基于開源技術(shù)的云課堂平臺(tái)構(gòu)建

孫建文　張昭理　劉三等

摘 要：開源軟件以其開放、靈活、安全、成本低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于教育信息化領(lǐng)域。本文首先介紹了幾個(gè)與教育云相關(guān)的開源項(xiàng)目，然后結(jié)合云課堂的共性需求和云計(jì)算的三個(gè)層次，提出了一種基于開源技術(shù)框架的云課堂平臺(tái)體系架構(gòu)參考模型，最后基于該模型研制了云課堂軟件平臺(tái)，并通過應(yīng)用實(shí)踐研究驗(yàn)證其有效性。

關(guān)鍵詞：云課堂；開源技術(shù)；平臺(tái)架構(gòu)

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1673-8454（2014）19-0020-04

一、引言

從云計(jì)算開始落地以來，云在教育領(lǐng)域的發(fā)展便受到各國政府的高度重視。美國、法國、韓國等都將教育云作為云計(jì)算的核心應(yīng)用領(lǐng)域，先后啟動(dòng)了教育云建設(shè)計(jì)劃。美國從2009年開始大規(guī)模推行政府云建設(shè)，資助并要求各州政府在信息化預(yù)算中提出教育云方案。2011年，韓國頒布了“智能教育推進(jìn)戰(zhàn)略”，強(qiáng)調(diào)普及電子課本，推動(dòng)教育云服務(wù)。法國則啟動(dòng)了高等教育云信息項(xiàng)目，推動(dòng)云計(jì)算的應(yīng)用。我國教育部也于2012年3月發(fā)布了《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020年）》，明確提出采用云計(jì)算服務(wù)模式，形成資源配置與服務(wù)的集約化、效益化、優(yōu)質(zhì)化發(fā)展途徑，構(gòu)建穩(wěn)定可靠、低成本的國家教育云服務(wù)平臺(tái)[1]。

從技術(shù)上，云計(jì)算是分布式計(jì)算、虛擬化等傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融合與發(fā)展的產(chǎn)物，具有計(jì)算彈性化、資源池化、按需服務(wù)、服務(wù)可計(jì)量化和泛在接入等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了“互聯(lián)網(wǎng)即計(jì)算機(jī)”的構(gòu)想，用戶只需連上互聯(lián)網(wǎng)就可像使用水電一樣使用計(jì)算或存儲(chǔ)資源。從應(yīng)用上，云計(jì)算大大提高了IT 基礎(chǔ)設(shè)施、軟件和服務(wù)的經(jīng)濟(jì)性、可伸縮性、可訪問性與可擴(kuò)展性，能夠以較低的成本為企業(yè)、機(jī)構(gòu)或?qū)W校等潛在用戶提供一種新的信息化解決方案[2]。

近年來，云計(jì)算在國內(nèi)教育領(lǐng)域的應(yīng)用已非常廣泛，從國家、區(qū)域到學(xué)校等不同層面都在積極地開展教育云實(shí)踐。如以“班班通”工程建設(shè)、教育云服務(wù)平臺(tái)構(gòu)建等為代表的國家級(jí)教育云工程。在區(qū)域或?qū)W校層面，關(guān)于教育云的實(shí)踐更加多樣化，從教育私有云、公有云到混合云，從教育云IaaS層、PaaS層到SaaS層，從云課堂、云資源、云管理到云空間，在技術(shù)應(yīng)用和模式創(chuàng)新兩方面都開展了大量的工作[3][4]。

本文著眼于云計(jì)算在教育領(lǐng)域的應(yīng)用研究，結(jié)合云課堂的共性需求，提出一種基于開源技術(shù)的云課堂構(gòu)建方案，并通過技術(shù)實(shí)現(xiàn)和示范應(yīng)用來積累教育云的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也為建設(shè)本地云或校園云的潛在用戶提供參考。

