基于慕课的行业大规模在线培训平台的设计与实践

郑冬梅

摘要：慕课的出现为大规模在线教育提供了很好的普适方案，但如何基于慕课平台打造满足行业培训特殊需求的大规模在线培训平台则需要针对不同行业进行具体研究与分析。该文从一个实际的行业大规模培训项目需求出发，详细介绍了该项目业务规划及系统建设要求，详细设计了适合该行业大规模在线培训的技术平台，包括系统架构、服务架构、网络架构、数据架构、应用接口、标准规范、性能优化及安全保障等等，并照此设计完成了技术平台建设。经项目运行检验，平台较好地满足了该行业大规模在线培训需求。通过该平台建设可见，以慕课为基础，根据需要集成面向不同行业需求的应用系统，可较好满足不同行业的大规模在线培训需求，这对于慕课的应用发展有较积极的促进作用。

关键词：慕课；大规模公开网络课程；小型私密网络课程；行业培训平台

大规模公开在线课程（Massive Open Online Courses，MOOCs，以下称慕课）的出现与发展对远程在线教育带来了极大影响，特别是高等教育和行业培训等具有大规模教育需求的领域。基于慕课架构体系，借助日渐成熟的云平台，可以快速搭建起面向海量用户的在线教育平台；考虑到特定教育领域的特殊需求，如幼儿教育手画口说、职业教育实习操练、行业培训特有应用和线下培训等，结合网络虚拟3D（3-Dimensional，三维）或VR（Virtual Reality，虚拟现实，简称vR）实训平台、语音笔迹表情多维识别系统等应用系统，即可形成面向某个行业具备该行业所需教育需求的大规模在线培训平台。

本文所介绍的“大规模安全管理在线培训平台”（以下简称为“培训平台”）正是我国某一个行业管理机构所建立的面向全体行业从业人员的培训平台。基于这个培训平台，实施“行业安全管理培训重大专项工程”，大规模开展行业安全管理培训。本文详细介绍了该平台的建设应用需求、系统设计以及实现。

一、慕课发展

近年来全球范围内慕课的蓬勃发展，代表了网络学习、远程教育发展的新趋势。通过把优质的教学资源放在互联网上，面向全球，令所有用户触手可及，从而打破了校园与国境的限制，引发了已沿袭千年的教育模式的变革，并首先在高等教育领域爆发。

目前，全球各地已建慕课平台近百个，分布在全球几十个国家，最知名的四大慕课平台Coursera、Udacity、Khan Academy和edX均在美国，几乎所有世界知名大学都选择在这些平台上开放自己的课程。其他许多发达国家都已建立代表性的慕课平台，如欧盟的OpenupED、德国的Iversity、英国的FutrueLeam、澳大利亚的Open2study和日本的Schoo等。甚至于一些欠发达地区也开始了慕课建设，如东南亚几所开放大学已推出了区域性的东亚MOOC联盟。除了高等院校外，技术公司也纷纷进军这个领域，Google、百度、阿里巴巴、腾讯等重量级互联网企业，纷纷宣布进入互联网教育领域，利用其技术与资本优势，力图抢占新的领域。

随着慕课发展，产生了不同类型的MOOC平台。一是cMOOCs，“c”指代“连接主义”（Connectivist）学习理论，George Siemens认为，学习不仅仅局限于个人，而是承载于网络上，学生可以基于各种网络应用，包括但不限于视频直播、语音直播、社交即时通讯、社交博客等，从而与学习内容和其他学习者产生关联，可以在已有认知基础上创造和建构出自己的知识。二是xMOOCs，edX、Coursera、Udacity等平台都归属此类，采用类似高校传统教学方法，分“班级”，配备指导老师，教师讲授新知识，学生听讲并做练习，学习内容如教学视频、题库和测验等集中存放在课程网站中，学生无需其他工具进行关联。xMOOCs背后的学习理论则着眼于知识的传递以及传递之后能被掌握，建构知识是作为学习方法而非学习目标。三是SPOC（Small Private Online Course），小型私密网络课程，由美国伯克利大学Armando Fox教授提出，通常SPOC的学生人数在十几人到数百人之间，利用在线课程的优势满足小规模、有特殊要求人群的需要。SPOC比较适合企业培训。基于SPOC还衍生出MPOC（Massive Private Online Course），是一种大规模私有在线学习模式。

