基于網(wǎng)格工作流的高校教學(xué)資源整合與共享

劉躍華+聶丁

摘 要 本文通過分析現(xiàn)階段高校教學(xué)資源整合的現(xiàn)狀，針對(duì)教學(xué)資源的分布性和異構(gòu)性所帶來的教學(xué)資源共享困難，提出基于開放網(wǎng)格服務(wù)體系結(jié)構(gòu)（OGSA）的教學(xué)資源整合及共享方案，以校園網(wǎng)為基礎(chǔ)來構(gòu)建一個(gè)統(tǒng)一的資源整合平臺(tái)，實(shí)際應(yīng)用表明，以Globus Toolkit 來構(gòu)建的教學(xué)資源網(wǎng)格系統(tǒng)能給師生提供便利的資源共享環(huán)境。

關(guān)鍵詞 教學(xué)資源 網(wǎng)格工作流 整合 共享

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 高校教學(xué)資源整合的現(xiàn)狀及其必要性

計(jì)算機(jī)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展催生了以數(shù)字化教學(xué)（e-leaning）為基礎(chǔ)的自主學(xué)習(xí)模式，我國越來越重視高校數(shù)字化教學(xué)資源的建設(shè)與共享。目前，高校的教學(xué)資源共享可分為物理設(shè)備的共享和信息資源的共享兩大類，其中物理設(shè)備包括計(jì)算機(jī)、存儲(chǔ)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)、教學(xué)儀器、實(shí)驗(yàn)設(shè)備等；信息資源包括教學(xué)網(wǎng)站、教學(xué)課件、試題庫、教學(xué)素材、電子圖書、教學(xué)實(shí)驗(yàn)軟件等。2003年教育部啟動(dòng)《高等學(xué)校教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革質(zhì)量工程》以來，各高校紛紛推出了各類精品課程，在國家精品課程資源網(wǎng)①上發(fā)布的國家級(jí)精品課程（本科、高職高專、網(wǎng)絡(luò)課程）網(wǎng)站共3835門、省級(jí)精品課程8279門、校級(jí)精品課程8170門。這些精品課程的建設(shè)為廣大師生提供了較豐富的優(yōu)質(zhì)資源，有效地?cái)U(kuò)展了教學(xué)的受益面，也是自主學(xué)習(xí)的有力推手。隨著以校園網(wǎng)為基礎(chǔ)的數(shù)字化校園的建設(shè)日臻完善，各高校都在校園網(wǎng)上發(fā)布了林林總總的教學(xué)資源，但也產(chǎn)生了教學(xué)資源整合與優(yōu)化的問題，例如，在實(shí)際應(yīng)用中，就資源的訪問而言有些資源的入口分配在教學(xué)管理系統(tǒng)、有的分配在各院系網(wǎng)站部分、訪問不同的網(wǎng)站和系統(tǒng)需要反復(fù)登錄和認(rèn)證等，這就需要對(duì)教學(xué)資源進(jìn)行有效整合，為師生提供統(tǒng)一的訪問平臺(tái)。2012年孫榮等在文獻(xiàn)②中對(duì)20所“985”工程高校的教學(xué)資源整合情況進(jìn)行了問卷調(diào)查，圖1列出其統(tǒng)計(jì)結(jié)果，其中：沒有對(duì)資源進(jìn)行整合的高校有11所，占55%，而對(duì)校內(nèi)教學(xué)資源進(jìn)行全面整合，向用戶提供一站式服務(wù)的高校僅2所，占10%?？梢哉J(rèn)為，國內(nèi)高校教在學(xué)資源的整合與優(yōu)化方面尚處于初級(jí)階段，尚有較大的上升空間。

《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》中把教育信息化納入國家信息化發(fā)展整體戰(zhàn)略。指出要“加強(qiáng)優(yōu)質(zhì)教育資源開發(fā)與應(yīng)用、加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源庫建設(shè)、引進(jìn)國際優(yōu)質(zhì)數(shù)字化教學(xué)資源、開發(fā)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)課程、建立數(shù)字圖書館和虛擬實(shí)驗(yàn)室、建立開放靈活的教育資源公共服務(wù)平臺(tái)，促進(jìn)優(yōu)質(zhì)教育資源普及共享”。

