云計(jì)算支持下的在線作業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

(閩江學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心，福建 福州 350108)

0 引 言

隨著互聯(lián)網(wǎng)+教育的不斷深入，在線教學(xué)不斷地改變著學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)方式。無(wú)論是成熟的在線教育平臺(tái)，還是近幾年得到廣泛應(yīng)用的MOOC教學(xué)平臺(tái)[1]，都促進(jìn)了師生之間的教學(xué)互動(dòng)，也在一定程度上改善非面對(duì)面教學(xué)的效果。但此類平臺(tái)中的在線作業(yè)系統(tǒng)普遍存在一些不足，第一，僅能提交作業(yè)結(jié)果性文件，無(wú)法記錄作業(yè)操作過(guò)程，尤其是計(jì)算機(jī)操作類的題目；第二，因?qū)W科差異，提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告的方式，局限性較大，無(wú)法還原作業(yè)操作過(guò)程；第三，教師評(píng)價(jià)時(shí)僅能看到結(jié)果性文件，作業(yè)的真實(shí)性難以保證[2]，無(wú)法對(duì)其學(xué)習(xí)者作業(yè)操作過(guò)程做出評(píng)價(jià)[3]；第四，學(xué)科專業(yè)軟件成本高，學(xué)習(xí)者無(wú)法在自己計(jì)算機(jī)中安裝。

為解決傳統(tǒng)在線作業(yè)系統(tǒng)中存在的上述不足，結(jié)合應(yīng)用較為廣泛的在線教育平臺(tái)，研究在云計(jì)算[4～5]環(huán)境下搭建支持學(xué)習(xí)者在線作業(yè)、教師在線批閱的系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)和研究基于云計(jì)算的、可記錄學(xué)習(xí)者作業(yè)操作過(guò)程的在線作業(yè)系統(tǒng)。

1 在線作業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思想

目前大多數(shù)的在線教育平臺(tái)都涵蓋了在線作業(yè)模塊，作業(yè)模塊中主要的題型包括單項(xiàng)選擇題、不定項(xiàng)選擇題、判斷題、填空題等客觀題。而對(duì)于操作題，通常采用的方式是提交實(shí)驗(yàn)室操作步驟或提交最終的結(jié)果文件，這種提交作業(yè)的方式容易出現(xiàn)學(xué)習(xí)者之間相互拷貝作業(yè)的問(wèn)題，也無(wú)法再現(xiàn)學(xué)習(xí)者作業(yè)操作過(guò)程。設(shè)計(jì)的在線作業(yè)系統(tǒng)，旨在通過(guò)云計(jì)算技術(shù)，設(shè)計(jì)出一種可以記錄并回放學(xué)習(xí)者作業(yè)操作過(guò)程的、支持教師對(duì)作業(yè)操作過(guò)程進(jìn)行評(píng)價(jià)的系統(tǒng)。

如圖1，該在線作業(yè)系統(tǒng)包括云桌面服務(wù)器、跳板服務(wù)器和WEB服務(wù)器。學(xué)習(xí)者通過(guò)跳板服務(wù)器連接到云桌面服務(wù)器，跳板服務(wù)器記錄學(xué)習(xí)者在云桌面的所有操作并保存成錄像文件。教師通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)WEB服務(wù)器，回放已保存在數(shù)據(jù)中心的錄像文件。跳板服務(wù)器包括遠(yuǎn)程桌面協(xié)議中轉(zhuǎn)模塊、操作記錄模塊；云桌面服務(wù)器包括云桌面管理模塊；WEB服務(wù)器包括用戶認(rèn)證模塊、作業(yè)管理模塊、作業(yè)批閱模塊。

(1)依托現(xiàn)有在線教育平臺(tái)

閩江學(xué)院THEOL在線教育平臺(tái)[6]已上線運(yùn)行多年，期間做過(guò)多次的系統(tǒng)升級(jí)，目前版本為7.1，支持高等教育教與學(xué)的網(wǎng)絡(luò)支撐平臺(tái)。其功能模塊“課程作業(yè)”是教師使用較為頻繁的一個(gè)功能，它包含作業(yè)模板、作業(yè)管理及統(tǒng)計(jì)分析等功能。教師首先在“作業(yè)模板管理”欄目中建立作業(yè)模板，然后再通過(guò)“作業(yè)模板”來(lái)向?qū)W習(xí)者布置作業(yè)，并支持設(shè)定作業(yè)是否開(kāi)放、是否允許多次提交、提交作業(yè)截止時(shí)間等。

