云计算网络教学平台的设计与研究

☆ 魏 然

（南京市金陵汇文学校，江苏南京 210036）

一、概述

中国经济的持续高速增长和国家对教育资源的投入为教育信息化提供了资金和良好的外部环境，教育行业信息化规模不断扩大和深化，信息化的重点已从注重学校硬件产品的配备和全面覆盖，逐步过渡到强调与课程的整合、开发利用信息资源，提高应用效益和教学服务质量等方面。如何在有限的资金投入下，让教育信息化建设跟上时代的步伐，更好地满足教育工作者和受教育者对信息技术服务的需求，已成为各级教育部门重点关注的问题。在常规情况下，学生大都是以在校学习方式为主，但是各种非正常情况扑面而来。2009 年黑龙江省发生聚集性H1N1 甲型流感，所有高校一度全面停课，江苏省南京市也有部分中小学、各种级别的办学机构停课避免疫情蔓延。随着全球自然环境的急剧恶化，教育主管部门、学校需要有一套完整的网络教学平台供日常教学以及应急预案应用显得非常有必要。云计算网络教学平台的研究与设计结合了以上现实需求，把前沿技术融入其中，其实质是为实现教育信息化资源的整合，实现资源共享、协同创新，在完成日常教学任务、应急教学任务的同时降低网络教学平台的搭建和运营成本。

云计算研究自2008 年以来炙手可热，云计算到底是什么？业界有很多解释，维基百科定义的云计算（cloud computing）是一种动态的易扩展的且通常是通过互联网提供虚拟化的资源计算方式，用户不需要了解“云”内部的细节，也不必具有“云”内部的专业知识，直接控制基础设施。云计算的产生并非偶然，众多专家、学者或咨询机构均认为计算能力将成为一种像水和电一样的公用服务。云计算作为一种新兴的资源使用和交付模式逐渐为学界和产业界所认知。云计算概念的兴起，始于新世纪初的金融危机之中。金融危机的发生压缩了信息技术的投入，但现实中又需要保证信息技术的服务质量，云计算正好满足了这一迫切需求；另外，云计算也符合绿色环保理念，充分提升资源的利用率，降低资源与能源的消耗。当今世界仍处于“后金融危机”时代，全球经济和市场处于快速波动时期，充满了不确定性，各行各业迫切需要在瞬息万变的环境中保持自身的适应能力和创新能力。云计算作为一种新兴的计算模型，具备数据处理量大、可扩展性强、资源利用率高，提升设备可靠性等优势；应用云计算技术不仅可以推动集中化与精细化管理，也可以推行标准化建设，借助云计算可以用更低的投入、更快的速度来创建共享的计算资源、存储资源与信息资源，让人们依托互联网即可徜徉在信息的海洋中快速获取自身需要的知识，满足机构或个人的信息化需求，为人们的学习、生活和工作等提供更多的便利。本文主要研究云计算网络教学平台的架构，并分析云计算网络教学平台的构建、运营模式与演进路线。

二、云计算网络教学平台架构设计

云计算网络教学平台主要基于云计算技术进行搭建，构建统一的门户网站，整合教育管理平台、教学资源管理系统、远程教学评估系统，实现学生远程自助学习。云计算网络教学平台从上至下一共分为五层，分别为展现层、核心应用层、云计算平台管理层、云平台基础架构层和IT 资源层，平台功能架构如图1 所示。

图1 计算网络教学平台

主要功能模块介绍如下：

1．展现层

展现层主要体现为统一的门户系统，对整个平台的风格、布局进行统一规划和实现，共分为学生子门户、教师子门户、家校互动子门户和运营管理子门户四个部分，其中，学生子门户主要实现学生的选课、实时课堂、在线提问、在线考试、学习工具的下载和使用等功能的统一接入；教师子门户主要实现教学计划、课程安排、在线授课、在线答疑、教学评估、备课、培训、教学工具软件的下载与使用等功能的统一接入；家校互动子门户主要方便家长登陆网站进行一些互动交流，家长与教师通过网站进行一些热点问题的讨论等，教师日常会通过网站（包含短信）向家长发报学校活动、通知等；运营管理子门户主要实现后台的运营管理与维护人员所需的相关功能，如软件的版本更新、运行状态监控、故障处理、后台数据维护、安全管理、备份等功能的统一接入。

2．核心应用层

核心应用层是展现层展现内容的具体承载，是整个平台的核心价值所在，这一层充分体现出教学计划、教学管理、教学实施、教学考评等完整的闭环流程，是教育行业具体实践的完整体现，并在此基础上实现网络图书馆、网络实验室、学习工具软件库、教学工具软件库、教学资源库、搜索引擎等基础功能，其主要功能具体描述如下：