2 基于網(wǎng)格工作流的教學(xué)資源整合方案

網(wǎng)格技術(shù)被認(rèn)為是繼互聯(lián)網(wǎng)、萬維網(wǎng)之后信息領(lǐng)域的第三次技術(shù)革命。網(wǎng)格將每臺(tái)參與計(jì)算或提供資源的計(jì)算機(jī)或網(wǎng)格當(dāng)作一個(gè)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)的、分布式的、異構(gòu)型的資源的互通與互操作來消除資源孤島。在網(wǎng)格計(jì)算中引入工作流技術(shù)（網(wǎng)格工作流）③可以實(shí)現(xiàn)資源的合理分配與業(yè)務(wù)流程的自動(dòng)處理。目前，典型的網(wǎng)格的體系結(jié)構(gòu)有五層沙漏結(jié)構(gòu)和OGSA（開放網(wǎng)格服務(wù)結(jié)構(gòu)），其中，由全球網(wǎng)格論壇GGF ④提出的OGSA體系結(jié)構(gòu)以服務(wù)為中心，遵循現(xiàn)有的Web服務(wù)框架，利用現(xiàn)有的Web服務(wù)機(jī)制（如XML、SOAP、UDDI 與WSDL等），并定義了在網(wǎng)格環(huán)境中各種服務(wù)之間的使用接口，因其良好的擴(kuò)展性而廣為采用。遵循OGSA的結(jié)構(gòu)，我們將高校教學(xué)資源按圖1的層次框架進(jìn)行整合，以便建立統(tǒng)一的資源共享環(huán)境。

應(yīng)用層：本層直接面向廣大師生，用戶通過網(wǎng)格中的各種應(yīng)用服務(wù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)教學(xué)資源的共享和使用。主要包含：身份認(rèn)證、資源導(dǎo)航、資源檢索、資源訂閱、調(diào)查統(tǒng)計(jì)、在線學(xué)習(xí)、在線考試、評(píng)價(jià)交流等功能。

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)層：本層的功能是通過利用web服務(wù)技術(shù)給用戶提供服務(wù)支持和資源接口。這些服務(wù)包括服務(wù)本身的技術(shù)指標(biāo)如：服務(wù)的創(chuàng)建、服務(wù)的注冊(cè)、生命周期的管理、服務(wù)的狀態(tài)等，以及各種教學(xué)系統(tǒng)接口如：精品課程網(wǎng)站、視頻教學(xué)、虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、作業(yè)系統(tǒng)、考試系統(tǒng)等。

資源層：本層對(duì)各種分布式的教學(xué)資源進(jìn)行有效的組織，將他們統(tǒng)一在一個(gè)邏輯系統(tǒng)中，供用戶使用和系統(tǒng)調(diào)用。這些資源包括：教學(xué)課件、教學(xué)錄像、教學(xué)文件、題庫、作業(yè)庫、教學(xué)素材、數(shù)字教材等。

基礎(chǔ)層：主要是校園網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施，如骨干網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、交換機(jī)、路由器、網(wǎng)關(guān)和防火墻等。

通過對(duì)高校教學(xué)資源的合理整合為構(gòu)建“大一統(tǒng)”的資源共享平臺(tái)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖1 部分高校教學(xué)資源整合情況

圖2 基于網(wǎng)格體系的教學(xué)資源整合框架

3 基于網(wǎng)格工作流的資源共享系統(tǒng)

