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1、基于云计算的辅助教学系统的设计1、需求分析近年来，云计算 (Cloud Computing) 作为一种新兴的先进计算技术促进了计算机行业的革新，云计算1的作用简单说就是确保用户按需使用计算资源，并按使用程度进行付费，类似于计量水电费的模式。因此，云计算对网络教学改革也有很大的启发价值，积极推动云计算的 IT部署和交付模式在网络教学改革中的作用是十分必要的。面对多媒体网络技术对学生自主学习的诉求，应该提供一种网络学习策略。网络学习策略基于后现代主义教育观、 建构主义和人本主义学习理论，以多媒体和网络技术为依托提供在线的学习方式，其核心思想是发挥学习者的主观能动性，突出学习者个性。因此，网络教学不
2、仅要实现优秀教育资源共享，提供灵活、开放、不受时间地域限制的学习形式，还要让学习者根据自己的知识结构来安排学习计划和学习进度，实现 “个性化教育”。 国内外很多高校都在积极探索网络教学具体形式和方法，在国外远程教学已经应用在许多高校。针对本校的具体情况，笔者也研究并旨在开发符合自身的网络教学系统。该系统旨在并解决如下问题：一是随着高校扩招学生人数剧增，而校园软硬件设施无法跟进，教学资源无法满足需求，另外师生交流、课堂辅导、资料共享、作业批改等问题也较为不便。在高校经常出现这样的情况：学生想选修某门课程，但由于教学资源的限制和学校教学的规划这门课程开设的时间、人数有一定的限制，可能这门课程开设的
3、时间刚好与其他课程冲突，或者人数超过了限制而无法选上，而下学期又有其它的教学计划或者没有开设这门课，所以学生只好放弃选修。二是有些课程无需占用课室等教学资源，学生可以根据一些PPT、视频等多媒体资料自主学习并完成测试。三是一节课的时间是有限的，难免有时无法完成教学任务，尤其是实验课，学生希望课外也可以使用资源来完成课堂上尚未完成的学习。四是学校的在线学习平台存在资源重复建设、资金浪费和教学个性化不强等问题。为了给学员提供更便宜、 便利、优质、全方位的服务，发挥系统优势，整合资源和资金，建设更高效、实用、个性化的网络教学系统，提出了基于云计算的网络教学系统的设计方法。下图1为高校辅助教学系统TO
4、P数据流图。图1高校辅助教学系统TOP数据流图2、国内外研究现状随着信息化的不断发展，校园网的应用及网络规模在不断的扩大，各大院校都引入了相应的信息化管理系统和网络资源平台来为教学、办公提供更好的服务，如机房管理系统、教务管理系统、网络资源教学平台、数字图书馆等，这些系统和平台都要求校园网络提供较大的数据吞吐量和承载更多的多媒体数据流， 而目前传统的网络管理模式存在较大的传输承载瓶颈。采用云计算，将网络中分散的、零散的资源聚集起来，进行统一调度和管理，形成一个计算资源池向用户提供按需服务，可以解决高校当前信息化管理的问题，提高信息化管理的效率。计算机技术的发展使多媒体在教育领域中的应用更加广泛
5、 计算机多媒体技术能使以往靠多种设备、技术才能实现的课堂多媒体教学与现代通讯设施形成网络，构成全方位、多渠道、交互式的教育系统。使人们在传递和交换信息时不再是利用单一信息媒体， 用户可以随心所欲地不受时空限制索取、传播和交换信息。多媒体教学网络由于其优越的功能为学校提供了理想的教学环境，给学习方式带来了深刻的变革。多媒体与网络技术作为现代教育技术的主要实现手段，已在20世纪90年代被广泛应用于高校教学中，在许多大学学科教学中发挥着传统教学不可取代的优越性，同时也是我国高校教育改革个质量工程建设的重要组成部分。近年来通过网络来构建虚拟教学系统成为国内外教育界研究的重要方面。我国也将虚拟实验教学环
