云計算網絡教學平臺的設計與研究

☆ 魏 然

（南京市金陵匯文學校，江蘇南京 210036）

一、概述

中國經濟的持續高速增長和國家對教育資源的投入為教育信息化提供了資金和良好的外部環境，教育行業信息化規模不斷擴大和深化，信息化的重點已從注重學校硬件產品的配備和全面覆蓋，逐步過渡到強調與課程的整合、開發利用信息資源，提高應用效益和教學服務質量等方面。如何在有限的資金投入下，讓教育信息化建設跟上時代的步伐，更好地滿足教育工作者和受教育者對信息技術服務的需求，已成為各級教育部門重點關注的問題。在常規情況下，學生大都是以在校學習方式為主，但是各種非正常情況撲面而來。2009 年黑龍江省發生聚集性H1N1 甲型流感，所有高校一度全面停課，江蘇省南京市也有部分中小學、各種級別的辦學機構停課避免疫情蔓延。隨著全球自然環境的急劇惡化，教育主管部門、學校需要有一套完整的網絡教學平臺供日常教學以及應急預案應用顯得非常有必要。云計算網絡教學平臺的研究與設計結合了以上現實需求，把前沿技術融入其中，其實質是為實現教育信息化資源的整合，實現資源共享、協同創新，在完成日常教學任務、應急教學任務的同時降低網絡教學平臺的搭建和運營成本。

云計算研究自2008 年以來炙手可熱，云計算到底是什么？業界有很多解釋，維基百科定義的云計算（cloud computing）是一種動態的易擴展的且通常是通過互聯網提供虛擬化的資源計算方式，用戶不需要了解“云”內部的細節，也不必具有“云”內部的專業知識，直接控制基礎設施。云計算的產生并非偶然，眾多專家、學者或咨詢機構均認為計算能力將成為一種像水和電一樣的公用服務。云計算作為一種新興的資源使用和交付模式逐漸為學界和產業界所認知。云計算概念的興起，始于新世紀初的金融危機之中。金融危機的發生壓縮了信息技術的投入，但現實中又需要保證信息技術的服務質量，云計算正好滿足了這一迫切需求；另外，云計算也符合綠色環保理念，充分提升資源的利用率，降低資源與能源的消耗。當今世界仍處于“后金融危機”時代，全球經濟和市場處于快速波動時期，充滿了不確定性，各行各業迫切需要在瞬息萬變的環境中保持自身的適應能力和創新能力。云計算作為一種新興的計算模型，具備數據處理量大、可擴展性強、資源利用率高，提升設備可靠性等優勢；應用云計算技術不僅可以推動集中化與精細化管理，也可以推行標準化建設，借助云計算可以用更低的投入、更快的速度來創建共享的計算資源、存儲資源與信息資源，讓人們依托互聯網即可徜徉在信息的海洋中快速獲取自身需要的知識，滿足機構或個人的信息化需求，為人們的學習、生活和工作等提供更多的便利。本文主要研究云計算網絡教學平臺的架構，并分析云計算網絡教學平臺的構建、運營模式與演進路線。

二、云計算網絡教學平臺架構設計

云計算網絡教學平臺主要基于云計算技術進行搭建，構建統一的門戶網站，整合教育管理平臺、教學資源管理系統、遠程教學評估系統，實現學生遠程自助學習。云計算網絡教學平臺從上至下一共分為五層，分別為展現層、核心應用層、云計算平臺管理層、云平臺基礎架構層和IT 資源層，平臺功能架構如圖1 所示。

圖1 計算網絡教學平臺

主要功能模塊介紹如下：

1．展現層

展現層主要體現為統一的門戶系統，對整個平臺的風格、布局進行統一規劃和實現，共分為學生子門戶、教師子門戶、家校互動子門戶和運營管理子門戶四個部分，其中，學生子門戶主要實現學生的選課、實時課堂、在線提問、在線考試、學習工具的下載和使用等功能的統一接入；教師子門戶主要實現教學計劃、課程安排、在線授課、在線答疑、教學評估、備課、培訓、教學工具軟件的下載與使用等功能的統一接入；家校互動子門戶主要方便家長登陸網站進行一些互動交流，家長與教師通過網站進行一些熱點問題的討論等，教師日常會通過網站（包含短信）向家長發報學校活動、通知等；運營管理子門戶主要實現后臺的運營管理與維護人員所需的相關功能，如軟件的版本更新、運行狀態監控、故障處理、后臺數據維護、安全管理、備份等功能的統一接入。

2．核心應用層

核心應用層是展現層展現內容的具體承載，是整個平臺的核心價值所在，這一層充分體現出教學計劃、教學管理、教學實施、教學考評等完整的閉環流程，是教育行業具體實踐的完整體現，并在此基礎上實現網絡圖書館、網絡實驗室、學習工具軟件庫、教學工具軟件庫、教學資源庫、搜索引擎等基礎功能，其主要功能具體描述如下：

