基于云計算的Moodle科研教學支持系統(tǒng)的設計與開發(fā)

趙莉

(信陽農(nóng)林學院 信息工程學院，河南 信陽 464000)

云計算作為一種新興的研究領(lǐng)域，近年來在教育領(lǐng)域中倍受研究者的青睞，運用云計算技術(shù)整合高校資源，為教育信息技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新應用及資源共享提供解決途徑。云計算與開源教育云的同步發(fā)展，為新一代開源軟件教育互聯(lián)網(wǎng)化的推廣應用提供了新的契機。云計算的IaaS(Inf restructure-as-a-Service,基礎設施即服務)、SaaS( Software-as-a-Service,即軟件即服務)、PaaS(Platform-as-a-Servi ce,平臺即是服務)等以“一切皆服務”為核心理念，這些理念都與Moodle(Modular Object-Oriented Dynamic Learning Environment)開源軟件提倡的免費開源、自由分享并按實際使用量多少付費的觀點不謀而合，而Moodle免費開放、相容性高、技術(shù)門檻低等優(yōu)勢被認為是教學平臺設計的首選[1]。本文利用云計算技術(shù)與Moodle的功能優(yōu)勢，搭建云計算服務的Moodle科研教學支持系統(tǒng)的總體功能設計。通過教學平臺的功能結(jié)構(gòu)設計、科研平臺的功能結(jié)構(gòu)設計、互動平臺的功能結(jié)構(gòu)設計、學習平臺的功能結(jié)構(gòu)和管理平臺的功能結(jié)構(gòu)設計等，實現(xiàn)高校間的教學科研信息資源共享、同行及師生間的探討互動、學習進度跟蹤、成績查詢等多種功能。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析

云計算(cloud computing)是分布式處理、并行處理和網(wǎng)格計算的發(fā)展和延伸，是基于互聯(lián)網(wǎng)服務的增加、使用和交付模式，以虛擬化和資源池方式提供IT資源服務[1]。

隨著云計算技術(shù)的日趨成熟，國外已有很多大學將云計算服務引入到校園網(wǎng)的應用中，如Google 和 IBM 聯(lián)合宣布在教育領(lǐng)域推廣“云計算計劃”；美國格雷漢姆小學的桌面云；日本明治大學的云計算平臺；新加坡教育部的云計算平臺等[2]。與此同時，許多高校借助世界上最流行的Moodle開源免費網(wǎng)絡課程管理系統(tǒng)輔助教學。目前Moodle系統(tǒng)被迅速推廣且不斷升級，已發(fā)展到電腦版 V3.5版本，并形成自己的社群。由于Moodle易于使用模塊化的結(jié)構(gòu)設計而且其本身是開放源碼自由軟件，目前支持上百種不同的語言版本，適合于不同國家不同語種的教師學習與使用，因此很快在世界各地的教育機構(gòu)流傳開來并作為教學管理軟件開發(fā)的平臺。根據(jù)官方網(wǎng)站(http://moodle.org)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，全世界200多個國家的注冊使用機構(gòu)達到67,000多所，用戶數(shù)量達到了5,800萬，運行的課程600多萬門[3]?？梢?，在國外基于云計算服務下的Moodle系統(tǒng)應用非常廣泛。

在國內(nèi)，云計算的起步相對較晚，2007年才開始嘗試。隨著云計算對各個研究領(lǐng)域的不斷滲透和人們對云計算技術(shù)的深入探究，云計算在教育領(lǐng)域的應用倍受關(guān)注。作為一種新的服務模式，2008年12月上海師范大學的黎加厚教授首次提出了“云計算輔助教學”(CCAI)。2013年教育部發(fā)布“國家教育云”，計劃實現(xiàn)九百所院校五百萬師生受益，倡導優(yōu)質(zhì)資源共建共享的重大舉措[4]。而Moodle的研究是在2006年后才在國內(nèi)逐漸得到重視，因發(fā)展現(xiàn)狀受到地方經(jīng)濟及教育觀念的限制，研究機構(gòu)主要以高校為主，如上海師范大學、華東師范大學和哈爾濱工業(yè)大學等。根據(jù)中國知網(wǎng)(CNKI)的數(shù)據(jù)檢索統(tǒng)計得知，截至2018年10月，發(fā)表國內(nèi)期刊云計算輔助教學的相關(guān)文章為3922篇，而基于云計算服務Moodle系統(tǒng)輔助教學的文章僅有883篇[5]。不可否認的是，我國的云計算教育應用尚處于初級階段，對基于云計算服務的Moodle系統(tǒng)的研究更是屈指可數(shù)。

