【基于云计算的高校远程教学系统的设计与实现】 云计算运维工程师
时间：2019-01-16 03:32:24 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘要：高校远程教学系统是实施远程教学的基础，随着远程教学的普及，现有的远程教学系统无法满足高性能、低成本、快速扩展等教学需求。云计算的出现，为高校远程教学带来了新的解决方案。结合黑龙江大学实际工作，通过研究分析云计算的应用现状和特点，提出一套基于云计算的高校远程教学系统的设计和实现方法。
关键词：云计算；高校远程教学；虚拟化；远程教学系统
中图分类号：G727 文献标志码：A 文章编号：1009-4156(2011)07-059-03
一、引言
进入21世纪，教育作为社会发展进步的动力越来越受关注。各国政府每年都投入了相当大的人力、物力和财力，并通过各种方式发展教育。随着网络技术的兴起，远程教育作为一种新兴的教育方式，受到更多人的关注和认可，并且在教育的发展过程中起着越来越重要的作用。
经过近年来的发展，远程教育的规模不断扩大，教育对象已经慢慢地转向社会人员。目前在职专业技术人员的“继续教育、终身学习”的思想已经成为国家未来教育发展的重要方向。随着接受教育的人数不断增多，一系列新的问题也涌现出来。例如：由于规模的扩大，现有教学方式已经无法适应新的需求，同时教学设备不断更新，也约束着高校远程教学的发展。云计算(Cloud Computing)的出现，对于建立统一、开放、灵活的远程教学系统，减少硬件投入提供了一个新的解决方案。目前国外的Goodle、IBM、Amazon和Microsoft等大型的IT公司纷纷建立自己云计算平台，国内的如联想、百度等企业同时也纷纷推出了“云服务”、“云存储”等新的业务。通过这种方式用户无须购买服务器，只要购买相关“服务”就可以建立一个高效的远程教学系统。
二、云计算
虽然云计算已经广为人知，但是国际上对于云计算还没有统一的定义。根据MeKinsey公司的研究可知，现在至少有22个云计算的定义。但是大体上我们可以分为两大类概念：狭义云计算和广义云计算。狭义云计算是指IT基础设施的交付和使用模式，指通过网络以按需、易扩展的方式获得所需的资源；广义云计算是指服务的交付和使用模式，指通过网络以按需、易扩展的方式获得所需的服务，这种服务可以是IT和软件、互联网相关的，也可以是任意其他的服务。也就是说，云计算将IT相关的能力以服务的方式提供给用户，允许用户在不了解提供服务的具体技术、没有相关知识及设备操作能力的情况下，通过Internet获取需要的服务。
从应用现状来看，云计算提供三个层次的服务：一是基础设施即服务(Infrastructure as a Service，IaaS)，将基础设备(如IT系统、数据库等)集成起来，像旅馆一样，分隔成不同的房间供企业租用；二是平台即服务(Platform as a Service，PaaS)，打造程序开发平台与操作系统平台，让开发人员可以通过网络撰写程序与服务，一般消费者也可以在上面运行程序；三是软件即服务(Software as Service，SaaS)，基于云开发的各类应用服务。
云计算因其重要特点，目前在网上得到了快速的发展。一是超大规模，即云具有相当大的规模，例如Goole云计算拥有100多万台服务器，Amazon、IBM、微软、Yahoo等的“云”均拥有几十万台服务器。从而“云”赋予用户前所未有的计算能力。二是虚拟化。云计算支持用户在任意位置使用各种终端获取应用服务。所请求的资源来自“云”，而不是固定的有形的实体。应用在“云”中某处运行，但实际上用户无须了解、也不用担心应用运行的具体位置。只要有一台笔记本或者一个手机，就可以通过网络服务来实现我们需要的一切，甚至包括，超级计算这样的任务。三是极其廉价。由于“云”的特殊容错措施可以采用极其廉价的节点来构成云，“云”的自动化集中式管理使大量企业无须负担日益高昂的数据中心管理成本，“云”的通用性使资源的利用率较之传统系统大幅提升，因此用户可以充分享受“云”的低成本优势，经常只要花费几百美元、几天时间就能完成以前需要数万美元、数月时间才能完成的任务。
三、基于云计算的高校远程教学系统框架结构的设计
本文充分考虑云计算的特性，根据实际需求设计了高校远程教学系统框架结构，使其具有良好的可扩展性。图1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。
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。
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。
3.WEB服务器是用户访问学习的入口，分为主WEB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.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。
云服务除了提供计算服务，还必然提供了存储服务，云服务当前垄断在私人机构(企业)手中，而他们仅仅能够提供商业信用，对于一些特殊用户选择云服务应保持足够的警惕，一旦这些用户大规模使用私人机构提供的云服务，无论其技术优势有多强，都不可避免地让这些企业以“数据(信息)”的重要性来威胁用户。对于信息社会而言，“信息”是尤为重要的。另一方面，云计算中的数据对于数据所有者以外的其他云计算用户是保密的，但是对于提供云计算的企业而言确实毫无秘密可言。基于以上原因，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，由于这些属于服务数据，因此不存在安全性问题。
四、基于云计算的高校远程教学系统的实现
为验证基于云计算的高校远程教学系统架构的合理性，黑龙江大学基于，NET、XML技术和SQL Server2005数据库开发完成了黑龙江省继续教育培训系统，全省学员只需要通过WEB浏览器就可以完成远程教学的所有环节，下面针对系统的功能模块和技术实现方法进行简单介绍。
1.基于云计算的高校远程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、学习资源一云计算服务、师生交互一云 服务和系统管理等六个功能模块构成，其功能结构如下图2所示，图2中的黑体字部分为使用云服务器实现的功能。
(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。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，班主任问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。
2.基于云计算的高校远程教学系统的技术实现。从技术层面上看，云计算并不是什么新技术，它是分布式处理、并行处理和网格计算的发展，在某种意义上来讲，它可以理解为新的技术实现方案。目前，云计算在高校远程教学系统的应用处于初级阶段，黑龙江大学率先采用其理念应用到实际当中，投入较少资源，解决了关键问题。在系统的设计中我们主要基于，NET、JQuery等技术，与云服务器进行的数据交换我们主要采用了XML技术，基础数据库采用SQL Server2005。操作系统使用微软最新的Windows 2008 R2版。
在设计初期我们利用VMware软件对现有服务器做了大量的在线视频、下载的测试，由于学员多，按照10％的在线比例计算，预期学习的人数至少要满足8000人在线，如果视频压缩比例是128K／S，在线8000人就需要1000M以上的网络带宽，而且1000M的带宽必须是专线，同时学校还有提供高性能的服务器和存储设备，这个费用是昂贵的。最终得出结论以学校现有的设备和网络带宽根本无法满足大规模学员同时在线学习或下载资料的要求，所以引入了“云”这个概念，我们把资源下载、在线学习资源放到了云服务器上，利用SAAS这种云服务方式实现即时通信、电子邮件、答疑等功能。学校租用了500M带宽满足4000人同时在线，剩下的4000人利用云存储来完成既定的任务。目前，提供此类云服务的企业有很多，价位也要远远低于自己投资，安全性能也会得到最有力的保证。
“云”的应用使硬件资源得到有效的节约，为交互软件服务提供有力保障，使教学系统的安全性能得到全面提升。“云计算”的确给高校远程教学系统的发展提出了一种新思路，这种理念的应用会使高校远程教学系统实现有效的扩展，接纳更多的学员进行网上学习。
五、结语
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，越来越多的人选择远程教学。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，通过实际的应用论证可得出结论，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。
