融合教育環(huán)境下基于私有云的云學(xué)習(xí)平臺模型設(shè)計

張賽男

（南京特殊教育師范學(xué)院，江蘇 南京　210038）

融合教育環(huán)境下基于私有云的云學(xué)習(xí)平臺模型設(shè)計

張賽男

（南京特殊教育師范學(xué)院，江蘇 南京210038）

文章依據(jù)云計算體系結(jié)構(gòu)，設(shè)計了私有云中IaaS，PaaS，SaaS 3個不同層次的應(yīng)用。同時，圍繞云學(xué)習(xí)“學(xué)生為主體、教師為指導(dǎo)”的核心理念，分析融合教育中殘疾學(xué)生和普通學(xué)生的共性、特性，設(shè)計云學(xué)習(xí)平臺構(gòu)架模型，以此培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性、積極性，保障學(xué)習(xí)資源和教育資源的公平性。

私有云；云學(xué)習(xí)；虛擬化技術(shù)；融合教育

云計算技術(shù)日新月異的發(fā)展，使得人們可以隨時隨地直接通過網(wǎng)絡(luò)獲取軟件、存儲、計算、通訊等資源，其“整合調(diào)配、資源共享”的優(yōu)勢逐漸改變著人們的思維方式，由此衍生而來的“云學(xué)習(xí)”將為高等教育教學(xué)模式帶來一場變革，促使高校教育信息化進(jìn)一步發(fā)展，使個性化教育成為可能。

1　私有云和云學(xué)習(xí)

“云計算”（Cloud Computing），是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的計算方式，由云基礎(chǔ)設(shè)施、云存儲、云平臺和云服務(wù)部分組成，通過分布式計算、分布式存儲、并行計算及虛擬化等技術(shù)［1］，分別提供基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（Infrastructure as a Service，IaaS）、平臺即服務(wù)（Platform as a Service，PAAS）和軟件即服務(wù)（Software as a Service，SaaS）［2］，計算機(jī)或其他設(shè)備借此按需共享軟硬件資源和信息，其核心理念即為“資源集中、共享和重分配”。企事業(yè)單位構(gòu)建私有云既可整合現(xiàn)有資源、提高設(shè)備利用率、提升服務(wù)質(zhì)量，又可提高數(shù)據(jù)中心的安全性、可控性和可靠性，同時具備鮮明的單位特性。

目前，國內(nèi)已有相當(dāng)數(shù)量的高等院校開始構(gòu)建私有云，利用云存儲、云計算來輔助教學(xué)，隨之產(chǎn)生的這種面向未來的、全新的學(xué)習(xí)方式，被稱之為“云學(xué)習(xí)”（C-Learning）。它囊括了信息化學(xué)習(xí)、泛在學(xué)習(xí)和移動學(xué)習(xí)等相關(guān)概念，通過構(gòu)建個性化的學(xué)習(xí)環(huán)境來有效地服務(wù)于“教與學(xué)”，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動性，充分體現(xiàn)了“以學(xué)習(xí)者為根本、以學(xué)習(xí)任務(wù)為標(biāo)桿、以協(xié)作學(xué)習(xí)為形式、以共享資源為核心”的理念，致力于終身學(xué)習(xí)和學(xué)習(xí)型社會的構(gòu)建［3］。

2　云學(xué)習(xí)平臺設(shè)計方案

2.1總體架構(gòu)

云學(xué)習(xí)平臺以云計算的體系結(jié)構(gòu)為依據(jù)，設(shè)計IaaS，PaaS，SaaS等3個不同層次的應(yīng)用。

最底層IaaS層（即云基礎(chǔ)設(shè)施層）是云服務(wù)的基石，利用虛擬化技術(shù)將SCSI存儲、服務(wù)器、防火墻等物理硬件抽象為虛擬的基礎(chǔ)設(shè)施，向用戶提供靈活、統(tǒng)一的云基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)接口，提升服務(wù)性能、降低維護(hù)成本。云學(xué)習(xí)平臺中IaaS層向上層提供網(wǎng)絡(luò)、云主機(jī)、云存儲、操作系統(tǒng)等資源，校內(nèi)用戶可自行部署、運(yùn)行應(yīng)用和存儲數(shù)據(jù)，無需考慮硬件部署情況，虛擬化資源將直接按需供應(yīng)。