二、项目情况介绍

“行业安全管理培训重大专项工程”是我国某一行业管理机构面向全体行业从业人员开展实施的一个项目（以下简称为“该项目”），意在通过长期的、持续的、有组织的行业安全管理培训，建立长效的行业安全管理人才培养体系，建立高水平的行业安全管理人才队伍，保障行业业务安全开展。该项目愿景是全面普及行业安全管理培训、全面培养行业安全管理人才、全面保障行业管理安全、全面提升行业安全管理意识。该项目的培训对象包括：一是行业各级各类机构的安全管理员；二是行业各级各类机构安全主管领导；三是与行业相关的在校学历教育专业的学生及老师。

项目培训方式包括：一是网络自主学习。由学员登录培训平台，根据其授权，自主选择课程并学习。二是网络直播授课。针对各级各类培训，通过培训平台直播培训课程，即可以使现场教学直播，也可以是以往录制课程播放。三是定期组织培训班，依托各地培训基地，进行面授培训，开展实际操练。主要针对高级学员。四是定期举办不同层面的安全管理技能大赛等赛事活动，建立选拔机制，吸引和发掘精英人才。以上，线上和线下相结合，既能够迅速普及，也具备一定的技术深度；非实时的网络培训课程学习与实时的网络直播培训相结合，适用不同需求。

该项目采取证书认证体系。证书分为初级、中级、高级，高级证书可再根据安全领域不同细分为不同方向。证书有效期3年，按规定参加学习，经证书颁发机构审核合格，可重新获得新证书。该项目的考核方式有：网络考试和实操检验。

綜上，该项目是一个面向整个行业、需要支撑大规模在线学习同时具备行业特殊培训需求的远程教育项目，为支撑项目开展，需要基于慕课体系，配合行业特有的网络虚拟实训系统，建设形成一个适合行业特色需求的“大规模安全管理在线培训平台”。

三、建设需求分析

根据“安全管理培训重大专项工程”工程规划、项目目标、实施内容及相关业务设计，对“大规模安全管理在线培训平台”的技术建设需求比较明确，主要包括以下几个方面。

平台需以大型开放式网络课程平台为依托，使得学习者能够通过网络快捷获取。相对于传统的线下教学对学生数量的限制，一般不超过百名，慕课则没有参与人数的限制，更适合于广大的受众群体使用的。平台需通过统一的学习目标的设定，统一组织管理，让学习者共同学习。

平台应结合大型开放式网络课程理念，充分考虑学生教师比例极高情况下将有大量交流互动和讨论研修，因此平台需具备学习互动功能，比如留言回馈、分组讨论、同级审查、小组合作等；需具备线上网络评价功能，如随堂测验、作业、考试、回答等等。平台需充分借鉴连结主义教学方法，让大量的资料能在平台上进行传播，然后再将信息汇集，以方便让参与者读取。这种方式与传统教学模式是有差异的，因为传统方式下所有教学过程需要使用的内容都需要提前准备，并投放到平台中，而本平台的建设需要充分考虑相关内容是在教与学的过程中涌现的。通过大型开放式网络课程建设方式，最终实现知识交换，使培训过程中的任何学习类型的信息都可以通过网络传播。

平台须保证先进性；需要采用三层结构，并应用Python、Ruby、JAVA、C作为开发手段，XML作为信息接口标准来进行。作为一个面向全国用户的平台，其稳定性必须得到保证，平台应尽量采用成熟的开发手段来实现，最大限度地降低技术维护工作，并保证系统运行的稳定性。鉴于互联网业务系统的发展是长期的、动态变化的，因此技术架构必须是开放的和可扩展的，需要提供一系列的标准的开发接口，使得从信息的传输、核心业务管理到最终的应用服务都能够保持良好的功能可扩充性，随时满足业务的变化需求。由于业务应用范围非常广泛，功能需求多，体系复杂，模块化的结构是平台的最好选择。由于有大量的个性化信息服务的工作负荷存在，平台必须支持分布式的体系结构，以便随时对性能和功能进行扩充。

