基于云計算的教育信息化平臺的研究

□章澤昂 鄔家煒

基于云計算的教育信息化平臺的研究

□章澤昂 鄔家煒

經過多年建設,我國在教育信息化方面已經取得巨大成就.但是,由于我國幅員遼闊,人口眾多,區域之間、城鄉之間、學校之間教育信息化的差距仍然很大.云計算的出現,對于建立一個統一、開放、靈活的教育信息化平臺,實現資源共享,縮小教育信息化差距有著重要的意義.本文首先闡述云計算技術的相關概念和特點,其次分析現階段我國教育信息化的狀況,最后提出一個基于云計算的教育信息化平臺的架構及其運作模式.

云計算;虛擬化;教育信息化平臺;教學資源

20世紀90年代,隨著信息高速公路的出現,教育信息化的概念也應運而生.進入21世紀以后,教育信息化程度更是成為衡量一個國家教育現代化程度的重要標志.經過多年的建設,我國在教育信息化方面取得了巨大的成就.到目前為止,我國的信息技術標準化技術委員會教育技術分委員會已經頒布了CELTS系列標準,其中的3個標準已經發布為國家標準[1].但是,由于我國幅員遼闊,人口眾多,區域之間、城鄉之間、學校之間教育信息化的差距仍然很大,部分公共教育資源的配置和使用也缺乏有效的監管,各教育信息系統間"信息孤島"現象嚴重.建立一個統一、開放、靈活的教育信息化平臺將有助于解決這些問題,進而提升我國教育信息化的水平.

云計算的概念一提出就受到了各個領域的關注, Google、IBM、Amazon和Microsoft等大型的IT公司紛紛建立自己云計算平臺[2]-[5],提供相關的云計算服務.云計算在價格、效率和靈活性等方面的優勢同樣吸引了許多中小型企業的關注,根據Gooroo公司的調查[6],在英國,有54%的中小型企業計劃在2011之前使用云計算,其中12%的企業已經在使用云計算服務.

在教育領域,云計算的潛在價值也得到了很多教育機構的認可.2007年10月,Google和IBM聯合宣布推廣"云計算"的計劃,包括卡內基梅隆大學、斯坦福大學、麻省理工學院、加州大學伯克利分校在內的多所高校都參加了該項計劃,我國的清華大學也于2008年3月加入了此項計劃.美國的北卡羅來納州大學已經為他們的學生提供基于云的虛擬計算實驗室(Virtual Computing Lab)[7].

云計算的出現,對于我們建立一個統一、開放、靈活的教育信息化平臺有著重要的意義.本文將通過研究分析云計算的相關概念、特點和我國教育信息化的狀況,提出一個基于云計算的教育信息化平臺的架構及其運作模式.

一、云計算

目前,云計算沒有統一的定義,根據McKinsey公司的研究,至少有22個云計算的定義[8].云計算是面向服務的架構(SOA)、分布式計算、網格計算和虛擬化等多種技術混合演進的結果[9].云是一個巨大的虛擬化資源池(由硬件、開發平臺和服務等組成),這些資源能動態地根據各種規模的負載進行自動配置,使資源的利用率達到最優化.用戶按照"即用即付費"(pay-per-use)的方式使用資源,基礎架構提供商(Infrastructure Provider)根據服務級別協議(SLA)提供服務[10].

云計算提供三個層次的服務[11]:(1)基礎設施即服務(IaaS),由底層的硬件或虛擬機資源構成,提供計算、數據存儲和網絡通訊等資源;(2)平臺即服務(PaaS),構建在云基礎設施之上,為云應用程序開發者提供一個平臺開發各種的云應用軟件; (3)軟件即服務(SaaS),基于云平臺開發的各類應用服務.

云計算有3個最基本的特征[12]:第1個是基礎設施架構在大規模的廉價服務器集群之上;第2個是應用程序與底層服務協作開發,最大限度地利用資源;第3個是通過多個廉價服務器之間的冗余,利用軟件獲得高可用性.

二、現階段我國教育信息化狀況分析

經過多年的建設,我國在教育信息化方面已經取得了巨大的成就.各個高校均建立了自己的校園網、數字圖書館等現代教育信息化基礎設施,面向基礎教育的"校校通"工程也將我國中小學教育信息化的水平提升到一個新的高度.然而,教育投資的二元體制和試點學校發展策略造成我國教育信息化事業發展失衡[13].現在國內的教育信息化總的來說存在以下幾方面的問題.

