□章澤昂 鄔家煒

基于云計算的教育信息化平臺的研究

□章澤昂 鄔家煒

經(jīng)過多年建設(shè),我國在教育信息化方面已經(jīng)取得巨大成就.但是,由于我國幅員遼闊,人口眾多,區(qū)域之間、城鄉(xiāng)之間、學(xué)校之間教育信息化的差距仍然很大.云計算的出現(xiàn),對于建立一個統(tǒng)一、開放、靈活的教育信息化平臺,實現(xiàn)資源共享,縮小教育信息化差距有著重要的意義.本文首先闡述云計算技術(shù)的相關(guān)概念和特點,其次分析現(xiàn)階段我國教育信息化的狀況,最后提出一個基于云計算的教育信息化平臺的架構(gòu)及其運作模式.

云計算;虛擬化;教育信息化平臺;教學(xué)資源

20世紀90年代,隨著信息高速公路的出現(xiàn),教育信息化的概念也應(yīng)運而生.進入21世紀以后,教育信息化程度更是成為衡量一個國家教育現(xiàn)代化程度的重要標志.經(jīng)過多年的建設(shè),我國在教育信息化方面取得了巨大的成就.到目前為止,我國的信息技術(shù)標準化技術(shù)委員會教育技術(shù)分委員會已經(jīng)頒布了CELTS系列標準,其中的3個標準已經(jīng)發(fā)布為國家標準[1].但是,由于我國幅員遼闊,人口眾多,區(qū)域之間、城鄉(xiāng)之間、學(xué)校之間教育信息化的差距仍然很大,部分公共教育資源的配置和使用也缺乏有效的監(jiān)管,各教育信息系統(tǒng)間"信息孤島"現(xiàn)象嚴重.建立一個統(tǒng)一、開放、靈活的教育信息化平臺將有助于解決這些問題,進而提升我國教育信息化的水平.

云計算的概念一提出就受到了各個領(lǐng)域的關(guān)注, Google、IBM、Amazon和Microsoft等大型的IT公司紛紛建立自己云計算平臺[2]-[5],提供相關(guān)的云計算服務(wù).云計算在價格、效率和靈活性等方面的優(yōu)勢同樣吸引了許多中小型企業(yè)的關(guān)注,根據(jù)Gooroo公司的調(diào)查[6],在英國,有54%的中小型企業(yè)計劃在2011之前使用云計算,其中12%的企業(yè)已經(jīng)在使用云計算服務(wù).

在教育領(lǐng)域,云計算的潛在價值也得到了很多教育機構(gòu)的認可.2007年10月,Google和IBM聯(lián)合宣布推廣"云計算"的計劃,包括卡內(nèi)基梅隆大學(xué)、斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院、加州大學(xué)伯克利分校在內(nèi)的多所高校都參加了該項計劃,我國的清華大學(xué)也于2008年3月加入了此項計劃.美國的北卡羅來納州大學(xué)已經(jīng)為他們的學(xué)生提供基于云的虛擬計算實驗室(Virtual Computing Lab)[7].

云計算的出現(xiàn),對于我們建立一個統(tǒng)一、開放、靈活的教育信息化平臺有著重要的意義.本文將通過研究分析云計算的相關(guān)概念、特點和我國教育信息化的狀況,提出一個基于云計算的教育信息化平臺的架構(gòu)及其運作模式.

一、云計算

目前,云計算沒有統(tǒng)一的定義,根據(jù)McKinsey公司的研究,至少有22個云計算的定義[8].云計算是面向服務(wù)的架構(gòu)(SOA)、分布式計算、網(wǎng)格計算和虛擬化等多種技術(shù)混合演進的結(jié)果[9].云是一個巨大的虛擬化資源池(由硬件、開發(fā)平臺和服務(wù)等組成),這些資源能動態(tài)地根據(jù)各種規(guī)模的負載進行自動配置,使資源的利用率達到最優(yōu)化.用戶按照"即用即付費"(pay-per-use)的方式使用資源,基礎(chǔ)架構(gòu)提供商(Infrastructure Provider)根據(jù)服務(wù)級別協(xié)議(SLA)提供服務(wù)[10].

云計算提供三個層次的服務(wù)[11]:(1)基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)(IaaS),由底層的硬件或虛擬機資源構(gòu)成,提供計算、數(shù)據(jù)存儲和網(wǎng)絡(luò)通訊等資源;(2)平臺即服務(wù)(PaaS),構(gòu)建在云基礎(chǔ)設(shè)施之上,為云應(yīng)用程序開發(fā)者提供一個平臺開發(fā)各種的云應(yīng)用軟件; (3)軟件即服務(wù)(SaaS),基于云平臺開發(fā)的各類應(yīng)用服務(wù).