PaaS層（即云平臺層），是私有云的調(diào)度中心，具備整合不同種類服務(wù)的能力，它將軟件運(yùn)行平臺作為一種服務(wù)。就分層架構(gòu)而言，一方面，PaaS層通過監(jiān)控云基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)行情況，有效地整合網(wǎng)絡(luò)資源、存儲資源和計算資源，并根據(jù)用戶的需求考量私有云基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)的能力，通過云基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)接口調(diào)用IaaS層硬件資源；另一方面，PaaS層向SaaS層提供各種業(yè)務(wù)服務(wù)，是一種分布式平臺。云學(xué)習(xí)平臺PaaS層提供數(shù)據(jù)存儲、彈性計算、負(fù)載均衡、虛擬監(jiān)控等基礎(chǔ)服務(wù)的同時，還將整個開發(fā)環(huán)境作為一個服務(wù)提供給用戶，用戶完成應(yīng)用業(yè)務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計、開發(fā)和調(diào)試后，可遠(yuǎn)程接入并部署系統(tǒng)到此平臺，后期交與云數(shù)據(jù)中心專業(yè)人員管理。此外，PaaS層提供統(tǒng)一身份認(rèn)證、教學(xué)資源管理、智能導(dǎo)學(xué)、手語庫管理、學(xué)習(xí)進(jìn)度監(jiān)控管理等業(yè)務(wù)服務(wù)，提高資源利用率、可管理性。

SaaS層（即云服務(wù)層）實(shí)現(xiàn)在應(yīng)用軟件層，向用戶提供各種軟件服務(wù)。在此案例中校園用戶可通過手機(jī)，PAD，PC等終端設(shè)備中的Web瀏覽器使用云學(xué)習(xí)平臺，進(jìn)行自主學(xué)習(xí)、碎片化學(xué)習(xí)、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)、資源管理、學(xué)教評價等活動。

2.2功能模塊設(shè)計

2.2.1審計中心

審計中心由統(tǒng)一身份認(rèn)證、分級權(quán)限管理、學(xué)習(xí)進(jìn)度監(jiān)控、學(xué)教評價、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)備份、數(shù)據(jù)挖掘和分析、系統(tǒng)管理與配置等模塊組成，用戶的指令、查詢信息的反饋均可通過Web界面發(fā)送或顯示。隨著校園用戶、各業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)量的不斷增加，云數(shù)據(jù)中心的規(guī)模也將逐漸擴(kuò)大，僅用單點(diǎn)服務(wù)器作為審計中心，其性能無法滿足可持續(xù)發(fā)展的需求。故審計中心必須具備動態(tài)的擴(kuò)展功能，利用數(shù)據(jù)庫分布式的架構(gòu)和vSphere集群的分布式資源調(diào)度（Distributed Resource Scheduler，DRS）、高可用性（High Availability，HA）功能以緩解其負(fù)載壓力。

審計中心共設(shè)4個數(shù)據(jù)庫：公共數(shù)據(jù)庫，負(fù)責(zé)存儲校園用戶、課程等基本信息，由校園門戶、教務(wù)等系統(tǒng)通過接口推送至此數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動更新；系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)管理員通過Web客戶端進(jìn)行系統(tǒng)配置，并將其相關(guān)的數(shù)據(jù)存儲至此數(shù)據(jù)庫；學(xué)習(xí)進(jìn)度數(shù)據(jù)庫，負(fù)責(zé)存儲學(xué)生自主學(xué)習(xí)教學(xué)資源和課程任務(wù)完成進(jìn)度的數(shù)據(jù)；學(xué)教評價數(shù)據(jù)庫，負(fù)責(zé)存儲云學(xué)習(xí)過程中學(xué)生評教和教師評學(xué)的數(shù)據(jù)。與此同時，云學(xué)習(xí)平臺審計中心利用vSphere集群的VDP功能將更新數(shù)據(jù)備份至存儲器中，并向校園用戶提供快速查詢功能。