依托于現(xiàn)有在線教育平臺(tái)實(shí)現(xiàn)課程管理、用戶管理、作業(yè)管理等功能，能夠最大程度地保留用戶習(xí)慣，實(shí)現(xiàn)課程、用戶等各種數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，并節(jié)約在線作業(yè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)成本。

(2)單點(diǎn)登錄SSO[7]

在計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)中，為了安全保障需要，通常的做法是讓用戶預(yù)先注冊(cè)ID和對(duì)應(yīng)的口令。當(dāng)新增信息系統(tǒng)時(shí)，用戶需要使用新系統(tǒng)就必須先注冊(cè)ID和對(duì)應(yīng)口令。由于各系統(tǒng)之間是相互獨(dú)立的，導(dǎo)致用戶需要記住多套ID和口令，給用戶帶來(lái)極大的不便。于是一種單點(diǎn)登錄的協(xié)議應(yīng)運(yùn)而生，用戶只需要記住一套ID和口令，即可使用各信息系統(tǒng)所提供的服務(wù)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)框架

在線作業(yè)系統(tǒng)作為在線教育平臺(tái)中的一個(gè)功能，如圖2，包含教師作業(yè)管理、學(xué)習(xí)者作業(yè)管理以及云桌面管理。其中教師作業(yè)管理的功能，主要包括作業(yè)布置、作業(yè)回放、作業(yè)批閱、作業(yè)評(píng)價(jià)；學(xué)習(xí)者作業(yè)管理的功能，主要包括完成作業(yè)、作業(yè)回放、查看結(jié)果；云桌面管理的功能，包括云桌面的分配與銷毀、作業(yè)過(guò)程記錄、作業(yè)過(guò)程錄像存儲(chǔ)等。

在線作業(yè)系統(tǒng)的基本操作步驟為：

(1)教師登錄

教師通過(guò)用戶名、密碼登錄WEB服務(wù)器，服務(wù)器驗(yàn)證成功后，根據(jù)權(quán)限呈現(xiàn)“作業(yè)管理”界面。

(2)教師布置作業(yè)

教師進(jìn)入“作業(yè)管理”功能模塊，布置一個(gè)新的作業(yè)，該作業(yè)可設(shè)置是否需要記錄作業(yè)過(guò)程。

(3)學(xué)習(xí)者完成作業(yè)

學(xué)習(xí)者通過(guò)用戶名、密碼登錄WEB服務(wù)器，進(jìn)入“作業(yè)管理”功能模塊，點(diǎn)擊進(jìn)入教師布置的作業(yè)。云桌面管理系統(tǒng)自動(dòng)為該學(xué)習(xí)者分配云桌面，并進(jìn)入該學(xué)習(xí)者學(xué)號(hào)對(duì)應(yīng)賬戶的作業(yè)操作環(huán)境，系統(tǒng)自動(dòng)記錄下學(xué)習(xí)者在該環(huán)境中的所有操作并保存成錄像文件。當(dāng)學(xué)習(xí)都完成作業(yè)并退出后，自動(dòng)銷毀云桌面，回收資源。

(4)教師批閱作業(yè)

當(dāng)提交作業(yè)的時(shí)間截止后，教師進(jìn)入“批閱管理”功能模塊，教師可回放學(xué)習(xí)者作業(yè)操作過(guò)程，并提供不同倍率的回放，非常方便批改作業(yè)并對(duì)學(xué)習(xí)者作業(yè)操作過(guò)程進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖2 系統(tǒng)功能模塊

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 統(tǒng)一身份認(rèn)證

學(xué)校信息門戶已將在線教育平臺(tái)、辦公自動(dòng)化系統(tǒng)、教務(wù)管理系統(tǒng)、人事管理系統(tǒng)等各應(yīng)用系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)一次登錄即可訪問(wèn)各系統(tǒng)平臺(tái)的資源。文中所述的單點(diǎn)登錄也基于統(tǒng)一身份認(rèn)證平臺(tái)，通過(guò)統(tǒng)一身份認(rèn)證平臺(tái)提供的認(rèn)證接口讀取用戶身份、讀取用戶屬性、讀取用戶分類(組)信息。并且支持會(huì)話管理，通過(guò)在應(yīng)用之間傳遞會(huì)話令牌，支持單點(diǎn)登錄(SSO)[8]。