6、境关键技术研究与应用示范作为“十一五”国家科技支撑计划重点项目展开研究，该项目旨在开发一个服务化、可拓展的开放式教学平台，全面整合虚拟教学资源。目前的网络教学系统满足了学生和教工的基本教学要求。切很难达到个性化教育的层次。例如，我校的BB平台就存在资源重复建设和教学个性化不强等问题。为了给学生和教工提供更便宜、便利、优质、全方位的服务，发挥系统优势，整合资源和资金，建设更有效、实用、个性化的网络教学系统，基于云计算的网络教学系统应运而生。3、技术支持 云计算的核心技术是海量数据分布存储技术。云计算的构建目的在于同时为大量用户服务， 因此云计算系统采用分布式存储的方式存储数据， 用冗余存储的方式
7、保证数据的可靠性【2】 Google 的 GFS 和 Hadoop 团队开发的 GFS 的开源实现 HDFS 是目前广泛使用的数据存储系统 图1为云计算架构图2 云计算架构 从本质上来讲，云计算实际上是服务器虚拟化技术和基础架构即服务两者的结合。其核心是将某一或某几个数据中心的计算资源虚拟化之后，向用户提供计算资源租用形式的服务。云计算的基本特征在于：(1)云计算是基于互联网的，也就是以浏览器为基础；(2) 数据存储在云端，应用也存储在云端，这些对用户透明，通常由第三方提供；(3)云计算强调服务，用户按需使用服务，根据使用多少付费。4、基于云计算的网络教学系统设计4.1、基本系统结构根据当前网
8、络教学改革的内在需要，对基于云计算的网络教学系统进行需求分析。网络教学系统的设计遵循经济性原则 实用性原则和高效性原则。图2为基于云计算的高校远程教学系统的整体架构图。它主要由云计算服务器、负载均衡设备、WEB服务器和数据库存储服务器等四部分组成。4.1.1 . 云计算服务器是整个系统扩展性的核心部分。本系统将学员的在线学习教学资源全部存放到云服务器上, 通过云计算服务器的高性能、 高可靠和可扩展等特性, 保证系统高效与稳定地运行。4.1.2 . 负载均衡设备主要根据学习者访问需求, 动态地完成网络带宽和硬件资源的调度与分配。4.1.3 . WEB服务器是用户访问学习的入口, 分为主 W EB
9、服务器和专业 WEB服务器, 其中主 WEB服务器是完成学员查看信息,登录系统, 验证等功能,专业 WEB服务器主要由负载均衡设备进行分流,学员根据网络流量被平均分配到不同专业 WEB服务器上进行学习。4.1.4 数据库存储服务器分为公共服务器和专业服务器。公共服务器主要记录用户信息, 访问记录等公共信息;而专业服务器则记载不同专业的专业信息、 学习记载、 作业考试信息等。图3高校远程教学系统框架结构图考虑到信息安全隐私问题本文在架构设计的过程中, 采用本地数据库服务器存放私有数据, 如学员信息、课程信息、专业信息等重要数据。而把在线学习、下载、即时通信、师生交互等扩展功能全部存放到云服务器上
10、。由于这些属于服务数据。因此不存在安全性问题。4.2 、系统的实现4.2.1基于云计算的高校辅助教学系统的功能模块 根据云计算能提供高性能计算资源、海量存储空间以及优质技术服务等特点。我们设计的高校远程教学系统主要由学员报名、虚拟班级、虚拟教研室、学习资源云计算服务、 师生交互云服务和系统管理等六个功能模块构成。其功能结构如下图3所示,图3中的黑体字部分为使用云服务器实现的功能。图4高校辅助教学系统功能模块图( 1)学员报名。参加培训的学员需要填写报名信息，然后系统进行逐一审核。由于学员较多，需要将已通过审核的人员名单利用 EXCEL导入，进行批量审核以提高工作效率。通过审核的学员利用学号和密
