基于云計(jì)算的E—learning系統(tǒng)架構(gòu)研究

摘 要：隨著計(jì)算機(jī)的普及以及網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源的不斷豐富，在線學(xué)習(xí)已經(jīng)成為一種主流的學(xué)習(xí)形式。在線學(xué)習(xí)要滿足學(xué)習(xí)者的個(gè)性化需求，就需對(duì)現(xiàn)有的教學(xué)系統(tǒng)重新設(shè)計(jì)，以滿足系統(tǒng)低功耗、高響應(yīng)的要求，云計(jì)算技術(shù)的出現(xiàn)使得解決這一問(wèn)題成為可能。本文介紹了云計(jì)算技術(shù)的特點(diǎn)，并應(yīng)用云計(jì)算技術(shù)搭建E-learning云平臺(tái)，對(duì)其體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和闡述。

關(guān)鍵詞：云計(jì)算；E-learning；體系結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：R-4

目前，大多數(shù)傳統(tǒng)教育形式已經(jīng)逐步不能滿足教育發(fā)展以及社會(huì)進(jìn)步的需求，更無(wú)法實(shí)時(shí)合理地滿足學(xué)習(xí)者不斷變化的學(xué)習(xí)要求，而計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展為傳統(tǒng)教育形式的改革提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持和物質(zhì)保障。在傳統(tǒng)的基于Web的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)模式中，系統(tǒng)的建設(shè)和維護(hù)工作往往由教育機(jī)構(gòu)或企業(yè)內(nèi)部自行承擔(dān)，這種管理模式存在很多問(wèn)題，如投資回報(bào)性差、經(jīng)費(fèi)需求巨大、系統(tǒng)不具備可擴(kuò)展性、更新升級(jí)緩慢等等。云計(jì)算以其資源利用率高、動(dòng)態(tài)可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)為解決這一復(fù)雜問(wèn)題提供了技術(shù)保障，在系統(tǒng)資源有限的情況下，依據(jù)云計(jì)算技術(shù)構(gòu)建的E-learning平臺(tái)也能滿足學(xué)習(xí)者實(shí)時(shí)的個(gè)性化的學(xué)習(xí)需求。

1 云計(jì)算

近年來(lái)，云計(jì)算作為一種新興技術(shù)加速了計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)革新。云計(jì)算作為一種基于網(wǎng)絡(luò)的，尤其是基于Internet的計(jì)算模式，其主要任務(wù)是確保用戶可以方便地按照個(gè)人需求使用計(jì)算資源，并采用類似使用水電消耗的計(jì)量方式，根據(jù)用量收費(fèi)。因此，云計(jì)算帶來(lái)了新的商業(yè)模式——其所提供的服務(wù)成為了計(jì)算資源。

云計(jì)算具有高度可擴(kuò)展性的特點(diǎn)，并可以為用戶提供虛擬化資源。用戶無(wú)需任何與云計(jì)算相關(guān)的特殊知識(shí)，就可以將應(yīng)用程序安裝在服務(wù)器并順利使用這些程序。用戶可以實(shí)時(shí)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)與遠(yuǎn)程的服務(wù)器進(jìn)行通信。云計(jì)算這種新的技術(shù)趨勢(shì)已經(jīng)對(duì)現(xiàn)有的教學(xué)模式、教學(xué)環(huán)境以及網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間的構(gòu)建產(chǎn)生了顯著地影響。在云模式下，資源可以是外部公有或內(nèi)部私有：公有云為外部按需付費(fèi)的用戶提供訪問(wèn)權(quán)限；私有云為企業(yè)或其他組織內(nèi)部的用戶提供免費(fèi)的計(jì)算資源。

2 基于云計(jì)算的E-learning系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

通過(guò)對(duì)高等教育，政府，企業(yè)和軍事單位等機(jī)構(gòu)的研究，E-learning應(yīng)用于學(xué)習(xí)獲得的高效性、低功耗性已經(jīng)獲得證實(shí)。隨著云計(jì)算技術(shù)的深入發(fā)展，電子學(xué)習(xí)云應(yīng)運(yùn)而生。電子學(xué)習(xí)云是云計(jì)算技術(shù)在E-learning中的應(yīng)用，它包括網(wǎng)絡(luò)在線學(xué)習(xí)所必須的全部軟硬件計(jì)算資源，因此可以推斷，電子學(xué)習(xí)云將會(huì)成為未來(lái)構(gòu)建E-learning的主要基礎(chǔ)架構(gòu)。在電子學(xué)習(xí)云中，計(jì)算資源、學(xué)習(xí)資源被徹底虛擬化，各類教育機(jī)構(gòu)、企業(yè)或者是學(xué)生個(gè)人都可以通過(guò)購(gòu)買服務(wù)的方式租用計(jì)算資源和學(xué)習(xí)資源。

