基于云计算的数字化学习平台的设计

摘　要：从软硬件环境的角度介绍了基于云计算的数字化学习平台的设计，分别从云计算的三种面向服务的商业模式进行了具体分析，并结合实际的学习平台项目进行了研究与实践。

关键词：云计算；数字化学习；学习平台
1．引言
　　随着计算机技术和信息网络的快速发展，人们的生活发生了很大的改变，传统的学习模式受到了前所未有的冲击，各种新的学习模式如潮水般涌现，在所有学习模式中，最具有冲击力的便是数字化学习（e-learning）。目前，数字化学习已成为教育领域一种不可或缺的学习方式，学员足不出户即可通过网络轻松地学习到视音频、图文等各种形态的数字化资源，并可实时与教师和其他学员进行交互。
　　各种提供数字化学习服务的学习平台纷纷建立，然而，随着在线学习人数的快速增长和各种学习资源的不断累积增加，对平台的硬件支撑环境、软件系统和网络带宽等各项技术要求也越来越高。具体来看，体现在几个方面：1、需要支持大用户群体；2、要支持多样化学习内容的提供；3、要支持用户个性化使用。
　　这些要求往往是大于平台设计时的能力的，传统的平台是建立于单一硬件设施的应用网站，通过流媒体服务等技术手段提供学习内容，解决这些问题的传统方法是不断加大平台硬件、网络带宽投入和对软件系统进行持续的更新升级来实现系统的可扩展性，但这种方法的主要缺点是投入大、周期长、维护成本高、可扩展性差等。
　　在这种情况下，“云计算”的概念被提出来。云计算系统往往是由单一组织掌控的一个或多个数据中心的软硬件系统构成，在多个用户或应用程序之间分摊数据中心的资源。从用户看来，云计算提供了一种大规模的资源池，资源池管理的资源包括计算、存储、平台和服务等各种资源，资源池中的资源经过了抽象和虚拟化处理，并且是动态可扩展的。1这为解决上述问题提供了良好的技术基础和合理有效的架构模式。本文主要工作就是基于云计算技术在基础架构、平台架构和应用开发等方面的理念和技术支撑，设计一个高效的数字化学习平台，以期达到平台的高效运行、可扩展、易维护等效果。　　
2． 相关技术
2.1 数字化学习平台
　　数字化学习（E-Learning）是一种全新的教学方式，它主要是指通过计算机网络技术进行的学习、培训与教学活动，它充分利用现代信息技术所提供的、具有全新沟通机制与丰富资源的学习环境，充分运用大量数据信息、档案资料、程序、教学软件、兴趣讨论组、新闻组等学习资源所形成的一个高度综合集成且不断更新变化的资源库实现一种全新的学习方式。2
　　数字化学习平台即为用户提供数字化学习服务的平台。一般由WEB前台（门户网站）、管理模块、学习模块、资源库模块等组成。对于学员来说，主要实现选择课程、学习课程内容、参加课程讨论、答疑、完成作业、网上自测、参加考试、了解学习进度和学习状况等功能。对于管理员来说，主要实现对用户的动态管理，统计掌握相应的信息，并在网上为学员学习提供全过程的服务，确保学习活动正常、有效的进行。　　
2.2 云计算
　　云计算是分布式计算的一种形式，它强调在互联网上建立大规模数据中心等IT基础设施，通过面向服务的商业模式为各类用户提供基础设施能力，是建造和运维互联网分布式系统相关技术的总称。
　　云计算面向服务器商业模式主要有基础设施即服务（Infrastructure as a  Service ，IaaS）、平台即服务（Platform as a Service， PaaS）、软件即服务（Software as a Service ，SaaS）三个。
　　同时云计算还具备其它几个典型特征：（1）规模经济驱动的资源集中共享。云计算系统中的资源在多个租户之间共享，通过对资源的集中管控实现成本和能耗的降低。（2）资源虚拟化。云计算系统使用了虚拟化的方法，从而打破了数据中心、服务器、存储、网络等资源在物理设备中的划分，对物理资源进行抽象，以虚拟资源为单位进行调度和动态优化。（3）系统动态可扩展。云计算系统的一大优点便是可以支持用户对资源使用数量的动态调整，而无需预先安装、部署并运行峰值用户请求所需的资源。1
3． 基于云计算的数字化学习平台
3.1基于虚拟化的基础计算设施层架构（IaaS）
　　考虑到数字化学习平台应用的特性，其硬件支撑环境须解决灵活的硬件配置、支持高并发负载和对资源分布存储管理等三大问题。平台在应用了虚拟化技术后，能很有效的解决这些问题。
　　硬件灵活配置。采用高配置服务器搭建虚拟化应用环境，在该环境上虚拟出多个同时运行的不同操作系统的应用，分别承担数字化学习平台的WEB应用、数据库、资源库等功能。由于每个虚拟机是以文件的形式存在的，所以备份和恢复一台虚拟机变得无比简单，从以前的数十小时恢复一台物理服务器减少到数小时恢复一台虚拟机，充分体现了资源灵活、安全可控、数据可靠、节约成本的优点。
