基于云計算的城鄉(xiāng)教育資源共享系統(tǒng)研究

【摘要】文章在分析了云計算及其技術(shù)優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，研究設(shè)計了基于云計算的城鄉(xiāng)教育資源共享系統(tǒng)，并詳細討論了云計算服務層的主要實現(xiàn)方法和系統(tǒng)中移動Agent的設(shè)計。該系統(tǒng)能充分地將城鄉(xiāng)各地的優(yōu)質(zhì)教育資源集中起來，并由云服務端自動管理，最大限度地實現(xiàn)資源共享，將有助于解決我國城鄉(xiāng)教育資源分布不均和資源共享程度低等問題，從而提高我國教育信息化的水平。另外，系統(tǒng)引入了智能分詞技術(shù)和移動Agent技術(shù)，使系統(tǒng)更具有智能性，為用戶提供個性化服務，動態(tài)調(diào)整并呈現(xiàn)教育資源檢索內(nèi)容，提高了系統(tǒng)的易用性和交互性。

【關(guān)鍵詞】云計算；城鄉(xiāng)；教育資源；共享系統(tǒng)

【中圖分類號】G40-057 【文獻標識碼】A 【論文編號】1009—8097（2011）04—0151—04

引言

近年來，由于我國幅員遼闊，地區(qū)之間、城鄉(xiāng)之間的經(jīng)濟發(fā)展不均衡，導致城鄉(xiāng)學校之間教育信息化的差距越來越大。農(nóng)村學校的教育資源嚴重缺乏、教師信息化應用水平弱，而城市學校的教育資源相對豐富、教師信息化技術(shù)能力強。所以，建立一個統(tǒng)一、開放、靈活的教育資源共享平臺將有助于實現(xiàn)農(nóng)村學校提升教育信息化水平的跨越式發(fā)展。

近年云計算技術(shù)的出現(xiàn)為解決這一問題提供了良好的契機。云計算具有超大規(guī)模、虛擬化、高可靠性、易用性、高可擴展性、按需服務、廉價等特點。微軟、亞馬遜、IBM和Google等國外大型IT公司紛紛建立自己的云計算平臺，提供相關(guān)云計算服務[1] [2] [3]。根據(jù)相關(guān)機構(gòu)調(diào)查，在英國，有一半左右的中小企業(yè)計劃在2011年之前使用云計算，其中十分之一的企業(yè)已經(jīng)在使用云計算服務[4]。在國內(nèi)，云計算技術(shù)的發(fā)展也非常迅猛，無錫、東莞、南京等地的“云計算平臺”都相繼啟用。

在教育領(lǐng)域，云計算極大的潛在應用價值也得到了眾多教育機構(gòu)的認可。在美國，Google和IBM公司于2007年10月就開始和一些大學聯(lián)合推廣云計算計劃，包括麻省理工學院、斯坦福大學等著名高校。在中國，Google公司于2008年3月和清華大學等一些高校院所也建立了云計算學術(shù)合作項目。上海師范大學的黎加厚教授也提出了云計算服務要應用于教育信息化，引領(lǐng)了云計算輔助教學課題的研究[5]。

云計算是繼互聯(lián)網(wǎng)之后信息技術(shù)的重大革新，是基于互聯(lián)網(wǎng)通過虛擬化方式共享資源的計算模式，使相關(guān)資源按照用戶的動態(tài)需要以服務的方式提供。因此，如果能夠及時利用云計算技術(shù)來研發(fā)教育資源共享系統(tǒng)，必將在快速推動我國農(nóng)村教育信息化發(fā)展方面起到重要作用。

一 云計算及其在城鄉(xiāng)教育資源共享系統(tǒng)建設(shè)中的優(yōu)勢

云計算（Cloud Computing）是網(wǎng)格計算（Grid Computing）、分布式計算（Distributed Computing）、并行計算（Parallel Computing）、效用計算（Utility Computing）、網(wǎng)絡(luò)存儲（Network Storage Technologies）、虛擬化（Virtualization）、負載均衡（Load Balance）等傳統(tǒng)計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展融合的產(chǎn)物，并借助IaaS(基礎(chǔ)設(shè)施即服務)、PaaS（平臺即服務）、SaaS（軟件即服務） 等先進的商業(yè)模式把這強大的計算能力分布到終端用戶手中[6]。它旨在通過網(wǎng)絡(luò)把多個成本相對較低的計算實體整合成一個具有強大計算能力的完美系統(tǒng)，進而減少用戶終端的處理負擔，最終使用戶終端簡化成一個單純的輸入輸出設(shè)備，并能按需享受云計算的強大處理能力。

