基于云计算网络教学平台的设计研究

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  【摘要】云计算是近年来非常热门的一个词,其含义已经跨越了学术和科技界,融入到许多社会行业之中。云计算因为有其突出的优势与特点,所以早已得到许多教育界精英的高度关注。根据网络教学平台模型的设想与思路,初步把基于云计算网络教学平台的构建分为“最终展现层”、“应用核心层”、“运营管理层”、“基础架构层”、“平台资源层”五个部分,主要是为了使网络教学平台可以更充分地利用云计算的优势,通过整合整个教学系统的资源、设备、网络与资金等资源,将相关数据存储在云端,将相关应用也存储在云端,从而更好地体现新一代网络教学平台的优越性。
  【关键词】云计算;网络教学平台;设计方案
  一、云计算已得到教育界的高度关注
  云计算是近年来非常热门的一个词,其含义已经跨越了学术和科技界,融入到许多社会行业之中。根据美国国家标准与技术研究院(NIST)的定义[1],云计算是一种利用互联网实现随时随地、按需、便捷地访问共享资源池(如计算设施、存储设备、应用程序等)的计算模式。
  笔者在中国知网进行了五次检索,主要是通过输入不同的检索条件得到相应的数据,用以分析云计算受教育界的关注程度。检索时间均为1989年1月1日至2013年12月31日;检索范围均为全部期刊;匹配标准均为精确匹配。最终得出了以下结论:第一次检索时以“云计算”为篇名,共检索到文章11147篇;第二次检索时以“云计算;教育”为篇名,共检索到文章267篇;第三次检索时以“云计算;教学”为篇名,共检索到文章239篇;第四次检索时以“云计算;网络教学”为篇名,共检索到文章20篇(见表一)。
  通过表一呈现的检索结果不难发现,关于介绍云计算的相关文章虽然不少,但是与教育相关的文章却不算多,特别是与网络教学有关的文章只有屈指可数的20篇。由此可见,云计算已经得到了很多教育工作者的高度重视,而一些有远見的先行者正试图把云计算应用到教育教学中,达到改善教育教学效果的目的。本文主要的目的是就如何基于云计算的网络教学平台的设计问题进行探索与研究。
  二、云计算的突出特点分析
  1.云计算对用户端的设备要求非常低,使用起来非常方便。当用户不是在云计算的环境下,用户如果要使用某个最新的操作系统,或者要使用某软件的最新版本,那么用户就必须不断地升级自己的电脑硬件。有时候为了打开朋友发来的一些特殊格式的文件,用户必须寻找并下载可以打开这特殊格式应用软件。而在云计算的运行环境下,绝大部分的任务都将交给“云端”完成,用户只要拥有可以上网的终端设备,再加上一个自己喜欢的浏览器,然后将终端设备接入Internet,用户就可以实现自己想做的任何事情。用户不但可以继续使用原有的旧电脑,还可以使用性能一般的上网本或智能手机,并且所得到的实际效果往往比升级自己的电脑硬件还要好,用户可以充分享受云计算所带来的乐趣。
  2.“云端”是用户最可靠、最安全的数据存储中心。把自己的数据放在专业的“云端”上,用户再也不用担心数据丢失、病毒入侵等烦恼。可能很多人都可能会认为自己的数据只有保存在看得见、摸得着的自己办公室或家里的那台电脑里才是最安全的。其实不然,你想想,如果你的电脑损坏或者被病毒攻击,而导致硬盘上那些重要的数据无法恢复怎么办?特别是当你拿去维修时,却被一些不法之徒窃取了你的重要数据怎么办?反之,如果你的数据保存在“云端”上,因为那里有全世界最专业的团队来帮你管理信息,有全世界最先进的数据中心来帮你保存数据。同时,严格的权限管理策略可以帮助你放心地与你指定的人共享数据。这样,你不用花钱就可以享受到最好、最安全的服务,甚至比在银行里存钱还方便。
  3.云计算可以轻松实现不同设备间的数据与应用共享。云计算可以使你摆脱更换电脑设备时带来的保存和COPY众多资料和数据的烦恼,另外,你的数据和资料常常不得不在家里的电脑有一份,在办公室里的电脑还有一份,并且这些数据往往是不同步的,你为了让这些数据资料达到同步,也是一个非常麻烦的事,你必须为此付出难以计数的时间和精力。但是,这一切如果用云计算来处理,那一切都变得很简单。因为在云计算的网络应用模式中,数据只有一份,保存在“云”的另一端,你的所有电子设备只需要连接互联网,无论在何时何地都同时访问和使用同一份数据。