因为该项目是面向整个行业的重点信息建设项目，对于所发布的所有信息都必须能够保证其内容的正确性和严肃性，平台需要一套严格的、具有细致审批角色划分的供稿处理流程，以保证稿件的严肃正确，并且在出现问题时能够立即采取措施进行删除撤回，并能够查询问题的所在。

四、系统设计及实现

（一）系统架构

平台分为支撑平台、学习平台和终端三层架构。支撑平台包括网络、存储、负载均衡和优化工具等。学习平台包括培训平台（MOOC、业务管理平台）和虚拟实训平台。终端平台包括Web（网页）学习终端、APP（Applieation，应用程序）学习终端、微信学习终端和OTT（Over the Top，意指机顶盒）学习终端。整个平台的层次结构如图1所示。

（二）服务架构

平台架构主要分为应用层集群、缓存层集群和数据库层集群。

应用层集群：主节点应用层集群主要包括MOOC平台集群、内容管理系统CMS（Content Management System）服务集群及发布集群、转码服务集群、业务管理系统集群、视频点播、直播服务器集群；分节点应用层集群主要为MOOC集群、CMS发布集群、视频点播群及视频直播群。

缓存层集群：采用缓存服务器集群统一为应用层提供服务，采用Memcache提供缓存服务，不同的缓存服务器之间采用一致性hash提升缓存的命中效率。

数据库层集群：数据层集群包括Mysql服务器集群及Mongo的服务器集群，数据库层集群为上层的应用提供统一的数据服务。主节点为所有的写操作，分节点为所有读操作，数据库之间的数据同步依赖于数据库本身的同步机制进行数据的同步，如图2所示。

（三）网络部署

平台建设两个网络节点，一个北京主中心节点，一个外地分节点。北京主节点为自建机房，同时接入电信、联通、教育三个网。分节点采用机器托管方式，依托电信运营企业、专业互联网数据中心IDC（Internet Data Center）/内容分发网络CDN（Content Delivery Network）运营商，采用带宽租用或业务合作方式接人互联网。

每个节点的业务及外网管理服务器采用地址转换（Network Address Translation，NAT）方式接入互联网。其中对外提供服务的设备进行静态地址转换，其余设备进行动态或端口地址转换（Port Address Translation，PAT）。主中心节点和分节点的网络结构都具备高可靠性，安全性，实现业务与存储网络的隔离，同时对于主中心节点的关键业务、数据提供网络级、设备级、以及链路级冗余，通过VRRP（Virtual Router Redundancy Protocol，虛拟路由器冗余协议）、IRF（International Recommande Forwarding）堆叠等技术最大限度保证底层传输平台的可靠性。

主中心节点的核心应用交换机采用模块化高端设备汇聚实训平台和学习平台等应用，承载整个核心系统的通信流量；后端存储采用模块化中端交换机与集群存储系统相连。分节点全部采用模块化中端交换机实现应用和存储的数据交换。在两个节点分别部署全局负载均衡系统，用于实现两个节点的广域负载均衡，并协同两个节点并行提供服务。通过智能DNS（Domain Name svstem）解析并根据负载均衡算法引导用户的访问请求至不同的站点，尽可能让用户就近访问，既能提高用户访问速度，也能合理分配资源。在两个节点分别部署本地负载均衡系统，把数据流量合理地分配给服务器群内的服务器共同负担，满足并发访问，避免服务器单点故障造成数据流量的损失，并且便于平滑的不需要停止服务的扩容。节点内部网络实现存储与应用的网络隔离，以提高存储的安全性。核心应用服务器双网卡双路接入核心交换机。存储服务器双网卡双路接入以堆叠方式部署的大带宽存储交换机。前端的应用服务器根据需要采用三网卡接入两个核心交换机和存储交换机。

基于大型网站的基本架构，除了以上设计与实现，更重要的是配套的优化技术，包括Web服务器负载平衡和集群结构，分布式集群存储技术，Memcached缓存池，关系型数据库和NoSql数据库以及分库分表读写分离等技术等。

