基于云计算的数字化教学资源共享机制实践.doc

基于云计算的数字化教学资源共享机制实践 摘 要：互联网的高速发展助推了教育信息化，尽管各高校基本都建立了形式多样、内容丰富的数字化教学资源，但彼此独立，形成信息孤岛，资源应用实效性不高。云计算是一种全新的计算模型，适用于教学资源共享的数据密集型应用。本文提出基于云计算的数字化教学资源共享架构，建立“国家区域高校”三级教育云，国家区域为公有云，高校为私有云，将私有云资源汇聚到共有云，向社会公众提供服务，彼此间通过RESTful Web Service通讯，并给出基于微信公共服务的应用实例。 引言 人类社会进入二十一世纪，信息技术已渗透到经济发展和社会生活的各个方面，人们的生产方式、生活方式以及学习方式正在发生深刻的变化，全民教育、优质教育、个性化学习和终身学习已成为信息时代教育发展的重要特征。面对日趋激烈的国力竞争，世界各国普遍关注教育信息化在提高国民素质和增强国家创新能力方面的重要作用。教育部于2012年3月发布的教育信息化十年发展规划（2011-2020年）中指出，数字教育资源不断丰富，为构建终身学习体系发挥了重要作用。1因此，教学资源共享、整合与优化配置的研究与实践意义重大，尤其是作为基础设施的优质数字化教学资源共建共享平台更是重中之重，促进高校教学资源整合与共享是破解当前教学资源应用困境、提升教学资源应用实效性的必由之路，这已成为研究者们的共识，它对于促进教育公平、提高教育质量、创新教育模式具有重要的支撑和带动作用。 2001年 4月，美国麻省理工学院启动开放课程资源运动（MIT Open CourseWare，MITOCW）。我国教育部于 2003 年启动了精品课程建设工程（National Essential Courses，NEC），旨在利用现代化的教育信息技术手段将精品课程上网，并免费向社会开放，以实现优质教学资源共享，为学习型社会营造良好环境（中华人民共和国教育部2003）。高校基本都建立了形式多样、内容丰富的数字化教学资源库。国内以网易公开课为代表的共享教育资源正逐渐丰富并形成一定规模，如：超星学术视频、新浪公开课、搜狐公开课、腾讯等。大量数字化教学资源彼此独立，资源应用实效性不高。 云计算是一种崭新的计算模型，是并行计算、分布式计算、网格计算、虚拟化和面向服务架构等多种技术融合演进的商业实现。其提供三种层次的应用形式：IaaS（基础设施即服务），将各类硬件资源虚拟化，如存储、计算资源等封装成服务；PaaS（平台即服务），将软件平台虚拟化，如操作系统、数据库系统等系统软件封装为服务；SaaS（软件即服务），将应用程序虚拟化，如CRM、ERP、管理信息系统等打包成服务，数据存储与计算都在远程的数据中心完成，用户只需使用浏览器即可消费上述服务，就像水、电、网络一样，数据与应用的共享异常方便、快捷。 数字化教育资源共享属于数据密集型应用，正适用于云计算模型，建立教育资源云，共享各高校现有的海量优质数字化教学资源，充分为学生学习、教师教学与科研服务，是一个亟待解决的难题。 一、研究现状 目前，高校数字化教学资源建设与应用受到广泛关注。 1.研究热点有2 （1）系统架构与技术方案研究，检索技术、共享与重用技术、安全技术； （2）理论与应用模式研究，资源整合与共享、精品课程、高校图书馆的作用； （3）学科课程角度的研究，特定课程、大学公共课、学科或专业视角的研究。 2.实践中普遍存在的问题包括 （1）量与质的问题，数量与质量失衡、校际分布失衡、资源类型失衡； （2）资源应用实效性问题，重“建”轻“用”、技术支持与服务滞后； （3）管理问题，机构设置造成的障碍、相关政策机制不够完善。 郭青春等认为：资源库首先应定位于“支持学生学习”，其次为“支持教师教学”和“支持科学研究”，利益补偿与版权保护措施的缺失、政策引导及激励措施落后和资源丰富性与适用性存在失衡等因素影响了资源库的共享。3他还提出建议：资源库建设应围绕“需求导向”，建立互利互赢的利益分配机制，汇聚优质资源，规范技术标准和执行有关制度与政策。 张鼐以图书馆为中心，提出资源共享模式，从私有云与公有云两个平台开展内容构建，以公有云服务平台、SaaS服务平台、私有云服务平台和云集群平台四方面构建服务体系。4 云计算环境下的数字化教学资源共享大多停留在系统架构方案设计，尚无实践相关研究成果出现。5,6对存在的问题进行了深入探讨，并提出客服和消除阻碍因素的对策与建议。 二、方案提出 数字化教学资源共享机制所采用的系统架构应能够提供可扩展性、高可用性，支持节点规模动态调整，一个或几个节点失效系统仍应正常服务等需求，同时可以避免对现有系统的扰动，提供统一的API，支持二次开发，以满足多主题应用。 1.体系结构 笔者们提出建立“国家区域高校”三级教育云，共享高校现有数字化教学资源，提供开放共享服务，即SaaS，结构如图1所示。 （1）高校节点为私有云，运行自建应用； （2）区域节点是公有云，汇聚本区域各高校节点资源，并缓存非本区域资源，内容根据访问频度动态调整； （3）国家节点为公有云，保存各区域节点的资源，根据访问者的地理位置将访问请求转交给距离访问者最近的区域节点。 私有云将访问封装为RESTful Web Service，上层节点只需通过HTTP协议即可实现对资源的获取。 高校节点为校内学生服务，“区域国家”节点的受众为社会共众，采取了就近访问措施，不但访问者能获得最佳体验，而且有效地减轻了国家节点的压力。国家节点将监控区域节点状态，作用有二：当某区域节点失效，相关访问由国家节点承担；当新区域节点加入，同步资源。 硬件资源虚拟化是云计算的基础，市场上已有多种成熟解决方案，如VMware的vSphere ESX、Redhat的KVM、思杰的Xen、微软的Hyper-V等。只需购买相应产品与服务，很快就能完成云计算所需基础设施的构建，各类数字化教学资源应用系统可实现平滑迁移。 2.私有云 建设教学资源的目的是促进教与学，因此要符合老师、学生、管理人员等涉众的需要。业务系统是面向特定主题的，难以应对需求的变化，如：精品课程系统是面向资源建设主题，提供对各类资源的上传、下载、查阅；而教学建设主题不但要了解课程资源建设情况，而且希望掌握资源更新频度、资源访问量、访问热点、访问者来源、使用者对资源的评价等信息；学习者主题关注个人学习轨迹（学过哪些课程、课程体系倾向于何专业方向、与个人专业兴趣偏差程度）、学习社区（讨论、交流、共享）、实践案例等；系统运维主题则关心最频繁访问的文件、时间最长的操作、内存占用最大的操作等。这些需求在系统建设之初是不可能考虑周全的，并且随着应用的深入，新需求还会不断涌现，尽管五花八门，但都只是对现有业务数据的二次利用。 为满足上述需求，高校私有云的逻辑架构如图2所示，服务层采用SOA架构，实现对系统层的集成，该方案不仅对现有系统的侵入性几乎为零，而且有效地降低耦合，更能应对多变需求，实现真正意义上的资源共享。 3.资源类型 各高校都建成了相当规模的数字化教学资源库，以南华大学为例，其数字化教学中心于2009年投入使用，截止2013年12月29日的统计数据，该平台上已开设349门课程，参与教师583人，受益学生人数88394人（含往届毕业生），累计开设1585个教学班，资源容量达6百多G。 资源类型主要有音视频、Flash、课件、教案、教学大纲、习题、案例、参考资料、问题解答、师生互动、讨论等，文件格式包括AVI、MP4、RMVB、FLV、WAV、MP3、PPT、DOC、XLS、ZIP、RAR、SWF等。 共享教学资源必须标准化，我国信息技术标准化技术委员会教育技术分委员会已颁布了CELTS系列标准，如将数字化教学资源分为媒体素材、试题、试卷、课件、案例、文献资料、网络课程、常见问题解答及资源目录索引共9种类型。资源共享只有遵循统一标准，彼此间通信才能顺畅。 4.服务集成 各应用系统的运行环境有Linux、Windows、Solaris，数据库有MySQL、MSSQL、Oracle、MongoDB等，应用服务器有Apache、JBoss、WebLogic、IIS等，这些系统结构各异，彼此独立，造成重复功能多，如各系统中都有一套用户管理子系统，冗余数据多、数据质量低下、集成难度大、难以共享，更谈不上充分利用。共享异构系统中的海量资源是必须解决的首要问题，只有校内数字化教学资源实现共享，校际、区域的共享才成为可能。 共享就是将各个系统中的资源集成统一对外开放，异构系统的集成在工程领域早已不是什么新鲜事，按逻辑层次可分为数据集成、应用集成与服务集成，研究表明，教学资源主要是读取操作，如学生观看授课录像，教师查阅课件教案等，此类应用适合采用服务集成。Web Service是服务集成的主要技术手段，按风格分为SOAP与RESTful，前者常用于内部网Intranet，后者多见于Internet，因后者充分利用HTTP协议语义，API简单，易于二次开发，应用范围日趋广泛。 RESTful Web Service用于教育云各节点的服务集成，既可减少复杂性，屏蔽软硬件环境异构性，而且该类型API具备自解释性，将资源的共享操作以一种简洁明了的方式对外呈现，有利于今后的扩展，如南华大学的精品课程123的内容，可采用类似http:/xxx.xxx.xxx.xxx/usc/jingpinkecheng/123的URL对外发布，访问者只需使用HTTP-GET即可获取资源，改用HTTP-POST方法则提交修改。 三、应用实例 本文以密码找回为背景介绍资源共享实现机制，现在智能手机拥有率越来越高，移动访问的需求日趋强烈，为此应用层采用微信公共服务，将系统层的功能集成，封装为Web Service放入服务层。