基于云計算的高校遠程教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：高校遠程教學(xué)系統(tǒng)是實施遠程教學(xué)的基礎(chǔ)，隨著遠程教學(xué)的普及，現(xiàn)有的遠程教學(xué)系統(tǒng)無法滿足高性能、低成本、快速擴展等教學(xué)需求。云計算的出現(xiàn)，為高校遠程教學(xué)帶來了新的解決方案。結(jié)合黑龍江大學(xué)實際工作，通過研究分析云計算的應(yīng)用現(xiàn)狀和特點，提出一套基于云計算的高校遠程教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞：云計算；高校遠程教學(xué)；虛擬化；遠程教學(xué)系統(tǒng)

中圖分類號：G727 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1009-4156(2011)07-059-03

一、引言

進入21世紀(jì)，教育作為社會發(fā)展進步的動力越來越受關(guān)注。各國政府每年都投入了相當(dāng)大的人力、物力和財力，并通過各種方式發(fā)展教育。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的興起，遠程教育作為一種新興的教育方式，受到更多人的關(guān)注和認可，并且在教育的發(fā)展過程中起著越來越重要的作用。

經(jīng)過近年來的發(fā)展，遠程教育的規(guī)模不斷擴大，教育對象已經(jīng)慢慢地轉(zhuǎn)向社會人員。目前在職專業(yè)技術(shù)人員的“繼續(xù)教育、終身學(xué)習(xí)”的思想已經(jīng)成為國家未來教育發(fā)展的重要方向。隨著接受教育的人數(shù)不斷增多，一系列新的問題也涌現(xiàn)出來。例如：由于規(guī)模的擴大，現(xiàn)有教學(xué)方式已經(jīng)無法適應(yīng)新的需求，同時教學(xué)設(shè)備不斷更新，也約束著高校遠程教學(xué)的發(fā)展。云計算(Cloud Computing)的出現(xiàn)，對于建立統(tǒng)一、開放、靈活的遠程教學(xué)系統(tǒng)，減少硬件投入提供了一個新的解決方案。目前國外的Goodle、IBM、Amazon和Microsoft等大型的IT公司紛紛建立自己云計算平臺，國內(nèi)的如聯(lián)想、百度等企業(yè)同時也紛紛推出了“云服務(wù)”、“云存儲”等新的業(yè)務(wù)。通過這種方式用戶無須購買服務(wù)器，只要購買相關(guān)“服務(wù)”就可以建立一個高效的遠程教學(xué)系統(tǒng)。

二、云計算

雖然云計算已經(jīng)廣為人知，但是國際上對于云計算還沒有統(tǒng)一的定義。根據(jù)MeKinsey公司的研究可知，現(xiàn)在至少有22個云計算的定義。但是大體上我們可以分為兩大類概念：狹義云計算和廣義云計算。狹義云計算是指IT基礎(chǔ)設(shè)施的交付和使用模式，指通過網(wǎng)絡(luò)以按需、易擴展的方式獲得所需的資源；廣義云計算是指服務(wù)的交付和使用模式，指通過網(wǎng)絡(luò)以按需、易擴展的方式獲得所需的服務(wù)，這種服務(wù)可以是IT和軟件、互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的，也可以是任意其他的服務(wù)。也就是說，云計算將IT相關(guān)的能力以服務(wù)的方式提供給用戶，允許用戶在不了解提供服務(wù)的具體技術(shù)、沒有相關(guān)知識及設(shè)備操作能力的情況下，通過Internet獲取需要的服務(wù)。

從應(yīng)用現(xiàn)狀來看，云計算提供三個層次的服務(wù)：一是基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)(Infrastructure as a Service，IaaS)，將基礎(chǔ)設(shè)備(如IT系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫等)集成起來，像旅館一樣，分隔成不同的房間供企業(yè)租用；二是平臺即服務(wù)(Platform as a Service，PaaS)，打造程序開發(fā)平臺與操作系統(tǒng)平臺，讓開發(fā)人員可以通過網(wǎng)絡(luò)撰寫程序與服務(wù)，一般消費者也可以在上面運行程序；三是軟件即服務(wù)(Software as Service，SaaS)，基于云開發(fā)的各類應(yīng)用服務(wù)。