云計算有3個最基本的特征[12]:第1個是基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)在大規(guī)模的廉價服務(wù)器集群之上;第2個是應(yīng)用程序與底層服務(wù)協(xié)作開發(fā),最大限度地利用資源;第3個是通過多個廉價服務(wù)器之間的冗余,利用軟件獲得高可用性.

二、現(xiàn)階段我國教育信息化狀況分析

經(jīng)過多年的建設(shè),我國在教育信息化方面已經(jīng)取得了巨大的成就.各個高校均建立了自己的校園網(wǎng)、數(shù)字圖書館等現(xiàn)代教育信息化基礎(chǔ)設(shè)施,面向基礎(chǔ)教育的"校校通"工程也將我國中小學(xué)教育信息化的水平提升到一個新的高度.然而,教育投資的二元體制和試點學(xué)校發(fā)展策略造成我國教育信息化事業(yè)發(fā)展失衡[13].現(xiàn)在國內(nèi)的教育信息化總的來說存在以下幾方面的問題.

教學(xué)資源分布不均:對于高校,著名大學(xué)有更好的資源(包括師資、實驗室和計算機設(shè)備等),而大部分地方院校,由于資金來源有限,往往面臨著設(shè)備老化,實驗室資源不足等狀況.對于中小學(xué),城鄉(xiāng)基礎(chǔ)教育校園網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、教育信息化資源配置以及信息技術(shù)課程開設(shè)等方面也有著巨大的差距[14].

教學(xué)資源更新速度慢:各種技術(shù)飛速發(fā)展、就業(yè)競爭趨于白熱化,要求學(xué)校能夠為學(xué)生提供最新的實驗室、計算機設(shè)備以及開設(shè)相關(guān)的新課程,提高學(xué)生的各種技能,以適應(yīng)新形勢的發(fā)展,這給中小學(xué)和高等院校的教育信息化建設(shè)都帶來了很大的壓力.

教學(xué)資源共享程度低:現(xiàn)代遠程教育的發(fā)展,以及高校課程聯(lián)合范圍的擴大,使得課程等軟件資源在一定程度和一定范圍內(nèi)實現(xiàn)了整合.然而在高校之間、中小學(xué)之間,高校與中小學(xué)之間,各種資源的共享程度仍然有限,硬件資源仍然無法實現(xiàn)整合.

這些問題造成了我國在教育信息化過程中,重復(fù)投入,資源利用率不高,擴大了教學(xué)質(zhì)量的差異.因此,建立一個統(tǒng)一、開放、靈活的教育信息化平臺,對教學(xué)資源進行最大程度、最大范圍的整合,將有利于減少教學(xué)成本,提高教學(xué)質(zhì)量.云計算的出現(xiàn)將是我國教育信息化平臺的建設(shè)的強有力推手.

三、教育云

教育云是云計算技術(shù)在教育領(lǐng)域的遷移,是未來教育信息化的基礎(chǔ)架構(gòu),包含了教育信息化所必須的一切軟硬件計算資源,這些計算資源虛擬化之后,向教育機構(gòu)、教育從業(yè)人員和學(xué)生提供以計算資源為形式的服務(wù).在此首先介紹基于云計算的教育信息化平臺的架構(gòu),然后討論基于該架構(gòu)的運作模式,最后介紹在云平臺之上的應(yīng)用案例.

1.平臺架構(gòu)

如圖1所示,基于云計算的教育信息化平臺架構(gòu)分為4層:

圖1 教育云架構(gòu)

基礎(chǔ)設(shè)施層,為高層提供計算、數(shù)據(jù)存儲和網(wǎng)絡(luò)通訊等資源,即提供IaaS,分為物理硬件子層和虛擬化子層.其中,物理硬件子層由各種真實的物理硬件組成,包括服務(wù)器、存儲器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備.虛擬化子層構(gòu)建在物理硬件子層之上,利用虛擬化技術(shù)對底層硬件設(shè)備進行管理,向上提供計算、數(shù)據(jù)存儲和網(wǎng)絡(luò)通訊等虛擬資源,由各類虛擬機組成,當(dāng)前主流的虛擬機軟件有VMware、XEN、Virtual PC和Virtual-Box等[15]-[18].