2 云計算技術(shù)與Moodle平臺融合

2.1 Moodle的介紹

Moodle(中文名為魔燈)是免費的開放源代碼課程管理軟件。它遵守GPL(GNU Public License)協(xié)議，這給Moodle帶來了無窮的活力，吸引了大批的開發(fā)者。用戶可以在不更改原有協(xié)議和版權(quán)的前提下，進行自由復制和增修Moodle，也讓使用者之間能夠收放自如地彼此交流資源。Moodle系統(tǒng)可以在任何支持PHP(Hypertext Preprocessor)的計算機上運作，Unix，Linux，Windows，Mac OS X，Xetware等系統(tǒng)都可以正常的執(zhí)行。Moodle系統(tǒng)同時支持多種類型的數(shù)據(jù)庫，特別是以MySQL和PostgreSQL資料庫系統(tǒng)為最佳的選擇，如在Oracle，Access，Interbase，ODBC和其他的資料庫系統(tǒng)也能以正常的執(zhí)行[6]。與其它的管理系統(tǒng)相比，Moodle不僅可以管理內(nèi)容元件，還可以有針對性地進行特殊的教育訓練設計，記錄學習者的學習軌跡，讓老師們更深入了解學生的學習現(xiàn)狀。Moodle系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 Moodle系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 Moodle的開發(fā)環(huán)境與技術(shù)

Moodle自身及其使用的主要組件以及運行環(huán)境均為一種基于開放源代碼OSS(Open Source Software)軟件，而OSS軟件通常沒有說明文檔和技術(shù)支持。因此Moodle采用PHP腳本語言編寫動態(tài)網(wǎng)站程序， HTTP服務器軟件Apache或IIS需安裝PHP，Linux，Windows Server,Mac OS均可支持。本系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境選擇了Windows操作系統(tǒng)、MySQL數(shù)據(jù)庫、PHP語言等開發(fā)環(huán)境，見表1所示。

表1 Moodle運行環(huán)境

Windows 是一種多用戶操作系統(tǒng)，對硬件要求不高。根據(jù)Moodle對工作環(huán)境的要求，在Windows操作系統(tǒng)下安裝Moodle，更能發(fā)揮其優(yōu)勢。PHP是一種通用開源腳本HTML 內(nèi)嵌式的語言，其獨特的語法混合了C語言、Java和Perl的特點，可以執(zhí)行加密編譯后優(yōu)化代碼運行，速度更快，利于學習，運用廣泛，適用于Web開發(fā)領(lǐng)域，整合了各主流的服務器環(huán)境，支持MySQL、Oracle、微軟IIS、Tomcat等數(shù)據(jù)庫軟件。HTTP服務器軟件Apache 與IIS類似，都屬于Web服務器軟件。Apache簡單、速度快、容易擴展、性能比較穩(wěn)定，也可作為代理服務器來使用，并可以在所有計算機操作系統(tǒng)上運行[7]。

2.3 云計算技術(shù)融合Moodle平臺實施科研教學的可行性

從學生角度分析：不受時空限制的學習方式，突破時間和空間的限制，可以在任何時間、地點訪問。學生的學習安排較為自由，可以自主選擇有針對性的教學模塊組織學習，如遇到困難也可以利用文字或視頻等方式與老師、同學產(chǎn)生交流互動，充分發(fā)揮學生的自主能力和創(chuàng)新意識。

從學校角度分析：降低學校教育資源建設的成本，師生只要擁有上網(wǎng)的終端設備，通過瀏覽器就可以享受教育服務。有利于將信息資源上傳或存儲在云服務器上，便于師生實現(xiàn)信息資源共享，無需擔心病毒入侵，保證了師生的數(shù)據(jù)安全。

借助Moodle系統(tǒng)，促進科研引領(lǐng)教學，通過高水平科研提高教學質(zhì)量。利用“云”的廣域性和Moodle系統(tǒng)完美的融合將是應用信息化教學促進教育均衡發(fā)展的趨勢，能有效地改善高?？蒲薪虒W資源建設現(xiàn)狀，為基于云計算Moodle平臺的科研教學服務提供范例。

3 云計算服務下Moodle科研教學支持系統(tǒng)的總體設計

3.1 云計算服務下Moodle支持系統(tǒng)的建模分析

圖2云計算服務下Moodle支持系統(tǒng)建模

云計算服務下的Moodle支持系統(tǒng)分為：科研空間、教學空間、學習空間、互動空間和管理空間五大功能結(jié)構(gòu)。教師既可以引導學生學習又可以與同行、學生交流互動；學生既能獨立學習專業(yè)課程又能與同學互幫互助協(xié)力完成某一主題任務；而管理員則負責管理各個空間的資源分布及數(shù)據(jù)安全。各個部分相互作用相互聯(lián)系，形成了一個完整的系統(tǒng)，如圖2所示。

3.2 云計算服務下基于Moodle的支持系統(tǒng)架構(gòu)

在云計算中，通過編程模型和平臺管理等技術(shù)將分布在全國各地大規(guī)模服務器群虛擬成一個云計算服務資源池，用戶只需將手中的終端設備連接到互聯(lián)網(wǎng)上，就可以隨時隨地不受時空限制自由享受云端資源池的信息資源，實現(xiàn)動態(tài)的、可伸縮的擴展，按需提供資源，依據(jù)使用量多少支付費用，無需關(guān)心具體的硬件設施及其關(guān)聯(lián)管理。

