云計算對高等教育信息化的促進(jìn)

王金鳳

摘 要 目前，我國信息化應(yīng)用已經(jīng)深入教育行業(yè)，尤其是大專及本科教育的高等院校，電化教學(xué)已經(jīng)普及。但是隨著生源的不斷擴(kuò)大和教育資源的標(biāo)準(zhǔn)化推進(jìn)，使得個體的電子終端已經(jīng)不再適應(yīng)大數(shù)據(jù)時代的到來，不但效率低下，而且成本巨大。云計算是構(gòu)建教育大數(shù)據(jù)服務(wù)平臺的主要技術(shù)，它能夠集中巨大的資源，滿足大用戶群的學(xué)習(xí)需要，并且可以隨時隨地方便靈活地開展電化教學(xué)，對高等學(xué)校的教育信息化起到關(guān)鍵的推動作用。

關(guān)鍵詞 云計算 教育云 大數(shù)據(jù) 關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號：TP241 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2015.03.075

On the Promotion of Cloud Computing to Higher

Education Information Technology

WANG Jinfeng

（Mathematics and Information Engineering， South China Agricultural

University， Guangzhou， Guangdong 510642）

Abstract At present， China's information technology industry applications have in-depth education， especially higher education institutions， electronic teaching college and undergraduate education has spread. But with the growing standardization of students and educational resources to promote， so that electrons are no longer adapted to the individual terminal coming era of big data， not only inefficient， but also a huge cost. Cloud computing is to build on Education Data Services Platform main techniques， it can concentrate enormous resources to meet the learning needs of a large user base， and can be carried anywhere easily and flexibly electronic teaching， educational information on colleges and universities play a key role.

Key words cloud computing; education cloud; big data; key technology

0 背景

教育信息化始終是教育改革與發(fā)展的創(chuàng)新動力。《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》明確指出：“信息技術(shù)對教育發(fā)展具有革命性影響，必須予以高度重視”，并將“教育信息化建設(shè)”列為2010-2012年亟待組織實施的十大工程之一。①當(dāng)前，我國教育信息化建設(shè)正從“起步、應(yīng)用”階段向“融合、創(chuàng)新”階段邁進(jìn)，碰到一系列亟需解決的問題。

首先，各單位獨立購置和部署信息產(chǎn)品及服務(wù)的自建模式已經(jīng)開始陷入困境。自行建設(shè)的前期投資高，阻礙教育信息化的普及;一次性購買軟硬件產(chǎn)品，無法適應(yīng)需求和業(yè)務(wù)的動態(tài)變化，造成資源的極大浪費;而且自行建設(shè)會導(dǎo)致信息孤島，資源利用率不高;最后，政府主管部門不能統(tǒng)一地監(jiān)管教育資源和服務(wù)的使用情況，更無法根據(jù)海量數(shù)據(jù)挖掘的結(jié)果進(jìn)行科學(xué)決策。雖然也有些單位部門已經(jīng)開始應(yīng)用云計算技術(shù)進(jìn)行信息化教育網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，但仍然是處于局域范圍的自建模式，例如，北京工業(yè)大學(xué)采用IBM云計算解決方案，打造“北京工業(yè)大學(xué)云計算實驗平臺”，為校內(nèi)和校外用戶提供高性能計算服務(wù)，同時也為并行計算、虛擬化技術(shù)等課程提供實驗平臺;北京郵電大學(xué)采用開源的Eucalyptus構(gòu)建云計算平臺，提供校園信息門戶、校園移動門戶、通用教學(xué)平臺（如教育視頻分發(fā)）和開放虛擬實驗室等服務(wù)。它們的應(yīng)用范圍有限，無法充分顯示和利用云計算為大規(guī)模用戶提供公共服務(wù)的優(yōu)勢。