應(yīng)用接口層,構(gòu)建在基礎(chǔ)設(shè)施層之上,面向開發(fā)人員,為開發(fā)各類基于云計算的教育應(yīng)用軟件提供開發(fā)環(huán)境和公用API等,即提供PaaS.公用API可以以Web Service的形式提供給開發(fā)人員,例如A-mazon Web Services[19],從而免除了開發(fā)人員許多系統(tǒng)管理的操作.開發(fā)人員也可以使用公用API開發(fā)自己的Web Service.

教育應(yīng)用層,提供各類的教育教學(xué)相關(guān)的應(yīng)用軟件,即提供面向教育的SaaS.本層主要包含:(1)用于教學(xué)與教學(xué)管理的教學(xué)平臺、教務(wù)管理系統(tǒng)、辦公系統(tǒng)和作業(yè)系統(tǒng)等;(2)用于教學(xué)資源開發(fā)的文檔處理軟件、課件制作和演示軟件等;(3)虛擬計算環(huán)境[20],為教育從業(yè)人員和學(xué)生提供較底層的虛擬計算資源;(4)基于云的虛擬計算實驗室.

用戶接口層,在客戶端為用戶訪問教育云提供兩種接口:傳統(tǒng)的圖形用戶接口(GUI)和基于Web的接口.借助于Web 2.0技術(shù)[21],教育云提供的服務(wù)主要為B/S結(jié)構(gòu),因此用戶只需要使用瀏覽器便可以訪問服務(wù).傳統(tǒng)GUI將作為Web接口的一個輔助手段,用于遠程登錄教育云上的虛擬機,訪問底層的資源.

基礎(chǔ)設(shè)施層是整個架構(gòu)的基礎(chǔ),利用虛擬機技術(shù)在軟、硬件之間引入虛擬化層.虛擬化層的引入可為應(yīng)用提供獨立的運行環(huán)境,屏蔽硬件平臺的動態(tài)性、分布性和異構(gòu)性,支持硬件資源的共享和復(fù)用,并為每個用戶提供屬于個人的獨立、隔離的計算環(huán)境,同時,為管理員提供硬件資源和軟件資源的集中管理[22].應(yīng)用接口層對各種虛擬資源進行進一步封裝,免除開發(fā)人員許多系統(tǒng)管理的細節(jié),為方便、快速開發(fā)基于云計算的應(yīng)用軟件提供了基礎(chǔ).教育應(yīng)用層使用應(yīng)用接口層提供的API開發(fā)各類軟件,依托底層提供的計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)資源運行.在用戶接口層,由于所有軟件運行在云上,用戶只需使用普通的PC機(甚至是PDA和手機等移動設(shè)備)和一個瀏覽器便可使用各類軟件,享受云計算提供的海量存儲和無限的計算能力.同時,由于用戶所有數(shù)據(jù)都存儲在云端,因此不需要擔(dān)心數(shù)據(jù)丟失.

2.運作模式

如上所述,經(jīng)過了多年的信息化建設(shè),我國高校已經(jīng)建立起各自的校園網(wǎng)和相配套的網(wǎng)絡(luò)中心或是信息中心,積累了豐富的教育信息化建設(shè)和管理的經(jīng)驗.在一些大型高校,一方面由于應(yīng)用需求大,另一方面擁有充足的物質(zhì)資源和人力資源,其網(wǎng)絡(luò)中心或是信息中心的規(guī)模更是達到數(shù)據(jù)中心級別.因此,如圖2所示,教育云由分布在我國幾大區(qū)域的區(qū)域云組成,每個區(qū)域云由若干家高校私有云[23]組成,為各類教育機構(gòu)提供計算服務(wù).高校私有云是對高校的網(wǎng)絡(luò)中心或是信息中心進行擴充形成的,由各個高校自行管理.區(qū)域云則是依托現(xiàn)有的教育網(wǎng),由各個高校私有云互聯(lián)而成,每個區(qū)域云設(shè)立一個管理機構(gòu),實現(xiàn)對區(qū)域云資源的管理.最后,各個區(qū)域云的互聯(lián)形成我國的教育云,整個教育云設(shè)立一個管理委員會進行綜合管理.

在教育云中,基礎(chǔ)設(shè)施層由各個高校私有云和區(qū)域云共同建設(shè)和管理;應(yīng)用接口層由教育云的各個管理機構(gòu)共同協(xié)商制定,并最終實現(xiàn)標準化;教育應(yīng)用層則可由各個高校、中小學(xué)、科研機構(gòu)和教育管理機構(gòu)根據(jù)其具體的需要,由高校或是教育軟件開發(fā)企業(yè)進行開發(fā).