圖3給出了基于網(wǎng)格工作流的教學(xué)資源共享系統(tǒng)的總體構(gòu)架。整個(gè)系統(tǒng)主要由系統(tǒng)服務(wù)點(diǎn)、資源主系統(tǒng)、權(quán)限認(rèn)證、資源命名、資源訪問Agent（中間件）等服務(wù)模塊組成。系統(tǒng)服務(wù)點(diǎn)⑤（系統(tǒng)中的訪問服務(wù)點(diǎn)可按需動(dòng)態(tài)增減）是整個(gè)系統(tǒng)的入口，通過該服務(wù)點(diǎn)，用戶登錄系統(tǒng)并訪問網(wǎng)格資源，其中主要包括資源同步、訪問接口和調(diào)度引擎等部件。訪問接口部分提供了訪問資源主系統(tǒng)、權(quán)限認(rèn)證服務(wù)、資源命名服務(wù)和訪問網(wǎng)格資源的各種的接口，資源同步部分負(fù)責(zé)提供數(shù)據(jù)的同步機(jī)制，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)資源分配和節(jié)點(diǎn)間資源的同步，該部件將從資源網(wǎng)格中獲取到的新的數(shù)據(jù)和教學(xué)資源同步到系統(tǒng)中，以保證系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)是優(yōu)化和最新的資源。調(diào)度引擎其主要負(fù)責(zé)資源的申請(qǐng)和調(diào)度，與資源同步部件協(xié)作來完成資源的分配與系統(tǒng)中原有資源數(shù)據(jù)的更新并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的副本管理。調(diào)度引擎是網(wǎng)格工作流系統(tǒng)中重要的中間件，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到資源訪問的效率。權(quán)限認(rèn)證部分主要負(fù)責(zé)用戶的身份認(rèn)證、訪問的權(quán)限管理、系統(tǒng)的安全性和數(shù)據(jù)的訪問控制等。資源命名部分負(fù)責(zé)系統(tǒng)中元數(shù)據(jù)的管理，實(shí)現(xiàn)資源命名、地址解析、數(shù)據(jù)檢索等功能。資源訪問代理采用多智能體技術(shù)為系統(tǒng)提供具有自適應(yīng)能力的資源訪問接口，通過Internet可以訪問外部資源網(wǎng)格，如中國教育科研網(wǎng)格ChinaGrid⑥和其它的Web服務(wù)。用戶通過瀏覽器來訪問系統(tǒng)，其工作流程的描述如下：①通過系統(tǒng)服務(wù)點(diǎn)接入系統(tǒng)，②通過系統(tǒng)服務(wù)點(diǎn)提供的接口訪問權(quán)限認(rèn)證服務(wù)器以獲得身份認(rèn)證和訪問權(quán)限，認(rèn)證通過后，③再通過訪問服務(wù)點(diǎn)的接口訪問命名服務(wù)器，檢索并獲得相應(yīng)的資源信息，如果主系統(tǒng)中原有資源中存在所需信息，則轉(zhuǎn)入步驟⑤，④通過系統(tǒng)服務(wù)點(diǎn)接入資源訪問代理，訪問代理Agent從資源網(wǎng)格中獲取所需的教學(xué)資源后，通過系統(tǒng)訪問點(diǎn)將資源返回給用戶。圖3中的步驟0主要是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)同步更新和數(shù)據(jù)的副本管理，由資源同步管理部分自動(dòng)完成。

圖3 教學(xué)資源共享系統(tǒng)模型

3.1 統(tǒng)一登錄

在網(wǎng)格環(huán)境下，允許用戶訪問分布在虛擬組織中不同網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的資源，并且在訪問任何節(jié)點(diǎn)之前都需要進(jìn)行身份認(rèn)證，而統(tǒng)一登錄⑦能夠避免用戶在使用系統(tǒng)過程中多次輸入認(rèn)證句柄（用戶名/密碼對(duì)），用戶只需要在訪問第一個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)時(shí)進(jìn)行認(rèn)證，在后續(xù)訪問其他節(jié)點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)完成身份認(rèn)證。其認(rèn)證過程如圖4所示。

圖4 登錄認(rèn)證過程

3.2 元數(shù)據(jù)