　　解决高并发负载。采用软硬结合方式解决系统的高并发负载问题，软件方面提供分布式部署的计算服务集群，开通不同的计算“窗口”，对系统的负载请求进行分布式处理；硬件方面根据软件需求并结合虚拟化设备，进行动态部署。
　　进行分布式资源存储和管理。资源和课件可以分布存储在不同的磁盘和不同地域的服务器上，提供统一的查询和索引服务，并可以进行镜像服务，客户端根据自身网络自动匹配相关的资源服务，获取浏览的资源。
3.2面向学习平台的应用框架设计（PaaS）
  在面向广大学习者的学习系统中，如何能够为学习者提供丰富多彩的学习内容和永不厌倦的学习模式，不只是提供基础的硬件和网络环境就可以实现的，需要让更多的应用设计者参与进来，共同来搭建形式多样的应用，而如何快速方便的建立面向学习者的应用就需要平台的建设者可以制定出一种参与的规则，这个规则包含商业规则和技术规则。商业规则主要是一套合作分成的模式，就像苹果的App Store，制定了开发者与运营者之间的商业规则，吸引了众多的开发者加入到苹果的应用开发中。而技术规则侧重于设计一个快速有效的开发体系，使得开发者只要有创意和经过简单的学习就可以利用技术规则来实现自己的创意，得到一个应用来提供给使用者，这个通常来说就是所谓的API，而且这个API要达到简便易学的程度才可以广泛的吸引创意者和开发者的加入，要降低API的门槛，那从平台的设计角度来说就必须更加 的完善，需要组合更多底层的API形成高级的API，屏蔽更多的技术细节来使得使用者更容易上手并粘合，不停的为平台的学习者创意更多的学习应用，让平台成为真正的服务提供者。
3.3支持个性化使用的学习服务系统的设计与实现（SaaS）
　　对于学习者来说，在登录学习平台后，面对平台相对复杂的功能和海量的学习资源可能觉得无从下手，不知道该怎么学，甚至不知道自己需要学习什么。这时，支持个性化使用的学习服务系统就将发挥作用。
　　学习者登录后可自定义学习平台功能，只需从云功能平台上“抓取”各种需要的功能放到学习“桌面”上，组成个性化学习平台，形成了“某某人的学习中心”，从而大大简化了使用过程。在学习资源的选取上，系统增加了智能推荐和云资源库的功能。平台会根据学习者的个人信息（如性别、年龄等）优先推荐一些可能适合他的课程清单，同时学习者也可以在云资源库中搜索、自定义的课程清单，他并不知道这些课程可能来自不同地方的不同服务器。
　　对于平台的行业使用者或合作者来说，他们可以在这个学习平台新建学习项目，几乎不需要任何投入，即可在该平台上虚拟出一个子学习平台，同样具有独立的门户网站和用户管理体系，可迅速开展面向学习者的在线学习服务。这也是平台即服务的另一种表现。
4．实例
　　以正在开发建设的无锡市数字化学习社区为例，该平台由门户网站、课程资源库、学习平台和管理平台四个部分组成，面向全市社区居民提供数字化学习服务。该平台具有市、区县、街道、社区四级管理权限，具有统一的市级门户，同时还与各区县教育局合作开设区级门户网站，各区县的居民通过登录区级门网站进行学习。
　　得益于前述的云计算学习平台架构形式，各区县教育局不需要投入任何软件与硬件，即可在该学习平台上快速建立一个区级门户网站，立即拥有一套看拟独立的用户管理体系和一个区级资源库。具体而言：
　　（1）在硬件支撑方面，如图1所示，采用两台浪潮高性能服务器NF560D2结合存储系统构建IaaS虚拟化平台，利用Vmware进行虚拟化，虚拟出WEB、数据库、资源等服务器。
　　　　
　　　　  图1　　　　　　　　　　　　 图2
　　（2）在应用框架方面，面向学习平台研发了平台的基础框架，提供学习资源管理、用户管理、学习模型定制等基本平台功能，并基于此支持多样化学习平台的定制和快速开发，可以直接调用平台的相应接口快速生成学习型网站。如图2所示，在数字化学习社区的建设中，可快速地建成区县社区学习网站。
　　（3）在用户使用方面，学习者可在统一的云资源库里进行检索查询所要学习的课程，可自定义并组合学习内容，同时系统会根据用户情况推荐学习内容，并对其学习状况进行记录，并给予一定的反馈，从而实现了学员的个性化学习。
5．总结展望
　　在以互联、开放、共享和协作为主旋律的互联网计算环境下，各种软件呈现出网络化、服务化、虚拟化和集成化的发展趋势，应用系统的形态也在发生质的变化，不再以固化、独有的形式出现。
　　基于云计算技术的数字化学习平台，利用虚拟化技术实时调配和监控硬件资源，利用云的概念对软件平台进行整合提升，形成了一种新型的学习平台，是未来各种在线学习平台的发展方向。它避免了很多传统技术手段无法解决的弊端，推动了网络与远程教育相结合的技术革新，降低了平台开发与使用的成本，其灵活性和迅速的响应能力，使平台更易操作，功能更加强大，学习内容更丰富，可满足人们日益增加的学习需求。
参考文献：
[1]韩燕波等．互联网计算的原理与实践[M]．北京：科学出版社，2010．
[2]何克抗.E-learning与高校教学的深化改革[J].中国电化教育，2002，2：8-11.