2.2 云計(jì)算平臺(tái)

云計(jì)算平臺(tái)是在線作業(yè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，為學(xué)習(xí)者提供完成作業(yè)的環(huán)境和作業(yè)操作過(guò)程的錄像、存儲(chǔ)等服務(wù)。在文中，云計(jì)算平臺(tái)主要指通過(guò)虛擬化技術(shù)，為每位學(xué)習(xí)者提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的作業(yè)操作環(huán)境，包含操作系統(tǒng)、作業(yè)軟件等。當(dāng)學(xué)習(xí)者完成作業(yè)后，云計(jì)算平臺(tái)負(fù)責(zé)資源的銷毀與回收工作。

2.3 過(guò)程錄制與回放

系統(tǒng)將安全領(lǐng)域的堡壘機(jī)應(yīng)用于在線作業(yè)系統(tǒng)中，采用開(kāi)源的TELEPORT[9]堡壘機(jī)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)云計(jì)算平臺(tái)的訪問(wèn)并記錄學(xué)習(xí)者作業(yè)操作過(guò)程。該系統(tǒng)具有小巧、易用、易于集成的特點(diǎn)，支持RDP、SSH等協(xié)議的跳轉(zhuǎn)。通過(guò)該系統(tǒng)間接訪問(wèn)云計(jì)算平臺(tái)中的資源，做到學(xué)習(xí)者只需一次登錄信息門戶，即可一鍵連接該學(xué)習(xí)者具有權(quán)限的云端作業(yè)環(huán)境。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中最主要的困難在于如何實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)者對(duì)云端主機(jī)的控制?，F(xiàn)有的技術(shù)解決方案主要有兩種：一種是在學(xué)習(xí)者計(jì)算機(jī)中安裝客戶端，另一種是使用HTML5技術(shù)在WEB瀏覽器實(shí)現(xiàn)。通過(guò)對(duì)兩種技術(shù)的深入研究與對(duì)比，前者兼容性較好但安裝需安裝客戶端軟件，后者無(wú)需安裝客戶端但對(duì)瀏覽器的兼容性較差?？紤]到目前瀏覽器對(duì)HTML5支持的差異，權(quán)衡利弊本系統(tǒng)最終采用第一種解決方案。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)案例

所設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)應(yīng)用于閩江學(xué)院在線教育平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)作業(yè)操作過(guò)程記錄與回放、評(píng)價(jià)等功能擴(kuò)展。在線教育平臺(tái)是一個(gè)典型的數(shù)字化學(xué)習(xí)平臺(tái)，它實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)者網(wǎng)上學(xué)習(xí)，教師網(wǎng)上教學(xué)，以及實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)者與教師溝通與交流。其中教學(xué)活動(dòng)中的課程作業(yè)功能是文中關(guān)注的重點(diǎn)，它可以根據(jù)登錄的不同角色顯示不同內(nèi)容，例如“課程作業(yè)”功能，對(duì)于教師顯示為布置作業(yè)、批閱作業(yè)，如圖3；對(duì)于學(xué)習(xí)者則顯示需要完成的作業(yè)數(shù)量、已批閱作業(yè)和歷史的作業(yè)的統(tǒng)計(jì)信息等。

圖3 作業(yè)管理

3.2 服務(wù)端

系統(tǒng)的跳板服務(wù)器和WEB服務(wù)器部署于我校網(wǎng)絡(luò)中心機(jī)房，操作系統(tǒng)為Cent OS 7.1。服務(wù)器端Teleport Core Server是跳板核心服務(wù)，負(fù)責(zé)RDP、SSH等協(xié)議的代理和作業(yè)操作過(guò)程記錄等功能，啟動(dòng)后默認(rèn)監(jiān)聽(tīng)52189、52089、52389端口；Teleport Web Server服務(wù)是基于Python語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的WEB操作界面，負(fù)責(zé)主機(jī)管理、分組管理和日志管理等功能，啟動(dòng)后默認(rèn)監(jiān)聽(tīng)7190端口。