其次，在當(dāng)前的教育信息化實踐中，教育資源和服務(wù)提供商片面地強(qiáng)調(diào)功能的“多而全”，造就一個個規(guī)模龐大的系統(tǒng)。用戶經(jīng)常用到也許只是每個系統(tǒng)的小部分功能，卻需要學(xué)習(xí)和掌握多個復(fù)雜系統(tǒng)。系統(tǒng)之間互不相通、無法集成，其有效性無疑會大打折扣。

面對以上問題，解決之道是真正采用云計算技術(shù)，構(gòu)建教育云服務(wù)應(yīng)用平臺。云計算數(shù)據(jù)中心為大規(guī)模用戶提供“按需使用，隨需應(yīng)變”的服務(wù)，關(guān)鍵技術(shù)包括海量資源聚合與共享、大規(guī)模流媒體交互等，這將顯著提高高等教育資源的利用效率，節(jié)約前期投入和整體教育云平臺的運維成本。云計算為推動高等教育信息化的發(fā)展起到了關(guān)鍵性的作用。

1 現(xiàn)代高等教育信息化的發(fā)展

教育信息化作為一項典型的互聯(lián)網(wǎng)重大應(yīng)用，是一個基于網(wǎng)絡(luò)的、多媒體、多模式，并具有高度的互動性、個性化和協(xié)作性的認(rèn)知學(xué)習(xí)環(huán)境，其研究涉及認(rèn)知科學(xué)、計算機(jī)科學(xué)、教育學(xué)等多門交叉學(xué)科，其服務(wù)與應(yīng)用環(huán)境越來越依賴于廣泛社會群體的有效分工和密切合作。

教育信息技術(shù)領(lǐng)域很多專家對高等教育信息化都做了大量研究。②清華大學(xué)蔣東興教授等從實踐層面闡述了高校信息化過程中普遍存在的問題，包括：基礎(chǔ)設(shè)施不足、數(shù)字資源水平較低、系統(tǒng)建設(shè)落后等。③④而今后高等教育信息化的發(fā)展趨勢為：面向服務(wù)，面向用戶，面向知識，體現(xiàn)教育公平與泛在性。⑤何克抗教授對當(dāng)前教育信息化理論發(fā)展的分析和總結(jié)中指出，對于泛在學(xué)習(xí)的變革實現(xiàn)了學(xué)習(xí)者可以在任何時間、任何地點得到他們所需要的各種學(xué)習(xí)信息;可以了解到學(xué)習(xí)內(nèi)容使用的歷史記錄、與當(dāng)前學(xué)習(xí)主題相關(guān)聯(lián)的內(nèi)容、對當(dāng)前學(xué)習(xí)的評估記錄、對學(xué)習(xí)內(nèi)容的編輯更新記錄、與學(xué)習(xí)內(nèi)容相關(guān)的方法策略、與學(xué)習(xí)內(nèi)容相關(guān)的學(xué)習(xí)活動;通過學(xué)習(xí)的交互記錄可以獲得最適合自己需要的內(nèi)容、方法、策略及工具;也可以實現(xiàn)隨時隨地共享社會人際網(wǎng)絡(luò)與認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)。⑥這正是教育的最終目標(biāo)，即按需學(xué)習(xí)。但是所有的教育信息化策略都離不開信息化技術(shù)的支撐，主流是通過數(shù)字校園建設(shè)，拓寬教育的時間和空間維度，實現(xiàn)教育環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)字化。傳統(tǒng)的數(shù)字校園僅僅局限于本單位，即本校甚至本學(xué)院?？傮w來看，還處于“分散獨立建設(shè)”階段，信息孤島現(xiàn)象明顯。個別高校已開始進(jìn)行全校統(tǒng)一的信息化規(guī)劃，正在向“數(shù)據(jù)互通，消除信息孤島”階段過渡，這需要各應(yīng)用領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)化工作的強(qiáng)力支持。