一般電子學(xué)習(xí)云的體系結(jié)構(gòu)可分為五層，從下至上依次為：基礎(chǔ)設(shè)施層—作為動(dòng)態(tài)的、可擴(kuò)展的物理主機(jī)池；軟件資源層—為E-learning的開發(fā)者提供統(tǒng)一的服務(wù)接口；資源管理層—實(shí)現(xiàn)軟硬件資源的松散耦合；服務(wù)層—包括三層服務(wù)（軟件即服務(wù)，平臺(tái)即服務(wù)和基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)）；應(yīng)用層—提供內(nèi)容制作，內(nèi)容分發(fā)，虛擬實(shí)驗(yàn)室，協(xié)作學(xué)習(xí)，評(píng)估和管理功能。

（1）基礎(chǔ)設(shè)施層有信息基礎(chǔ)設(shè)施和教學(xué)資源組成。信息基礎(chǔ)設(shè)施包括：Internet/Intranet，系統(tǒng)軟件，信息管理系統(tǒng)和一些常用的軟硬件；教學(xué)資源的積累仍主要來(lái)源于傳統(tǒng)教學(xué)模式，并分布于不同的部門及領(lǐng)域。該層位于云服務(wù)中間件的最底層，云中最基本的計(jì)算能力—如物理內(nèi)存、CPU、內(nèi)存由該層提供。通過(guò)使用虛擬化技術(shù)，物理服務(wù)器、存儲(chǔ)資源以及網(wǎng)絡(luò)組成了虛擬化組，可被上層的軟件平臺(tái)調(diào)用。物理主機(jī)池是動(dòng)態(tài)的、可擴(kuò)展的，可提高云中間件服務(wù)的物理計(jì)算能力，并可隨時(shí)增加新的物理主機(jī)。

（2）軟件資源層主要由操作系統(tǒng)和中間件組成。通過(guò)中間件技術(shù)，各種軟件資源被整合，為軟件開發(fā)者提供統(tǒng)一的接口。因此軟件開發(fā)人員可容易地開發(fā)很多基于軟件資源的應(yīng)用程序并將其嵌入云端，從而被云計(jì)算的用戶訪問(wèn)使用。

（3）資源管理層是實(shí)現(xiàn)軟硬件資源松散耦合的關(guān)鍵。通過(guò)整合虛擬化和云計(jì)算資源調(diào)度策略，可實(shí)現(xiàn)資源按需自由流動(dòng)并可在不同硬件平臺(tái)不同軟件架構(gòu)中實(shí)現(xiàn)靈活分配。

（4）服務(wù)層包括三層服務(wù)，即SaaS（軟件即服務(wù)），PaaS（平臺(tái)即服務(wù)），IaaS（基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)）。SaaS層為用戶提供云計(jì)算服務(wù)。不同于傳統(tǒng)軟件，用戶通過(guò)Internet使用軟件，無(wú)需一次性購(gòu)買軟硬件，且無(wú)需升級(jí)維護(hù)，只需支付月租費(fèi)用。

（5）應(yīng)用層專門應(yīng)用于整合云計(jì)算模型中的教學(xué)資源—包括互動(dòng)課程及共享教學(xué)資源。互動(dòng)課程中，教師可以根據(jù)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)需求和教學(xué)要求，充分利用制作后的基礎(chǔ)信息資源、課程內(nèi)容，根據(jù)反饋信息隨時(shí)調(diào)整教學(xué)進(jìn)度。與傳統(tǒng)教學(xué)方式相比，基于云的E-learning教學(xué)方式更高效，也具備更高的性價(jià)比。共享的教學(xué)資源包括教學(xué)素材資源，教學(xué)信息資源（如數(shù)字圖書館、信息中心），以及充分共享的人力資源。該層主要包括內(nèi)容制作、教育目標(biāo)、內(nèi)容傳送技術(shù)、評(píng)估以及管理組件等等。

