大規模在線教學應用中文件存儲體系研究與應用

【摘 要】本文闡述大規模在線課程教學特征，分析教學應用中的文件存儲體系的需求，從總體設計、模塊設計等方面介紹文件存儲體系的設計，認為基于目前較為先進的云存儲技術，大規模在線教學應用中的文件存儲體系可以實現登錄、訪問、目錄、存取、租賃、管理等功能，從而確保大規模在線教學產生的海量文件得到安全有序存儲，并能夠為系統用戶提供可靠服務，增加在線學習的便利性。

【關鍵詞】大規模在線教學 文件存儲體系 存儲功能

【中圖分類號】G? 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2021）27-0168-03

大規模在線開放課程（MOOC）是網絡時代的教育開發物，因其具有開放靈活、海量資源共享等特點，因此自2012年誕生以來，其教學應用就成為人們討論的熱點。近年來，大規模在線開放課程教學的熱度更加高漲，國內的大規模在線開放課程遠超5000 門，而在線開放課程的選課群體主要是高校學生。我國在優化推動“雙萬計劃”以期建設一流課程的過程中，更加注重在國家和省兩個層級的在線精品課程建設。隨著更多的在線課程的產生，課程所積累的文件將越來越多，必然需要以合理的方式完成文件存儲體系的建設，這樣才能在后期的課程調用中發揮更積極的作用。

一、大規模在線課程教學特征

大規模在線開放課程在發展過程中已經持續向用戶展現出自己的典型特征：一是資源豐富，網絡中的各種共享信息都可以作為MOOC整合教學的數字資源;二是工具多樣，如今網課學習者可以通過不同的智能終端接入網絡，登錄不同的學習網站平臺完成學習，可利用的工具多元且靈活;三是課程限制少，網絡用戶可突破傳統的學習時間、學習空間的約束，在有網絡的情況下學習不同國家地區、不同院校、不同師資的教學課程;四是受眾規模大，課程的發布并沒有設定可觀看、可使用受眾的上限，因此可滿足大規模的受眾學習需求;五是受眾參與自主性強，MOOC資源的學習者可隨之開始或結束某項課程的學習，因此學習的效率和成果與學習者自身的學習自主性、自律性有很大關系。

二、大規模在線教學文件存儲體系的需求分析

隨著大數據、云計算、物聯網、AI等技術的不斷發展，人們對海量文件等數據存儲提出了更高的要求。大規模在線教學所產生的數據，多是教師上傳的教學視頻文件，這些文件想要為更多的學習者提供學習便利，以滿足學習者隨機性的文件使用需求，就需要將教學文件保持較長時間的存儲效果。從現階段看，基于云計算技術實現的云存儲系統可以滿足大規模在線教學應用中的文件存儲需求。云計算是新的技術變革下計算機與互聯網的發展產物，作為一種網絡服務模式，其將服務器、存儲單元、軟件、服務等不同資源進行融合共享后創造新的服務價值。云存儲則基于云計算而發展，所提供的網絡存儲服務更加高效便利。下面具體分析大規模在線教學文件云存儲系統的需求。

（一）功能性分析

1.系統用戶角色

現階段看，大規模在線教學文件云存儲系統的系統用戶角色主要可分為系統租戶和系統管理員，其中系統租戶應是使用該云存儲系統的主體，因此可進一步細分為教學用戶以及教學管理員，而教學用戶又最終體現在學生與教師兩個角色身份上。系統管理員則是負責對大規模在線教學文件云存儲系統進行管理或實施維護的角色。系統用戶角色分配如圖1所示。

2.功能模塊

大規模在線教學文件云存儲系統按六類功能配設計模塊，即登錄、訪問、目錄、存取、租賃、管理等模塊。其中登錄模塊設計為允許用戶在登錄頁面登錄，無身份登記的用戶需要先注冊再登錄;訪問模塊設計為對系統租戶以及教學用戶的訪問動作進行管理控制，對角色設置必要的操作權限，在相應的權限下可對應使用相應資源的功能;目錄模塊設計為允許對文件或目錄完成編輯、復制、移動、刪除、搜索等操作;存取模塊設計為允許文件的上傳下載以及回撤后退刪除等操作;租賃模塊設計為允許為用戶提供系統租賃或擴容租賃服務;管理模塊設計為實施元數據、設備、多租戶等相關管理。

（二）非功能性分析

在滿足功能新需求之外，大規模在線教學文件云存儲系統還應該結合用戶體驗度、系統服務結構、系統綜合性能、安全表現、系統服務接口等方面，積極開發設計滿足用戶的非功能性需求。

1.用戶體驗度

考慮到大規模在線教學文件云存儲系統的用戶角色多樣化，因此要全面把握不同用戶對系統的使用體驗，力爭讓所有用戶都能體驗到系統的友好、便捷，故須考慮將系統的前端和后端操作實施徹底分離，前端通過人機交互的簡潔界面、響應流暢的功能操作、人性化的操作提示等提升用戶體驗度，后端則去完成對復雜操作的處理。

