基于云計(jì)算的區(qū)域教育信息化建設(shè)模型和應(yīng)用研究

摘要：闡述云計(jì)算技術(shù)的相關(guān)概念和特點(diǎn)，分析我國(guó)區(qū)域教育資源存在的問(wèn)題，提出結(jié)合云計(jì)算技術(shù)的強(qiáng)大而先進(jìn)的應(yīng)用，探討基于云計(jì)算的區(qū)域教育信息建設(shè)模型和應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：區(qū)域教育；云計(jì)算；信息化建設(shè)；資源整合

0 引 言

《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020年）》中指出，要建成天地網(wǎng)全覆蓋、網(wǎng)絡(luò)寬帶接入、綠色安全的教育信息化服務(wù)平臺(tái)，明確以教育信息化為導(dǎo)向，帶動(dòng)教學(xué)的現(xiàn)代化；建立通及城鄉(xiāng)、覆蓋各級(jí)各類教育，人人都能接受教育的信息化服務(wù)體系；建立學(xué)習(xí)型社會(huì)和消除教育不公平的服務(wù)保障體系；實(shí)現(xiàn)校校通寬帶，班班可上網(wǎng)，家家似學(xué)校，人人有終端的信息化教學(xué)環(huán)境?！耙?guī)劃”為開(kāi)展云計(jì)算在區(qū)域教育信息化中的研究和應(yīng)用指明了方向。

1 區(qū)域教育資源的特征分析及存在的問(wèn)題

1.1 教育資源分布不均衡且無(wú)法實(shí)現(xiàn)共享

我國(guó)不同區(qū)域、不同學(xué)校之間教育資源分布不均衡，資源共享程度有限，且無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效整合。偏遠(yuǎn)、新建和農(nóng)村中的學(xué)校，因資金來(lái)源有限，往往面臨著設(shè)備陳舊、師資不足的現(xiàn)狀，特別是已有設(shè)備的維護(hù)和軟件更新無(wú)法得到保障，基礎(chǔ)設(shè)施利用率低，導(dǎo)致教學(xué)中所需各類軟件的正常運(yùn)行受到影響，這給信息化教學(xué)帶來(lái)很大的困難。知名、重點(diǎn)和城市中的學(xué)校因資金來(lái)源廣，投入較多，且有更好的師資和教學(xué)設(shè)備等，可以確保正常的教學(xué)和科研工作的展開(kāi)，進(jìn)一步加劇了教育不公平現(xiàn)象的發(fā)生。

1.2 教育資源重復(fù)建設(shè)且使用效率低

當(dāng)前教育資源大多采用集中式的建設(shè)，以教育行政部門(mén)、學(xué)校為單位考慮教育資源的建設(shè)和資金的投入，從而強(qiáng)化了教育行政部門(mén)和學(xué)校各自為政配置教育資源的現(xiàn)象，導(dǎo)致了教育資金的重復(fù)投入和資源的重復(fù)建設(shè)等問(wèn)題。特別是受限于技術(shù)、管理及政策，各區(qū)域各學(xué)校間的教育資源缺乏有效的共享模式和方法，現(xiàn)有資源之間缺乏有效的互聯(lián)互通機(jī)制，協(xié)作困難，資源整合難度大，實(shí)際使用率低。

1.3 教育資源建設(shè)與教學(xué)需求不吻合

鑒于當(dāng)前資源主要以行政采購(gòu)配置為主，由教育主管部門(mén)、學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)決策。供應(yīng)商一般以資源生產(chǎn)商和第三方資源開(kāi)發(fā)商為主，很少有使用部門(mén)的親自參與研發(fā)，特別是資源的使用主體——學(xué)生與教師很少能參與其中，這使教育資源出現(xiàn)了“建和用”的分離。教育主管部門(mén)、資源供應(yīng)和開(kāi)發(fā)商缺乏對(duì)一線實(shí)踐教學(xué)情況的了解，特別是對(duì)師生個(gè)性化需求的不了解，導(dǎo)致重金投入的教育資源不能滿足實(shí)際教學(xué)的需要，一方面造成資源的閑置浪費(fèi)，另一方面導(dǎo)致教學(xué)資源2c0ce12cbe801c904302a83f97fccc2f不夠用的現(xiàn)象。