通過(guò)應(yīng)用上述的體系結(jié)構(gòu)，基于云的E-learning平臺(tái)主要有以下特點(diǎn)：

（1）強(qiáng)大的計(jì)算及存儲(chǔ)能力：基于云計(jì)算的E-learning體系架構(gòu)將計(jì)算資源和數(shù)據(jù)分布于大量計(jì)算機(jī)，由數(shù)以萬(wàn)計(jì)的計(jì)算機(jī)組成的云?？商峁?qiáng)大的計(jì)算能力和龐大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，通過(guò)Internet將“云”作為服務(wù)提供給學(xué)習(xí)者。

（2）高度可用性。通過(guò)將大量存儲(chǔ)空間和高性能計(jì)算能力的整合，該系統(tǒng)可提供高質(zhì)量的服務(wù)。該體系結(jié)構(gòu)可自動(dòng)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)故障并加以排除，而不會(huì)影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

（3）高度安全性。云計(jì)算模式下，數(shù)據(jù)集中存儲(chǔ)。依靠一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)中心管理統(tǒng)一數(shù)據(jù)、分配資源、平衡負(fù)載、部署軟件、控制安全性并進(jìn)行可靠的實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而最大限度地保證用戶數(shù)據(jù)安全。

（4）虛擬性。虛擬化是該體系結(jié)構(gòu)最重要的特性。每個(gè)應(yīng)用程序的開發(fā)環(huán)境以及物理平臺(tái)都是不相關(guān)的。應(yīng)用程序通過(guò)虛擬平臺(tái)來(lái)管理、消費(fèi)、遷移和備份。它將底層的硬件—包括服務(wù)器、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等全部虛擬化，以構(gòu)建共享的、按需分配的資源池。

本文提出的基于云計(jì)算的E-learning體系結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)勢(shì)在于，該結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行于高性能處理器的、成本高昂的軟件的輕松訪問(wèn)。這對(duì)于缺乏教學(xué)設(shè)備的鄉(xiāng)村教育機(jī)構(gòu)具有重要意義。

在傳統(tǒng)的E-learning環(huán)境下，教師分配學(xué)習(xí)任務(wù)，定期進(jìn)行講座或培養(yǎng)學(xué)生技能。學(xué)生參加網(wǎng)上自主學(xué)習(xí)、協(xié)作學(xué)習(xí)或完成教師分配的作業(yè)。而在本文提出的結(jié)構(gòu)中，教師可以回答學(xué)生的問(wèn)題，對(duì)于重點(diǎn)、難點(diǎn)問(wèn)題提供必要的輔導(dǎo)。此外，教師還可以利用多媒體制作教學(xué)內(nèi)容，從而提高教學(xué)效果。學(xué)生可自行制定其學(xué)習(xí)計(jì)劃、學(xué)習(xí)方法，并可在線自主選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容、通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)完成自我評(píng)估并對(duì)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。教師可鼓勵(lì)學(xué)生協(xié)作完成簡(jiǎn)單的學(xué)習(xí)任務(wù)或復(fù)雜的基于小組協(xié)作的項(xiàng)目。通過(guò)合作學(xué)習(xí)，學(xué)生不僅獲得了知識(shí)，更重要的是培養(yǎng)了其團(tuán)隊(duì)合作精神，鍛煉處理為人處世的技巧并增強(qiáng)其自我表達(dá)能力。

3 結(jié)束語(yǔ)

云計(jì)算已成為一種通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行管理和提供服務(wù)的新模式。云計(jì)算的興起正在迅速改變信息技術(shù)的前景。通過(guò)云服務(wù)可實(shí)現(xiàn)教師和學(xué)生在任何時(shí)間、地點(diǎn)、通過(guò)任何終端設(shè)備訪問(wèn)全部的知識(shí)。基于云計(jì)算的E-learning架構(gòu)可以降低并簡(jiǎn)化教育服務(wù)的交付，使全世界的學(xué)生跨國(guó)界地獲取其需要的知識(shí)和技能。

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作者簡(jiǎn)介：張希坤（1981-），男，天津市人，博士，講師，研究方向：教育技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)；侯潔（1982-），女，天津，碩士，實(shí)驗(yàn)師，研究方向：教育技術(shù)、網(wǎng)格計(jì)算。

作者單位：天津廣播電視大學(xué)，天津 300191；天津醫(yī)科大學(xué)，天津 300070