  4.云计算还可以为用户使用网络提供了几乎无限多的可能,为存储和管理数据提供几乎无限多的空间,也为用户完成各种各样的应用提供了几乎无限强大的计算能力。个人电脑或其他电子设备不可能提供无限量的存储空间和计算能力,但在“云端”上,那里由数千台、数万台甚至更多服务器组成的庞大的集群,却可以轻而易举地实现这一功能。当你把最常用的数据和最重要的功能都放到“云端”时,那么你对电脑、应用软件乃至整个网络的认识都会有翻天覆地的变化,你的生活也会因此而改变[2]。
  总之,云计算实现了从计算机到使用者,从应用到任务、从孤立的数据到可以随处访问、可以与任何人共享的数据的转变。云计算的这些特性十分适合我们当前教育教学的需要,为教师教学和学生学习带来非常大的便利,提供强而有力的支持。因此,在教育信息化深入发展的今天,开展基于云计算的网络教学平台设计和研究,以辅助教育教学活动显得尤为必要和可行。
  三、网络教学平台模型的设想
  1.网络教学平台应该具有实用的教学功能。一个良好的网络教学平台应包含教师的在线备课,教学资源上传,可以及时地对学生的学习和作业进行管理,同学们可以在网络论坛进行讨论,教师可以在线答疑,学生还可以很方便地利用课程资源,进行实训与练习,在学习结束后还可以自主进行在线测试等基本功能。网络教学平台最重要的就是支持教师和学生,在网络环境下可以完成一切教与学的行为,师生之间、学生之间都可以很及时地交换信息,进行高效学习。
  2.网络教学平台应该能够运用各种教学策略。学生可以通过网络论坛、在线答疑等模块实现协作学习策略,学生还可以根据教师提供的电子课件等各种教学资源学生进行个性化学习,学习结束后还可以通过进行实训或练习检测自己的学习效果,最后还可以进行在线测试等。网络教学平台应该能充分体现现代教育思想和教学理念,能在教学过程贯穿学生“自主学习与协作学习相结合”的理念,为教师的“教”与学生的“学”提供最便捷的交流平台。   3.网络教学平台应该体现学生中心,做到简单实用。网络教学平台其实就是“以学生为中心”的教学模式的最好体现,不但可以提供学生个性化学习的教学平台,而且功能强大,维护简单,使用方便,界面简单友好,学生容易操作。学生们在线学习、作业提交以及在线测试都方便快捷,无论用户计算机水平如何,都很容易学会使用,不会让人感到烦琐。
  4.网络教学平台应该具有良好的管理功能。网络教学平台应该具有教务管理、课程管理、教师管理、班级管理、学籍管理、考试管理、资源管理、用户管理、运营管理等各种功能,体现网络教学平台的先进性与方便性[3]。
  四、网络教学平台设计方案
  既然云计算有那么多突出的特点,网络教学平台有那么多的优优势,同时受那么多的有远见卓识的教育先行者的重视,所以基于云计算的网络教学平台的优势是不言而喻的,现在我们面临的主要问题就是如何设计网络教学平台的设计方案。我们初步设想的方案应该包括最终展现、应用核心、运营管理、基础架构、平台资源这五个层面,大概的设想架构如图一:
  图一:网络教学平台的设计架构[4]
  1.最终展现层
  最终展现层其实就是整个网络教学平台的门户系统,主要包括“学生子门户”、“教师子门户”、“家校互动子门户”和“运营管理子门户”四个部分。其中“学生子门户”主要是面向学生的,学生在这一模块中可以实现在线选课、在线听课、在线学习、在线提问、在线考试、在线使用学习工具等功能;“教师子门户”主要是面向教师的,教师在这一模块中可以实现在线呈现自己的教学计划、课程安排、在线备课、在线授课、在线答疑、在线评估、在线培训、在线使用教学工具等功能;家校互动子门户主要是面向家长的,家长在这一模块中可以实现与教师的互动和交流,或就一些热点问题和教师进行讨论等,当然教师也可以利用这一模块中的功能向家长发送要求家长参与的家校互动的通知等;“运营管理子门户”主要面向平台维护人员的,维护人员可以通过这一模块的功能,实现各种工具软件的版本更新,平台运行状态的实时监控,各种故障的处理,系统安全管理、后台数据的维护和备份等功能。
  2.应用核心层
  应用核心层是整个网络教学平台的应用核心,是最终展现层所呈现内容的具体承载层,这一层是教育行业各种流程与具体实践在网络上的完整体现,不但要充分体现出人事的管理流程、教务的管理流程、班级的管理流程,还要充分教师的教学计划、课程安排、教学实施、在线授课、在线考评等完整的流程,学生还可以在此基础上实现网上图书馆的阅读功能,网上实验室的操作功能,以及各种学习软件、教学软件、教学资源、搜索引擎的利用等基础功能。
  3.运营管理层