（四）数据架构

数据架构设计主要指存储分发平台设计。存储分发平台统一管理整个平台的所有数据，这些数据可以是分布在各个数据中心，数据可以在数据中心之间自动迁移，为所有应用提供完全统一的文件系统视图，高质量保证应用系统长期持续稳定运行。

存储分发平台包括全局文件系统双中心协同系统，全局文件系统主节点版本，全局文件系统分节点版本。物理上独立分布的应用系统在授权的范围内可以以标准的本地读、写方式访问一致的全局文件系统，在全局范围内根据应用的需求和动态负载进行数据的智能分布管理，无缝地进行全局文件系统和应用系统的在线动态扩展，做到真正数据中心级的即插即用。

平台部署了两个全局元数据中心和若干存储中心。解决单元数据中心可能失效的问题，两个元数据中心上的数据保持实时同步、完全一致，且在功能上互为备份，共同对外提供元数据服务。至于存储中心，则按照系统的数据部署策略，每个存储中心上的数据集可以是完全相同的、部分相同的或完全不同的。

（五）应用接口

平台采用模块化架构，各模块之间以慕课学习平台为中心，通过应用接口通讯，根据需要实现了如下几类应用接口：

一是应用支撑类接口，包括用户管理（统一认证）接口、运营管理接口、学习评测接口、统一存储接口等。其中统一认证接口可实现用户增、删、改、认证、登录等；运营管理接口实现定价、折扣、付款等；学习评测实现测试、考核、评级等；统一存储接口实现读和写操作。二是移动应用接口，用于移动终端设备应用通讯。三是微信应用接口，用于微信终端应用通讯。四是OTT应用接口，用于OTT电视终端应用通讯。五是行业培训接口，根据不同行业特殊需求，比如幼儿及义务教育可重点部署语音、笔迹和表情等多维识别系统，将极大提升远程教育成效；比如职业教育可重点部署网络虚拟实习操练平台，以及网络虚拟3D或VR实训平台等。具体如图3所示。

（六）标准规范

采用目前国际流行的，也代表未来技术发展方向的基于J2EE（Java 2 Platform，Enterprise Edition，Java2企业版平台）技术架构，实现负载均衡、内容表现与逻辑实现的独立，并实现以该技术架构为基础的网站各系统的功能集成。同时，结合系统的合理资源配置，支持大容量的并发用户访问，以及高效的信息发布和检索。

在数据标准方面采用基于xML（eXtensible Markup language，可扩展标记语言）和JSON（JavaScript Object Notation）的数据标准，可增强系统之间、应用和系统之间、应用之间的数据交换，极大提升系统集成度。XML标准描述数据格式能促进不同数据格式的交换、共享、再利用。Web Service技术标准可使用XML标准来描述、发布、发现、协调和配置应用程序，实现应用程序的分布式部署。标准组件化设计可以保证用户更多地采用先进的技术搭建个性化的应用。

（七）用户体验

平台建设过程中，特别针对以下用户体验进行优化设计与实现。一是健壮性。平台需要建立完备的技术文档，充分分析在正常的使用中因为数据错误、操作错误、设计功能问题等等导致软件的可用性差等问题。当存在需求调整时，及时发布相关变更文档，并作相应的业务分析，以保证开发过程中，功能完善并且符合实际需要。此外，平台在开发过程中还将采用多方位的错误捕获机制，根据错误的严重程度确保在一般错误时，平台运行不受影响。二是可靠性。整体（包括数据库和各服务组件）采用集群架构，内部通过优化的算法实现负载均衡机制，避免发生单点故障。经过初步大量的测试，系统能保证24*7小时无故障运行。如果发生问题，能确保两个小时内恢复系统正常运行。数据库资源定期（至少每日）做镜像备份。三是易用性。平台充分考虑学习者的使用特点，在功能跳转时保持相对衔接性。对于学员用户，充分考虑其学习需要，减少其为完成学习的操作复杂度。对于一些功能按钮（如加入课程，开始学习）必须醒目，方便用户点击。对于一定的信息浏览（如课程、公告），提供多方式的浏览，便于用户很轻易的找到他想要的信息。多种浏览模式（PC、手机、平板电脑、OTT）样式大致一致，布局大体一致，操作使用一致，保证用户在不同终端使用同一功能时的平滑切换。四是可扩展性。对于未来新增功能，该平台能够较快相应，不需调整已有结构。五是兼容性。特定功能模块能够在Andriod以及Windwos环境上运行，具有一定操作系统兼容性。Web页面不仅可在PC终端中浏览，还可在一定的手机终端正常浏览，具有一定的终端兼容性，可在绝大部分主流浏览器上使用。

