基于云計(jì)算的數(shù)字信號(hào)處理精品課程資源共享平臺(tái)建設(shè)

王桐 陳立偉

摘 要：如今，許多學(xué)校開(kāi)始將教學(xué)資源以網(wǎng)絡(luò)的形式來(lái)完成共享和交流任務(wù)?？墒?，以往的網(wǎng)絡(luò)模式在共享教學(xué)資源時(shí)常常會(huì)使學(xué)校之間出現(xiàn)“信息壁壘”的現(xiàn)象，使得他們之間不能互聯(lián)互通。鑒于云計(jì)算具有按需使用、安全穩(wěn)定、成本較低等諸多優(yōu)勢(shì)，文章提出基于云計(jì)算的《數(shù)字信號(hào)處理》精品資源共享平臺(tái)。文章首先分析了國(guó)內(nèi)外教學(xué)網(wǎng)絡(luò)資源共享的相關(guān)工作，然后給出云計(jì)算的概念，然后對(duì)引入云計(jì)算在教學(xué)共享方面的必要性進(jìn)行分析，給出了該平臺(tái)的架構(gòu)及服務(wù)器端詳細(xì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。平臺(tái)提高了整個(gè)課程組的備課效率、方便了學(xué)生使用和學(xué)習(xí)精品課程共享資源。

關(guān)鍵詞：教學(xué)資源；云計(jì)算；共享；數(shù)字信號(hào)處理

數(shù)字信號(hào)處理以信號(hào)與系統(tǒng)為先修課，該課程非常注重實(shí)踐學(xué)習(xí)，與集數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)學(xué)科、信號(hào)與信息處理和電子學(xué)等學(xué)科之間都有著緊密的聯(lián)系。因此，整合優(yōu)質(zhì)的課程資源，使教師和學(xué)生都能夠很好的利用這些資源，減少教師重復(fù)備課的時(shí)間，以及提高學(xué)生上課的積極性和學(xué)習(xí)效率，是當(dāng)前急需解決的問(wèn)題。另外，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)資源共享方式很容易造成學(xué)校間的“信息壁壘”，使得他們之間不能互聯(lián)互通。本文提出以云計(jì)算為基礎(chǔ)的《數(shù)字信號(hào)處理》精品教學(xué)資源共享平臺(tái)。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析

為了完成教育規(guī)劃綱要和廣泛提升高等教育質(zhì)量工作會(huì)議上提出的具體目標(biāo)，根據(jù)《教育部財(cái)政部關(guān)于“十二五”期間實(shí)施“高等學(xué)校本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程”的意見(jiàn)》（教高[2011]6號(hào)），教育部辦公廳于2012年5月21日下發(fā)了《精品資源共享課建設(shè)工作實(shí)施辦法》。精品資源共享課程建設(shè)的目的在于革新傳統(tǒng)的教育教學(xué)理念、通過(guò)多種現(xiàn)代信息技術(shù)形式的綜合運(yùn)用，促進(jìn)高等學(xué)校優(yōu)質(zhì)課程教學(xué)資源的共建共享。