因此，非常有必要引入一種集技術(shù)、管理、運(yùn)營(yíng)于一體的全新服務(wù)模式來(lái)解決這些問(wèn)題，建立與用戶需求相適應(yīng)的現(xiàn)代教育服務(wù)模式。云技術(shù)的出現(xiàn)為教育信息化的建設(shè)注入了一劑強(qiáng)心劑。

2 云計(jì)算對(duì)區(qū)域教育信息化建設(shè)的支撐

2.1 云計(jì)算的概念

云計(jì)算是指IT基礎(chǔ)設(shè)施和服務(wù)交付使用的新模式，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)以按需使用、易于擴(kuò)展的方式狀得所需的軟硬件資源和信息化服務(wù)?！霸啤本妥愦嬖谟诰W(wǎng)絡(luò)服務(wù)器集群中的資源，用戶通過(guò)瀏覽器，發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求給云服務(wù)中心，就會(huì)有成千上萬(wàn)的服務(wù)器為你提供服務(wù)，所有的處理都由云數(shù)據(jù)中心來(lái)完成，并將結(jié)果返回給用戶。用戶可以無(wú)限制獲取云中的資源，按量付費(fèi)，動(dòng)態(tài)擴(kuò)腱，就像日常生活中使用水電、煤氣一樣使用IT資源。

2.2 云計(jì)算在區(qū)域教育信息化中的服務(wù)模式

云計(jì)算是并行處理、分布式計(jì)算和網(wǎng)格技術(shù)等進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物，它能夠向網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供符種軟硬件基礎(chǔ)設(shè)施、平臺(tái)開(kāi)發(fā)和數(shù)據(jù)處理等服務(wù)。

目前云汁算服務(wù)按類型主要有3種模式。

2.2.1 基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（Infrastructure as aService，laaS）

IaaS為用戶提供教學(xué)所需的虛擬服務(wù)器、存儲(chǔ)器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等底層的硬件設(shè)施，這種硬件設(shè)施能根據(jù)用戶的教學(xué)需要?jiǎng)討B(tài)伸縮，以滿足用戶的實(shí)際需要。用戶可以在云端快速地使用虛擬設(shè)備運(yùn)行程序，模擬教學(xué)和科研，儲(chǔ)存數(shù)據(jù)和進(jìn)行其他的教業(yè)務(wù)等。即使高峰時(shí)需海量的數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)和帶寬能力，也可動(dòng)態(tài)提供。如聯(lián)想公司的網(wǎng)盤(pán)和亞馬遜公司的EC2就是云硬件設(shè)施應(yīng)用的實(shí)例。

2.2.2 平臺(tái)即服務(wù)（Platform as a Service，PaaS）

PaaS是一種無(wú)需下載或安裝就能將私人計(jì)算機(jī)中的資源轉(zhuǎn)移至網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳送操作系統(tǒng)和相關(guān)服務(wù)的模式。PaaS可讓用戶不需在本地計(jì)算機(jī)上安裝集成開(kāi)發(fā)環(huán)境和應(yīng)用軟件，就可以直接使用云中提供的軟件，讓自己想要的系統(tǒng)在線運(yùn)行，或在平臺(tái)上定制開(kāi)發(fā)自已的應(yīng)用程序，并通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳遞給其他用戶。用戶琮可快速把自己的教學(xué)業(yè)務(wù)流程和想法應(yīng)用到云系統(tǒng)中去，從而大大提高教學(xué)效率和執(zhí)行力。如在線的安卓系統(tǒng)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境等就是典型的應(yīng)用實(shí)例

2.2.3 軟件即服務(wù)（Software as a Service，SaaS）

SaaS是將軟件部署為托管服務(wù)，并通過(guò)云提供給客戶的交互模式，是一種通過(guò)在線淵川的專業(yè)化軟件。云服務(wù)商負(fù)責(zé)對(duì)軟件應(yīng)用能力進(jìn)行管理，以滿足用戶的需求，用戶小必關(guān)心軟件對(duì)具體硬件設(shè)施的要求或軟件結(jié)構(gòu)，也無(wú)需在本地安裝軟件和建立自己的數(shù)據(jù)中心，只需通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)即可使用。如在線文檔編輯軟件就足典型的SaaS應(yīng)用實(shí)例。