基于云計算Moodle的資源共享平臺的系統(tǒng)構(gòu)架是在B/S(Browser/Server，瀏覽器/服務器體系結(jié)構(gòu))結(jié)構(gòu)的基礎上，結(jié)合云計算技術(shù)的特點而設計的。B/S結(jié)構(gòu)是C/S結(jié)構(gòu)改進后的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)模式，由于借助于網(wǎng)絡，B/S實現(xiàn)管理維護集中快捷、用戶使用簡單、跨平臺使用等優(yōu)勢。但隨著信息資源的深度開發(fā)，單臺服務器能承載的處理能力和帶寬有限，很難滿足大量用戶的并發(fā)訪問及高并發(fā)請求[8]。因此，本課題考慮到云計算技術(shù)的先進性，將Moodle架設在云計算上，借助PaaS的優(yōu)勢，利用Apache反向代理機制，將計算資源的虛擬化進行在線遷移。當一個服務器繁忙時，可以通過負載均衡策略，將繁忙的虛擬機實例遷移到另一個空閑服務器上，保持了負載均衡。實驗表明，讓大量用戶并發(fā)訪問平均分配到每臺服務器上，在保證數(shù)據(jù)資源安全的同時提供了高效的科學計算處理能力，提高了系統(tǒng)的訪問速度。

4 基于云計算Moodle科研教學支持系統(tǒng)的功能模塊

高校是教學和科研的重要基地，是培養(yǎng)人才的重要場所，科技的發(fā)展是推動地方經(jīng)濟發(fā)展的重要力量，也是衡量高校辦學能力和辦學水平的一項重要指標。針對傳統(tǒng)教學中存在的問題，將云計算技術(shù)和Moodle的功能特點相結(jié)合，擬合構(gòu)建云計算服務與Moodle平臺科研教學支持系統(tǒng)的功能模塊設計。該支持系統(tǒng)由科研、教學、學習、互動和管理五大平臺組成，各平臺間相互聯(lián)系相互作用，平臺的功能架構(gòu)，如圖3所示。

圖3 云計算Moodle科研教學平臺的功能架構(gòu)

科研平臺是高校創(chuàng)新體系的重要組成部分，是培養(yǎng)和提高教師隊伍的學術(shù)水平、培養(yǎng)創(chuàng)新人才、促進學科的交叉融合與發(fā)展、開展學術(shù)交流活動的重要基地。主要從事學術(shù)交流、主題研究、協(xié)助探討及科研成果推廣等。

教學平臺主要是教師利用平臺功能開展教學實踐，實現(xiàn)線上即時互動課堂，線下的教學資源收集和師資信息技術(shù)培訓，實現(xiàn)線上線下無縫對接。主要包括教學設計管理、資源庫管理、教學手段及工具、教學評價反饋等功能。

學習平臺應用于學生參與各種學習活動并記錄學習軌跡，如作業(yè)提交、課程測試、獨立探索和小組討論等，實現(xiàn)師生和生生間的交流互動、成果評價、學習進度查看、學習效果總結(jié)、成果經(jīng)驗共享、實驗實訓的完成等功能。

互動平臺功能強大，主要是為教學科研的交流協(xié)作提供的師生間、生生間、同行間進行交流、討論、協(xié)助的場所，具有聊天、專題討論、討論區(qū)、WIKI、作業(yè)討論等交互功能?；悠脚_可以增進師生間、生生間的情感交融。

管理平臺是以管理員身份負責平臺的全面管理工作，擁有最高的編輯、管理權(quán)限。具有確認用戶的申請、站點首頁的設置、賦予或取消教師的權(quán)限、課程資源的備份與恢復、修改系統(tǒng)的配置、更新用戶信息、數(shù)據(jù)資源安全和建設運行維護等功能。管理平臺主要分為平臺界面管理、用戶賬號管理、功能模塊管理和系統(tǒng)安全管理。

基于云計算Moodle系統(tǒng)的資源共享學習模式，是借助云計算提供的優(yōu)質(zhì)資源共享平臺，大力推動校級協(xié)作學習和遠程協(xié)作學習的開展。讓師生更容易地共享上傳材料、軟件及學習主題內(nèi)容，以分享交流的方式進行協(xié)作學習，充分發(fā)揮群體智慧。實施在線編輯、評論和共享，鼓勵師生之間、生生之間的互動，盡情享受云計算帶來的方便。

5 總結(jié)

運用云計算技術(shù)整合高校資源，首先可以減少在IT 基礎設施上的重復投資，為高校節(jié)約硬件購置、軟件更新的成本，彌補實驗設備匱乏，解決存儲資源不足問題；其次借助云計算Moodle系統(tǒng)，實現(xiàn)各國、各地之間的教學科研信息資源的共享，提供校內(nèi)各部門之間的數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)更新、同行及師生間的探討互動、學習進度跟蹤、成績效果查詢等多種功能；最后促進高校科研引領(lǐng)教學，探究教與學的過程及教與學資源的設計、開發(fā)、利用、管理和評價，打破時空限制和推動個人自主學習，同時方便高校教學平臺管理，有利于促進科研與教學互動，通過高水平科學研究提高教學質(zhì)量。