用戶管理（或賬號管理）：教師管理、學生管理、管理員管理等。

權限管理：為不同的用戶設置不同的權限，權限可分配、可回收，權限分功能權限和數據權限。

資源管理：管理各類教學資源，如視頻、試題庫、課件、試卷、作業、拓展資料等。

班級管理：對班級進行統一管理。

選課管理：必修課由后臺統一設置，選修課由學生自主選擇，提供各選修課的介紹，根據學生選擇結果可實現是否開課、是否調劑等功能。

學籍管理：對學生的學籍進行統一管理。

教務管理：教學計劃、課程安排、課程進度、時間分配、人員調度等。

課堂管理：預習、實時課堂、在線答疑、互動作業等。

考試管理：在線考試、在線評分、試卷分析等。

評估管理：教師評估、學生評估、教學質量評估、教育主管單位評估等。

系統監控：監控上線人數、監控網絡流程、監控系統資源使用率、監控掉線率等，系統能夠根據實時數據進行預警，能夠發出預警、生成預警報告等。

計費管理：記錄上線人員的時長、使用功能、資源使用情況以及網絡流量情況等；預留收費管理與結算功能。

安全管理：防止病毒與惡意攻擊等。

教學輔助：短信、公告、通知、問卷調查、社區論壇、教育博客、即時通訊、學生社團等。

運營管理：后臺運營、維護等人員需要的功能。

網絡實驗室：通過圖像、影視、乃至虛擬現實等技術實現完善的網絡實驗室功能。

網絡圖書館：實現完善的數字化圖書館功能，網絡圖書初期只能在線閱讀。

家校互動：提供家校互動平臺，為家庭與學校建立日常順暢溝通的橋梁。

統計分析：提供平臺的日常統計分析報表，如：登陸人數統計、訪問資源統計、缺席人員統計，平臺性能分析統計，統計報表的維護可以為班級、年級、學校、地區、年、季度、月份、星期等等。

教科研管理：實現完善的教科研管理。

學習工具軟件庫：對學習工具軟件進行統一管理。

教學工具軟件庫：對教學工具軟件進行統一管理。

教學資源庫：建立完善的教學資源庫，并對資源庫進行統一管理，如：內容審查、入庫、使用申請、質量審核、評估功能。

人事管理：對學校人事進行統一管理。

后勤管理：對學校后勤服務進行統一管理。教師培訓：對教師的培訓進行管理。

備課管理：對備課進行統一管理。

3．云平臺運營管理層

云平臺運營管理層是運營管理子門戶展現功能的具體承載所在，主要實現資源的統一調度、系統監控、性能管理、安全管理（含平臺內容審計，對不合規定的內容進行屏蔽或刪除）、備份管理、計費管理等。這一層可進行自主開發，但由于技術含量很高，大多由專業的第三方軟件提供商提供。

4．云平臺基礎架構層

云平臺基礎架構層主要提供四大基礎能力：基礎框架能力、開發測試能力、部署運行能力、運營管理能力。其中基礎框架能力含大規模分布式文件子系統、并行任務調度子系統、分布式編程接口子系統、大數據量表查詢子系統。開發測試能力含SDK（Software Development Kit）開發工具包、應用開發環境、API （Application Program Interface）接口、應用的功能與性能測試、應用的集成于裝載測試等；SDK 開發工具包一般控制較為嚴格，主要是確保開發者開發的應用不能簡單地直接通過互聯網進行分發，僅能夠通過云計算網絡教學應用平臺進行認證和運行，這也是確保應用開發者腦力勞動不會輕易被別人復制、拷貝，防止盜版的一個好辦法，是保護知識產權的一種手段，同時也確保若應用程序出現錯誤不會蔓延到整個平臺系統，局部錯誤不會影響全局。部署開發能力含應用封裝、應用認證、應用部署、應用托管運行等功能；運營管理能力含開發者身份認證，應用存儲、基礎平臺監控、應用計費、結算管理、平臺安全管理、訪問控制、統計報表等功能，其中開發者身份管理主要實現對開發者資質的嚴格審核，實施信譽管理，頒發開發者證書。

平臺基礎架構層是整個平臺技術核心所在，屬于當今前沿技術領域，只有專業的技術公司才能提供，如Google App Engine （簡稱：GAE），國內的百會（www．Baihui．com）云計算服務，開源平臺Apache Hadoop 平臺等。云平臺基礎架構層涉及到的關鍵技術是分布式并行計算技術，并行計算是指將一個計算任務分解成多個子任務，并分配給不同的處理器，各個處理器之間相互協同，并行執行子任務，從而達到加快求解速度，提高求解任務規模的目的。并行計算涉及到任務的分解、通信、組合和映射，并行計算不僅要考慮任務本身可分解，而且還要考慮所使用的并行模型，網絡連接等。