區(qū)域教育云可以是IaaS、PaaS、SaaS的任意一種或多種的組合體，目的都是為用戶提供按需使用，根據(jù)學(xué)習(xí)情況隨時(shí)申請(qǐng)、動(dòng)態(tài)擴(kuò)展、便于使用的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用服務(wù)。

3 區(qū)域教育信息化的云服務(wù)模型架構(gòu)建沒(méi)

3.1 基于云計(jì)算的區(qū)域教育信息化邏輯應(yīng)用架構(gòu)建設(shè)模型

基于云計(jì)算的區(qū)域教育信息化建設(shè)系統(tǒng)屬于云技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，其總體架構(gòu)包括云教育資源自動(dòng)采集中心、云教育資源編目中心、云分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心、云個(gè)性化綜合服務(wù)平臺(tái)，以及擴(kuò)展性很強(qiáng)的云用戶學(xué)習(xí)端和云資源采集端，各部件之問(wèn)均通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接傳輸數(shù)據(jù)。圖1為區(qū)域教育信息化建設(shè)系統(tǒng)總體框架圖。

云資源自動(dòng)采集中心采用嵌入式軟硬件和云管理軟件，對(duì)來(lái)自不同領(lǐng)域、不同格式的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)采集，對(duì)采集的數(shù)據(jù)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸至加工中心作進(jìn)一步處理。云資源編目中心也采用嵌入式的軟硬件和云管理軟件，對(duì)加工之后的數(shù)據(jù)進(jìn)行編日，編目之后的精簡(jiǎn)優(yōu)質(zhì)分類數(shù)據(jù)網(wǎng)傳至云分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心。云分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心采用海量的存儲(chǔ)設(shè)備，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類管理和存儲(chǔ)以及備份。云個(gè)性化綜合云應(yīng)用平臺(tái)則應(yīng)用前臺(tái)和后臺(tái)的軟硬件，為用戶提供各類人性化的云服務(wù)。

3.1.1 教育資源的自動(dòng)采集和加工

云教育平臺(tái)的資源自動(dòng)采集中心采集來(lái)自不同方面、不同地區(qū)、不同類別等各類資源的原始數(shù)據(jù)，通過(guò)云教育資源加工平臺(tái)，進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃統(tǒng)一編號(hào)，統(tǒng)一加工，統(tǒng)一語(yǔ)義，統(tǒng)一模式等，以此將解決海量資源的多源異質(zhì)、數(shù)據(jù)冗余、不完整、不精確等問(wèn)題，以滿足云存儲(chǔ)和云應(yīng)用的需要，最后獲得不同分類、精確、完整、富含語(yǔ)義特征、覆蓋原始數(shù)據(jù)特征的優(yōu)質(zhì)精簡(jiǎn)教育資源，為后期資源進(jìn)一步采集、存儲(chǔ)、處理、應(yīng)用做準(zhǔn)備。

3.1.2 云教育資源的編目與分布式存儲(chǔ)

通過(guò)資源加要之后獲得的資源，分布存儲(chǔ)于不同級(jí)別的資源站點(diǎn)，使用云存儲(chǔ)技術(shù)存至網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中，也可采用分級(jí)分層的云存儲(chǔ)技術(shù)保存數(shù)據(jù)資源，形成一個(gè)以地域范圍為單位的區(qū)域云分布式教育資源網(wǎng)，其中部分公共的資源存儲(chǔ)在公有云上，各單位比較私隱和敏感的資源則可以保存到私有云上。資源編目中心以云方式，在不同的資源站點(diǎn)運(yùn)行云代理采集資源服務(wù)，將不同站點(diǎn)的精簡(jiǎn)優(yōu)質(zhì)資源的編目索引采集至資源編目中心，同時(shí)保留相應(yīng)的分類數(shù)據(jù)資源至數(shù)據(jù)分布式存儲(chǔ)中心存儲(chǔ)和備份，以防數(shù)據(jù)災(zāi)難，云安全中心負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的安全管理。云端不同的代理采集與資源索引服務(wù)，可在不同時(shí)刻，根據(jù)不同網(wǎng)絡(luò)資源的使用情況，分時(shí)靈活無(wú)差錯(cuò)地運(yùn)行。

3.1.3 云個(gè)性化綜合服務(wù)平臺(tái)