用户管理（或账号管理）：教师管理、学生管理、管理员管理等。

权限管理：为不同的用户设置不同的权限，权限可分配、可回收，权限分功能权限和数据权限。

资源管理：管理各类教学资源，如视频、试题库、课件、试卷、作业、拓展资料等。

班级管理：对班级进行统一管理。

选课管理：必修课由后台统一设置，选修课由学生自主选择，提供各选修课的介绍，根据学生选择结果可实现是否开课、是否调剂等功能。

学籍管理：对学生的学籍进行统一管理。

教务管理：教学计划、课程安排、课程进度、时间分配、人员调度等。

课堂管理：预习、实时课堂、在线答疑、互动作业等。

考试管理：在线考试、在线评分、试卷分析等。

评估管理：教师评估、学生评估、教学质量评估、教育主管单位评估等。

系统监控：监控上线人数、监控网络流程、监控系统资源使用率、监控掉线率等，系统能够根据实时数据进行预警，能够发出预警、生成预警报告等。

计费管理：记录上线人员的时长、使用功能、资源使用情况以及网络流量情况等；预留收费管理与结算功能。

安全管理：防止病毒与恶意攻击等。

教学辅助：短信、公告、通知、问卷调查、社区论坛、教育博客、即时通讯、学生社团等。

运营管理：后台运营、维护等人员需要的功能。

网络实验室：通过图像、影视、乃至虚拟现实等技术实现完善的网络实验室功能。

网络图书馆：实现完善的数字化图书馆功能，网络图书初期只能在线阅读。

家校互动：提供家校互动平台，为家庭与学校建立日常顺畅沟通的桥梁。

统计分析：提供平台的日常统计分析报表，如：登陆人数统计、访问资源统计、缺席人员统计，平台性能分析统计，统计报表的维护可以为班级、年级、学校、地区、年、季度、月份、星期等等。

教科研管理：实现完善的教科研管理。

学习工具软件库：对学习工具软件进行统一管理。

教学工具软件库：对教学工具软件进行统一管理。

教学资源库：建立完善的教学资源库，并对资源库进行统一管理，如：内容审查、入库、使用申请、质量审核、评估功能。

人事管理：对学校人事进行统一管理。

后勤管理：对学校后勤服务进行统一管理。教师培训：对教师的培训进行管理。

备课管理：对备课进行统一管理。

3．云平台运营管理层

云平台运营管理层是运营管理子门户展现功能的具体承载所在，主要实现资源的统一调度、系统监控、性能管理、安全管理（含平台内容审计，对不合规定的内容进行屏蔽或删除）、备份管理、计费管理等。这一层可进行自主开发，但由于技术含量很高，大多由专业的第三方软件提供商提供。

4．云平台基础架构层

云平台基础架构层主要提供四大基础能力：基础框架能力、开发测试能力、部署运行能力、运营管理能力。其中基础框架能力含大规模分布式文件子系统、并行任务调度子系统、分布式编程接口子系统、大数据量表查询子系统。开发测试能力含SDK（Software Development Kit）开发工具包、应用开发环境、API （Application Program Interface）接口、应用的功能与性能测试、应用的集成于装载测试等；SDK 开发工具包一般控制较为严格，主要是确保开发者开发的应用不能简单地直接通过互联网进行分发，仅能够通过云计算网络教学应用平台进行认证和运行，这也是确保应用开发者脑力劳动不会轻易被别人复制、拷贝，防止盗版的一个好办法，是保护知识产权的一种手段，同时也确保若应用程序出现错误不会蔓延到整个平台系统，局部错误不会影响全局。部署开发能力含应用封装、应用认证、应用部署、应用托管运行等功能；运营管理能力含开发者身份认证，应用存储、基础平台监控、应用计费、结算管理、平台安全管理、访问控制、统计报表等功能，其中开发者身份管理主要实现对开发者资质的严格审核，实施信誉管理，颁发开发者证书。

平台基础架构层是整个平台技术核心所在，属于当今前沿技术领域，只有专业的技术公司才能提供，如Google App Engine （简称：GAE），国内的百会（www．Baihui．com）云计算服务，开源平台Apache Hadoop 平台等。云平台基础架构层涉及到的关键技术是分布式并行计算技术，并行计算是指将一个计算任务分解成多个子任务，并分配给不同的处理器，各个处理器之间相互协同，并行执行子任务，从而达到加快求解速度，提高求解任务规模的目的。并行计算涉及到任务的分解、通信、组合和映射，并行计算不仅要考虑任务本身可分解，而且还要考虑所使用的并行模型，网络连接等。