而面對數(shù)量日益遞增的學(xué)習(xí)資源的大用戶群， 局域的教育信息網(wǎng)無法滿足用戶時間和空間上的需求，同時信息技術(shù)的落后和基礎(chǔ)設(shè)施的陳舊也是阻礙高等教育信息化的主要因素，例如不同地點的不同人群同時訪問視頻課程，可能會造成網(wǎng)絡(luò)擁塞，無法訪問或下載;本地的存儲能力無法承載巨大的教育資源，包括數(shù)字類型、文本類型、多媒體類型等，這些資源構(gòu)成了教育大數(shù)據(jù)。如何將教育大數(shù)據(jù)從存儲管理到分析挖掘，最終傳至教育云端，以供不同地點、不同層次、不同類型的學(xué)習(xí)者以不同的形式采納學(xué)習(xí)，是推動高等教育信息化的重中之重。而云計算正是解決大數(shù)據(jù)的方法，⑦因此云計算關(guān)鍵技術(shù)的研究與發(fā)展是推動現(xiàn)代教育信息化技術(shù)發(fā)展的動力和能源。

2 高等教育云服務(wù)平臺中的云計算關(guān)鍵技術(shù)

云計算是一種通過互聯(lián)網(wǎng)提供和使用IT軟硬件設(shè)備與服務(wù)的新型應(yīng)用模式，將在系統(tǒng)芯片、操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件和服務(wù)等多層面產(chǎn)生深刻影響，改變整個信息產(chǎn)業(yè)生態(tài)，實現(xiàn)資源交付和使用模式創(chuàng)新。⑧教育云是指以云計算基礎(chǔ)設(shè)施和平臺為支撐，提供教育內(nèi)容、應(yīng)用和服務(wù)。云服務(wù)包括“數(shù)字內(nèi)容超市”、混合學(xué)習(xí)平臺、教育信息管理和云存儲，其中“數(shù)字內(nèi)容超市”實現(xiàn)了學(xué)習(xí)內(nèi)容的存儲和管理，并提供內(nèi)容購買服務(wù);混合學(xué)習(xí)平臺同時支持課堂學(xué)習(xí)和在線學(xué)習(xí)，主要功能包括課堂協(xié)作、在線學(xué)習(xí)管理和Web會議等;教育信息管理是指搜集、處理、統(tǒng)計分析、發(fā)布和利用教育管理數(shù)據(jù)及信息;云存儲提供個人數(shù)據(jù)備份、同步和共享服務(wù)。諸多的云服務(wù)實現(xiàn)需要云計算關(guān)鍵技術(shù)的支撐，才得以保證順利實施，以及服務(wù)平臺架構(gòu)的穩(wěn)定。 下面從不同的關(guān)鍵技術(shù)點出發(fā)介紹分析其在教育云服務(wù)平臺中的重要度。

2.1 云存儲及高可信云文件系統(tǒng)技術(shù)

存儲技術(shù)發(fā)展的三個階段，分別是總線存儲階段、存儲網(wǎng)絡(luò)階段、虛擬存儲階段。⑨云存儲是云設(shè)施所提供的核心服務(wù)之一，云存儲具有四個關(guān)鍵的優(yōu)勢：第一，容易管理。在云環(huán)境下的應(yīng)用會在軟件、硬件和通用基礎(chǔ)設(shè)施支持存儲應(yīng)用方面極大的簡化，這些應(yīng)用使得在多個教育試行點的高等教育信息化推行中更容易執(zhí)行和部署;第二，在升級期間的低影響。在計劃或非計劃的存儲擴(kuò)容等方面具有顯著優(yōu)勢，這有利于用戶使用教育云服務(wù)平臺過程中，不斷增加學(xué)習(xí)內(nèi)容，擴(kuò)充學(xué)習(xí)資料更為容易;第三，容災(zāi)。異地容災(zāi)是云存儲的重要功能。云存儲不僅僅支持異地容災(zāi)，更重要的是線上教學(xué)的備份系統(tǒng)可以確保系統(tǒng)的數(shù)據(jù)冗余備份以及及時的在線恢復(fù)，以免用戶包括學(xué)生的云學(xué)習(xí)過程中前功盡棄;第四，規(guī)劃簡單。云存儲的提供使得單位用戶的規(guī)劃者能夠從精細(xì)化的存儲容量規(guī)劃中解放出來，實現(xiàn)按需提供。