云計算因其重要特點，目前在網(wǎng)上得到了快速的發(fā)展。一是超大規(guī)模，即云具有相當(dāng)大的規(guī)模，例如Goole云計算擁有100多萬臺服務(wù)器，Amazon、IBM、微軟、Yahoo等的“云”均擁有幾十萬臺服務(wù)器。從而“云”賦予用戶前所未有的計算能力。二是虛擬化。云計算支持用戶在任意位置使用各種終端獲取應(yīng)用服務(wù)。所請求的資源來自“云”，而不是固定的有形的實體。應(yīng)用在“云”中某處運行，但實際上用戶無須了解、也不用擔(dān)心應(yīng)用運行的具體位置。只要有一臺筆記本或者一個手機，就可以通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)來實現(xiàn)我們需要的一切，甚至包括，超級計算這樣的任務(wù)。三是極其廉價。由于“云”的特殊容錯措施可以采用極其廉價的節(jié)點來構(gòu)成云，“云”的自動化集中式管理使大量企業(yè)無須負擔(dān)日益高昂的數(shù)據(jù)中心管理成本，“云”的通用性使資源的利用率較之傳統(tǒng)系統(tǒng)大幅提升，因此用戶可以充分享受“云”的低成本優(yōu)勢，經(jīng)常只要花費幾百美元、幾天時間就能完成以前需要數(shù)萬美元、數(shù)月時間才能完成的任務(wù)。

三、基于云計算的高校遠程教學(xué)系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計

本文充分考慮云計算的特性，根據(jù)實際需求設(shè)計了高校遠程教學(xué)系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)，使其具有良好的可擴展性。圖1為基于云計算的高校遠程教學(xué)系統(tǒng)的整體架構(gòu)圖，它主要由云計算服務(wù)器、負載均衡設(shè)備、WEB服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫存儲服務(wù)器等四部分組成。

1.云計算服務(wù)器是整個系統(tǒng)擴展性的核心部分。本系統(tǒng)將學(xué)員的在線學(xué)習(xí)教學(xué)資源全部存放到云服務(wù)器上，通過云計算服務(wù)器的高性能、高可靠和可擴展等特性，保證系統(tǒng)高效與穩(wěn)定地運行。

2.負載均衡設(shè)備主要根據(jù)學(xué)習(xí)者訪問需求，動態(tài)地完成網(wǎng)絡(luò)帶寬和硬件資源的調(diào)度與分配。

3.WEB服務(wù)器是用戶訪問學(xué)習(xí)的入口，分為主WEB服務(wù)器和專業(yè)WEB服務(wù)器，其中主WEB服務(wù)器是完成學(xué)員查看信息，登錄系統(tǒng)，驗證等功能，專業(yè)WEB服務(wù)器主要由負載均衡設(shè)備進行分流，學(xué)員根據(jù)網(wǎng)絡(luò)流量被平均分配到不同專業(yè)WEB服務(wù)器上進行學(xué)習(xí)。

4.數(shù)據(jù)庫存儲服務(wù)器分為公共服務(wù)器和專業(yè)服務(wù)器。公共服務(wù)器主要記錄用戶信息，訪問記錄等公共信息；而專業(yè)服務(wù)器則記載不同專業(yè)的專業(yè)信息、學(xué)習(xí)記載、作業(yè)考試信息等。

云服務(wù)除了提供計算服務(wù)，還必然提供了存儲服務(wù)，云服務(wù)當(dāng)前壟斷在私人機構(gòu)(企業(yè))手中，而他們僅僅能夠提供商業(yè)信用，對于一些特殊用戶選擇云服務(wù)應(yīng)保持足夠的警惕，一旦這些用戶大規(guī)模使用私人機構(gòu)提供的云服務(wù)，無論其技術(shù)優(yōu)勢有多強，都不可避免地讓這些企業(yè)以“數(shù)據(jù)(信息)”的重要性來威脅用戶。對于信息社會而言，“信息”是尤為重要的。另一方面，云計算中的數(shù)據(jù)對于數(shù)據(jù)所有者以外的其他云計算用戶是保密的，但是對于提供云計算的企業(yè)而言確實毫無秘密可言。基于以上原因，本文在架構(gòu)設(shè)計的過程中，采用本地數(shù)據(jù)庫服務(wù)器存放私有數(shù)據(jù)，如學(xué)員信息、課程信息、專業(yè)信息等重要數(shù)據(jù)，而把在線學(xué)習(xí)、下載、即時通信、師生交互等擴展功能全部存放到云服務(wù)器上，由于這些屬于服務(wù)數(shù)據(jù)，因此不存在安全性問題。