從國(guó)外資源共享課程的建設(shè)現(xiàn)狀來(lái)看，美國(guó)高校網(wǎng)絡(luò)資源共享課程覆蓋面廣、發(fā)展日趨完善的成熟現(xiàn)狀，得益于政府及高校對(duì)網(wǎng)絡(luò)教育資源建設(shè)的重視和投入。目前，國(guó)家教育資源信息中心、聯(lián)邦優(yōu)質(zhì)教育資源、俄亥俄圖書館和信息網(wǎng)絡(luò)以及教育資源中心是由美國(guó)政府出資建設(shè)的四個(gè)國(guó)家級(jí)資源信息中心項(xiàng)目。美國(guó)國(guó)家技術(shù)大學(xué)和麻省理工學(xué)院在通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源共享上收到了卓越的成效。此外，對(duì)于共享學(xué)習(xí)資源平臺(tái)的搭建問(wèn)題，加拿大也很關(guān)注。例如，加拿大政府在2002年組織了名為EDUSOURSE的項(xiàng)目，主要目的就是搭建一個(gè)能夠覆蓋住加拿大整個(gè)國(guó)家范圍的互聯(lián)的共享網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)庫(kù)，便于所有的加拿大公民共享使用教學(xué)網(wǎng)絡(luò)資源。再者，澳大利亞政府為了提升國(guó)民整體素質(zhì)，也大力推行網(wǎng)絡(luò)教育資源，力爭(zhēng)使每個(gè)澳大利亞人在家中就能便捷地共享優(yōu)質(zhì)的遠(yuǎn)程教育資源。從我國(guó)資源共享課程建設(shè)情況來(lái)看，教育部“遠(yuǎn)程教育重要技術(shù)與主體服務(wù)系統(tǒng)和天地網(wǎng)結(jié)合項(xiàng)目”吸引了西安交大、上海交大、浙江大學(xué)的加入并進(jìn)行合作研究、開(kāi)發(fā)了遠(yuǎn)程教育的若干重要技術(shù)，搭建了有著自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的天地網(wǎng)聯(lián)合的遠(yuǎn)程教育支持系統(tǒng)，將共建、共享精品數(shù)字化課程資源，最終實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)教育資源的共建、共享和共管[1]。

但是，由于我國(guó)目前的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源在建設(shè)與分類上并沒(méi)有一個(gè)一致的標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源在各個(gè)學(xué)校中獨(dú)自為綱，不能完成高效的共享。因此，采用云計(jì)算這類新技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源共享管理建設(shè)迫在眉睫[2]。清華大學(xué)建設(shè)云平臺(tái)Meepo[3]，與人大、北大等知名高校聯(lián)合，將精品課程等教學(xué)資料通過(guò)清華云存儲(chǔ)平臺(tái)進(jìn)行共享，這大大提高了資源利用率，避免課程資源的重復(fù)建設(shè)。近期蘭州大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)等高校也陸續(xù)加入進(jìn)來(lái)，促進(jìn)了優(yōu)質(zhì)課程教學(xué)資源的共享。下文就簡(jiǎn)要分析基于云計(jì)算資源共享平臺(tái)建設(shè)的必要性。

2 基于云計(jì)算資源共享平臺(tái)應(yīng)用

2.1 云計(jì)算資源共享平臺(tái)簡(jiǎn)介

“云計(jì)算可以作為一個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)來(lái)理解，也可以把它看做是一種應(yīng)用程序。云計(jì)算平臺(tái)根據(jù)具體的需要實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)地規(guī)劃（provision）、配置（configuration）、重新配置（reconfigure）和撤銷服務(wù)（deprovision）等”[4]。云計(jì)算是互聯(lián)網(wǎng)信息基礎(chǔ)設(shè)施的重要形態(tài)，它能支持多種信息化的應(yīng)用，能夠采用新的業(yè)務(wù)形式支持高性能、低成本的計(jì)算與數(shù)據(jù)服務(wù)。隨著云計(jì)算的快速發(fā)展及其所帶來(lái)的巨大影響力，亞馬遜、Google和微軟均推出了自己的云計(jì)算服務(wù)平臺(tái)，他們分別是Amazon EC2、Google Hadoop和Microsoft Azure平臺(tái)。其中，Microsoft Azure平臺(tái)是剛剛進(jìn)入我國(guó)市場(chǎng)的，2013年11月筆者親自參加了廣州舉辦的Microsoft Azure Research Training培訓(xùn)，得到豐富的第一手最新資料，再加上筆者從事云計(jì)算研究的數(shù)年積累，這些都為搭建數(shù)字信號(hào)處理課程資源共享平臺(tái)做了相應(yīng)技術(shù)儲(chǔ)備。云計(jì)算資源共享平臺(tái)基本設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

