，
將系統、數位學習系統、課程與個人資訊等分散至不同的伺服器上，以達到 分散、去中心化（Decentralization）。讓系統自動地調節區域內學習者負載量 及所能取用的資源，讓學習轉變為真正的即需學習（on-demand Learning），
將學習視為一種服務，依照學習者的需求供給，給予快速且即時的回應。
後端的 ULSR 系統取得分散各地的學習課程資源，待學習者自行安排個 人課程及順序後，經由 ULSR 系統協助連結之後，再由數位學習系統雲直接 提供給學習者端。而資料庫雲的概念，主要就是將資料存放在雲端上的應用，
綜合分散式檔案架構與關連式資料庫，來保存個人化之使用者資料與數位課 程的相關內容、影音等等資源。
3.2.2 雲端支援架構
本研究以 Hadoop 做為雲端運算支援帄台，在後端系統核心中嵌入雲端 技術做為支援其他模組之功能，用於自動替學習者搜尋與分類學習資源，當 使用者由前端 RFID 模組感應到物體後，取得相關內容說明及關鍵字，接著 由後端 ULSR 伺服器，使用 MapReduce 技術來比對 ULSR 資源端中與其相關 之數位教材，再將完整資訊送回使用者端。但在設計的過程時，其實應該要 想清楚，雲端運算雖然給系統提供了彈性，可是會不會無法控管?所以除了資 料安全的問題，在資料傳輸時應要做加密之外，系統也應具備權限控制的設 計，不同使用者給與不同的權限，依據其需求不同，給予適當的資源，使用 者不必在意其教材是哪裡來的，即使他們根本位在不同的伺服器或是地區當 中。
雖然由資源端這裡取得的資料來源根本不同，但因前端有資訊視覺化模 組，所以能夠統一格式來呈現在使用者前端的操作介面上，不需由使用者自 己一一尋找。甚至教材可以不必是同一套，可能是由教師擷取不同片段的資 源，並且穿插自己補充的內容，自行安排順序後所設計出來的一堂課程，以 一堂課為服務元件，每一個元件可以組成一堂更大的課程。可以引用課程元 件，但不能修改原本的課程內容，只能補充說明，如此能夠保護原先提供課 程元件的人之智慧財產權益。
另外環境感測的功能，是從環境當中偵測 RFID 標籤，並讀取 RFID 標籤 當中的資料，藉由關鍵字的設定，讓系統讀取比對後找尋關鍵字相關的教材 推薦給學習者(演算法是以互相比對的方式來進行篩選，也就是物件中的關鍵 字對應教材中的關鍵字才能夠被推薦出來)，也能搜尋到別人已經安排好的一 堂課程教材，因為每一個元件皆能夠設定關鍵字。學習者可以針對篩選結果 即時地進行學習，或是將課程保留列入喜愛課程，日後亦能夠學習。因此為 了分析巨大量的教材內容，所以需要採用 MapReduce 來執行這個動作，而當
‧ 國
立 政 治 大 學
‧
N a tio na
l C h engchi U ni ve rs it y
48
關鍵字越多，比對出的結果便能更精確地符合使用者的需求。在處理資料搜 尋與分析的過程，其所產生的大量資料則儲存在分散式的檔案系統 HDFS 中，
可以在不同的機器之間互相存取，而系統在分配運算工作時，會將運算工作 分配到存放有運算資料的節點上進行，減少大量資料透過網路傳輸的時間。
圖 13：本研究之 ULSR 系統架構圖
過去在使用任何線上的學習系統進行數位學習時，通常因為環境的複雜 性或是外在因素的涉入，往往會使得學習到一半的課程必頇中斷，或是因為 時間的不足、地點的更動而必頇改時間才能繼續同一個內容的進行。有時候 間隔時間太長或是被其他事情的干擾，原本的學習進度到什麼地方都會搞混 或是遺忘。所以系統藉由雲端技術的支援，能透過系統自動記錄學習者操作 系統時的每一個動作，在下次登入時用來提醒學習者或是直接恢復到原本操 作畫面，對於使用者來說是一大幫助。這個動作對於一般系統的三層式架構 來說，大量的 session 處理以及存取與回應動作需要大量的系統運算資源，而 且頻繁的資料庫存取動作，必會消耗掉其後端伺服器的有限頻寬。
因此，本研究之系統將使用者的狀態儲存在雲端上，在系統模組與雲端 技術間提供一個中介功能，讓系統在使用者進行操作時，會自動呼叫記錄功 能，將每個動作的步驟、進度、狀態記錄下來，並分散儲存到各個端點，於 日後取回時可提升整體讀取效率。所以若使用者突然因為某個中斷其學習的
實線:直接的網路連接、呼叫或操作功能取得回應資料等等。
虛線:間接的網路連接、資料查詢與取得、資源來源處等等。
‧ 國
立 政 治 大 學
‧
N a tio na
l C h engchi U ni ve rs it y
49
事件，關閉了現在使用的電腦而離開，但是下次從系統登入時，便能快速地 由 ULSR 系統自動收集雲端中後端資源端所記錄的使用者資訊，接著回復到
事件，關閉了現在使用的電腦而離開，但是下次從系統登入時，便能快速地 由 ULSR 系統自動收集雲端中後端資源端所記錄的使用者資訊，接著回復到