基于网格工作流的高校教学资源整合与共享

刘跃华+聂丁

摘 要 本文通过分析现阶段高校教学资源整合的现状，针对教学资源的分布性和异构性所带来的教学资源共享困难，提出基于开放网格服务体系结构（OGSA）的教学资源整合及共享方案，以校园网为基础来构建一个统一的资源整合平台，实际应用表明，以Globus Toolkit 来构建的教学资源网格系统能给师生提供便利的资源共享环境。

关键词 教学资源 网格工作流 整合 共享

中图分类号：G642 文献标识码：A

1 高校教学资源整合的现状及其必要性

计算机技术和互联网的发展催生了以数字化教学（e-leaning）为基础的自主学习模式，我国越来越重视高校数字化教学资源的建设与共享。目前，高校的教学资源共享可分为物理设备的共享和信息资源的共享两大类，其中物理设备包括计算机、存储设备、网络、教学仪器、实验设备等；信息资源包括教学网站、教学课件、试题库、教学素材、电子图书、教学实验软件等。2003年教育部启动《高等学校教学质量与教学改革质量工程》以来，各高校纷纷推出了各类精品课程，在国家精品课程资源网①上发布的国家级精品课程（本科、高职高专、网络课程）网站共3835门、省级精品课程8279门、校级精品课程8170门。这些精品课程的建设为广大师生提供了较丰富的优质资源，有效地扩展了教学的受益面，也是自主学习的有力推手。随着以校园网为基础的数字化校园的建设日臻完善，各高校都在校园网上发布了林林总总的教学资源，但也产生了教学资源整合与优化的问题，例如，在实际应用中，就资源的访问而言有些资源的入口分配在教学管理系统、有的分配在各院系网站部分、访问不同的网站和系统需要反复登录和认证等，这就需要对教学资源进行有效整合，为师生提供统一的访问平台。2012年孙荣等在文献②中对20所“985”工程高校的教学资源整合情况进行了问卷调查，图1列出其统计结果，其中：没有对资源进行整合的高校有11所，占55%，而对校内教学资源进行全面整合，向用户提供一站式服务的高校仅2所，占10%。可以认为，国内高校教在学资源的整合与优化方面尚处于初级阶段，尚有较大的上升空间。

《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》中把教育信息化纳入国家信息化发展整体战略。指出要“加强优质教育资源开发与应用、加强网络教学资源库建设、引进国际优质数字化教学资源、开发网络学习课程、建立数字图书馆和虚拟实验室、建立开放灵活的教育资源公共服务平台，促进优质教育资源普及共享”。

2 基于网格工作流的教学资源整合方案

网格技术被认为是继互联网、万维网之后信息领域的第三次技术革命。网格将每台参与计算或提供资源的计算机或网格当作一个节点，实现大范围内的、分布式的、异构型的资源的互通与互操作来消除资源孤岛。在网格计算中引入工作流技术（网格工作流）③可以实现资源的合理分配与业务流程的自动处理。目前，典型的网格的体系结构有五层沙漏结构和OGSA（开放网格服务结构），其中，由全球网格论坛GGF ④提出的OGSA体系结构以服务为中心，遵循现有的Web服务框架，利用现有的Web服务机制（如XML、SOAP、UDDI 与WSDL等），并定义了在网格环境中各种服务之间的使用接口，因其良好的扩展性而广为采用。遵循OGSA的结构，我们将高校教学资源按图1的层次框架进行整合，以便建立统一的资源共享环境。

应用层：本层直接面向广大师生，用户通过网格中的各种应用服务来实现对教学资源的共享和使用。主要包含：身份认证、资源导航、资源检索、资源订阅、调查统计、在线学习、在线考试、评价交流等功能。

网络服务层：本层的功能是通过利用web服务技术给用户提供服务支持和资源接口。这些服务包括服务本身的技术指标如：服务的创建、服务的注册、生命周期的管理、服务的状态等，以及各种教学系统接口如：精品课程网站、视频教学、虚拟现实系统、实验平台、作业系统、考试系统等。

资源层：本层对各种分布式的教学资源进行有效的组织，将他们统一在一个逻辑系统中，供用户使用和系统调用。这些资源包括：教学课件、教学录像、教学文件、题库、作业库、教学素材、数字教材等。