11、码登录到网络学习系统，并可以查看、打印其报名信息。( 2)虚拟班级。虚拟班级概念的提出主要解决大量学员的网络教学管理问题，其主要思想是将学员按照地区或其他规则划分成较小的班级，并通过每个班级设置一个班主任的方式对班级进行管理。学员需要根据班主任发布的学习进度来完成网络学习任务，同时系统也会记录学员学习的整个过程，并以此为依据给定学员成绩。由于在学员学习的过程中需要大量的存储空间和计算资源，因此本系统将在线学习、资料下载、即时通信等功能利用云服务实现，有效地提高了远程教学的质量。虚拟班级概念的引入有效地解决了学员过多无法管理的困难，为今后的远程教学提出了一个新的教学管理模式。( 3)虚拟教研室。
12、虚拟教研室是仿照虚拟班级的概念提出的，它主要是记录班主任的教学过程，在虚拟教研室里班主任需要完成对学员存在的问题及时解答、批改学生作业、给学员作业评语、给定成绩等工作，班主任间可以通过云服务提供的即时通讯答疑模块对有争议的问题进行例题讨论，最终将讨论结果反馈给学员。虚拟教研室建立了一个师师间和师生间交流的通道，它对远程教学的规范化、教学的严谨性的提升起到了推动作用。( 4)学习资源云计算服务。云计算可以提供高校远程教学系统新的硬件构建模式，针对这一特点，我们把所有的在线视频,在线下载全部放到云服务器上，这部分功能有着学员访问量大、访问频繁的特点，如果自建需要高性能的服务器、高速网络带宽、防火墙
13、以及负载均衡设备，很少有单位的网络部门能购买这样高性能的设备。云服务模式可以大大地节约以上开销，并且能够保证硬件设备、网络带宽、安全存储、复杂计算等核心问题的真正解决。目前，世纪互联、引领盛世、联想集团等都提供此项服务。( 5)师生交互云服务。云计算可以提供新的软件资源开发模式，我们利用计算的这一特点,把师生、师师间的通信交流全部通过云服务实现,利用 XML技术在数据层的基础数据交换,并实现以下功能: 网络即时通信服务、电子邮件服务、在线答疑服务等。通过软件即服务 ( SAAS)这种云计算的模式可以节省购买或开发系列功能模块的费用，有效地降低了成本。目前可以支持此项服务的主要 Google、百
14、度、IBM、联想等。( 6)系统管理。系统管理是整个远程教学系统的控制管理端,可以监控系统每个模块功能运行的情况，对系统前台的学员信息、试题信息、课程信息、专业信息、服务器地址可以实现整体设置，系统管理中可以动态调配整个系统中的众多资源，利用负载均衡器达到有效地分配均衡资源。4.2.2 系统运作流程 系统中教师、学生和系统管理员向系统提交对应信息进入系统，根据不同用户身份拥有的不同权限进行对应操作。学生完成在线学习、考试及资料的下载，教师批改作业、评阅试卷，并可以通过电子邮件和在线答疑完成师生交互，管理员进行系统管理。在基于云计算的辅助教学系统中，基于云存储有虚拟班级管理、虚拟实验室的建设，另
15、外系统的的学习资源，包括课件、授课视频、学习资料等都是存储在“云端”的。图5高校辅助教学系统业务流程图4.3.3 系统的设计 后续的系统设计工作关于数据库的概念结构设计、逻辑结构设计、物理设计以及数据库的实现与维护，由于实际中很多成熟的计算机辅助教学系统可以参考，因此对于按照规范设计方法基于云存储的高校辅助教学系统的设计与实现，此处没有研究下去。可以参考“数据库应用系统设计与实现”课程的课程论文“在线自测系统设计与实现”，不同之处是系统中的资源是存储在云中的，用户可以按需使用，实现了个性化需求，此处不作深入详述。5、总结随着网络的普及，越来越多的人选择通过网络进行学习，这也在不断地推动网络教学的发展。同时由于远程辅助教学的功能的不断完善，性能不断的提高，越来越多的人选择辅助教学。本文充分考虑云计算的优势，构建了一个基于云计算的高校远程教学系统，系统具有较高的稳定性和可扩展性。有理由相信，云计算将会给高校远程教学工作带来新的发展机遇。但是云计算复制教学系统不能课堂上替代师生面对面教学、师生间情感交流和替代学生的思维和创意。