網(wǎng)格系統(tǒng)中的元數(shù)據(jù)是用來描述數(shù)據(jù)的屬性，通過它能夠幫助用戶查找數(shù)據(jù)項(xiàng)以及與上下文有關(guān)的信息等。元數(shù)據(jù)存在多個(gè)層次，主要包括語法、結(jié)構(gòu)和語義元數(shù)據(jù)等。就系統(tǒng)中描述教學(xué)資源屬性的元數(shù)據(jù)而言，應(yīng)該遵循中國教育信息化標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)提出的《學(xué)習(xí)對(duì)象元數(shù)據(jù)》和《教育資源建設(shè)技術(shù)規(guī)范》?？蓪①Y源元數(shù)據(jù)定義如下結(jié)構(gòu)：

public struct Grid_R_meta

{

public string R_type； //資源類型，如精品課程、作業(yè)系統(tǒng)、程序評(píng)測(cè)系統(tǒng)等

public string R_ID； //節(jié)點(diǎn)的全局惟一資源編號(hào)

public string R_IP；// 資源節(jié)點(diǎn)的IP 地址

public string R_subject； //學(xué)科科目

public string R_Size ； //資源大小

public string R_Date； //創(chuàng)建日期

public string R_Life； //生存期

......

public string R_Relation； //關(guān)聯(lián)信息，前、后節(jié)點(diǎn)

}

通過元數(shù)據(jù)來定位到目標(biāo)數(shù)據(jù)的過程如圖5所示。

圖5 元數(shù)據(jù)與資源檢索

圖6 在線程序評(píng)測(cè)與在線作業(yè)網(wǎng)格

4 應(yīng)用與結(jié)論

我們用Globus Toolkit4.0構(gòu)建了基于校園網(wǎng)的資源共享系統(tǒng)，可以將校園網(wǎng)里的教學(xué)資源（教學(xué)網(wǎng)站、課件、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)等）整合起來，并能靈活地?cái)U(kuò)充資源。圖5的兩個(gè)資源網(wǎng)格分別是在線程序評(píng)測(cè)網(wǎng)格和在線作業(yè)網(wǎng)格，通過統(tǒng)一的共享平臺(tái)師生可以在校園網(wǎng)內(nèi)很便利地訪問教學(xué)資源。

通過網(wǎng)格工作流來構(gòu)建的資源共享系統(tǒng)可以將分布式的、異構(gòu)的教學(xué)資源整合起來，為用戶提供統(tǒng)一的訪問接口，通過完全屏蔽底層資源的異構(gòu)性、為用戶提供統(tǒng)一的視圖來實(shí)現(xiàn)資源的透明訪問，因而可以實(shí)現(xiàn)校內(nèi)教學(xué)資源的全面整合，為師生提供一站式的訪問服務(wù)。

基金項(xiàng)目：本文系湖南省教育廳教改項(xiàng)目，湘教通[2011]35號(hào)：“基于網(wǎng)格工作流的教學(xué)資源共享、整合與優(yōu)化配置的研究與實(shí)踐”的階段性研究成果

注釋

① 孫榮，孟凡立，張慰.論數(shù)字校園環(huán)境下高校教學(xué)資源的整合運(yùn)行策略[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2012.22（5）.

② 國家精品課程資源中心工作簡(jiǎn)報(bào)[2011]第5期[DB/OL]. http：//news.jingpinke.com.

③ Cybok D. A Grid Workflow Infrastructure[A].Workshop on Grid Workflow[C].Berlin： GGF-10， 2004.

④ Thomas Myer.Global Grid Forum[DB/OL]. http：//www.gridforum.org /2004-01-01.

⑤ 梅炳夫，王惟言，李擁軍.基于Globus訪問數(shù)據(jù)以及在教育資源整合上的應(yīng)用[J].廣州廣播電視大學(xué)學(xué)報(bào)，2008（2）.

⑥ 金海.搭建資源共享平臺(tái)——中國教育科研網(wǎng)格ChinaGrid[J].中國教育網(wǎng)絡(luò)，2006（9）.

⑦ 許駿，柳泉波.面向服務(wù)的網(wǎng)格計(jì)算[M].北京：科學(xué)出版社，2009.5.