基于云計算在線教育平臺系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)

王寶龍

（天津輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 天津市 300350）

現(xiàn)階段，由于在傳統(tǒng)教學(xué)模式當(dāng)中，教師的教學(xué)平臺具有有限的受眾范圍，資源利用效率明顯不夠，不能夠開展更加便捷且高效的資源共享、開發(fā)成本不斷提高、運維效率大打折扣等問題，針對以云計算為基礎(chǔ)的在線教育系統(tǒng)研究越來越豐富。在以下內(nèi)容中，所研究設(shè)計實現(xiàn)的平臺系統(tǒng)結(jié)合教學(xué)實踐流程，以系統(tǒng)用戶、主要用例兩個角度出發(fā)，著重分析在線教育系統(tǒng)平臺設(shè)計的具體需求，并整理出了更加詳細(xì)的基于云計算在線教育平臺系統(tǒng)當(dāng)中的技術(shù)架構(gòu)、系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)、邏輯架構(gòu)以及功能架構(gòu)等。

1 基于云計算在線教育平臺系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)

在運行以往的在線教育教學(xué)系統(tǒng)過程中，絕大部分系統(tǒng)開發(fā)期間都無法脫離自主開發(fā)與企業(yè)委托這兩種方式。還有少部分會選擇直接購買成品系統(tǒng)。但是不論何種工作方式，都存在許多優(yōu)點，比如：

（1）具有較高的資金成本。包括構(gòu)建軟件環(huán)境與硬件環(huán)境，以及系統(tǒng)后期維護、保養(yǎng)、管理，都要求用戶投入較多成本。

（2）系統(tǒng)后期維護困難，系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性、需求的不斷變化，這都都需要用戶耗費較多資金和精力來開展維護與管理。

（3）擴展性有待提升。因為現(xiàn)階段的教育體制正隨著我國經(jīng)濟發(fā)展而不斷轉(zhuǎn)型，用戶在應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)教育平臺過程中，也有了越來越多的功能需求，所以現(xiàn)有系統(tǒng)必須要不斷完善并優(yōu)化自身功能，確保能夠做到與時俱進(jìn)，滿足用戶需求。

（4）功能不健全。大多數(shù)在線教育系統(tǒng)都不能夠根據(jù)教學(xué)流程對教學(xué)任務(wù)進(jìn)行合理化設(shè)計，而是往往只可以提供有關(guān)服務(wù)的簡易化功能，不能夠獲取更多受眾的信賴。而本研究中的系統(tǒng)則與傳統(tǒng)系統(tǒng)大有不同，在本系統(tǒng)設(shè)計過程中，融入了“軟件、服務(wù)相同步”這種設(shè)計理念，以云計算以及大數(shù)據(jù)一類先進(jìn)技術(shù)為基礎(chǔ)，充分展現(xiàn)出云計算的重要優(yōu)勢，對以往系統(tǒng)中存在的缺陷進(jìn)行有效優(yōu)化，從而為更多用戶提供更加充足的教育服務(wù)。為此，本系統(tǒng)在設(shè)計開發(fā)過程中制定了多個目標(biāo)，包括投資成本較低、靈活擴展、維護簡單、功能齊全、服務(wù)可配置。如圖1所示。

圖1：系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)

1.2 功能模塊設(shè)計

圖2：系統(tǒng)功能

（1）用戶管理。本系統(tǒng)當(dāng)中的用戶主要包括教師、學(xué)生以及管理人員三種。用戶管理這一模塊能夠確保用戶合法的訪問與操作該系統(tǒng)。主要功能包括用戶登錄、權(quán)限分配以及用戶注銷。

（2）教學(xué)資源管理模塊。這一模塊結(jié)合系統(tǒng)用戶角色不同時出現(xiàn)的不同功能需求來設(shè)計。該模塊還能夠作為一個單獨小系統(tǒng)來設(shè)計。該模塊的主要功能包括教學(xué)資源上傳、教學(xué)資源發(fā)布、資源信息增刪與修改、文件檢索、文件下載等。