5．IT 資源層

IT 資源層包含物理資源層和虛擬化資源層，物理資源管理包括主機、存儲、網絡等。虛擬化資源層是對物理資源層實現虛擬化，形成計算資源池、存儲資源池、網絡資源池、實現對資源的池化管理，便于資源的動態分配、再分配和回收。IT 資源層涉及到的關鍵技術是虛擬化技術，虛擬化技術把IT 基礎設施的一些復雜性、異構性隱藏起來，用戶不需要知道服務器、存儲、網絡的具體位置，只要通過統一方法去獲得它、使用它即可。虛擬化本質上是資源的一種邏輯表示，它不受物理限制的約束。具體來說，虛擬化技術的實現形式是在系統中加入一個虛擬化層，虛擬化層將下層的資源抽象成另一形式的資源，提供給上層使用，通過空間上的分割、時間上的分時，虛擬化可以將一份資源抽象成多份；反過來，虛擬化也可以將多份資源抽象成一份，同時虛擬化技術有自動恢復功能，當系統出現故障后，能夠自動診斷并通過改變IT 配置自動恢復。

三、云計算網絡教學平臺的構建與運營模式分析

通過對平臺功能架構的分析，發現構建云計算網絡教學應用平臺是一項復雜的系統工程，需要有一套完善的構建策略，才能確保在有限的投入下，高效成功構建。一般情況下有三種建設與運營模式。

1．教育系統主導建設與運營

該模式由教育系統（含教育局、電教館、各學校）主導建設和運營，教育系統進行運營管理和風險管控，可以與電教館和各學校信息技術師資緊密結合，通過專業培訓，依托校園網絡啟動云計算輔助應急教學平臺的建設。該模式的優點是有利于教育系統直接掌控整個平臺，擁有完全的主導權，實現一個良好的起步。但該模式的缺點也較多：一是教育系統規劃、建設經驗欠缺；二是人才隊伍力量不足、專業技能欠缺、身兼教科研任務、沒有足夠的精力；三是運營經驗不足，可能存在監管漏洞等問題。

2．第三方專業公司主導建設與運營

該模式由第三方專業公司主導，教育系統目前缺少對第三方專業公司的監管工具和手段，且這種模式下啟動資金較大，短時間內很難啟動平臺搭建，需要教育系統提供足夠資本支持，并且第三方專業公司也需要具有雄厚的資本才能堅持下去。

3．教育系統與第三方公司聯合主導建設與運營

該模式由教育系統與第三方公司聯合主導建設，理論上來說，這是一種協同共享與合作的模式，各自只負責自己專業的內容，各司其職，取長補短，是一種非常好的模式。教育系統能很好地提出業務需求，重點落在教書育人上，并監管整個系統的運行，專業公司提供專業的技術和人才隊伍，負責整個平臺的搭建和后期運行維護，雙方都有投入，未來的利益可以分成。

四、云計算網絡教學平臺的演進路線

目前，云計算的研究與應用如火如荼，各行各業都在積極引入，推動技術自身的完善。作為教育行業，無疑不能落后于時代的步伐。當前可以考慮IT 資源的物理集中或邏輯集中，然后進行云計算技術的引入，但若需要實現IT 資源邏輯上的集中，對網絡帶寬的要求很高，而中國三大運營商（電信、移動、聯通）之間的互聯互通情況也有些差強人意，毫無疑問，未來三大運營商乃至其他的運營服務提供商提供的網絡將能夠滿足這一較高要求，可以把云計算教學平臺搭建在不同運營商之間的網絡上，讓最終的各類用戶（學生、教師、家長）可以就近訪問，提高訪問速度，云計算教學平臺之間也能實現互聯互通，應用或服務可以在多個電信運營商之間實現多點備份，負載均衡、動態遷移，使得云計算教學平臺的自動化與智能化程度越來越高。互聯互通示意如圖2 所示：

圖2 云計算教學平臺間的互聯互通

傳統電信運營商互聯網數據中心（IDC，Internet Data Center）也將最終全面實現云計算服務化，到那時，教育行業可以自行購置服務器放置在電信運營商的機房，或者直接租賃電信運營商的虛擬主機服務即可搭建云計算教學平臺，教育行業將自己的精力集中于上層的教育、教學、研究活動，而把下層的技術實現細節和運維服務外包出去。

五、結束語

云計算網絡教學平臺一旦取得良好的發展，可以使得學生的學習由目前的學校強接觸模式逐步過渡到強接觸和網絡弱接觸相結合的混合模式。教育行業完全可以利用自身的優勢實現教學平臺的能力出租，如：用于成人教育等，這樣可以進一步發揮云計算輔助教育平臺的價值，為社會做出更多的貢獻。隨著標準的建立和中國教育事業的發展，完全可以想象未來有一天可以將云計算網絡教學平臺在國際上進行共享，讓國際友人、國外中小學生登陸上來，共同在一個地球村之中，同一個平臺上進行共同學習和交流、實現文化的融合和共同進步。