2.2 基于云計算的大規(guī)模流媒體交互服務(wù)

大規(guī)模流媒體交互服務(wù)系統(tǒng)主要有三個主要組成部分：（1）管理中心主要由基于DNS的全局負(fù)載平衡系統(tǒng)、內(nèi)容管理系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)組成。全局負(fù)載平衡系統(tǒng)，將用戶的請求重定向到最近的、負(fù)載較輕的服務(wù)器。（2）緩存服務(wù)器這類服務(wù)結(jié)點，將視頻內(nèi)容由內(nèi)容提供者傳輸給終端用戶。緩存服務(wù)器，可以根據(jù)服務(wù)規(guī)模組織成多層。服務(wù)結(jié)點的最低層服務(wù)器直接為終端用戶服務(wù)， 稱為邊緣服務(wù)器，其他層服務(wù)器結(jié)點稱為核心服務(wù)器。 （3）用戶結(jié)點分為兩類：一部分上傳帶寬高且性能穩(wěn)定的終端用戶直接從邊緣服務(wù)器獲取視頻流，其他用戶在邊緣服務(wù)器的組織下，組成P2P用戶群，從其他穩(wěn)定終端用戶那里獲取視頻流。

2.3 自然和諧的人機(jī)交互技術(shù)

自然和諧的人機(jī)交互技術(shù)是基于云服務(wù)提升用戶體驗的關(guān)鍵。筆式用戶界面提供了一種重要的人機(jī)交互方式，它將用戶從鍵盤、鼠標(biāo)的束縛中解脫出來，允許人們采用類似于傳統(tǒng)紙、筆的方式與教育云終端進(jìn)行交互，使人機(jī)之間的交流變得更加自然、生動。本節(jié)重點介紹兩類自然和諧的人機(jī)交互技術(shù)，即筆輸入技術(shù)和手寫數(shù)學(xué)公式輸入與識別技術(shù)。

2.3.1 自然手寫輸入技術(shù)

筆輸入技術(shù)要旨是為用戶提供近似紙張書寫的筆觸書寫體驗和教學(xué)測評功能。首先通過選擇教育云終端平板電腦屏幕表面和手寫筆，使得書寫體驗近似紙面書寫感受;其次通過動態(tài)搜集用戶書寫的速度、方向和運行曲線，結(jié)合字形特點，在屏幕上展現(xiàn)具備粗細(xì)和轉(zhuǎn)角變化的字體筆鋒，近似手寫效果;最后，在學(xué)習(xí)模式下，通過將用戶輸入和內(nèi)部筆畫與字形庫智能比對，對用戶筆畫順序和字形美觀程度進(jìn)行及時評價。目前在手寫輸入方面已經(jīng)取得了比較顯著的效果，如在電阻屏實現(xiàn)良好的筆觸書寫感受、對于單個漢字的筆順和字形可以很好地進(jìn)行評價。

2.3.2 手寫公式輸入與識別技術(shù)

在筆式用戶界面下，單個手寫字符的識別技術(shù)已日趨成熟，并已大規(guī)模應(yīng)用于目前市場上的手機(jī)、平板電腦中，但對于用戶自然書寫、連續(xù)輸入的中英文文本行以及具有二維結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)表達(dá)式、草圖等，其識別所需的巨大存儲量、復(fù)雜運算量、以及海量訓(xùn)練樣本等在獨立的教育云終端上實現(xiàn)起來非常困難。特別在教育領(lǐng)域中，遠(yuǎn)程教育、電子評卷、office辦公軟件等對于手寫識別（尤其是手寫數(shù)學(xué)公式識別）的準(zhǔn)確性、實時性提出了較高要求，而現(xiàn)有的識別技術(shù)仍無法滿足這些要求，該矛盾已成為制約我國教育信息化發(fā)展的瓶頸因素之一。因此，云環(huán)境下對自然手寫的數(shù)學(xué)公式、草圖的識別問題是教育信息化中的首要技術(shù)問題。

