基于云计算的教育信息化平台的研究

基于云计算的教育信息化平台的研究20世纪90年代，随着信息高速公路的出现，教育信息化的概念也应运而生。进入21世纪以后，教育信息化程度更是成为衡量一个国家教育现代化程度的重要标志。经过多年的建设，我国在教育信息化方面取得了巨大的成就。到目前为止，我国的信息技术标准化技术委员会教育技术分委员会已经颁布了CELTS系列标准，其中的3个标准已经发布为国家标准。但是，由于我国幅员辽阔，人口众多，区域之间、城乡之间、学校之间教育信息化的差距仍然很大，部分公共教育资源的配置和使用也缺乏有效的监管，各教育信息系统间“信息孤岛”现象严重。建立一个统一、开放、灵活的教育信息化平台将有助于解决这些问题，进而提升我国教育信息化的水平。云计算的概念一提出就受到了各个领域的关注，Google、IBM、Amazon和Microsoft等大型的IT公司纷纷建立自己云计算平台，提供相关的云计算服务。云计算在价格、效率和灵活性等方面的优势同样吸引了许多中小型企业的关注，根据Gooroo公司的调查，在英国，有54%的中小型企业计划在2011之前使用云计算，其中12%的企业已经在使用云计算服务。在教育领域，云计算的潜在价值也得到了很多教育机构的认可。2007年10月，Google和IBM联合宣布推广“云计算”的计划，包括卡内基梅隆大学、斯坦福大学、麻省理工学院、加州大学伯克利分校在内的多所高校都参加了该项计划，我国的清华大学也于2008年3月加入了此项计划。美国的北卡罗来纳州大学已经为他们的学生提供基于云的虚拟计算实验室（VirtualComputingLab）。云计算的出现，对于我们建立一个统一、开放、灵活的教育信息化平台有着重要的意义。本文将通过研究分析云计算的相关概念、特点和我国教育信息化的状况，提出一个基于云计算的教育信息化平台的架构及其运作模式。一、云计算目前，云计算没有统一的定义，根据McKinsey公司的研究，至少有22个云计算的定义。云计算是面向服务的架构（SOA）、分布式计算、网格计算和虚拟化等多种技术混合演进的结果。云是一个巨大的虚拟化资源池（由硬件、开发平台和服务等组成），这些资源能动态地根据各种规模的负载进行自动配置，使资源的利用率达到最优化。用户按照“即用即付费”（pay-per-use）的方式使用资源，基础架构提供商（InfrastructureProvider）根据服务级别协议（SLA）提供服务。云计算提供三个层次的服务：（1）基础设施即服务（IaaS），由底层的硬件或虚拟机资源构成，提供计算、数据存储和网络通讯等资源；（2）平台即服务（PaaS），构建在云基础设施之上，为云应用程序开发者提供一个平台开发各种的云应用软件；（3）软件即服务（SaaS），基于云平台开发的各类应用服务。云计算有3个最基本的特征：第1个是基础设施架构在大规模的廉价服务器集群之上；第2个是应用程序与底层服务协作开发，最大限度地利用资源；第3个是通过多个廉价服务器之间的冗余，利用软件获得高可用性。二、现阶段我国教育信息化状况分析经过多年的建设，我国在教育信息化方面已经取得了巨大的成就。各个高校均建立了自己的校园网、数字图书馆等现代教育信息化基础设施，面向基础教育的“校校通”工程也将我国中小学教育信息化的水平提升到一个新的高度。然而，教育投资的二元体制和试点学校发展策略造成我国教育信息化事业发展失衡。现在国内的教育信息化总的来说存在以下几方面的问题。教学资源分布不均：对于高校，著名大学有更好的资源（包括师资、实验室和计算机设备等），而大部分地方院校，由于资金来源有限，往往面临着设备老化，实验室资源不足等状况。对于中小学，城乡基础教育校园网络建设、教育信息化资源配置以及信息技术课程开设等方面也有着巨大的差距。教学资源更新速度慢：各种技术飞速发展、就业竞争趋于白热化，要求学校能够为学生提供最新的实验室、计算机设备以及开设相关的新课程，提高学生的各种技能，以适应新形势的发展，这给中小学和高等院校的教育信息化建设都带来了很大的压力。教学资源共享程度低：现代远程教育的发展，以及高校课程联合范围的扩大，使得课程等软件资源在一定程度和一定范围内实现了整合。然而在高校之间、中小学之间，高校与中小学之间，各种资源的共享程度仍然有限，硬件资源仍然无法实现整合。这些问题造成了我国在教育信息化过程中，重复投入，资源利用率不高，扩大了教学质量的差异。因此，建立一个统一、开放、灵活的教育信息化平台，对教学资源进行最大程度、最大范围的整合，将有利于减少教学成本，提高教学质量。云计算的出现将是我国教育信息化平台的建设的强有力推手。三、教育云教育云是云计算技术在教育领域的迁移，是未来教育信息化的基础架构，包含了教育信息化所必须的一切软硬件计算资源，这些计算资源虚拟化之后，向教育机构、教育从业人员和学生提供以计算资源为形式的服务。在此首先介绍基于云计算的教育信息化平台的架构，然后讨论基于该架构的运作模式，最后介绍在云平台之上的应用案例。1.平台架构如图1所示，基于云计算的教育信息化平台架构分为4层：图1教育云架构基础设施层，为高层提供计算、数据存储和网络通讯等资源，即提供IaaS，分为物理硬件子层和虚拟化子层。其中，物理硬件子层由各种真实的物理硬件组成，包括服务器、存储器和网络设备。