云計算具有很多突出的優(yōu)點，在許多領(lǐng)域，如遠程教育、電子商務、網(wǎng)絡(luò)存儲、在線辦公、搜索引擎、電信和物流等領(lǐng)域都可以得到充分利用。云計算正成為分布式計算模式的主流，在城鄉(xiāng)教育資源共享系統(tǒng)的建設(shè)中具有突出的技術(shù)優(yōu)勢[7]：

1 有效減少成本投入

軟硬件投資直接關(guān)系到系統(tǒng)建設(shè)的進程，但一般來說，農(nóng)村學校的資金都相對緊張。而基于云計算的系統(tǒng)由云服務提供商來提供具體的硬件配置和軟件服務，對用戶端的設(shè)備要求非常低，用戶端完全可以利用已有的低配置計算機設(shè)備，甚至是可以上網(wǎng)的手機或PDA等。這樣，用戶不需要像以往那樣為每個IT系統(tǒng)購買固定資產(chǎn)如高配置計算機、專用服務器等硬件和相關(guān)軟件許可證。應用云計算技術(shù)，只需支付少量的費用租用云端的服務，就可獲得云模式中百萬臺服務器提供的技術(shù)支持，方便地構(gòu)建自己的信息化教育平臺，從而使教育經(jīng)費短缺的農(nóng)村學校以較低的成本投入來達到軟硬件使用效益的最大化。與花巨資購買專用的軟硬件相比，使用云計算技術(shù)充分利用云服務提供的硬件和軟件顯然更經(jīng)濟劃算。

2 更大范圍的資源共享

目前我國教育資源建設(shè)基本上是各自為政，即使可以上網(wǎng)共享的資源，數(shù)據(jù)也處于“分布式存儲、分布式訪問”的狀況，資源數(shù)據(jù)不標準、不規(guī)范，導致了大量的“數(shù)據(jù)孤島”的產(chǎn)生。這樣一方面給數(shù)據(jù)的共享、交換與更新帶來極大的不便，同時也造成了資源的重復性建設(shè)，浪費了大量的人力、物力和財力。而利用云計算模式則可以將分布式存儲的資源數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一管理和存儲，幫助用戶高效地大范圍進行資源共享和訪問。

3 安全可靠的數(shù)據(jù)存儲

數(shù)據(jù)安全是教育資源建設(shè)中面臨的一大難題，而云計算模式可以有效地解決這一問題。在現(xiàn)行的教育信息化系統(tǒng)中，所有日常工作的相關(guān)數(shù)據(jù)都集中存儲在自己的服務器上，而一旦服務器出現(xiàn)故障，輕則不能給用戶提供正常的服務，重則將導致重要數(shù)據(jù)的丟失。其中教育資源系統(tǒng)更是數(shù)據(jù)量龐大，安全性要求更高。在云計算模式中，云計算服務商提供安全可靠的數(shù)據(jù)存儲中心，對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理、分配資源、均衡負載、控制安全，并進行可靠的安全實時監(jiān)測。同時，云計算遵循嚴格的權(quán)限管理策略，能有效降低教育資源數(shù)據(jù)共享的安全風險。

4 降低系統(tǒng)軟硬件維護難度

為了確保各類教育信息系統(tǒng)正常穩(wěn)定的運行，必須經(jīng)常對計算機、服務器、網(wǎng)絡(luò)和資源數(shù)據(jù)庫等軟硬件進行維護、升級和更新。而農(nóng)村中小學教師的計算機操作能力普遍偏低，知識更新慢，即使是計算機專業(yè)技術(shù)人員所擁有的計算機技術(shù)水平也相對偏弱，所以，他們對系統(tǒng)的日常維護往往力不從心。由于云計算模式只需要用戶終端能夠訪問互聯(lián)網(wǎng)即可，系統(tǒng)的軟硬件日常維護由云服務提供商來解決。因此，學校對于教育資源共享系統(tǒng)的維護難度大為降低。

二 基于云計算的城鄉(xiāng)教育資源共享系統(tǒng)