（八）性能优化

针对平台业务需求，做了如下性能优化实现。一是负载均衡。根据算法将用户请求合理分配到群里成员，实现请求和负载的均衡分配。对于平台的简单业务模块，系统采用2用1备的负载处理模式。对于平台的负载业务模块，系统采用3用1备的负载处理模式。对于平台接口模块，系统视情况不同采用2用1备或3用1备的处理模式。二是数据库镜像。平台的特定模块数据库的查询功能与写入（修改/删除）分开，制作写入数据库的镜像用做查询。具体而言，需要对MOOC模块的信息数据做数据库镜像，同时对业务管理模块的信息数据做数据库镜像。三是缓存服务器。对于平台页面展示模块，针对前台页面的使用范围，分别设置缓存服务器，提高页面浏览效率。对于业务处理模块，根据功能模块（MOOC，业务管理，CMS）的不同，针对性设置缓存服务器，提高业务处理速度。

（九）安全保障

为了充分保障该系统对外服务的可持续性，对于核心应用系统包括学习平台和实训平台，特别从带宽保障、流量整形以及安全防护等方面做了如下安全保障设置。一是VLAN（Virtual Local Area Network，虚拟局域网）隔离。保持现有基础网络结构不变，运用核心交换机VLAN子网划分技术，将核心应用系统规划为独立子网（如IVLAN100）。通过对核心交换机的访问控制列表配置，严格禁止应用系统对内对外的非正常访问。通过在出口防火墙上对核心应用所在VLAN进行基于访问控制策略的流量高优先级、最小带宽保障配置和流量整形配置，以充分保障本平台对外服务能力，减小突发高峰流量对整体网络产生的压力风险。二是防火墙隔离。通过防火墙的接口访问控制配置实现对核心应用系统的隔离，严格禁止非正常访问访问。三是对于Web应用层进行安全强化。开展安全渗透攻击服务并在该系统前端加装应用层防火墻（Web Application Firewall，WAF），降低和消除针对Web应用层的攻击，如CSS（Cross-Site Scripting）跨站、网页挂马检查等。

五、结束语

该平台基于大型开放式网络课程MOOC而建，具备所有时下远程在线教育所需的各种功能，能满足面向整个行业人员开展大规模安全管理培训的需求。如平台管理，针对管理员，用于管理平台的组织结构、人员构成和正常的运行维护等；如课程管理，面向教师提供课程安排、作业组织、内容组织、讨论、学员管理等功能；再如学习管理，面向学习者提供以学习者为中心的课程学习环境，如课程注册、课件学习、作业练习、在线评测、分组讨论、小组合作等功能。平台支持跨网络的直播、点播、互动、管理等多种功能，真正实现在网络环境下对优秀课堂的真实、全面、立体化的再现的教学应用系统。

该平台侧重于移动学习，同时支持电脑（PC）、电视（OTT机顶盒）、平板电脑和手机（微信以及APP）等多种终端学习模式，并支持多屏互动，能满足绝大部分人的学习习惯与需求。其中微信学习模式使得学习者能够通过微信随时、随地地进行学习，包括微信公众平台管理软件以及微信端微学习功能；移动端APP学习模式使得学习者能够使用手机、平板等移动设备通过APP软件随时、随地地进行学习；OTT学习模式充分利用学习平台统一的内容管理与分发环节，通过开放的互联网，向智能机顶盒提供高清的视频，学习者能够通过电视随时进行学习。通过精心的网络架构设计，并辅予负载均衡、缓存、镜像、带宽控制等优化措施，使得该平台能有效承载大规模用户的在线学习应用。该平台是以慕课为核心的开放式平台，可根据不同行业特点，配套行业实训、SPOC等特殊应用系统，分别满足不同行业的大规模培训需求。