云計(jì)算技術(shù)在教育信息管理平臺(tái)的設(shè)計(jì)應(yīng)用

肖 瑋

（1.中南大學(xué)，長沙 410083；2.湖南省教育廳信息中心，長沙 410021）

0 引言

近年來，教育信息化建設(shè)是我國教育改革的重點(diǎn)工作內(nèi)容之一，主要是將教育相關(guān)資源信息以數(shù)字化信息的方式進(jìn)行保存和訪問，目的是推動(dòng)教育資源實(shí)現(xiàn)便捷、安全和共享發(fā)展，平衡各地區(qū)教育資源，實(shí)現(xiàn)全國范圍內(nèi)教育水平和教學(xué)質(zhì)量的全面提升。教育信息化建設(shè)之初，因?yàn)橘Y源分配不均勻而導(dǎo)致部分地區(qū)教育發(fā)展出現(xiàn)不平衡現(xiàn)象，致使一部分學(xué)校在信息化建設(shè)方面出現(xiàn)了技術(shù)落后和資源匱乏問題，而云計(jì)算技術(shù)的誕生使得教育信息化建設(shè)出現(xiàn)的這類問題迎刃而解，通過開發(fā)教育云平臺(tái)，可以保證各地獲得相同的教育資源，為信息化教育改革的平衡性和共享性發(fā)展提供巨大的技術(shù)支撐。本文通過深入探討基于云計(jì)算技術(shù)的教育信息管理平臺(tái)的設(shè)計(jì)，旨在為教育信息管理平臺(tái)項(xiàng)目建設(shè)工作提供參考性建議。

1 相關(guān)技術(shù)介紹

1.1 云計(jì)算技術(shù)

云計(jì)算技術(shù)是一種分布式處理、并行處理、網(wǎng)格計(jì)算的發(fā)展概念，屬于分布式計(jì)算技術(shù)的一種，可以將龐大的計(jì)算程序拆分成無數(shù)個(gè)小程序，再由多個(gè)服務(wù)器并行處理得到計(jì)算結(jié)果，強(qiáng)大的云計(jì)算平臺(tái)可以在數(shù)秒內(nèi)完成數(shù)以千萬計(jì)的信息計(jì)算處理，提供強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。本文設(shè)計(jì)的教育信息管理平臺(tái)涉及教育課程資源、視頻資源、師生信息資源、資源分配等多種數(shù)據(jù)和程序，需要云計(jì)算技術(shù)幫助完成資源整合、資源存儲(chǔ)和資源調(diào)度，也只有云計(jì)算技術(shù)才能夠高效完成以上任務(wù)。云計(jì)算技術(shù)具有超大規(guī)模、高擴(kuò)展性、虛擬化、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，能夠幫助配置教育信息服務(wù)平臺(tái)，形成穩(wěn)定化、集約化、可靠、低成本的運(yùn)營體系。云計(jì)算技術(shù)主要包括以下幾個(gè)方向。

1.1.1 虛擬機(jī)技術(shù)

虛擬機(jī)是構(gòu)建云計(jì)算底層架構(gòu)的重要基石，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的抽象，能夠同時(shí)連接多個(gè)硬件設(shè)備，以達(dá)到提高算力的根本目的。虛擬化軟件可以通過在硬件上安裝宿主操作系統(tǒng)，來完成多個(gè)虛擬機(jī)間的隔離與合作任務(wù)，能夠有效實(shí)現(xiàn)資源的分配、調(diào)度和管理。

1.1.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)

云計(jì)算的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需要同時(shí)滿足大量用戶的需求并提供相應(yīng)服務(wù)，因此其存儲(chǔ)技術(shù)需要具備分布式、高吞吐率和高傳輸率的特點(diǎn)。

1.1.3 分布式編程計(jì)算

云計(jì)算的分布式編程計(jì)算模型十分簡單，對(duì)編程人員和后臺(tái)管理人員實(shí)現(xiàn)了功能透明，以方便其能夠執(zhí)行復(fù)雜的并行計(jì)算方案，為用戶帶來輕松的計(jì)算服務(wù)體驗(yàn)并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的目的。

1.1.4 業(yè)務(wù)接口

云計(jì)算需要實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)IT 系統(tǒng)向云計(jì)算平臺(tái)的遷移，為了保證業(yè)務(wù)一致，需要提供統(tǒng)一的業(yè)務(wù)接口，使得遷移工作更加容易且安全，目前SOA 架構(gòu)、WebService 特征的業(yè)務(wù)模式是主流發(fā)展路線。