2.2.2資源中心

資源中心由教學(xué)資源管理、手語庫管理和題庫管理3個模塊組成。根據(jù)系統(tǒng)功能，資源中心賦予各級用戶不同的權(quán)限，以此保障資源質(zhì)量和系統(tǒng)的安全性。系統(tǒng)管理員對云學(xué)習(xí)平臺各數(shù)據(jù)庫具備完整的控制權(quán)，可遠(yuǎn)程接入虛擬機(jī)或以Web瀏覽器的方式對資源中心的數(shù)據(jù)庫實(shí)施管理和維護(hù)；課程管理員即各學(xué)科的教研室主任，在資源中心主要負(fù)責(zé)資源評審，確保資源高品質(zhì)呈現(xiàn)；教師負(fù)責(zé)微課、大規(guī)模在線開放課程（Massive Open Online Courses，MOOC），講義、試題等資源的制作或收集、上傳和管理；學(xué)生則可通過Web瀏覽器登錄云學(xué)習(xí)平臺，檢索、在線學(xué)習(xí)或下載相關(guān)的資源。

2.2.3教學(xué)中心

教學(xué)中心涵蓋了教與學(xué)兩方面，分別由活動管理、在線測試、在線答疑、智能導(dǎo)學(xué)、讀屏輔助（手語在線翻譯、語音檢索）等模塊組成。

（1）活動管理。支持教師課前發(fā)布任務(wù)，以及學(xué)生對于任務(wù)執(zhí)行情況的監(jiān)控，主要包括分組管理和任務(wù)管理。

（2）在線測試。包括組卷指標(biāo)管理、試卷管理、分組管理、測試管理。支持教師根據(jù)教學(xué)進(jìn)度、測驗(yàn)質(zhì)量指標(biāo)自動組卷，監(jiān)控學(xué)生階段性的學(xué)習(xí)情況，適時調(diào)整教學(xué)策略；支持學(xué)生自行組卷測驗(yàn)，幫助學(xué)生了解其知識漏洞，調(diào)整其學(xué)習(xí)策略；支持系統(tǒng)自動統(tǒng)計測試的結(jié)果，計算各題的信度、效度、難度和區(qū)分度并反饋至題庫數(shù)據(jù)庫相關(guān)表的字段中；支持系統(tǒng)將個人的測試結(jié)果反饋給智能導(dǎo)學(xué)模塊，以便該模塊結(jié)合其他因素形成合理的學(xué)習(xí)策略調(diào)整建議。

（3）在線答疑。包括常見問題管理、論壇管理。支持常見問題的智能答疑以及師生之間實(shí)時交流互動，幫助學(xué)生及時解決疑問。

（4）智能導(dǎo)學(xué)。系統(tǒng)支持根據(jù)任務(wù)執(zhí)行情況、在線測試成績，了解學(xué)生自主學(xué)習(xí)參與度、知識漏洞，深層次挖掘?qū)W生“興趣點(diǎn)”，形成并反饋合理的建議，幫助學(xué)生調(diào)整學(xué)習(xí)策略，實(shí)現(xiàn)個性化指導(dǎo)。