四、基于云計算的高校遠程教學(xué)系統(tǒng)的實現(xiàn)

為驗證基于云計算的高校遠程教學(xué)系統(tǒng)架構(gòu)的合理性，黑龍江大學(xué)基于，NET、XML技術(shù)和SQL Server2005數(shù)據(jù)庫開發(fā)完成了黑龍江省繼續(xù)教育培訓(xùn)系統(tǒng)，全省學(xué)員只需要通過WEB瀏覽器就可以完成遠程教學(xué)的所有環(huán)節(jié)，下面針對系統(tǒng)的功能模塊和技術(shù)實現(xiàn)方法進行簡單介紹。

1.基于云計算的高校遠程教學(xué)系統(tǒng)的功能模塊。根據(jù)云計算能提供高性能計算資源、海量存儲空間以及優(yōu)質(zhì)技術(shù)服務(wù)等特點，我們設(shè)計的高校遠程教學(xué)系統(tǒng)主要由學(xué)員報名、虛擬班級、虛擬教研室、學(xué)習(xí)資源一云計算服務(wù)、師生交互一云服務(wù)和系統(tǒng)管理等六個功能模塊構(gòu)成，其功能結(jié)構(gòu)如下圖2所示，圖2中的黑體字部分為使用云服務(wù)器實現(xiàn)的功能。

(1)學(xué)員報名。參加培訓(xùn)的學(xué)員需要填寫報名信息，然后系統(tǒng)進行逐一審核。由于學(xué)員較多，需要將已通過審核的人員名單利用EXCEL導(dǎo)入，進行批量審核以提高工作效率。通過審核的學(xué)員利用學(xué)號和密碼登錄到網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)系統(tǒng)，并可以查看、打印其報名信息。

(2)虛擬班級。虛擬班級概念的提出主要解決大量學(xué)員的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)管理問題，其主要思想是將學(xué)員按照地區(qū)或其他規(guī)則劃分成較小的班級，并通過每個班級設(shè)置一個班主任的方式對班級進行管理。學(xué)員需要根據(jù)班主任發(fā)布的學(xué)習(xí)進度來完成網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)任務(wù)，同時系統(tǒng)也會記錄學(xué)員學(xué)習(xí)的整個過程，并以此為依據(jù)給定學(xué)員成績。由于在學(xué)員學(xué)習(xí)的過程中需要大量的存儲空間和計算資源，因此本系統(tǒng)將在線學(xué)習(xí)、資料下載、即時通信等功能利用云服務(wù)實現(xiàn)，有效地提高了遠程教學(xué)的質(zhì)量。虛擬班級概念的引入有效地解決了學(xué)員過多無法管理的困難，為今后的遠程教學(xué)提出了一個新的教學(xué)管理模式。

(3)虛擬教研室。虛擬教研室是仿照虛擬班級的概念提出的，它主要是記錄班主任的教學(xué)過程，在虛擬教研室里班主任需要完成對學(xué)員存在的問題及時解答、批改學(xué)生作業(yè)、給學(xué)員作業(yè)評語、給定成績等工作，班主任問可以通過云服務(wù)提供的即時通訊答疑模塊對有爭議的問題進行例題討論，最終將討論結(jié)果反饋給學(xué)員。虛擬教研室建立了一個師師間和師生間交流的通道，它對遠程教學(xué)的規(guī)范化、教學(xué)的嚴(yán)謹性的提升起到了推動作用。

(4)學(xué)習(xí)資源——云計算服務(wù)。云計算可以提供高校遠程教學(xué)系統(tǒng)新的硬件構(gòu)建模式，針對這一特點，我們把所有的在線視頻，在線下載全部放到云服務(wù)器上，這部分功能有著學(xué)員訪問量大、訪問頻繁的特點，如果自建需要高性能的服務(wù)器、高速網(wǎng)絡(luò)帶寬、防火墻以及負載均衡設(shè)備，很少有單位的網(wǎng)絡(luò)部門能購買這樣高性能的設(shè)備。云服務(wù)模式可以大大地節(jié)約以上開銷，并且能夠保證硬件設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)帶寬、安全存儲、復(fù)雜計算等核心問題的真正解決。目前，世紀(jì)互聯(lián)、引領(lǐng)盛世、聯(lián)想集團等都提供此項服務(wù)。