二、相關(guān)開源項(xiàng)目介紹

開源軟件具有開放、靈活、安全、成本低等優(yōu)點(diǎn)，目前在云計(jì)算和教育領(lǐng)域都有多個(gè)開源項(xiàng)目可供選擇。如著名的開源云平臺(tái)就有OpenStack、CloudStack和Eucalyptus等，開源學(xué)習(xí)管理系統(tǒng)則有Sakai、Moodle和EDX等。采用開源技術(shù)來構(gòu)建教育云平臺(tái)是一種經(jīng)濟(jì)而又靈活有效的思路。為此，本文選擇了OpenStack、Hadoop、Mahout和Sakai等幾個(gè)典型開源項(xiàng)目來開展研究，具體介紹如下：

1. OpenStack

OpenStack是一個(gè)由美國國家航空航天局（NASA）和Rackspace合作研發(fā)的，以Apache許可證授權(quán)的開源云計(jì)算項(xiàng)目。Nova和Swift是該項(xiàng)目的兩個(gè)主要成員。其中，Nova是NASA開發(fā)的虛擬服務(wù)器部署和業(yè)務(wù)計(jì)算模塊，Swift是Rackspace開發(fā)的分布式云存儲(chǔ)模塊。OpenStack使任何人自行建設(shè)和提供IaaS云服務(wù)成為可能。

2. Hadoop

Hadoop是一個(gè)由Apache基金會(huì)管理的分布式處理開源軟件平臺(tái)，無需開發(fā)者了解底層分布式細(xì)節(jié)就可開發(fā)分布式應(yīng)用。HDFS和MapReduce是Hadoop的兩個(gè)核心成員。其中，HDFS是一個(gè)具有高容錯(cuò)性、可靠性和伸縮性的分布式文件系統(tǒng)，是Google文件系統(tǒng)的開源實(shí)現(xiàn)，能夠處理PB級(jí)數(shù)據(jù)。MapReduce是一種并行計(jì)算編程模型，主要操作是Map和Reduce函數(shù)。開發(fā)者只需要針對(duì)特定任務(wù)實(shí)現(xiàn)Map和Reduce兩個(gè)接口，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)TB級(jí)大數(shù)據(jù)的計(jì)算。

3. Mahout

Mahout也是Apache基金會(huì)旗下的一個(gè)開源項(xiàng)目，提供了一些易于并行化處理的數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域經(jīng)典算法的實(shí)現(xiàn)，包括聚類、分類、推薦過濾、頻繁子項(xiàng)挖掘等。由于Mahout可構(gòu)建于Hadoop之上，因此與普通開源數(shù)據(jù)挖掘軟件的最大區(qū)別是，Mahout解決了算法并行運(yùn)算的問題，能夠更高效地?cái)U(kuò)展到云中，幫助開發(fā)者更容易地構(gòu)建基于云或大數(shù)據(jù)的智能應(yīng)用。

4. Sakai

Sakai是由美國印第安納大學(xué)、密西根大學(xué)、斯坦福大學(xué)和麻省理工學(xué)院于2004年發(fā)起的一項(xiàng)開放源碼的課程與教學(xué)管理系統(tǒng)開發(fā)計(jì)劃。從功能上，Sakai是一個(gè)提供了課程管理、學(xué)習(xí)資源管理、協(xié)作學(xué)習(xí)和各類常見在線學(xué)習(xí)工具的LMS系統(tǒng)。從技術(shù)上，Sakai是一個(gè)基于JavaEE技術(shù)框架開發(fā)的Web應(yīng)用系統(tǒng)，采用微內(nèi)核、組件式、面向服務(wù)的體系架構(gòu)，每一個(gè)學(xué)習(xí)工具就是一個(gè)組件，以服務(wù)的方式向上層或第三方系統(tǒng)提供接口調(diào)用，這種架構(gòu)特點(diǎn)使Sakai具有良好的可擴(kuò)展性，易于二次開發(fā)。

三、基于開源技術(shù)的云課堂平臺(tái)體系架構(gòu)

在線課堂平臺(tái)是為支撐學(xué)生開展在線學(xué)習(xí)活動(dòng)的軟件系統(tǒng)，一直以來都是教育行業(yè)的核心業(yè)務(wù)系統(tǒng)。云課堂是在教育云和教育大數(shù)據(jù)的背景下，利用云理念和云技術(shù)打造的一種在線開放課堂。其特點(diǎn)包括：