城鄉(xiāng)教育資源共享系統(tǒng)采用三層“B/A/CCS”體系結(jié)構(gòu)，即“Browser/Agent/Cloud Computing Server”結(jié)構(gòu)。用戶終端只需完成界面顯示和上網(wǎng)檢索等簡單數(shù)據(jù)處理功能，其余大量的數(shù)據(jù)處理和功能操作均由云計算服務中心完成，開創(chuàng)一種全新的低成本、交互式、易使用的用戶操作模式。接入網(wǎng)絡(luò)可以采用高速光纖、ADSL或者無線網(wǎng)絡(luò)，以適應不同地區(qū)學校的環(huán)境要求。云計算服務中心作為城鄉(xiāng)教育資源共享系統(tǒng)的核心，可以接收來自不同地區(qū)學校、各種類型的海量教育資源數(shù)據(jù)，使用智能檢索技術(shù)將最符合要求的教育資源信息呈現(xiàn)給用戶。

跟傳統(tǒng)的教育資源系統(tǒng)相比，該共享系統(tǒng)更強調(diào)動態(tài)智能交互。以往的系統(tǒng)只注重教育資源數(shù)據(jù)本身的處理，交互性較弱。而在城鄉(xiāng)教育資源共享系統(tǒng)中引入了智能分詞技術(shù)和移動Agent技術(shù)，使系統(tǒng)更具有智能性，能為用戶提供個性化服務，動態(tài)調(diào)整并呈現(xiàn)教育資源檢索內(nèi)容。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

該教學資源采集系統(tǒng)采用的三層“B/A/CCS”體系結(jié)構(gòu)是基于云計算的新一代分布式計算方案設(shè)計的應用軟件體系結(jié)構(gòu)，客戶端利用瀏覽器上網(wǎng)，不再需要為不同的客戶端安裝不同的客戶程序，這為復雜的分布式應用提供了統(tǒng)一的環(huán)境，同時也便于系統(tǒng)的升級和改進。

系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)模型如圖1所示：

系統(tǒng)的工作流程如下：

（1）通過驗證服務后系統(tǒng)根據(jù)用戶模型分析用戶提交的訪問需求，生成代表用戶請求的用戶Agent，然后系統(tǒng)根據(jù)用戶Agent攜帶的信息對用戶輸入的自然語句進行智能分詞處理。

（2）抽取云計算數(shù)據(jù)中心的教育資源庫中相關(guān)文檔特征，形成如干關(guān)聯(lián)特征關(guān)鍵詞，然后利用分析Agent對分詞模塊切好的用戶關(guān)鍵詞和關(guān)聯(lián)特征關(guān)鍵詞的隸屬度進行分析。

（3）系統(tǒng)根據(jù)基于閾值的模糊貼近度算法和基于自學習的檢索規(guī)則在云計算數(shù)據(jù)中心的教育資源庫中進行智能檢索。

（4）獲取的教育資源檢索結(jié)果先進行清洗和解析，最后以XML形式展現(xiàn)反饋給用戶，并與學習Agent交互進行機器學習來修改用戶模型并優(yōu)化和修正分詞詞典。

2 云計算服務層實現(xiàn)方法

微軟公司于2008年10月推出了Windows Azure操作系統(tǒng)。支持基于XML的RESTful接口和使用.NET技術(shù)是Windows Azure的主要特點。用Visual Studio編寫的應用程序可以被其托管運行?？紤]大多數(shù)學校原有教育資源系統(tǒng)采用的是.Net技術(shù)框架，因此該共享系統(tǒng)的設(shè)計采用Windows Azure作為云計算基礎(chǔ)架構(gòu)，以下是云服務端的幾個主要接口函數(shù)的設(shè)計實現(xiàn)。

（1）驗證服務

遠程用戶要通過互聯(lián)網(wǎng)訪問云計算中心服務端的教育資源數(shù)據(jù)必須是使用經(jīng)過驗證的安全連接。采用驗證服務有兩個原因：首先，云計算服務中心的數(shù)據(jù)是以收費服務或免費但經(jīng)過授權(quán)的方式共享給各個學校用戶使用，因此必須跟蹤每個用戶的詳細訪問信息；其次，對每個消息隊列的訪問必須受到控制，非授權(quán)用戶不允許訪問云端消息隊列。

但也沒必要在云計算服務中心單獨創(chuàng)建用戶賬號數(shù)據(jù)庫，可以把所有用戶賬號信息集成到對應的用戶模型庫中。要檢索使用云計算服務中心的共享教育資源數(shù)據(jù)，首先必須注冊成為云服務用戶才能合法登陸。注冊和驗證登陸過程與傳統(tǒng)WEB技術(shù)一致，不再贅述。