开发平台采用DotNet， RESTful Web Srvice实现框架为ASP.Net Web API，客户端使用RestSharp消费服务，微信平台SDK为Senparc.Weixin.MP。逻辑类图如图3所示。 首先定义密码找回接口，服务层实现该接口，将其封装为Web Service，应用层调用服务，实现与微信通讯。服务定义如表所示。 Web Api controller实现代码如代码1所示。 public class JiaoWuPwdController : ApiController / / 根据用户名，取登录密码 / / 用户名 / 登录密码 public string Get(string username) var dal = new DataAccess(); var pwd = dal.GetPasswordByUsername(username); return pwd; 代码 1服务代码 根据表1的服务定义，路由配置代码如代码2所示。 /教务系统密码找回映射配置 config.Routes.MapHttpRoute( name: "JiaoWuPwdApiRoute", routeTemplate: "api/JiaoWu/Pwd/username", defaults: new controller = "JiaoWuPwd" ); 代码 2路由配置代码 应用层调用服务代码如代码3所示。 / / RestSharp 同步调用 / / private string JiaoWuGetPassword (string username) /访问服务的URL，形如http:/127.0.0.1/api/jiaowu/pwd/2005123456 var serviceUrl = string.Format(“0/api/jiaowu/pwd/1”, _baseAddress, username); /创建RestClient，指定主机地址 var client = new RestClient(serviceUrl); /创建请求，指定请求地址、Http Method、数据传输格式 var request = new RestRequest(_requestUri, Method.GET); /修改请求标头，声明使用Json格式进行数据传输 request.AddHeader("Accept", "application/json"); /执行请求 var response = client.Execute(request); /返回结果 return response.Content; 代码 3调用服务代码 使用密码找回，只需通过微信发送格式文本消息，处理微信文字消息代码如代码4所示。 / / 处理文字请求 / / public override IResponseMessageBase OnTextRequest(RequestMessageText requestMessage) /创建返回消息 var responseMessage = base.CreateResponseMessage(); var result = new StringBuilder(); /取发送的消息 /符号统一，全角转半角 var content = requestMessage.Content.ConvertToDBC(); /文本格式为：系统编码 + ， + 用户登录名 var msg = content.Split(','); /检查消息是否正确 if (msg.Length != 2) /消息格式不正确，返回提示信息 result.AppendFormat(returnMessage); else var pwd = string.Empty; switch (msg0) case "教务": pwd = JiaoWuGetPassword(msg1); break; default: case "数字化教学中心": pwd = JingPinKeChengGetPassword(msg1); break; /创建返回消息 CreateMessage(msg, pwd, ref result); /返回消息 responseMessage.Content = result.ToString(); return responseMessage; 代码 4应用层代码 四、结论与展望 数字化教学资源共享的目标是盘活已有资源，提高应用效能，对公众提供开放共享服务，满足不同用户的个性化应用需求。要实现“国家区域”层面的公有云服务，首先应建立高校私有云，实现高校内部各系统的资源共享，服务集成是一种有效的实现方案，本文通过实例证明该方案的可行性。