云個(gè)性化綜合服務(wù)平臺(tái)包含云應(yīng)用前臺(tái)服務(wù)和云物理層后臺(tái)服務(wù)，其中云應(yīng)用前臺(tái)服務(wù)提供人性化的服務(wù)，提供統(tǒng)一而靈活的通用用戶接口，用戶通過(guò)智能手機(jī)等移動(dòng)終端設(shè)備登錄并和Web界面進(jìn)行交互，利用云應(yīng)用前臺(tái)相應(yīng)的服務(wù)菜單，可以定制個(gè)性化的資源需求和對(duì)獲取的結(jié)果進(jìn)行反饋。云應(yīng)用前臺(tái)對(duì)用戶的需求和反饋生成一系列的指令，發(fā)至云物理層后臺(tái)服務(wù)器，繼而通過(guò)云計(jì)算中心的云資源池獲取用戶的需求，并提供相應(yīng)的服務(wù)，最后通過(guò)云管理軟件對(duì)賬戶進(jìn)行管理，包括計(jì)時(shí)和計(jì)費(fèi)信息。

3.1.4 云用戶端

基于云計(jì)算的區(qū)域教育信息化建設(shè)系統(tǒng)，可以使用戶在具備網(wǎng)絡(luò)的情況下，使用終端設(shè)備登錄系統(tǒng)，按需按量地使用學(xué)習(xí)資源；還能根據(jù)自己的需要定制個(gè)性化的服務(wù)，做到不受時(shí)空限制，人性化、便利化、智能化地使用云中的資源進(jìn)行學(xué)習(xí)和研究。

3.2 基于云計(jì)算的區(qū)域教育信息化平臺(tái)架構(gòu)建設(shè)模型

根據(jù)云計(jì)算的相關(guān)技術(shù)和區(qū)域教育信息化的特點(diǎn)，我們提出了區(qū)域教育云服務(wù)體系架構(gòu)（如圖2所示）。從業(yè)務(wù)構(gòu)成的角度，該架構(gòu)由物理層、數(shù)據(jù)資源層、加工處理層、應(yīng)用層和服務(wù)層構(gòu)成。

3.2.1 物理層

為云教育服務(wù)平臺(tái)提供相關(guān)的物理資源，如虛擬機(jī)、存儲(chǔ)備份沒(méi)備、服務(wù)器、云終端I/O設(shè)備等。輔助性地使用各類云管理軟件，將各類相關(guān)的物理資源連接到網(wǎng)絡(luò)中，為數(shù)據(jù)資源層提供硬件支持。

3.2.2 數(shù)據(jù)資源層

為教育平臺(tái)提供云教育資源服務(wù)調(diào)度中使用的各類數(shù)據(jù)資源，包括教學(xué)資源、用戶信息以及云管理軟件等，為區(qū)域教育信息化平臺(tái)提供相關(guān)數(shù)據(jù)調(diào)度、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)處理與計(jì)算服務(wù)等

3.2.3 加工處理層

負(fù)責(zé)區(qū)域教育信息化平臺(tái)中的各類業(yè)務(wù)和各項(xiàng)數(shù)據(jù)的處理，從而實(shí)現(xiàn)教育資源的共享及相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)資源的整合工作，包括數(shù)據(jù)檢索服務(wù)、數(shù)據(jù)交換服務(wù)、數(shù)據(jù)資源調(diào)度與配置、相關(guān)數(shù)據(jù)的計(jì)算與處理、個(gè)性化平臺(tái)的組建等基礎(chǔ)性服務(wù)。

3.2.4 應(yīng)用層

提供云教育服務(wù)的各種應(yīng)用，包括云教與學(xué)、在線考試、師生互動(dòng)、云教育資源管理、云教育資源發(fā)布管理、用戶管理等?？偟膩?lái)說(shuō)，包括云教育資源提供者、云教育服務(wù)供應(yīng)商、云教育資源使用者三類大用戶的各類應(yīng)用和服務(wù)

3.2.5 服務(wù)層

根據(jù)用戶的個(gè)性化需要，結(jié)合教育資源信息服務(wù)目錄，提供便利性、智能化的服務(wù)選擇，按需租用教育資源及其他各類信息化服務(wù)，

3.3 基于云計(jì)算的區(qū)域教育信息化服務(wù)構(gòu)架建設(shè)模型

整個(gè)云服務(wù)中心基礎(chǔ)設(shè)備針對(duì)教育資源應(yīng)用提供虛擬的云計(jì)算服務(wù)，云服務(wù)中心部署運(yùn)行于供應(yīng)商或服務(wù)商的分布式服務(wù)器集群中，軟硬件可選性能比較可靠的成熟型產(chǎn)品，以確保系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。圖3為云服務(wù)中心基礎(chǔ)設(shè)備部署圖。