（3）學(xué)習(xí)任務(wù)。在線教育過程中，主要的學(xué)習(xí)任務(wù)都是借助于測試或作業(yè)的形式實現(xiàn)，既有助于促進(jìn)學(xué)生們的學(xué)習(xí)與成長，也有助于強化他們對知識的理解與掌握，更有利于教師掌握每一個學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。結(jié)合用戶角色以及具體的功能來提高需求標(biāo)準(zhǔn)。對大學(xué)生來說，在線教育期間主要包括信息瀏覽、作業(yè)提交、在線作答這些任務(wù)，以及查看評語任務(wù)等。就教師而言，學(xué)習(xí)任務(wù)則主要包括作業(yè)構(gòu)建、任務(wù)發(fā)布、任務(wù)上傳、在線批改以及答題卡設(shè)置等等。

（4）互動交流模塊?；咏涣饕约敖獯鹨苫蠖茧x不開論壇這個版塊。主要功能如下：發(fā)帖、抽檢、回復(fù)以及查詢等?；咏涣鬟@一模塊當(dāng)中的功能可以與大學(xué)生心理訴求更加契合，從而有效激發(fā)他們的興趣，提高他們的學(xué)習(xí)效率。

1.3 多租戶數(shù)據(jù)隔離技術(shù)

本系統(tǒng)選擇SaaS模式。應(yīng)用本身存放于云端當(dāng)中，致使數(shù)據(jù)層通常也會出現(xiàn)公開化的特征，帶來較大的數(shù)據(jù)安全隱患。同時為進(jìn)一步提高資源共享水平，不同租戶之間存在的數(shù)據(jù)同樣需要得到共享。目前常見多租戶數(shù)據(jù)主要隔離方案有三種。

（1）獨立的數(shù)據(jù)庫。在該模式當(dāng)中，大部分租戶都帶有一個單獨的數(shù)據(jù)庫實例，也就是每一個租戶都能夠作為單獨的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)而存在。主要的優(yōu)勢就是能夠具有更強大的分離程度，租戶們的數(shù)據(jù)相互獨立，具有更好的安全性，能夠有效避免發(fā)生數(shù)據(jù)篡改等問題，同時也能夠更好的擴張與實現(xiàn)，可以滿足不同用戶的個性功能需求[1]。缺點則是不具備較高的共享效率、租戶數(shù)量相對較少，而一旦租戶數(shù)量相較于以往變多，則數(shù)據(jù)庫也會隨之?dāng)?shù)量增加，因此會增加數(shù)據(jù)庫成本。

擬定設(shè)計方案的時候還要顧慮到建筑的美觀性以及經(jīng)濟性，同時也需要考慮到建造過程中的可操作性，綜合各個方面選出最佳的方案，制定金額的限制，通過各種手段來達(dá)到詳細(xì)的分析設(shè)計細(xì)節(jié)的目的。再進(jìn)行詳細(xì)的測量后，選擇最佳的方案，并且確認(rèn)所選方案的可用性，一旦選擇了方案，就應(yīng)該謹(jǐn)慎的執(zhí)行，不能隨便的更換方案，為了避免產(chǎn)生錯誤，應(yīng)該全程檢查并且跟蹤建筑工程的進(jìn)行，隨時發(fā)現(xiàn)問題解決問題，將所需要的成本降到最低。擬定最佳的方案，合理的調(diào)配金額，對工作進(jìn)行細(xì)致的劃分。

（2）共享數(shù)據(jù)庫以及相對獨立的一個Schema。這種模式下，各個租戶能夠相互關(guān)聯(lián)與協(xié)作，也就是大家都擁有一個相同的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，當(dāng)租戶不同，則數(shù)據(jù)表也明顯不同。以該角度來看，租戶絕大多數(shù)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)都可以有效存儲到自己的數(shù)據(jù)表當(dāng)中當(dāng)中存放，主要的優(yōu)勢就是每一個租戶之間的數(shù)據(jù)邏輯是不可見的，相較于上一種模式，這種模式具有更多的與租戶支持量，有效減少了數(shù)據(jù)庫運行成本。缺陷則對于數(shù)據(jù)備份與恢復(fù)十分不利，因為有限的數(shù)據(jù)數(shù)量，導(dǎo)致租戶數(shù)量也急劇減少。