基础层：主要是校园网的基础设施，如骨干网络、服务器、交换机、路由器、网关和防火墙等。

通过对高校教学资源的合理整合为构建“大一统”的资源共享平台打下了坚实的基础。

图1 部分高校教学资源整合情况

图2 基于网格体系的教学资源整合框架

3 基于网格工作流的资源共享系统

图3给出了基于网格工作流的教学资源共享系统的总体构架。整个系统主要由系统服务点、资源主系统、权限认证、资源命名、资源访问Agent（中间件）等服务模块组成。系统服务点⑤（系统中的访问服务点可按需动态增减）是整个系统的入口，通过该服务点，用户登录系统并访问网格资源，其中主要包括资源同步、访问接口和调度引擎等部件。访问接口部分提供了访问资源主系统、权限认证服务、资源命名服务和访问网格资源的各种的接口，资源同步部分负责提供数据的同步机制，自动实现资源分配和节点间资源的同步，该部件将从资源网格中获取到的新的数据和教学资源同步到系统中，以保证系统中的数据是优化和最新的资源。调度引擎其主要负责资源的申请和调度，与资源同步部件协作来完成资源的分配与系统中原有资源数据的更新并实现数据的副本管理。调度引擎是网格工作流系统中重要的中间件，其性能的优劣直接关系到资源访问的效率。权限认证部分主要负责用户的身份认证、访问的权限管理、系统的安全性和数据的访问控制等。资源命名部分负责系统中元数据的管理，实现资源命名、地址解析、数据检索等功能。资源访问代理采用多智能体技术为系统提供具有自适应能力的资源访问接口，通过Internet可以访问外部资源网格，如中国教育科研网格ChinaGrid⑥和其它的Web服务。用户通过浏览器来访问系统，其工作流程的描述如下：①通过系统服务点接入系统，②通过系统服务点提供的接口访问权限认证服务器以获得身份认证和访问权限，认证通过后，③再通过访问服务点的接口访问命名服务器，检索并获得相应的资源信息，如果主系统中原有资源中存在所需信息，则转入步骤⑤，④通过系统服务点接入资源访问代理，访问代理Agent从资源网格中获取所需的教学资源后，通过系统访问点将资源返回给用户。图3中的步骤0主要是实现系统中的数据同步更新和数据的副本管理，由资源同步管理部分自动完成。

图3 教学资源共享系统模型

3.1 统一登录

在网格环境下，允许用户访问分布在虚拟组织中不同网格节点上的资源，并且在访问任何节点之前都需要进行身份认证，而统一登录⑦能够避免用户在使用系统过程中多次输入认证句柄（用户名/密码对），用户只需要在访问第一个网格节点时进行认证，在后续访问其他节点时，系统将自动完成身份认证。其认证过程如图4所示。

图4 登录认证过程

3.2 元数据

网格系统中的元数据是用来描述数据的属性，通过它能够帮助用户查找数据项以及与上下文有关的信息等。元数据存在多个层次，主要包括语法、结构和语义元数据等。就系统中描述教学资源属性的元数据而言，应该遵循中国教育信息化标准委员会提出的《学习对象元数据》和《教育资源建设技术规范》。可将资源元数据定义如下结构：

public struct Grid_R_meta

{

public string R_type； //资源类型，如精品课程、作业系统、程序评测系统等

public string R_ID； //节点的全局惟一资源编号

public string R_IP；// 资源节点的IP 地址

public string R_subject； //学科科目

public string R_Size ； //资源大小

public string R_Date； //创建日期

public string R_Life； //生存期

......

public string R_Relation； //关联信息，前、后节点

}

通过元数据来定位到目标数据的过程如图5所示。

图5 元数据与资源检索

图6 在线程序评测与在线作业网格

4 应用与结论

我们用Globus Toolkit4.0构建了基于校园网的资源共享系统，可以将校园网里的教学资源（教学网站、课件、实验系统等）整合起来，并能灵活地扩充资源。图5的两个资源网格分别是在线程序评测网格和在线作业网格，通过统一的共享平台师生可以在校园网内很便利地访问教学资源。

通过网格工作流来构建的资源共享系统可以将分布式的、异构的教学资源整合起来，为用户提供统一的访问接口，通过完全屏蔽底层资源的异构性、为用户提供统一的视图来实现资源的透明访问，因而可以实现校内教学资源的全面整合，为师生提供一站式的访问服务。

基金项目：本文系湖南省教育厅教改项目，湘教通[2011]35号：“基于网格工作流的教学资源共享、整合与优化配置的研究与实践”的阶段性研究成果

注释

① 孙荣，孟凡立，张慰.论数字校园环境下高校教学资源的整合运行策略[J].现代教育技术，2012.22（5）.

② 国家精品课程资源中心工作简报[2011]第5期[DB/OL]. http：//news.jingpinke.com.

③ Cybok D. A Grid Workflow Infrastructure[A].Workshop on Grid Workflow[C].Berlin： GGF-10， 2004.

④ Thomas Myer.Global Grid Forum[DB/OL]. http：//www.gridforum.org /2004-01-01.

⑤ 梅炳夫，王惟言，李拥军.基于Globus访问数据以及在教育资源整合上的应用[J].广州广播电视大学学报，2008（2）.

⑥ 金海.搭建资源共享平台——中国教育科研网格ChinaGrid[J].中国教育网络，2006（9）.

⑦ 许骏，柳泉波.面向服务的网格计算[M].北京：科学出版社，2009.5.