2.系統服務結構

大規模在線教學文件云存儲系統將依據SOA設計概念，將服務作為基本單位，通過協調工作，最終讓虛擬資源池可有效向用戶提供基于配套服務結構的穩定服務。

3.系統綜合性能

大規模在線教學文件云存儲系統是面向用戶提供文件存儲服務的平臺，因此需要謹慎關注系統性能，如系統穩定性、訪問文件數據的效率、系統存儲空間的配置及利用情況、系統故障恢復機制和效果等。

4.安全表現

大規模在線教學文件云存儲系統將課程相關的文件存于云端，必然需要關注數據安全問題，因此系統要對文件數據的存儲以及傳輸等工作實施加密，同時還要針對性完成備份。而且為了增強安全性，要嚴格核查用戶身份，對于非法用戶或異常用戶要直接拒絕其訪問系統。

三、大規模在線教學文件存儲系統的設計及應用

（一）總體設計

1.系統邏輯架構設計

結合以上的需求分析，可設計大規模在線教學文件存儲系統的邏輯架構，大規模在線教學文件存儲系統的邏輯架構如圖2所示。

其中，用戶層中包括系統管員、教學管理員、教師、學生等系統用戶;訪問層針對不同的用戶開辟了獨立的訪問空間;應用層主要為用戶提供各類系統服務，包括目錄、存取、租賃、管理、數據等服務;支撐層主要是為用戶提供公共服務，包括身份識別認證、訪問權限控制、租戶管理等通用服務;數據層可進一步分為數據存儲與數據管理層，可對系統數據、業務數據、文件數據以及服務數據等進行科學管理，并對各類數據采取合理的技術實現存儲;基礎層主要對應用服務器、文件存儲及緩存服務器等設備實施管理。

2.系統物理架構設計

大規模在線教學文件存儲系統所用設備主要包括網絡、路由機和交換機等，實現與客戶端、數據庫、服務器、HDFS（分布式存儲子系統）等集群的連接。在服務器方面，Web服務器主要執行指令轉發或處理請求等工作，而文件緩存服務器則可對臨時存儲在系統內的文件建立索引，從而完成映射、緩存、解碼、合并等操作。數據庫主要整合三類技術形成數據庫集群，其中MySQL數據庫主要存放教學業務結構化數據以及各種系統數據;Redis數據庫則主要存放用戶操作中產生的文件與硬盤的映射數據;MongoDB數據庫主要存儲用戶操作中產生的小型文件。

3.服務設計

大規模在線教學文件存儲系統將使用Apache CXF開源框架以基于代碼優先的Java編程完成服務訪問設計。基本步驟為：（1）使用Java構建Web Services，以服務端點接口來定義可向Web Services提供服務的可行路徑，起點為Java語言中的類或某一接口;（2）完善Java語言中的類或接口的相關注釋，如Web Services外部服務的代碼注釋、服務注釋以及服務端口注釋等;（3）利用Java語言編寫程序代碼，產生Web Services，發布相關服務;（4）使用Java語言完成Web Services客戶端應用編程，實現訪問調用。

數據服務設計方面，主要考慮線上教學活動的結構化數據，將設計為應用程序開放有關數據新建、編輯、查詢、刪除等服務接口，為云存儲提供數據支撐。

（二）子模塊設計

前文提到大規模在線教學文件存儲系統可分為六個功能模塊。每個功能模塊的功能設計都要程序編輯來實現。

1.登錄模塊設計

用戶要從系統的首頁進入系統，若用戶已注冊，則直接輸入賬戶名與密碼可完成身份驗證并登錄。若用戶未注冊，則要區分用戶身份進行注冊。對系統租戶的注冊，則需要系統管理員的審核，通過則注冊成功并可完成登錄，若未通過則需要進一步審核信息，這個過程租戶無法對系統進行訪問。對教師和學生的注冊，需要教學管理員審核信息，通過則注冊成功，完成登錄。在登錄后，系統還需要進一步對信息進行驗證，只有通過驗證才能在邏輯指令下直接轉至對應用戶空間。

2.訪問模塊設計

用戶準備進行系統登錄時，將通過必要的身份驗證機制來確定身份信息，在通過后會自主獲得用戶角色，并相應配置用戶權限。若出現訪問請求，則訪問模塊會識別所需要的服務類型，并對等安排資源，同時匹配操作權限，然后對用戶身份與訪問權限進行關聯，在識別正常后用戶就可以收到服務訪問請求的反饋信息。