系統(tǒng)應用的驗證服務接口如下：

Bool isRightfulUser(string sUserID，string sPassWord)

系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)庫中用戶ID和密碼進行驗證，返回驗證結(jié)果，并根據(jù)驗證結(jié)果來控制其它服務的執(zhí)行流程。

（2）檢索服務

作為城鄉(xiāng)學校用戶共享的教育資源平臺，云服務端提供數(shù)據(jù)檢索服務。檢索服務主要接口函數(shù)如下：

1）int isRightfulSearch（string sUserID，string sPassWord，int iDataBaseType）

參數(shù)說明：sUserID-用戶ID；sPassWord-用戶密鑰；iDataBase-教育資源數(shù)據(jù)類型。

流程描述：

①調(diào)用驗證服務確認用戶身份，身份驗證失敗直接返回0，身份驗證合法則執(zhí)行下一步；

②根據(jù)需要檢索的教育資源數(shù)據(jù)類型審核是否允許檢索，如果不允許返回1，如果允許則執(zhí)行下一步；

③將檢索請求信息寫入云服務端數(shù)據(jù)中心，寫入成功返回3，否則返回2。

返回值：0-身份驗證失敗；1-數(shù)據(jù)審核失敗；2-檢索請求失?。?-檢索請求成功。

2）xmlDocument getUserEduData(string sUserID，string sPassWord，int iDataBaseType)

參數(shù)說明：sUserID-用戶ID；sPassWord-用戶密鑰；iDataBase-教育資源數(shù)據(jù)類型。

流程描述：

①調(diào)用isRightfulSearch()接口函數(shù)驗證用戶身份、審核待檢索的資源數(shù)據(jù)是否經(jīng)過授權(quán)，檢索請求失敗反饋相關(guān)信息，成功則執(zhí)行下一步；

②從云服務端數(shù)據(jù)中心的教育資源數(shù)據(jù)庫進行智能檢索，檢索結(jié)果以XML文檔形式返回。

返回值：XML數(shù)據(jù)文檔。

3）xmlDocument finishUserEduData(int iDataBaseType)

參數(shù)說明：iDataBaseType-教育資源數(shù)據(jù)類型。

流程描述：根據(jù)教育資源數(shù)據(jù)類型對教育資源數(shù)據(jù)檢索結(jié)果進行清洗和解析，將解析后的結(jié)果以XML文檔形式展現(xiàn)反饋給用戶。

返回值：XML數(shù)據(jù)文檔。

（3）發(fā)布服務

作為教育資源共享系統(tǒng)的基礎(chǔ)，云服務端必然要提供用戶遠程發(fā)布教育資源的服務。主要接口函數(shù)如下：

int publishData(string sUserID，string sPassWord，int iDataBaseType，string sUnitTitle，string sUnitContent，string sUploadFileAdress)

參數(shù)說明：sUserID-用戶ID；sPassWord-用戶密鑰；iDataBase-教育資源數(shù)據(jù)類型；sUnitTitle-單元資源數(shù)據(jù)標題；sUnitContent-單元資源數(shù)據(jù)內(nèi)容；sUploadFileAdress-單元資源數(shù)據(jù)附件所在地址。

流程描述：

①調(diào)用驗證服務確認用戶身份，身份驗證失敗直接返回0，身份驗證合法則執(zhí)行下一步；

②將該單元的教育資源數(shù)據(jù)寫入云服務端數(shù)據(jù)中心，寫入失敗返回1，寫入成功返回2；

③調(diào)用通知服務接口函數(shù)sendMessage()發(fā)送通知反饋給用戶相關(guān)信息。

返回值：0-身份驗證失?。?-資源發(fā)布失?。?-資源發(fā)布成功。

3 移動Agent設(shè)計

移動Agent是體現(xiàn)教育資源共享系統(tǒng)智能行為的重要部分之一。在該系統(tǒng)中，封裝了相關(guān)資料信息和運行狀態(tài)的計算實體可以根據(jù)需要使得移動Agent能夠自動轉(zhuǎn)移到遠程計算機或云服務端，而且可以多次移動，執(zhí)行任務并返回用戶機，這樣可以減少網(wǎng)絡(luò)擁塞。在整個任務執(zhí)行的過程中用戶機沒有必要在網(wǎng)絡(luò)中存在，僅僅只有在移動Agent返回時，客戶機才需要連接到網(wǎng)絡(luò)上。如此允許網(wǎng)絡(luò)連接中斷，可以克服了網(wǎng)絡(luò)延遲、減少網(wǎng)絡(luò)占用時間，提高了網(wǎng)絡(luò)的利用率，能夠快速的響應用戶的交互請求，實現(xiàn)真正意義上的資源共享的智能性和交互性。