(5)師生交互——云服務(wù)。云計算可以提供新的軟件資源開發(fā)模式，我們利用計算的這一特點，把師生、師師間的通信交流全部通過云服務(wù)實現(xiàn)，利用XML技術(shù)在數(shù)據(jù)層的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)交換，并實現(xiàn)以下功能：網(wǎng)絡(luò)即時通信服務(wù)、電子郵件服務(wù)、在線答疑服務(wù)等。通過軟件即服務(wù)(SAAS)這種云計算的模式可以節(jié)省購買或開發(fā)系列功能模塊的費用，有效地降低了成本。目前可以支持此項服務(wù)的主要Google、百度、IBM、聯(lián)想等。

(6)系統(tǒng)管理。系統(tǒng)管理是整個遠程教學(xué)系統(tǒng)的控制管理端，可以監(jiān)控系統(tǒng)每個模塊功能運行的情況，對系統(tǒng)前臺的學(xué)員信息、試題信息、課程信息、專業(yè)信息、服務(wù)器地址可以實現(xiàn)整體設(shè)置，系統(tǒng)管理中可以動態(tài)調(diào)配整個系統(tǒng)中的眾多資源，利用負載均衡器達到有效地分配均衡資源。

2.基于云計算的高校遠程教學(xué)系統(tǒng)的技術(shù)實現(xiàn)。從技術(shù)層面上看，云計算并不是什么新技術(shù)，它是分布式處理、并行處理和網(wǎng)格計算的發(fā)展，在某種意義上來講，它可以理解為新的技術(shù)實現(xiàn)方案。目前，云計算在高校遠程教學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用處于初級階段，黑龍江大學(xué)率先采用其理念應(yīng)用到實際當(dāng)中，投入較少資源，解決了關(guān)鍵問題。在系統(tǒng)的設(shè)計中我們主要基于，NET、JQuery等技術(shù)，與云服務(wù)器進行的數(shù)據(jù)交換我們主要采用了XML技術(shù)，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫采用SQL Server2005。操作系統(tǒng)使用微軟最新的Windows 2008 R2版。

在設(shè)計初期我們利用VMware軟件對現(xiàn)有服務(wù)器做了大量的在線視頻、下載的測試，由于學(xué)員多，按照10％的在線比例計算，預(yù)期學(xué)習(xí)的人數(shù)至少要滿足8000人在線，如果視頻壓縮比例是128K／S，在線8000人就需要1000M以上的網(wǎng)絡(luò)帶寬，而且1000M的帶寬必須是專線，同時學(xué)校還有提供高性能的服務(wù)器和存儲設(shè)備，這個費用是昂貴的。最終得出結(jié)論以學(xué)校現(xiàn)有的設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)帶寬根本無法滿足大規(guī)模學(xué)員同時在線學(xué)習(xí)或下載資料的要求，所以引入了“云”這個概念，我們把資源下載、在線學(xué)習(xí)資源放到了云服務(wù)器上，利用SAAS這種云服務(wù)方式實現(xiàn)即時通信、電子郵件、答疑等功能。學(xué)校租用了500M帶寬滿足4000人同時在線，剩下的4000人利用云存儲來完成既定的任務(wù)。目前，提供此類云服務(wù)的企業(yè)有很多，價位也要遠遠低于自己投資，安全性能也會得到最有力的保證。

“云”的應(yīng)用使硬件資源得到有效的節(jié)約，為交互軟件服務(wù)提供有力保障，使教學(xué)系統(tǒng)的安全性能得到全面提升。“云計算”的確給高校遠程教學(xué)系統(tǒng)的發(fā)展提出了一種新思路，這種理念的應(yīng)用會使高校遠程教學(xué)系統(tǒng)實現(xiàn)有效的擴展，接納更多的學(xué)員進行網(wǎng)上學(xué)習(xí)。

五、結(jié)語

隨著網(wǎng)絡(luò)的普及，越來越多的人選擇通過網(wǎng)絡(luò)進行學(xué)習(xí)。這也在不斷地推動網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的發(fā)展。同時由于遠程教學(xué)的功能的不斷完善，性能不斷的提高，越來越多的人選擇遠程教學(xué)。本文充分考慮云計算的優(yōu)勢，構(gòu)建了一個基于云計算的高校遠程教學(xué)系統(tǒng)，通過實際的應(yīng)用論證可得出結(jié)論，系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和可擴展性。有理由相信，云計算將會給高校遠程教學(xué)工作帶來新的發(fā)展機遇。