如圖4，是管理員的WEB管理界面，其主要功能是主機(jī)管理、用戶管理，以及系統(tǒng)配置等。

圖4 WEB管理

3.3 WEB端

學(xué)習(xí)者先安裝TELEPORT助手來(lái)輔助遠(yuǎn)程連接，從而通過(guò)跳板服務(wù)器代理RDP、SSH協(xié)議，并實(shí)現(xiàn)對(duì)作業(yè)操作過(guò)程的記錄。學(xué)習(xí)者點(diǎn)擊“RDP”按鈕，打開(kāi)助手連接至云端作業(yè)環(huán)境，并根據(jù)題目要求開(kāi)始完成作業(yè)，學(xué)習(xí)者在云端作業(yè)環(huán)境中的所有操作過(guò)程都將被記錄。

教師在系統(tǒng)中通過(guò)錄像查詢查看學(xué)習(xí)者完成作業(yè)的過(guò)程錄像記錄，包括學(xué)號(hào)、開(kāi)始時(shí)間、耗時(shí)等信息，如圖5所示。點(diǎn)擊“錄像查看”按鈕，即可打開(kāi)錄像播放器回放該記錄，并提供2X、4X、8X倍率的回放。如圖6，教師通過(guò)回放窗口清楚地看到學(xué)習(xí)者對(duì)Access軟件的操作過(guò)程，并對(duì)學(xué)習(xí)者完成作業(yè)的熟練程度做出評(píng)價(jià)。

圖5 錄像查詢

圖6 回放窗口

3.4 效果分析

Access數(shù)據(jù)庫(kù)是一門面向非計(jì)算機(jī)專業(yè)的本科生的基礎(chǔ)課程，課程要求學(xué)生熟悉掌握Access軟件的操作，課程結(jié)束后參加福建省高校計(jì)算機(jī)應(yīng)用水平等級(jí)考試。故選取本校大二選修該課程的其中1個(gè)班級(jí)，共55人采用該系統(tǒng)布置作業(yè)，開(kāi)展為期1個(gè)學(xué)期的試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，教師可掌握學(xué)生作業(yè)過(guò)程的情況，并給予學(xué)生有針對(duì)性的指導(dǎo)與評(píng)價(jià)，達(dá)到教學(xué)實(shí)踐應(yīng)用的要求。從學(xué)生參加二級(jí)考試的成績(jī)與同年級(jí)其它班級(jí)對(duì)比來(lái)看，采用該系統(tǒng)可明顯提高學(xué)生二級(jí)考試操作類題目的成績(jī)，考試通過(guò)率達(dá)95%以上。

4 結(jié) 語(yǔ)

設(shè)計(jì)與研究的可記錄作業(yè)操作過(guò)程的在線作業(yè)系統(tǒng)，具有作業(yè)管理、批閱管理、云計(jì)算資源分配與管理、遠(yuǎn)程訪問(wèn)協(xié)議代理、作業(yè)操作過(guò)程錄制、存儲(chǔ)與回放等功能，解決了傳統(tǒng)在線作業(yè)系統(tǒng)的缺點(diǎn)。第一，使作業(yè)系統(tǒng)可以詳細(xì)記錄學(xué)習(xí)者作業(yè)操作過(guò)程，這對(duì)于計(jì)算機(jī)操作類的題目非常有效，如了解學(xué)生作業(yè)用時(shí)、重復(fù)做題、自我修正及疑難解決等過(guò)程，有助于教師更好地分析學(xué)生學(xué)習(xí)情況，合理調(diào)整教學(xué)，指導(dǎo)學(xué)生實(shí)際操作，提高教學(xué)質(zhì)量；第二，教師除對(duì)結(jié)果文件進(jìn)行評(píng)價(jià)外，還可以對(duì)學(xué)習(xí)者作業(yè)操作過(guò)程進(jìn)行評(píng)價(jià)，例如教師可對(duì)學(xué)生知識(shí)熟練程度、操作速度等方面進(jìn)行評(píng)價(jià)；第三，將學(xué)科專業(yè)軟件部署于云端，使成本更低更易于維護(hù)。

當(dāng)然，該系統(tǒng)也存在一些不足，例如學(xué)習(xí)者必須安裝客戶端才能連接云端作業(yè)環(huán)境、學(xué)習(xí)者完成作業(yè)后管理員需要手動(dòng)銷毀并回收計(jì)算資源。這將再后續(xù)的工作中不斷完善。