（5）讀屏輔助。所謂融合教育，即指學(xué)校提供所有的教育和相關(guān)服務(wù)措施，殘疾學(xué)生和普通學(xué)生在同一教學(xué)環(huán)境中進(jìn)行生活學(xué)習(xí)，使特殊教育和普通教育融為一體［4］。由于生理缺陷，視障學(xué)生無法準(zhǔn)確檢索并獲取數(shù)字教學(xué)資源；同一時間段內(nèi)，聽障學(xué)生無法快速獲取文字信息，并與普通學(xué)生保證一致的學(xué)習(xí)進(jìn)度。他們在進(jìn)行云學(xué)習(xí)時必將遭遇學(xué)習(xí)瓶頸。該模塊主要包括手語在線翻譯和語音檢索，支持視障學(xué)生通過語音檢索模塊自主獲取教學(xué)資源，支持系統(tǒng)自動將文字或語音通過智能Agent翻譯成手語反饋給聽障學(xué)生。

2.2.4虛擬實(shí)驗(yàn)中心

鑒于高校實(shí)驗(yàn)室在教學(xué)科研方面的重要性，構(gòu)建一個不受時空、經(jīng)費(fèi)限制的虛擬實(shí)驗(yàn)室，不僅解決了資金、管理的問題，同時提升了實(shí)踐教學(xué)的質(zhì)量。該模塊支持三維多功能動態(tài)演示實(shí)踐課程教學(xué)內(nèi)容，突破時空的限制，方便學(xué)生復(fù)習(xí)；支持學(xué)生通過虛擬桌面技術(shù)或遠(yuǎn)程接入技術(shù)完成軟件類、硬件支持網(wǎng)絡(luò)訪問的實(shí)驗(yàn)。

3　結(jié)語

本文“以云計算技術(shù)為基礎(chǔ)、以融合教育為教學(xué)環(huán)境”來設(shè)計并構(gòu)建云學(xué)習(xí)平臺。利用虛擬化技術(shù)將物理硬件抽象為虛擬的基礎(chǔ)設(shè)施，屏蔽底層硬件、軟件部署的復(fù)雜性，向校園用戶提供云存儲、云計算等服務(wù)；通過搭建vSphere集群，利用其HA，DRS，垂直數(shù)據(jù)處理（Vertical Data Processing，VDP）等功能，統(tǒng)一管理、動態(tài)分配資源池中虛擬化資源。為落實(shí)云學(xué)習(xí)“學(xué)生為主體、教師為指導(dǎo)”的核心理念，合理設(shè)計教學(xué)中心和審計中心，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性、積極性。鑒于殘疾學(xué)生和普通學(xué)生的共性、個性，增設(shè)人性化設(shè)計，如虛擬實(shí)驗(yàn)室，語音檢索、手語翻譯等，為所有校園用戶提供服務(wù)。融合教育環(huán)境下的私有云學(xué)習(xí)平臺對于保障學(xué)習(xí)資源和教育資源的公平性、培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)獨(dú)立性和合作意識，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

［1］Kathy Grise.Cloud Computing［EB/OL］.（2016-09-12）［2007-10-12］.http： //en.wikipedia.org/wiki/Cloud_computing.

［2］王桂平.云環(huán)境下面向可信的虛擬機(jī)異常檢測關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.重慶：重慶大學(xué)，2015.

［3］錢丹.基于私有云的高校云共享模式研究［J］.中國電化教育，2013（5）：29-32.

［4］周滿生.關(guān)于“融合教育”的幾點(diǎn)思考［J］.教育研究，2014（2）：151-153.

Design of Cloud learning platform model based on private Cloud in inclusive education environment

Zhang Sainan
（Nanjing Normal University of Special Education， Nanjing 210038， China）

According to Cloud computing structure， this paper designed a private computing with three different layers of application such as IaaS， PaaS and SaaS. Meanwhile， the generalities and characteristic of the disable students and the ordinary ones are analyzed based on the core of “students are orientation， teachers are guidance”. The analysis is used to design the model of Cloud-learning platform，which can not only help cultivate learning autonomy and motivation for students to learn， but also guarantee the fairness of learning and educational resources.

private cloud； cloud-learning； virtualization technology； inclusive education

張賽男（1982— ），女，江蘇常州，碩士，工程師；研究方向：教育技術(shù)學(xué)，云計算。