圖2 教育云

為實現(xiàn)資源的有效共享和充分利用,教育云應(yīng)對各層所提供的各種資源進行描述,建立教育云資源索引庫,用戶可根據(jù)應(yīng)用的需求在教育云資源索引庫中進行檢索.由于云上的資源眾多,資源之間存在聯(lián)系,因此教育云資源索引庫除人可以理解外,還應(yīng)該是機器可以理解,從而提高用戶檢索的準確性和資源使用的效率,語義網(wǎng)[24]對資源的描述能力以及機器可理解的特性將是當(dāng)前的可選技術(shù)之一.

3.應(yīng)用案例

為了提高我國中小學(xué)教師的基本素質(zhì)與教育教學(xué)技能,各省紛紛依托高校搭建培訓(xùn)平臺,開發(fā)課程資源,運用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的方式對教師進行短期遠程培訓(xùn),實現(xiàn)高校優(yōu)質(zhì)資源向中小學(xué)的共享,取得了良好的效果,例如廣東省中小學(xué)代課教師教育教學(xué)能力提高培訓(xùn)[25].此類培訓(xùn)活動的特點:①需要多種教育信息化元素支持,這些元素包括了各類教育管理程序、多媒體課件和實驗室等;②周期性和短暫性,此類培訓(xùn)一般是利用寒暑假的時間進行,因此培訓(xùn)頻率呈周期性,且每次培訓(xùn)的時間相對較短;③在培訓(xùn)期間,培訓(xùn)平臺對計算機軟、硬件和網(wǎng)絡(luò)的性能要求較高.

在傳統(tǒng)模式下,開展此類培訓(xùn)實踐,首先需要購買服務(wù)器和服務(wù)器軟件,租用網(wǎng)絡(luò),開發(fā)培訓(xùn)平臺,形成培訓(xùn)活動的基礎(chǔ)設(shè)施.在培訓(xùn)期間,需安排專門人員對硬件、軟件和網(wǎng)絡(luò)進行維護.在這種模式下,培訓(xùn)平臺的開發(fā)周期長,維護成本高,不便于資源的共享,缺乏彈性和靈活性,資源利用率低.

在云計算模式下,教育云用戶首先向教育云管理機構(gòu)申請培訓(xùn)活動所需的計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)等資源,然后由軟件開發(fā)人員使用教育云應(yīng)用接口層提供的開放平臺和API開發(fā)培訓(xùn)平臺,與此同時,教學(xué)資源開發(fā)人員使用教育應(yīng)用層的教學(xué)資源開發(fā)程序開發(fā)多媒體課件.在培訓(xùn)活動進行期間,培訓(xùn)平臺所需的全部軟、硬件都在云端,由各教育云管理機構(gòu)實行統(tǒng)一管理,教育云用戶只需要專注于具體的教學(xué)活動.培訓(xùn)結(jié)束后,所有的資源仍保留在云端,供有需要的教育云用戶使用.在這種模式下,由于減少了設(shè)備采購環(huán)節(jié),而且培訓(xùn)平臺的開發(fā)和教學(xué)資源的開發(fā)可以在云端同時進行,從而大大地縮短了開發(fā)周期;其次,教育云強大計算能力、海量的存儲和巨大的網(wǎng)絡(luò)吞吐量,在滿足培訓(xùn)期間對計算機軟、硬件和網(wǎng)絡(luò)性能要求的同時,也節(jié)約了維護成本;最后,因為所有的資源都在教育云上,而且系統(tǒng)使用教育云提供的統(tǒng)一接口進行開發(fā),從而使得資源的共享變得非常容易.

四、總結(jié)

教育云是未來教育信息化建設(shè)的基礎(chǔ)架構(gòu),它向教育機構(gòu)、教育工作者和學(xué)生提供各種教育活動所需的信息化服務(wù).本文提出了一個基于云計算的教育信息化平臺的架構(gòu)及其運作的模式,利用這個平臺的統(tǒng)一性、開放性和靈活性將有助于解決我國教育資源分布不均、更新速度慢和共享程度低等問題,從而提高我國教育信息化的水平.

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責(zé)任編輯 鄭重

G40-057

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1009-458x(2010)06-0066-04

2010-02-25

章澤昂,碩士研究生;鄔家煒,教授,副院長.華南師范大學(xué)計算機學(xué)院(510631).