圖1 基于云計(jì)算教學(xué)資源共享平臺(tái)總體架構(gòu)

其中，用戶交互接口向應(yīng)用以Web Serv ices方式提供訪問(wèn)接口，獲取用戶需求。用戶能夠訪問(wèn)的服務(wù)清單以目錄的形式存儲(chǔ)。系統(tǒng)管理部分的主要任務(wù)是控制和分配全部可用的資源，負(fù)載均衡是其核心目標(biāo)。配置工具主要用于準(zhǔn)備分配節(jié)點(diǎn)上的服務(wù)運(yùn)行環(huán)境。監(jiān)視統(tǒng)計(jì)部分用于監(jiān)視節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行情況和統(tǒng)計(jì)節(jié)點(diǎn)被用戶的使用狀態(tài)。用戶交互接口允許用戶從目錄中選取并調(diào)用一個(gè)服務(wù)并請(qǐng)求傳遞給系統(tǒng)管理模塊后，它會(huì)把合適的資源分給相應(yīng)的用戶，然后采用配置工具進(jìn)行運(yùn)行環(huán)境的準(zhǔn)備工作。因此我們需要在云平臺(tái)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一個(gè)用戶交互界面，以實(shí)現(xiàn)服務(wù)器資源的互相訪問(wèn)。

下面給出具體的后臺(tái)通過(guò)數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)的服務(wù)器端層次拓?fù)鋱D參考了Meepo系統(tǒng)[3]，如圖2所示。

2.2 云計(jì)算教學(xué)資源共享平臺(tái)需求分析及應(yīng)用

目前，國(guó)內(nèi)眾多知名高校紛紛利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開(kāi)發(fā)適合本校實(shí)際情況的教學(xué)資源管理系統(tǒng)。這些功能日趨完善的網(wǎng)絡(luò)資源不但進(jìn)一步提升了教學(xué)質(zhì)量，也為學(xué)生的課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)提供了良好了學(xué)習(xí)平臺(tái)。這些系統(tǒng)普遍以三層結(jié)構(gòu)的B/S[5]方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。B/S模式即瀏覽器和服務(wù)器模式，它有別于C/S[6]模式（客戶機(jī)和服務(wù)器模式）。B/S模式讓用戶只需要瀏覽器這一個(gè)工具，在服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)所有的業(yè)務(wù)邏輯。此種模式極大地降低了客戶端電腦的負(fù)荷，降低了系統(tǒng)維護(hù)的工作量。而三層結(jié)構(gòu)即MVC[7]模式。M（Model）為業(yè)務(wù)邏輯層，V（View）為視圖表示層，C（Control）為控制層。用戶通過(guò)瀏覽器發(fā)送請(qǐng)求，后臺(tái)控制器按照請(qǐng)求的不同分別進(jìn)行處理。前段控制器接受請(qǐng)求并響應(yīng)請(qǐng)求，而后臺(tái)控制器調(diào)用合適的模型對(duì)象來(lái)處理具體的業(yè)務(wù)邏輯，最后為了響應(yīng)客戶端的請(qǐng)求返回一個(gè)具體的視圖。在處理具體的業(yè)務(wù)邏輯的過(guò)程中，需要進(jìn)行底層數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)。由于此種資源共享的模式存在局限性，因而形成了“信息壁壘[8]”。這里的信息壁壘主要指由于高校之間彼此設(shè)有權(quán)限，而形成了孤立的信息源，導(dǎo)致了高校之間的資源缺乏共享，無(wú)法滿足高校師生獲取更多優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的需求。