3.目錄模塊設計

目錄模塊的設計主要是在虛擬操作系統的環境中創建各類文件的目錄樹，從而形成邏輯層面的統一目錄，便于對文件的存放形成可視指示。虛擬目錄的模塊流程設計為用戶完成登錄并通過身份驗證后，就會進入用戶空間，然后直接詢問網盤服務，可通過目錄或是文件視圖，定位文件所存地址。該模塊的設計可以實現目錄的新建、編輯、搜索、刪除、復制、配置權限等功能。

4.存取模塊設計

文件存取模塊主要包括文件上傳、下載、刪除。文件上傳的過程：在客戶端用戶登錄系統后，在虛擬目錄中選擇想要上傳的目錄，然后選擇本地文件，點擊確定進行上傳;在服務端，先判斷文件是否存在，存在返回錯誤信息，不存在再判斷文件大小并把相關文件信息持久化到數據庫中，如果是小文件直接進行Mongo DB 存儲，如果是大文件直接存儲到 HDFS 中，如果是中文件，文件需要先上傳到文件存儲服務器，進行中文件處理模塊，存儲到 HDFS 中。

5.租賃模塊設計

租賃服務模塊提供系統相關服務的租賃，主要包括擴容租賃和系統租賃。擴容租賃，對教育用戶的學生、教師和教育管理員，如存儲空間不夠用，可以進行擴容申請，選擇套餐和數量，交費后可以增加存儲空間容量。系統租賃，只針對教育租戶，即學校及機構等。如果繼續租用系統，則需要進行租賃申請，選擇租賃相關的套餐和數量，交費后可以增加租賃時間，延長使用時間。

6.管理模塊設計

系統管理模塊是系統管理員對當前系統給的管理，包括集群管理、設備、元數據管理、多租戶管理、租賃管理等。

（三）大規模在線教學文件存儲體系的應用

大規模在線教學文件存儲體系投入應用后，不同用戶通過定向頁面可以登錄，其中教學用戶以登錄頁面作為口徑進行登錄，系統管理員和教學管理員則從后臺登錄端口登錄。若是存儲體系的新用戶，則需要完成注冊并核驗身份后再登錄。師生作為教學用戶，可在注冊時輸入姓名、院校、身份類型、學號（或工號）等基礎信息，注冊新賬戶與密碼。不同學校作為系統租戶和教學管理員，可注冊填錄院校基礎信息，注冊新賬戶與密碼。

系統的訪問模塊應用主要是實現對用戶角色、資源以及操作等方面的建立、編輯、刪除等功能管理，其中用戶管理頁面可以設置學生、教師以及職員三個項目，每個項目下都會對用戶建檔，分別記錄基本的序號、學號（或工號）、姓名、學院、狀態、角色以及關鍵操作等信息。

存儲體系的目錄模塊應用將直接控制完成目錄與文件的管理，包括對目錄與文件實施新建、移動、復制、重命名、共享、刪除等功能操作。存取模塊的應用主要是對在大規模在線教學過程中產生的視頻等文件進行上傳和下載等服務。應用租賃模塊時，教學管理員以及教學用戶可以直接申請擴容租賃，選定新容量后由系統管理員審核擴容。而僅有學校或其他機構作為教學管理員可以申請系統租賃。通過系統管理模塊的應用，可對系統存儲集群的處理器、內存、硬盤空間等信息進行管理，并對文件元數據進行必要的查驗和編輯。

本文研究了大規模在線教學應用中文件存儲體系的設計與開發，基于目前較為先進的云存儲技術，可以實現登錄、訪問、目錄、存取、租賃、管理等功能，確保大規模在線教學產生的海量文件得到安全有序存儲，并能夠為系統用戶提供可靠服務，增加了在線學習的便利性。

【參考文獻】

[1]趙洱崠，姜昊，馬曉穎，等.從理念到行動：在線開放課程教學模式的構建與實踐[J].中國大學教學，2017（3）.

[2]張務農.大數據應用于教學決策的可能與限度：基于教學認識論的視角[J].中國教育學刊，2017（10）.

[3]劉海，李姣姣，張維，等.面向在線教學平臺的數據可視化方法及應用[J].中國遠程教育，2018（1）.

[4]王殿霞，陳彥平.大數據背景下高校MOOC教學模式創新研究[J].情報科學，2019（11）.

[5]賈寧.面向智能終端的校園教育互聯系統的研究與實現[J].計算機科學，2017（z2）.

[6]范穎，劉夢.基于云平臺的在線教育課程資源共享設計與研究[J].現代電子技術，2020（1）.

注：2021年度廣西高校中青年教師基礎能力提升項目“基于移動終端的畢業設計管理平臺的研究”（2021KY1421）;2021年度學前教育職業教育集團化辦學研究專項課題“基于智慧職教云平臺學前教育專業《計算機應用基礎》教學資源庫建設的研究”（2021ZJY796）

【作者簡介】胡鐘月（1979— ），女，廣西河池人，廣西現代職業技術學院副教授，研究方向為計算機應用技術。