（3）共享數(shù)據(jù)庫、共享數(shù)據(jù)表與共享Schema。在這種模式當(dāng)中，大部分租戶數(shù)據(jù)都能夠?qū)崿F(xiàn)高度的共享，也就是說所有租住的數(shù)據(jù)都能夠存儲到一個數(shù)據(jù)表當(dāng)中。主要的優(yōu)勢就是能夠促進(jìn)提高租戶數(shù)據(jù)共享水平，從而優(yōu)化資源利用效果，減少成本。主要缺陷則是不具備較強的安全性，從租戶定制的數(shù)據(jù)來看，個性化特征明顯，會導(dǎo)致編程更加復(fù)雜。

1.4 數(shù)據(jù)庫模塊技術(shù)

數(shù)據(jù)訪問這一層可以提供業(yè)務(wù)層所需數(shù)據(jù)，主要能夠?qū)崿F(xiàn)對連接各個數(shù)據(jù)庫的職責(zé)，業(yè)務(wù)層當(dāng)中的設(shè)計則更多為實體對象都需要做好持久化的數(shù)據(jù)存儲，一個對象都會有一個對應(yīng)的表與記錄在數(shù)據(jù)庫當(dāng)中。通常情況下，數(shù)據(jù)訪問與業(yè)務(wù)這兩層當(dāng)中的實體都屬于對應(yīng)存在，業(yè)務(wù)對象都比較復(fù)雜，同時不同的對象可以與多張表相對應(yīng)，此時就應(yīng)當(dāng)整合在一個對象中，負(fù)責(zé)映射數(shù)據(jù)庫與業(yè)務(wù)對象存在的聯(lián)系。本系統(tǒng)設(shè)計的主要數(shù)據(jù)表包括：

（1）用戶管理模塊數(shù)據(jù)。在該表當(dāng)中，詳細(xì)記錄了用戶們的基本信息，主要功能為用戶注冊與用戶登錄；

（2）教學(xué)資源數(shù)據(jù)表。在這個表格當(dāng)中，主要記錄著各種基礎(chǔ)性的教學(xué)資源數(shù)據(jù)，可以為廣大用戶提供檢索、瀏覽、下載等功能；

（3）在線學(xué)習(xí)任務(wù)表。在線學(xué)習(xí)過程中的任務(wù)通常為在線作業(yè)和在線測試這兩部分。在線學(xué)習(xí)過程中，相關(guān)任務(wù)信息會直接存儲到信息表中，并交由教師直接上傳至系統(tǒng)當(dāng)中后進(jìn)行在線批改，其中也包括任務(wù)信息、題目信息以及學(xué)生個人信息等?？梢杂行ПＵ蠈W(xué)生們的在線測試、在線作業(yè)以及教師的在線上傳、在線批改等功能實現(xiàn)；

（4）互動討論模塊信息表。這一該模塊中同樣離不開論壇的幫助，互動討論主要負(fù)責(zé)對用戶發(fā)布的各種信息進(jìn)行保存。主要功能就是評論、恢復(fù)以及跟帖等等，從而實現(xiàn)更好的交流與探討目的[2]。

2 基于云計算在線教育平臺系統(tǒng)的實驗與測試

2.1 系統(tǒng)具體實現(xiàn)

2.1.1 開發(fā)環(huán)境搭建

本系統(tǒng)主要采取Java開發(fā)語言，應(yīng)用MyEclipse這種開發(fā)工具以及關(guān)鍵插件功能，通過Java SDK版本完成開發(fā)系統(tǒng)功能的目標(biāo)。搭建開發(fā)環(huán)境包括以下步驟：

（1）Java軟件開發(fā)與安裝。將jdk1.7安裝到oracle管網(wǎng)中。安裝結(jié)束后，將Java SDK這一目錄配置到系統(tǒng)環(huán)境當(dāng)中，最終借助于將java-version指令輸入到命令提示符當(dāng)中，即可驗證是否成功安裝了Java SDK；

（2）在Apache Tomcat管網(wǎng)當(dāng)中下載32位壓縮包，而后解壓至本地的目錄中；

（3）下載安裝MyEclipse2014。完成后，利用菜單欄當(dāng)中的指令將安裝完成的java SDK當(dāng)做默認(rèn)運行環(huán)境來運行Java。而后借助于其他指令流程，在系統(tǒng)當(dāng)中配置tomcat7.0；