例如，某學(xué)生要在本院校查找有關(guān)云計(jì)算的資源，他首先訪問(wèn)X院校的資源管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)訪問(wèn)X院校的X服務(wù)器，返回服務(wù)器上所有有關(guān)云計(jì)算的資源。但假設(shè)他還是沒(méi)找到需要的云計(jì)算資源，此時(shí)他需要訪問(wèn)Y院校的資源管理系統(tǒng)。假設(shè)他不知道Y院校的資源管理系統(tǒng)的訪問(wèn)方式，或者沒(méi)有Y院校的訪問(wèn)權(quán)限，顯然他是不能訪問(wèn)的。面對(duì)這個(gè)情況，X院校想到的解決辦法就是在X院校的系統(tǒng)上加上Y院校系統(tǒng)的的超鏈接，或者跟Y院校交涉互相共享教學(xué)資源。此時(shí)，學(xué)生只需知道X服務(wù)器的地址，并被賦予兩個(gè)系統(tǒng)的訪問(wèn)權(quán)限，就可以訪問(wèn)X、Y兩臺(tái)服務(wù)器上的所有資源。這種方式實(shí)現(xiàn)了資源的共享，提高了資源的利用率。但是，當(dāng)學(xué)生面對(duì)多個(gè)管理系統(tǒng)的多個(gè)服務(wù)器時(shí)，他只能逐個(gè)站點(diǎn)登錄訪問(wèn)。當(dāng)前，由于多數(shù)高校網(wǎng)站都設(shè)有訪問(wèn)權(quán)限（只對(duì)本校教師和學(xué)生開(kāi)放），這就形成了“共享壁壘”——人為的造成“信息壁壘”導(dǎo)致高校間信息不能有效共享，造成了教學(xué)資源的極大浪費(fèi)。

為了解決“共享壁壘”問(wèn)題，云計(jì)算平臺(tái)的運(yùn)用可以為不同教學(xué)側(cè)重的高校提供強(qiáng)大的在線應(yīng)用功能服務(wù)，顯著地提升了高校的信息化水平。云計(jì)算平臺(tái)在《數(shù)字信號(hào)處理》精品課程資源共享領(lǐng)域應(yīng)用需求主要體現(xiàn)在以下幾方面：

（1）云平臺(tái)課能夠減少學(xué)?；A(chǔ)設(shè)施建設(shè)的成本，提高學(xué)校網(wǎng)絡(luò)服務(wù)水平。通過(guò)“云計(jì)算”與“云服務(wù)”建設(shè)具有互動(dòng)交流功能的精品課程共享系統(tǒng)，保證每一節(jié)《數(shù)字信號(hào)處理》課程資源的系統(tǒng)性以及課程結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)性，向高校師生和社會(huì)學(xué)習(xí)者提供快捷、開(kāi)放、優(yōu)質(zhì)的《數(shù)字信號(hào)處理》視頻公開(kāi)課，提升學(xué)校教育資源的網(wǎng)絡(luò)共享服務(wù)能力。

（2）利用云平臺(tái)加強(qiáng)校際、校企等之間教學(xué)管理與交流協(xié)作，共享多元化的教學(xué)資源。云平臺(tái)以開(kāi)放與共享為基本目標(biāo)，結(jié)合《數(shù)字信號(hào)處理》課程教與學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容，圍繞教學(xué)需求提供資源豐富的教學(xué)資源，使教學(xué)資源得以完善。例如，在云端對(duì)教學(xué)資源進(jìn)行分類建設(shè)，包括文件庫(kù)、規(guī)范庫(kù)、圖片庫(kù)、案例庫(kù)、文獻(xiàn)庫(kù)、教材庫(kù)，課件庫(kù)、試題庫(kù)、計(jì)算軟件、教學(xué)管理軟件等實(shí)現(xiàn)資源共享，提高資源的適用性。