教學資源分布不均:對于高校,著名大學有更好的資源(包括師資、實驗室和計算機設備等),而大部分地方院校,由于資金來源有限,往往面臨著設備老化,實驗室資源不足等狀況.對于中小學,城鄉基礎教育校園網絡建設、教育信息化資源配置以及信息技術課程開設等方面也有著巨大的差距[14].

教學資源更新速度慢:各種技術飛速發展、就業競爭趨于白熱化,要求學校能夠為學生提供最新的實驗室、計算機設備以及開設相關的新課程,提高學生的各種技能,以適應新形勢的發展,這給中小學和高等院校的教育信息化建設都帶來了很大的壓力.

教學資源共享程度低:現代遠程教育的發展,以及高校課程聯合范圍的擴大,使得課程等軟件資源在一定程度和一定范圍內實現了整合.然而在高校之間、中小學之間,高校與中小學之間,各種資源的共享程度仍然有限,硬件資源仍然無法實現整合.

這些問題造成了我國在教育信息化過程中,重復投入,資源利用率不高,擴大了教學質量的差異.因此,建立一個統一、開放、靈活的教育信息化平臺,對教學資源進行最大程度、最大范圍的整合,將有利于減少教學成本,提高教學質量.云計算的出現將是我國教育信息化平臺的建設的強有力推手.

三、教育云

教育云是云計算技術在教育領域的遷移,是未來教育信息化的基礎架構,包含了教育信息化所必須的一切軟硬件計算資源,這些計算資源虛擬化之后,向教育機構、教育從業人員和學生提供以計算資源為形式的服務.在此首先介紹基于云計算的教育信息化平臺的架構,然后討論基于該架構的運作模式,最后介紹在云平臺之上的應用案例.

1.平臺架構

如圖1所示,基于云計算的教育信息化平臺架構分為4層:

圖1 教育云架構

基礎設施層,為高層提供計算、數據存儲和網絡通訊等資源,即提供IaaS,分為物理硬件子層和虛擬化子層.其中,物理硬件子層由各種真實的物理硬件組成,包括服務器、存儲器和網絡設備.虛擬化子層構建在物理硬件子層之上,利用虛擬化技術對底層硬件設備進行管理,向上提供計算、數據存儲和網絡通訊等虛擬資源,由各類虛擬機組成,當前主流的虛擬機軟件有VMware、XEN、Virtual PC和Virtual-Box等[15]-[18].

應用接口層,構建在基礎設施層之上,面向開發人員,為開發各類基于云計算的教育應用軟件提供開發環境和公用API等,即提供PaaS.公用API可以以Web Service的形式提供給開發人員,例如A-mazon Web Services[19],從而免除了開發人員許多系統管理的操作.開發人員也可以使用公用API開發自己的Web Service.

教育應用層,提供各類的教育教學相關的應用軟件,即提供面向教育的SaaS.本層主要包含:(1)用于教學與教學管理的教學平臺、教務管理系統、辦公系統和作業系統等;(2)用于教學資源開發的文檔處理軟件、課件制作和演示軟件等;(3)虛擬計算環境[20],為教育從業人員和學生提供較底層的虛擬計算資源;(4)基于云的虛擬計算實驗室.

用戶接口層,在客戶端為用戶訪問教育云提供兩種接口:傳統的圖形用戶接口(GUI)和基于Web的接口.借助于Web 2.0技術[21],教育云提供的服務主要為B/S結構,因此用戶只需要使用瀏覽器便可以訪問服務.傳統GUI將作為Web接口的一個輔助手段,用于遠程登錄教育云上的虛擬機,訪問底層的資源.

基礎設施層是整個架構的基礎,利用虛擬機技術在軟、硬件之間引入虛擬化層.虛擬化層的引入可為應用提供獨立的運行環境,屏蔽硬件平臺的動態性、分布性和異構性,支持硬件資源的共享和復用,并為每個用戶提供屬于個人的獨立、隔離的計算環境,同時,為管理員提供硬件資源和軟件資源的集中管理[22].應用接口層對各種虛擬資源進行進一步封裝,免除開發人員許多系統管理的細節,為方便、快速開發基于云計算的應用軟件提供了基礎.教育應用層使用應用接口層提供的API開發各類軟件,依托底層提供的計算、存儲和網絡資源運行.在用戶接口層,由于所有軟件運行在云上,用戶只需使用普通的PC機(甚至是PDA和手機等移動設備)和一個瀏覽器便可使用各類軟件,享受云計算提供的海量存儲和無限的計算能力.同時,由于用戶所有數據都存儲在云端,因此不需要擔心數據丟失.