（1）可有效利用IT資源，包括充分利用歷史遺留IT資產(chǎn)和實(shí)現(xiàn)IT資源的按需服務(wù)；

（2）可支持同時(shí)開設(shè)大規(guī)模課堂和海量用戶同時(shí)開展在線教學(xué)活動(dòng)；

（3）可利用云存儲(chǔ)技術(shù)實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)資源的統(tǒng)一存儲(chǔ)、組織、管理和訪問服務(wù)，支持學(xué)習(xí)資源的極大豐富，支持個(gè)人云存儲(chǔ)業(yè)務(wù)，如網(wǎng)盤或備課空間；endprint

（4）可利用云計(jì)算開展教育大數(shù)據(jù)分析，推動(dòng)在線學(xué)習(xí)模式和學(xué)習(xí)情景的創(chuàng)新，最終實(shí)現(xiàn)智慧課堂；

（5）可較好支持多終端接入，尤其是對(duì)于移動(dòng)學(xué)習(xí)終端，實(shí)現(xiàn)云端一體化的云課堂平臺(tái)。

1.總體思路

本文的目標(biāo)是利用開源軟件，構(gòu)建一個(gè)開放、靈活的云課堂平臺(tái)，除支持傳統(tǒng)的在線學(xué)習(xí)業(yè)務(wù)功能外，還具有上述因云計(jì)算而帶來的特點(diǎn)和能力。

按照云的三層結(jié)構(gòu)模型來設(shè)計(jì)，基本思路為：首先，在IaaS層利用OpenStack構(gòu)建一個(gè)云基礎(chǔ)設(shè)施，為所有上層服務(wù)或應(yīng)用提供虛擬機(jī)和云存儲(chǔ)服務(wù)。其次，在PaaS層利用Sakai系統(tǒng)和Hadoop/Mahout平臺(tái)來構(gòu)建云課堂的核心業(yè)務(wù)邏輯，并以服務(wù)的方式向上或?qū)ν馓峁┱{(diào)用。最后，在SaaS層，通過調(diào)用PaaS層或IaaS層的服務(wù)，實(shí)現(xiàn)面向不同類型用戶終端的云課堂視圖。

其中，IaaS層和PaaS層均采用RESTfulAPI的方式來提供服務(wù)，這種方式可保障整體架構(gòu)的簡單性與可擴(kuò)展性。同時(shí)，RESTful API的無狀態(tài)特性使PaaS層服務(wù)的負(fù)載均衡部署變得非常簡單，有利于提高架構(gòu)的可伸縮性。

2.體系結(jié)構(gòu)

綜合以上討論，基于開源技術(shù)的云課堂平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

從圖1可看出，該體系由3個(gè)云服務(wù)層加上用戶訪問終端共4部分構(gòu)成。各部分具體功能介紹如下：

（1）教育云IaaS層

作為云計(jì)算的核心服務(wù)，IaaS層主要提供硬件基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)，為用戶按需提供虛擬化的計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)等IT資源。需要強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)是，教育云IaaS層同時(shí)也可為除云課堂以外的應(yīng)用，如云管理、云空間等提供統(tǒng)一的基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)。

（2）云課堂PaaS層

在本文所提的云課堂體系中，擬通過抽象云課堂的核心業(yè)務(wù)邏輯，以服務(wù)的方式部署在PaaS層，目標(biāo)是打造成云課堂的公共服務(wù)，對(duì)上層應(yīng)用或第三方系統(tǒng)提供統(tǒng)一的PaaS級(jí)別服務(wù)。因此，對(duì)PaaS層進(jìn)行了重點(diǎn)設(shè)計(jì)。