（3）利用云平臺(tái)使教育機(jī)構(gòu)共享虛擬教學(xué)資源，提升普通高校的教學(xué)水平。我國(guó)高校之間在經(jīng)費(fèi)投入和發(fā)展水平等方面存在著現(xiàn)實(shí)的差距。一些知名高校有更多的資金來(lái)源，承擔(dān)著更多前沿技術(shù)的課題研究工作。而其他同類高校存在著經(jīng)費(fèi)有限、師資力量相對(duì)不足等問(wèn)題，難以形成“統(tǒng)一規(guī)格”的高質(zhì)量的教學(xué)與實(shí)驗(yàn)配置。云計(jì)算的出現(xiàn)，將為普通高校提供教學(xué)資源共享的環(huán)境。例如，普通高校在《數(shù)字信號(hào)處理》課程教學(xué)中，通過(guò)共享虛擬教學(xué)資源，同樣擁有國(guó)內(nèi)知名大學(xué)才能配置的超級(jí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，縮小了與名校之間的教學(xué)差距。

（4）利用云平臺(tái)提高學(xué)生對(duì)知識(shí)的自主學(xué)習(xí)能力，改良傳統(tǒng)的教學(xué)環(huán)境。在當(dāng)前信息技術(shù)教育背景下，《數(shù)字信號(hào)處理》課程要特別強(qiáng)化學(xué)生在線學(xué)習(xí)、移動(dòng)學(xué)習(xí)的自主學(xué)習(xí)觀念，打造吸引學(xué)生主動(dòng)探尋知識(shí)的教學(xué)氛圍，真正實(shí)現(xiàn)以學(xué)生為中心的高效教學(xué)方式。例如，學(xué)生可以通過(guò)pad、手機(jī)隨時(shí)隨地接入云平臺(tái)，了解學(xué)科的最新前沿動(dòng)態(tài)、下載更新教育資源，真正實(shí)現(xiàn)高效互動(dòng)的課堂教學(xué)環(huán)境。

（5）利用云平臺(tái)分享《數(shù)字信號(hào)處理》精品課視頻，保證課程內(nèi)容的同步完整性。作為精品資源共享課建設(shè)的一部分，優(yōu)質(zhì)教學(xué)視頻的建設(shè)必不可少。課程的不同章節(jié)可以由一位教師主講，也可以效仿世界著名高校視頻公開(kāi)課的講解方式，聘請(qǐng)校內(nèi)外的優(yōu)秀教師按其專長(zhǎng)深入地講解相關(guān)章節(jié)，打造真正有影響力的《數(shù)字信號(hào)處理》視頻公開(kāi)課。由于視頻資料文件過(guò)大，需要大數(shù)據(jù)處理相關(guān)技術(shù)問(wèn)題。因而，運(yùn)用云平臺(tái)能輕松解決這一系列大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、管理、使用等問(wèn)題，保證每一節(jié)《數(shù)字信號(hào)處理》視頻公開(kāi)課的高質(zhì)量播放。

3 結(jié)束語(yǔ)

哈爾濱工程大學(xué)數(shù)字信號(hào)處理課題組于2004年當(dāng)選哈爾濱工程大學(xué)校級(jí)精品課程，2005年當(dāng)選黑龍江省精品課程，經(jīng)過(guò)課題組多年的建設(shè)，在課程設(shè)計(jì)和建設(shè)方面具有充足的教育經(jīng)驗(yàn)；筆者從事多年的云計(jì)算基礎(chǔ)和應(yīng)用研究，在整個(gè)平臺(tái)建設(shè)方面有豐富的經(jīng)驗(yàn)。以實(shí)驗(yàn)室搭建的hadoop平臺(tái)為基礎(chǔ)，搭建基于云計(jì)算平臺(tái)的《數(shù)字信號(hào)處理》精品課程資源共享平臺(tái)實(shí)驗(yàn)原型，提高了整個(gè)課程組的備課效率、方便了學(xué)生預(yù)習(xí)、學(xué)習(xí)、復(fù)習(xí)和拓展精品課程共享資源。今后，《數(shù)字信號(hào)處理》課題組打算將這門精品課程的共享平臺(tái)進(jìn)行擴(kuò)展，使其他相關(guān)課程的資源也可以在該平臺(tái)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源共享。

參考文獻(xiàn)

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