（4）安裝谷歌插件。利用該插件可以更有助于實現(xiàn)測試、部署與生成所有工作應(yīng)用。借助于在谷歌插件當(dāng)中輸入網(wǎng)站安裝正版軟件。由此，便能夠完成完整的系統(tǒng)所需開發(fā)環(huán)境搭建工作[3]。

2.1.2 工程目錄結(jié)構(gòu)

在Google App Engine當(dāng)中，Java Web應(yīng)用程序當(dāng)中的文件，主要包括已經(jīng)完成編譯的Java類、配置文件以及靜態(tài)文件這幾種，屬于以一種Web為主要應(yīng)用程序檔案作為標(biāo)準(zhǔn)目錄構(gòu)建組織而來的工程目錄結(jié)構(gòu)。在本文中，以GAE平臺為基礎(chǔ)，采取標(biāo)準(zhǔn)的JAVA網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，主要包括servle與JSP，設(shè)計實現(xiàn)了一個多種能的在線教育平臺系統(tǒng)。采取MyEclipse創(chuàng)建得來的App Engine Java工程目錄結(jié)構(gòu)相對來說較為復(fù)雜。其中名為src/的子目錄當(dāng)中包含著Java源代碼數(shù)據(jù)，war/子目錄包含系統(tǒng)頁面JSP文件和系統(tǒng)配置文件。

2.1.3 用戶管理模塊

用戶在運行該系統(tǒng)時，可以將信息直接輸入到登錄頁面，即輸入自己的用戶名與設(shè)置的用戶密碼。系統(tǒng)結(jié)合不同的信息符號可以直接登錄到頁面當(dāng)中，再由用戶根據(jù)自己的用戶名與密碼直接向系統(tǒng)發(fā)送請求。系統(tǒng)通過對配置文件的查詢，能夠把用戶的登錄請求直接發(fā)送至LoginAction中進(jìn)行處理。LohinAction首先能夠獲取到的用戶信息主要為用戶名、密碼以及驗證碼等，通過userCheck（）方法能夠直接獲取緩存，若沒有緩存，則可以通過對RegisterSrevie中的login（）直接調(diào)用來查詢所需的用戶信息，而后根據(jù)查詢所得的具體用戶信息能夠返回到對應(yīng)的頁面當(dāng)中。用戶在成功登陸到個人中心當(dāng)中之后，會由Action user_saveInfo負(fù)責(zé)對用戶已經(jīng)完成修改表單當(dāng)中的信息進(jìn)行接收，利用對模型層中的saveInfo（）方法直接調(diào)用對用戶信息進(jìn)行保存[4]。用戶修改個人信息流程圖如圖3所示。

圖3：用戶修改個人信息流程圖

2.1.4 學(xué)習(xí)任務(wù)模塊

在這一模塊當(dāng)中，結(jié)合不同用戶角色，發(fā)揮出的模塊功能也各不相同。教師用戶可以通過系統(tǒng)直接進(jìn)行作業(yè)上傳與批改；同時學(xué)生用戶也可以直接實現(xiàn)在線作與作業(yè)提交，還能夠直接查看自己的分?jǐn)?shù)，這些都屬于模塊中的有效功能。在教師進(jìn)入到作業(yè)這一模塊當(dāng)中之后，系統(tǒng)借助于調(diào)取教師設(shè)置的各種類型作業(yè)，同時直接在列表當(dāng)中展示。通過點擊其中的鏈接實現(xiàn)不同操作需求。教師發(fā)布作業(yè)主要有以下流程：借助于控件完成作業(yè)上傳、處理請求，保存作業(yè)信息、處理下一步請求，保存答題卡信息、處理保存發(fā)布記錄請求，保存發(fā)布記錄、處理發(fā)布請求，查詢出班級或小組信息、處理下一步請求，保存題目屬性信息[5]。針對學(xué)生們已經(jīng)完成并提交的測試或者作業(yè)，教師可以直接進(jìn)行批改操作，結(jié)合學(xué)生們的作業(yè)與答案給出具體分?jǐn)?shù)。主要包括如下流程：發(fā)出批改請求、處理請求、查詢學(xué)生作答信息與正確答案、批改完成，提交分?jǐn)?shù)、接受處理請求，保存教師批閱信息。最后，還有學(xué)生在線任務(wù)的實現(xiàn)，主要包括以下流程：用戶登錄、進(jìn)入學(xué)習(xí)任務(wù)、查看任務(wù)內(nèi)容、是否完成、是否在線作答、提交、查看分?jǐn)?shù)。