3 總結(jié)和展望

教育信息化是我國教育事業(yè)發(fā)展的必經(jīng)之路，而隨著計算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域中云計算技術(shù)的迅猛發(fā)展，更加促進(jìn)和推動了高等教育信息化的深化，云計算中的關(guān)鍵技術(shù)則成為了此次教育技術(shù)飛躍發(fā)展的重中之重。云計算是解決教育大數(shù)據(jù)問題的唯一有效途徑，其中的技術(shù)設(shè)計到多方面，文中僅介紹了幾種與高等教育信息化息息相關(guān)的技術(shù)，包括：云存儲及高可信云文件系統(tǒng)技術(shù)、基于云計算的大規(guī)模流媒體交互服務(wù)、自然和諧的人機(jī)交互技術(shù)。云存儲技術(shù)能夠低成本、高效率以及高擴(kuò)展地為教育云終端在各個端點進(jìn)行知識的備份以及資料的傳輸。大規(guī)模的流媒體交互為教育云平臺提供了快速、流暢、種類繁多的視頻學(xué)習(xí)服務(wù)，更好地滿足了高等教育用戶眾多、分散、需求量大的特性。最后的云計算中的人機(jī)交互技術(shù)為每位用戶在云終端上方便地進(jìn)行筆記、測試等活動提供了支撐和保證。云計算概念新穎，潛力無限，更多的關(guān)鍵技術(shù)和特性還有待我們?nèi)パ芯亢屯诰?，同時高等教育信息化建設(shè)也正需要先進(jìn)的技術(shù)支持才能發(fā)展得更快更好。我們在今后的工作中，一方面，要繼續(xù)探索信息化建設(shè)中的不足和缺陷，努力彌補(bǔ)改進(jìn);另一方面，要致力于云計算關(guān)鍵技術(shù)科研工作，優(yōu)化現(xiàn)有算法，發(fā)掘未知技術(shù)。

項目基金：2012年度廣東省重大科技專項計劃項目：云計算若干關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化與“粵教云”工程;（項目編號：2012A080104021）;2014年度華南農(nóng)業(yè)大學(xué)教育教學(xué)改革與研究項目：基于“粵教云”的高校優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源共享機(jī)制研究（項目編號：JG14104）

注釋

① 教育部.國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）[EB/OL].[2010-07-29]. http：//www.gov.cn/jrzg/2010-07/29/content_1667143.htm.

② 張文豐.近十年來我國高等教育信息化研究綜述[J].遼寧教育研究，2007（8）：49-51.

③ 蔣東興.高校信息化發(fā)展現(xiàn)狀與政策建議[J].中國教育信息化，2009（8）：27-34.

④ 蔣東興，許慶紅，謝矜，向春，李功強(qiáng).高校信息化建設(shè)的一體化思路與實踐[J].教育信息化，2003（12）.

⑤ 胡欽太.高等教育信息化深度發(fā)展框架與趨勢分析[J].教育研究，2009（10）：97-101.

⑥ 何克抗.我國教育信息化理論研究新進(jìn)展[J].中國電化教育，2011.1（288）：1-19.

⑦ [英]維克托·邁爾-舍恩伯格，[英]肯尼思·庫克耶著.大數(shù)據(jù)時代[M].盛楊燕，周濤，譯.杭州：浙江人民出版社，2013.

⑧ 劉鵬.云計算[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

⑨ Jiyi WU， Lingdi PING， Xiaoping GE， et al. Cloud Storage as the Infrastructure of Cloud Computing[A]. 2010 International Conference on Intelligent Computing and Cognitive Informatics.

⑩ HDFS Architecture Guide[EB/OL]. http：//hadoop.apache.org/common/docs/current/hdfs_design.html.