虚拟化子层构建在物理硬件子层之上，利用虚拟化技术对底层硬件设备进行管理，向上提供计算、数据存储和网络通讯等虚拟资源，由各类虚拟机组成，当前主流的虚拟机软件有VMware、XEN、VirtualPC和VirtualBox等。应用接口层，构建在基础设施层之上，面向开发人员，为开发各类基于云计算的教育应用软件提供开发环境和公用API等，即提供PaaS。公用API可以以WebService的形式提供给开发人员，例如AmazonWebServices，从而免除了开发人员许多系统管理的操作。开发人员也可以使用公用API开发自己的WebService。教育应用层，提供各类的教育教学相关的应用软件，即提供面向教育的SaaS。本层主要包含：（1）用于教学与教学管理的教学平台、教务管理系统、办公系统和作业系统等；（2）用于教学资源开发的文档处理软件、课件制作和演示软件等；（3）虚拟计算环境，为教育从业人员和学生提供较底层的虚拟计算资源；（4）基于云的虚拟计算实验室。用户接口层，在客户端为用户访问教育云提供两种接口：传统的图形用户接口（GUI）和基于Web的接口。借助于Web2.0技术，教育云提供的服务主要为B/S结构，因此用户只需要使用浏览器便可以访问服务。传统GUI将作为Web接口的一个辅助手段，用于远程登录教育云上的虚拟机，访问底层的资源。基础设施层是整个架构的基础，利用虚拟机技术在软、硬件之间引入虚拟化层。虚拟化层的引入可为应用提供独立的运行环境，屏蔽硬件平台的动态性、分布性和异构性，支持硬件资源的共享和复用，并为每个用户提供属于个人的独立、隔离的计算环境，同时，为管理员提供硬件资源和软件资源的集中管理。应用接口层对各种虚拟资源进行进一步封装，免除开发人员许多系统管理的细节，为方便、快速开发基于云计算的应用软件提供了基础。教育应用层使用应用接口层提供的API开发各类软件，依托底层提供的计算、存储和网络资源运行。在用户接口层，由于所有软件运行在云上，用户只需使用普通的PC机（甚至是PDA和手机等移动设备）和一个浏览器便可使用各类软件，享受云计算提供的海量存储和无限的计算能力。同时，由于用户所有数据都存储在云端，因此不需要担心数据丢失。2.运作模式如上所述，经过了多年的信息化建设，我国高校已经建立起各自的校园网和相配套的网络中心或是信息中心，积累了丰富的教育信息化建设和管理的经验。在一些大型高校，一方面由于应用需求大，另一方面拥有充足的物质资源和人力资源，其网络中心或是信息中心的规模更是达到数据中心级别。因此，如图2所示，教育云由分布在我国几大区域的区域云组成，每个区域云由若干家高校私有云组成，为各类教育机构提供计算服务。高校私有云是对高校的网络中心或是信息中心进行扩充形成的，由各个高校自行管理。区域云则是依托现有的教育网，由各个高校私有云互联而成，每个区域云设立一个管理机构，实现对区域云资源的管理。最后，各个区域云的互联形成我国的教育云，整个教育云设立一个管理委员会进行综合管理。图2教育云在教育云中，基础设施层由各个高校私有云和区域云共同建设和管理；应用接口层由教育云的各个管理机构共同协商制定，并最终实现标准化；教育应用层则可由各个高校、中小学、科研机构和教育管理机构根据其具体的需要，由高校或是教育软件开发企业进行开发。为实现资源的有效共享和充分利用，教育云应对各层所提供的各种资源进行描述，建立教育云资源索引库，用户可根据应用的需求在教育云资源索引库中进行检索。由于云上的资源众多，资源之间存在联系，因此教育云资源索引库除人可以理解外，还应该是机器可以理解，从而提高用户检索的准确性和资源使用的效率，语义网对资源的描述能力以及机器可理解的特性将是当前的可选技术之一。3.应用案例为了提高我国中小学教师的基本素质与教育教学技能，各省纷纷依托高校搭建培训平台，开发课程资源，运用网络教学的方式对教师进行短期远程培训，实现高校优质资源向中小学的共享，取得了良好的效果，例如广东省中小学代课教师教育教学能力提高培训。此类培训活动的特点：①需要多种教育信息化元素支持，这些元素包括了各类教育管理程序、多媒体课件和实验室等；②周期性和短暂性，此类培训一般是利用寒暑假的时间进行，因此培训频率呈周期性，且每次培训的时间相对较短；③在培训期间，培训平台对计算机软、硬件和网络的性能要求较高。在传统模式下，开展此类培训实践，首先需要购买服务器和服务器软件，租用网络，开发培训平台，形成培训活动的基础设施。在培训期间，需安排专门人员对硬件、软件和网络进行维护。在这种模式下，培训平台的开发周期长，维护成本高，不便于资源的共享，缺乏弹性和灵活性，资源利用率低。在云计算模式下，教育云用户首先向教育云管理机构申请培训活动所需的计算、存储和网络等资源，然后由软件开发人员使用教育云应用接口层提供的开放平台和API开发培训平台，与此同时，教学资源开发人员使用教育应用层的教学资源开发程序开发多媒体课件。在培训活动进行期间，培训平台所需的全部软、硬件都在云端，由各教育云管理机构实行统一管理，教育云用户只需要专注于具体的教学活动。培训结束后，所有的资源仍保留在云端，供有需要的教育云用户使用。在这种模式下，由于减少了设备采购环节，而且培训平台的开发和教学资源的开发可以在云端同时进行，从而大大地缩短了开发周期；其次，教育云强大计算能力、海量的存储和巨大的网络吞吐量，在满足培训期间对计算机软、