一方面，通過提煉傳統(tǒng)在線課堂業(yè)務(wù)的共性需求，構(gòu)建云課堂的基礎(chǔ)服務(wù)，具體包括課程管理、課程資源、在線作業(yè)、課程論壇、課堂測驗(yàn)、課堂成員、課程通知、課程大綱、教學(xué)日歷、課程信息設(shè)置等。另一方面，結(jié)合云課堂面向大規(guī)模用戶的現(xiàn)實(shí)需求和未來智慧課堂的發(fā)展趨勢，有必要對(duì)在線學(xué)習(xí)過程中產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析和利用。這也屬于教育大數(shù)據(jù)的范疇，是未來云課堂的核心要素[5]。因此，本文在PaaS層設(shè)計(jì)了大數(shù)據(jù)分析引擎，提供大數(shù)據(jù)的采集、分析和可視化呈現(xiàn)等服務(wù)。

在具體實(shí)現(xiàn)上，云課堂PaaS層的基礎(chǔ)服務(wù)基于Sakai系統(tǒng)來構(gòu)建。Sakai系統(tǒng)本身具有的功能已經(jīng)囊括了大部分上述PaaS層的基礎(chǔ)服務(wù)。對(duì)于不具備的功能，可以在Sakai的技術(shù)框架下擴(kuò)展開發(fā)，或者完全自主開發(fā)。對(duì)于大數(shù)據(jù)分析引擎，可利用Hadoop和Mahout平臺(tái)的接口來實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)分析服務(wù)，數(shù)據(jù)采集和可視化呈現(xiàn)服務(wù)可自主開發(fā)。

（3）云課堂SaaS層

通過服務(wù)的聚合實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的云課堂視圖，直接面向用戶提供服務(wù)。同時(shí)，可在SaaS層為面向不同類型的用戶終端定制應(yīng)用。

（4）用戶訪問終端

云課堂支持多種學(xué)習(xí)情景和主流終端接入，包括云端教室、PC機(jī)、筆記本、Pad和手機(jī)等。

四、應(yīng)用實(shí)踐

根據(jù)以上所提的云課堂體系架構(gòu)和開源技術(shù)框架，研制了云課堂軟件平臺(tái)，開發(fā)了PC端（如圖2、圖3和圖4）和移動(dòng)手機(jī)端兩個(gè)版本（如圖5和圖6）。此外，結(jié)合華中師范大學(xué)開展學(xué)歷教育慕課教學(xué)的需求，為其定制了專門的云課堂版本，即華大云課堂，在華中師大面向全校本科生開展云課堂的應(yīng)用實(shí)踐。

截至到目前為止，華大云課堂上已開設(shè)500門以上課堂，用戶數(shù)（包括教師、學(xué)生和助教）超過1萬人。從近一年來的實(shí)際運(yùn)行情況來看，基于開源云技術(shù)架構(gòu)的華大云課堂運(yùn)行穩(wěn)定且可靠，較好地支撐了教學(xué)業(yè)務(wù)的順利開展。此外，由于云課堂在IaaS層和PaaS層所具有的高可伸縮性和高可擴(kuò)展性，使其能夠較好地滿足未來業(yè)務(wù)的擴(kuò)展和用戶規(guī)模的增長。

五、結(jié)束語

當(dāng)前眾多開源云技術(shù)的流行使學(xué)?；蛳嚓P(guān)機(jī)構(gòu)建設(shè)自己的教育云平臺(tái)變得越來越容易，本文設(shè)計(jì)了一種利用開源技術(shù)來構(gòu)建云課堂的體系架構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了軟件實(shí)現(xiàn)和展開了應(yīng)用實(shí)踐，驗(yàn)證了該體系架構(gòu)的有效性。后續(xù)隨著應(yīng)用的持續(xù)開展和業(yè)務(wù)的不斷擴(kuò)展，云課堂平臺(tái)上積累的數(shù)據(jù)會(huì)越來越豐富，這為下一階段圍繞教育大數(shù)據(jù)展開深入研究提供了平臺(tái)和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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[4]祝智庭，楊志.云技術(shù)給中國教育信息化帶來的機(jī)遇與挑戰(zhàn)[J].中國電化教育，2012（10）：1-6.

[5]Enhancing Teaching and Learning through Educational Data Mining and Learning Analytics[DB/OL].http：//www.ed.gov/edblogs/technology/files/2012/03/edm-la-brief.pdf，2012.

（編輯：王曉明）endprint