2.運作模式

如上所述,經過了多年的信息化建設,我國高校已經建立起各自的校園網和相配套的網絡中心或是信息中心,積累了豐富的教育信息化建設和管理的經驗.在一些大型高校,一方面由于應用需求大,另一方面擁有充足的物質資源和人力資源,其網絡中心或是信息中心的規模更是達到數據中心級別.因此,如圖2所示,教育云由分布在我國幾大區域的區域云組成,每個區域云由若干家高校私有云[23]組成,為各類教育機構提供計算服務.高校私有云是對高校的網絡中心或是信息中心進行擴充形成的,由各個高校自行管理.區域云則是依托現有的教育網,由各個高校私有云互聯而成,每個區域云設立一個管理機構,實現對區域云資源的管理.最后,各個區域云的互聯形成我國的教育云,整個教育云設立一個管理委員會進行綜合管理.

在教育云中,基礎設施層由各個高校私有云和區域云共同建設和管理;應用接口層由教育云的各個管理機構共同協商制定,并最終實現標準化;教育應用層則可由各個高校、中小學、科研機構和教育管理機構根據其具體的需要,由高校或是教育軟件開發企業進行開發.

圖2 教育云

為實現資源的有效共享和充分利用,教育云應對各層所提供的各種資源進行描述,建立教育云資源索引庫,用戶可根據應用的需求在教育云資源索引庫中進行檢索.由于云上的資源眾多,資源之間存在聯系,因此教育云資源索引庫除人可以理解外,還應該是機器可以理解,從而提高用戶檢索的準確性和資源使用的效率,語義網[24]對資源的描述能力以及機器可理解的特性將是當前的可選技術之一.

3.應用案例

為了提高我國中小學教師的基本素質與教育教學技能,各省紛紛依托高校搭建培訓平臺,開發課程資源,運用網絡教學的方式對教師進行短期遠程培訓,實現高校優質資源向中小學的共享,取得了良好的效果,例如廣東省中小學代課教師教育教學能力提高培訓[25].此類培訓活動的特點:①需要多種教育信息化元素支持,這些元素包括了各類教育管理程序、多媒體課件和實驗室等;②周期性和短暫性,此類培訓一般是利用寒暑假的時間進行,因此培訓頻率呈周期性,且每次培訓的時間相對較短;③在培訓期間,培訓平臺對計算機軟、硬件和網絡的性能要求較高.

在傳統模式下,開展此類培訓實踐,首先需要購買服務器和服務器軟件,租用網絡,開發培訓平臺,形成培訓活動的基礎設施.在培訓期間,需安排專門人員對硬件、軟件和網絡進行維護.在這種模式下,培訓平臺的開發周期長,維護成本高,不便于資源的共享,缺乏彈性和靈活性,資源利用率低.

在云計算模式下,教育云用戶首先向教育云管理機構申請培訓活動所需的計算、存儲和網絡等資源,然后由軟件開發人員使用教育云應用接口層提供的開放平臺和API開發培訓平臺,與此同時,教學資源開發人員使用教育應用層的教學資源開發程序開發多媒體課件.在培訓活動進行期間,培訓平臺所需的全部軟、硬件都在云端,由各教育云管理機構實行統一管理,教育云用戶只需要專注于具體的教學活動.培訓結束后,所有的資源仍保留在云端,供有需要的教育云用戶使用.在這種模式下,由于減少了設備采購環節,而且培訓平臺的開發和教學資源的開發可以在云端同時進行,從而大大地縮短了開發周期;其次,教育云強大計算能力、海量的存儲和巨大的網絡吞吐量,在滿足培訓期間對計算機軟、硬件和網絡性能要求的同時,也節約了維護成本;最后,因為所有的資源都在教育云上,而且系統使用教育云提供的統一接口進行開發,從而使得資源的共享變得非常容易.

四、總結

教育云是未來教育信息化建設的基礎架構,它向教育機構、教育工作者和學生提供各種教育活動所需的信息化服務.本文提出了一個基于云計算的教育信息化平臺的架構及其運作的模式,利用這個平臺的統一性、開放性和靈活性將有助于解決我國教育資源分布不均、更新速度慢和共享程度低等問題,從而提高我國教育信息化的水平.

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責任編輯 鄭重

G40-057

B

1009-458x(2010)06-0066-04

2010-02-25

章澤昂,碩士研究生;鄔家煒,教授,副院長.華南師范大學計算機學院(510631).