  运营管理层是整个网络教学平台的管理核心,是“运营管理子门户”展现功能的具体承载层,其主要职能是实现网络教学平台所有功能与资源的统一调度,整个系统的监控、平台性能的管理、系统安全的管理、资源维护与备份管理、用户的计费管理等功能都是在这一层面完成的。这个层面技术含量非常高,如果有专业技术人员那可以自主开发,如果没有专业技术人员那可以由专业的第三方软件提供商提供。
  4.基础架构层
  基础架构层是整个网络教学平台的技术核心,属于当今最前沿的技术领域,只有专业的技术公司才能提供,如国外的Google App Engine(简称:GAE),国内的百会(www.Baihui.com)云计算服务,开源平台Apache Hadoop平台等。基础架构层所涉及到的技术是云计算的关键技术,其中以编程模型、数据存储技术、数据管理技术、虚拟化技术、云计算平台管理技术最为关键。
  该平台的基础架构层主要提供四大基础能力:基础框架能力、开发测试能力、部署运行能力、运营管理能力。这四大基础能力各自分工非常细密,技术含量也非常高,该设计方案只是对其分工进行了大致划分(可参见图一)。
  5.平台资源层
  平台资源层主要包含物理资源层和虚拟化资源层,这一层所涉及到的最为关键的技术就是虚拟化技术。物理资源层主要包括主机、设备、数据、存储、网络等,这个很容易懂。虚拟化资源层主要的作用就是对物理资源层最终实现虚拟化,形成计算资源池、设备资源池、数据资源池、存储资源池、网络资源池,最终实现对资源的池化管理,这样最大的好处就是便于资源的动态分配、再分配和回收。
  虚拟化技术主要分为平台虚拟化(Platform Virtualization)、资源虚拟化(Resource Virtualization)、.应用程序虚拟化(Application Virtualization)。通常说的虚拟化主要是指平台虚拟化,通过使用控制程序(Control Program,也被称为Virtual Machine Monitor或Hypervisor),把计算平台特定的实际物理特性隐藏起来,为用户提供可以直接使用的虚拟机(Virtual machine或VM),可以像真实机器一样运行程序的計算机的软件实现[5]。这时候的用户不需要知道服务器、存储、设备、资源、网络的具体位置,只要通过统一规定的方法去获得它、使用它就可以了。
  虚拟化本质上是资源的一种逻辑表示,它不受物理限制的约束。其实现形式是在系统中加入一个虚拟化层,虚拟化层的作用就是可以将物理资源抽象成另一形式的资源,提供给上层使用。虚拟化可以将一份资源抽象成多份;同时,虚拟化也可以将多份资源抽象成一份。另外,虚拟化技术还有自动恢复功能,当系统出现故障后,能够自动诊断并通过改变资源配置自动恢复。
  五、结 论
  基于云计算的网络教学平台是一种随着云计算出现后的才出现的新型教学系统。该平台的特点就是充分利用了云计算的优势,通过整合整个教学系统的资源、设备、网络与资金等资源,将相关数据存储在云端,将相关应用也存储在云端。因为云计算是一个新兴的、革命性的概念。它使人们从个人终端解脱出来,使人们从传统以个人桌面系统为中心的应用模式走向全新的以网络为中心的应用模式。在这种新模式里,人们可以像使用水电一样使用IT资源,用户按需使用服务,根据使用多少付费,人们也可以像存取钱一样存取自己的数据。这种模式可以使最小化性能的计算机获得最大化的功能,它将改变我们的生活方式,最终改变我们的世界[6]。
  参考文献:
  [1]MELLP,GRANCE.The NIST Definition of Cloud Computing[R].National Institute of Standards and Technology,2011.
  [2]薛慧丽.基于云计算的高校教育资源平台设计研究[J].科技信息,2011,(20):215-216.
  [3]王磊.云计算时代高校新型网络教学平台的构建[J].黑龙江教育(高教研究与评估),2013,(1):23-24.
  [4]张树青,梁鹏.云计算环境下网络教学平台的建设探索[J].计算机教育,2012,(24):134-137.
  [5]百度百科(Wikipedia)虚拟化技术.
  http://baike.baidu.com/link?url=7uzv5Dh_XWq-CEy1QKrHnby_ScWYh7NwsmQAcwo2VnV4JVPa0z5Mf0A8YgkbZvkA.
  [6]谢伟彬.基于云计算的高校网络教学实践探究[J].广东技术师范学院学报,2011,(3):61-63.
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