5．IT 资源层

IT 资源层包含物理资源层和虚拟化资源层，物理资源管理包括主机、存储、网络等。虚拟化资源层是对物理资源层实现虚拟化，形成计算资源池、存储资源池、网络资源池、实现对资源的池化管理，便于资源的动态分配、再分配和回收。IT 资源层涉及到的关键技术是虚拟化技术，虚拟化技术把IT 基础设施的一些复杂性、异构性隐藏起来，用户不需要知道服务器、存储、网络的具体位置，只要通过统一方法去获得它、使用它即可。虚拟化本质上是资源的一种逻辑表示，它不受物理限制的约束。具体来说，虚拟化技术的实现形式是在系统中加入一个虚拟化层，虚拟化层将下层的资源抽象成另一形式的资源，提供给上层使用，通过空间上的分割、时间上的分时，虚拟化可以将一份资源抽象成多份；反过来，虚拟化也可以将多份资源抽象成一份，同时虚拟化技术有自动恢复功能，当系统出现故障后，能够自动诊断并通过改变IT 配置自动恢复。

三、云计算网络教学平台的构建与运营模式分析

通过对平台功能架构的分析，发现构建云计算网络教学应用平台是一项复杂的系统工程，需要有一套完善的构建策略，才能确保在有限的投入下，高效成功构建。一般情况下有三种建设与运营模式。

1．教育系统主导建设与运营

该模式由教育系统（含教育局、电教馆、各学校）主导建设和运营，教育系统进行运营管理和风险管控，可以与电教馆和各学校信息技术师资紧密结合，通过专业培训，依托校园网络启动云计算辅助应急教学平台的建设。该模式的优点是有利于教育系统直接掌控整个平台，拥有完全的主导权，实现一个良好的起步。但该模式的缺点也较多：一是教育系统规划、建设经验欠缺；二是人才队伍力量不足、专业技能欠缺、身兼教科研任务、没有足够的精力；三是运营经验不足，可能存在监管漏洞等问题。

2．第三方专业公司主导建设与运营

该模式由第三方专业公司主导，教育系统目前缺少对第三方专业公司的监管工具和手段，且这种模式下启动资金较大，短时间内很难启动平台搭建，需要教育系统提供足够资本支持，并且第三方专业公司也需要具有雄厚的资本才能坚持下去。

3．教育系统与第三方公司联合主导建设与运营

该模式由教育系统与第三方公司联合主导建设，理论上来说，这是一种协同共享与合作的模式，各自只负责自己专业的内容，各司其职，取长补短，是一种非常好的模式。教育系统能很好地提出业务需求，重点落在教书育人上，并监管整个系统的运行，专业公司提供专业的技术和人才队伍，负责整个平台的搭建和后期运行维护，双方都有投入，未来的利益可以分成。

四、云计算网络教学平台的演进路线

目前，云计算的研究与应用如火如荼，各行各业都在积极引入，推动技术自身的完善。作为教育行业，无疑不能落后于时代的步伐。当前可以考虑IT 资源的物理集中或逻辑集中，然后进行云计算技术的引入，但若需要实现IT 资源逻辑上的集中，对网络带宽的要求很高，而中国三大运营商（电信、移动、联通）之间的互联互通情况也有些差强人意，毫无疑问，未来三大运营商乃至其他的运营服务提供商提供的网络将能够满足这一较高要求，可以把云计算教学平台搭建在不同运营商之间的网络上，让最终的各类用户（学生、教师、家长）可以就近访问，提高访问速度，云计算教学平台之间也能实现互联互通，应用或服务可以在多个电信运营商之间实现多点备份，负载均衡、动态迁移，使得云计算教学平台的自动化与智能化程度越来越高。互联互通示意如图2 所示：

图2 云计算教学平台间的互联互通

传统电信运营商互联网数据中心（IDC，Internet Data Center）也将最终全面实现云计算服务化，到那时，教育行业可以自行购置服务器放置在电信运营商的机房，或者直接租赁电信运营商的虚拟主机服务即可搭建云计算教学平台，教育行业将自己的精力集中于上层的教育、教学、研究活动，而把下层的技术实现细节和运维服务外包出去。

五、结束语

云计算网络教学平台一旦取得良好的发展，可以使得学生的学习由目前的学校强接触模式逐步过渡到强接触和网络弱接触相结合的混合模式。教育行业完全可以利用自身的优势实现教学平台的能力出租，如：用于成人教育等，这样可以进一步发挥云计算辅助教育平台的价值，为社会做出更多的贡献。随着标准的建立和中国教育事业的发展，完全可以想象未来有一天可以将云计算网络教学平台在国际上进行共享，让国际友人、国外中小学生登陆上来，共同在一个地球村之中，同一个平台上进行共同学习和交流、实现文化的融合和共同进步。