（1）用戶Agent

用戶Agent是用戶和系統(tǒng)的唯一接口，在異地完成任務后，它將卸載掉用戶的請求信息，攜帶所需信息返回或負責非終止通信過程的后續(xù)通信服務。用戶Agent既能攜帶用戶的檢索請求信息跟系統(tǒng)交互，又能給用戶提供友好的個性化的智能用戶界面。在交互過程中，用戶Agent接收用戶對當次教育資源檢索結(jié)果滿意度的主動反饋信息，同時還監(jiān)測用戶的檢索、瀏覽等行為過程，分析用戶行為的隱式反饋信息，以獲取用戶感興趣的相關(guān)資源及其感興趣的程度，并把這些信息提供給學習Agent[8]。

（2）分析Agent

系統(tǒng)在檢索教育資源的同時生成分析Agent，它的主要作用是對檢索到的數(shù)據(jù)資源進行分析，抽取文檔特征，形成文檔的結(jié)構(gòu)化的特征屬性表示。分析的手段主要是統(tǒng)計檢索關(guān)鍵詞在資源文檔中出現(xiàn)的頻度并計算該單元文檔與關(guān)鍵詞的隸屬度，將該隸屬度和關(guān)鍵詞的頻度特征屬性存入分析Agent的推理機[9]。

（3）學習Agent

學習Agent利用機器學習技術(shù)對用戶相關(guān)性反饋信息進行學習，自適應地動態(tài)調(diào)整用戶模型和分詞詞典以獲得更高的查準率。用戶模型則體現(xiàn)用戶的興趣和意圖，用于用戶興趣的表達和挖掘[10]。學習Agent的機器學習技術(shù)主要采用遺傳算法，其學習過程，既是用戶相關(guān)性反饋過程，也是用戶興趣挖掘過程。

三 結(jié)束語

云計算是未來教育信息化建設(shè)的技術(shù)熱點和必然趨勢，其特有的應用潛力無疑為分布和異構(gòu)的教育資源的共享及開發(fā)利用帶來了前所未有的機遇。本文在分析了云計算所具有的技術(shù)優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，研究設(shè)計了基于云計算的城鄉(xiāng)教育資源共享系統(tǒng)。該系統(tǒng)能充分地將城鄉(xiāng)各地的教育機構(gòu)和學校一切優(yōu)質(zhì)教育資源集中起來，并由云服務端自動管理，最大限度地實現(xiàn)了資源共享，將有助于解決我國城鄉(xiāng)教育資源分布不均和資源共享程度低等問題，從而提高我國教育信息化的水平。另外，系統(tǒng)引入了智能分詞技術(shù)和移動Agent技術(shù)，使系統(tǒng)更具有智能性，為用戶提供個性化服務，動態(tài)調(diào)整并呈現(xiàn)教育資源檢索內(nèi)容，提高了系統(tǒng)的易用性和交互性。

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Research of Urban and Rural Education Resource Sharing System Based on Cloud Computing

LI Meng-xiong1 ZHONG Zhao-man2

(1. The Computer Department， Lianyungang Teachers College， Lianyungang， Jiangsu 222006，China; 2. School of Computer Engineering and Science， Shanghai University， Shanghai 200072， China)

Abstract: Based on the analysis of the cloud computing and its technological advantages， the paper aims at designing the urban and rural education resource sharing system， discussing the main Implementation of the layer of cloud computing services and designing the mobile agent in the system. Managed automatically by the cloud computing， this system can fully gather excellent educational resources from the urban and rural areas to realize the maximum sharing of the resources. It can help solve the uneven distribution and low level of resource sharing in the two areas so as to promote the information of education in our country. In addition， this system incorporated the intelligent word segmentation technology and mobile agent technology. In turn， it is made more intelligent and can provide personalized services for the clients. Besides， it realizes the dynamic adjustment and presentation of the retrieved contents of the educational resources， which greatly strengthens its easy access and interactivity.

Keywords: cloud computing; urban and rural; education resource; sharing system

*基金項目:江蘇省現(xiàn)代教育技術(shù)研究“十一#8226;五”規(guī)劃重點課題基金項目（項目編號：2006-R-2396）。

收稿日期：2011年2月21日

編輯：紅葉