3.3.1 云服務(wù)平臺(tái)I/O端接入服務(wù)

云服務(wù)平臺(tái)I/O端接入服務(wù)是整個(gè)服務(wù)中心的接人點(diǎn)，通過(guò)接收終端設(shè)備發(fā)送的Web虛擬機(jī)操作請(qǐng)求，并將請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)給下一接受服務(wù)的設(shè)備進(jìn)行處理。

3.3.2 虛擬集群化管理系統(tǒng)

虛擬集群化管理系統(tǒng)運(yùn)行于云服務(wù)中心后臺(tái)，通過(guò)微軟公司的powershell等來(lái)管理和配置云服務(wù)中心的軟硬件設(shè)備和虛擬的計(jì)算資源

3.3.3 虛擬機(jī)映像和管理用戶

虛擬機(jī)映像和管理用戶端通過(guò)Web網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求與前端云服務(wù)中心進(jìn)行通信，運(yùn)用相應(yīng)的云管理軟硬件，來(lái)分配和管理用戶對(duì)虛擬機(jī)資源的請(qǐng)求。虛擬機(jī)映像和管理用戶端部署在云服務(wù)中心前端，接入服務(wù)去生成相關(guān)的虛擬機(jī)映像；當(dāng)云服務(wù)中心前端收到虛擬機(jī)資源的請(qǐng)求后，虛擬機(jī)映像和用戶端會(huì)被前端接人請(qǐng)求喚醒。用戶發(fā)送Web請(qǐng)求至虛擬機(jī)和管理用戶端服務(wù)器，虛擬機(jī)資源庫(kù)將獲得虛擬機(jī)映像，使得虛擬集群化管理系統(tǒng)響應(yīng)，用戶就可使用虛擬機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的事務(wù)操作。

3.3.4 虛擬計(jì)算機(jī)池

虛擬計(jì)算機(jī)指通過(guò)軟件模擬的具有完整硬件系統(tǒng)功能，運(yùn)行在一個(gè)完全隔離環(huán)境中的完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，在虛擬計(jì)算機(jī)池里面部署了大量的虛擬機(jī)，對(duì)于一些部件不完整的計(jì)算機(jī)，可利用其他部件或別的機(jī)器的可共用部分，構(gòu)成一個(gè)可以獨(dú)立且功能完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，以便對(duì)大量復(fù)雜的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、計(jì)算，并提供海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)服務(wù)。

3.3.5 物理計(jì)算機(jī)池（服務(wù)器集群）

服務(wù)器群集是一組各自獨(dú)立的服務(wù)器，它們組合在一起，提供一個(gè)用于承載教育信息化服務(wù)的高可用性平臺(tái)，可以對(duì)云計(jì)算中心的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與維護(hù)，為數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與備份，資源的配置與獲取等提供相應(yīng)服務(wù)；也可對(duì)數(shù)據(jù)的可用性、可管理性、可伸縮性等進(jìn)行管理，通常包括分布式計(jì)算機(jī)服務(wù)器、存儲(chǔ)服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器（如SQL Server、Oracle）、郵件和協(xié)作服務(wù)器，以及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)服務(wù)器（如在線計(jì)算服務(wù)器）等。

4 結(jié)語(yǔ)

基于云計(jì)算的區(qū)域教育信息化建設(shè)模型，有助于緩解我國(guó)區(qū)域教育信息化發(fā)展的瓶頸，破解教育資源分配不平衡、師資不足的難題，解決教育資源更新速度慢和共享程度低等問(wèn)題，從而提高我國(guó)教育信息化發(fā)展的整體水平。通過(guò)區(qū)域教育信息化平臺(tái)，師生能方便、快捷、廉價(jià)地獲取所需的教學(xué)信息。要想真正實(shí)現(xiàn)云計(jì)算環(huán)境下的區(qū)域教育信息化，除了最關(guān)鍵的技術(shù)問(wèn)題外，還需政府部門(mén)給予相關(guān)的政策支持和社會(huì)關(guān)注，健全職能管理機(jī)構(gòu)，增加人財(cái)物等的投入。