2.1.5 教學(xué)資源模塊

這一模塊能夠得以實現(xiàn)結(jié)合用戶角色能夠劃分為兩大部分，分為是學(xué)生搜索與下載教學(xué)資源、教師發(fā)布各類教學(xué)資源、其中教師發(fā)布各類教學(xué)資源主要包括如下流程:在控件中上傳教學(xué)資源、處理文件信息、處理發(fā)布請求。如圖4所示。而學(xué)生們搜索與下載教學(xué)資源則主要包括如下流程：初始化查詢條件、查詢滿足查詢條件的教學(xué)資源、是否有結(jié)果、有則將結(jié)果以列表分頁形式返回，頁面顯示、結(jié)合資源路徑處理下載請求，如果沒有則直接結(jié)束。通過教學(xué)資源模塊當(dāng)中這兩項重要功能的實現(xiàn)，可以讓該在線教育平臺系統(tǒng)充分發(fā)揮出教育過程中的自主性，提高教師的教學(xué)效率、緩解教師的教學(xué)壓力，同時也能夠提高學(xué)生們學(xué)習(xí)的主動性與學(xué)習(xí)能力[6]。

圖4：教師資源發(fā)布流程圖

2.1.6 互動討論模塊

互動討論模塊大多包括發(fā)表帖子、瀏覽其中內(nèi)容以及恢復(fù)帖子評論這些功能。用戶發(fā)表帖子的流程主要如下：初始化添加主題頁面、用戶借助于頁面填寫帖子內(nèi)容，設(shè)置帖子信息、接收參數(shù)并處理保存帖子請求、保存帖子內(nèi)容[7]。具體位：用戶直接發(fā)出新建的帖子申請后，由系統(tǒng)影響處理請求，對發(fā)帖頁面進(jìn)行初始化處理。用戶借助于新建主題頁面，將帖子的主題內(nèi)容填寫到當(dāng)中，同時設(shè)置好帖子里的其他重要信息，將保存請求直接提交到負(fù)責(zé)接收用戶提交的帖子信息當(dāng)中，同時借助于調(diào)用模型層當(dāng)中的savaLpost（）方法在數(shù)據(jù)庫當(dāng)中保存詳細(xì)的帖子信息。用戶檢索與瀏覽帖子當(dāng)中的內(nèi)容實現(xiàn)的流程如下：初始化查詢條件、查詢滿足查詢條件的主題帖子、是否有結(jié)果，如果有的將結(jié)果按照列表分頁形式返回到頁面當(dāng)中顯示、結(jié)合帖子id查詢帖子當(dāng)中的詳細(xì)內(nèi)容，如果沒有則直接結(jié)束。

2.2 系統(tǒng)測試

本次系統(tǒng)測試針對主要的功能模塊開展測試。比如：

（1）用戶登錄。在登錄頁面直接輸入用戶名和密碼，然后點擊登錄。測試發(fā)現(xiàn)可以直接進(jìn)入到個人中心當(dāng)中，實現(xiàn)了設(shè)計預(yù)期；

（2）信息修改。首先找到個人信息這個頁面，而后將個人信息填寫完整并保存。測試發(fā)現(xiàn)用戶的個人信息在修改后能夠完整保存，實現(xiàn)了設(shè)計預(yù)期；

（3）在線作答。首先由學(xué)生登錄到系統(tǒng)當(dāng)中，點擊在線作業(yè)，而后選擇自己未完成部分作業(yè)部分進(jìn)行作答，最終提交作業(yè)。測試實現(xiàn)了學(xué)生借助于成功完成作業(yè)作答并提交，教師受到學(xué)生提交的作業(yè)。滿足了預(yù)期效果[8]。等等。

3 結(jié)束語

綜上所述，在上述內(nèi)容中，設(shè)計實現(xiàn)了一個基于云計算在線教育平臺系統(tǒng)，通過合理的設(shè)計與科學(xué)的測試試驗，最終實現(xiàn)了多種功能，滿足了預(yù)期設(shè)計效果與需求。