1.2 B/S架構(gòu)

B/S 架構(gòu)是一種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模式，即瀏覽器/服務(wù)器模式，主要的目的是用戶不需下載客戶端，只需通過登錄瀏覽器相應(yīng)網(wǎng)址，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)服務(wù)器的訪問，其中服務(wù)器端安裝有數(shù)據(jù)庫、云計(jì)算模塊和其他的服務(wù)模塊，用戶可以通過瀏覽器完成資源的調(diào)度。B/S 架構(gòu)目前發(fā)展為三層架構(gòu)即瀏覽器—Web 服務(wù)器—數(shù)據(jù)庫服務(wù)器模式：第一層為瀏覽器，可以實(shí)現(xiàn)簡單的輸入輸出功能，不參與過多的事務(wù)邏輯處理，面向大范圍用戶，界面設(shè)計(jì)簡潔通用；第二層為Web 服務(wù)器，主要涉及信息傳送與邏輯處理功能，屬于數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)站；第三層為數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，主要存放大量的數(shù)據(jù)，并且與第二層相連，收到請(qǐng)求后會(huì)提供相應(yīng)的返回結(jié)果。B/S架構(gòu)開發(fā)成本低、維護(hù)方便、分布性強(qiáng)，可以很好地與云計(jì)算技術(shù)相結(jié)合，也是本文教育信息管理平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)的首選方案。

2 教育信息管理平臺(tái)設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)

教育信息管理平臺(tái)的設(shè)計(jì)，技術(shù)方案只是其中一部分，教育行業(yè)特點(diǎn)是需要思考的另一部分，在平臺(tái)設(shè)計(jì)的過程中，面臨的挑戰(zhàn)也有很多。

2.1 訪問時(shí)間集中化

教育行業(yè)呈現(xiàn)的特點(diǎn)是集中教學(xué)和分段教學(xué)，學(xué)生僅有的使用平臺(tái)的時(shí)間一般為課余時(shí)間，因此這段時(shí)間平臺(tái)系統(tǒng)會(huì)收到大量用戶訪問的數(shù)據(jù)請(qǐng)求，需要平臺(tái)的性能可以滿足要求。有集中工作時(shí)間，就會(huì)有閑置時(shí)間，當(dāng)系統(tǒng)處于閑置時(shí)間時(shí)，如果還是投入較大的資源供應(yīng)，無疑會(huì)造成運(yùn)營成本的增加，所以如何平衡資源分配是設(shè)計(jì)平臺(tái)面臨的重要挑戰(zhàn)。

2.2 數(shù)據(jù)冗余

云計(jì)算平臺(tái)的核心目的是集各地的教育資源于一身，并提供統(tǒng)一的資源調(diào)度服務(wù)，因此在項(xiàng)目上線之初必定會(huì)收到來自各地的教育資源的提交，由于各地交流不足，可能會(huì)將重復(fù)性資源存入平臺(tái)數(shù)據(jù)庫中，造成平臺(tái)存儲(chǔ)空間的浪費(fèi)；當(dāng)初期集中收集整理資源結(jié)束后，后期對(duì)待其他零散的教育資源的存儲(chǔ)，也需要能夠分辨出冗余數(shù)據(jù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，所以如何將冗余程度減少到最低也是面臨的重要挑戰(zhàn)。

2.3 權(quán)限管理

云計(jì)算平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)必須要考慮到的問題是如何分配管理人員的權(quán)限。不同的用戶身份必須提供不同的使用權(quán)限，如教育管理人員、校長、主任、教師、學(xué)生，這些人員的權(quán)限等級(jí)不同，可以接觸到的平臺(tái)功能也會(huì)不同，這樣才不會(huì)出現(xiàn)管理混亂的現(xiàn)象。

2.4 信息安全

信息安全是最為重要的一件事，傳統(tǒng)的教育信息平臺(tái)主要存在于各地線下，因此信息資源的保存和防護(hù)僅考慮線下即可，數(shù)據(jù)保存方式包括硬盤存儲(chǔ)、多份備份，數(shù)據(jù)防護(hù)方式包括庫房防火、防盜、數(shù)據(jù)防誤刪和數(shù)據(jù)恢復(fù)。而基于云計(jì)算的教育信息管理平臺(tái)則是處于線上，對(duì)信息安全管理的重視程度自然要上升一個(gè)等級(jí)，除了前面提到的方法，還要考慮到服務(wù)器數(shù)據(jù)庫安全，這些多數(shù)是公共資源信息安全的防護(hù)。另外，教育信息管理平臺(tái)還可能涉及用戶的私人信息存儲(chǔ)安全，比如教師的私人教案、學(xué)生的私人筆記等，平臺(tái)應(yīng)該提供個(gè)性化私人存儲(chǔ)空間，并且避免通過公共途徑檢索到這些私人內(nèi)容。

3 教育信息管理平臺(tái)的功能性需求分析

討論了平臺(tái)相關(guān)技術(shù)和面臨的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，接下來綜合分析平臺(tái)的功能性需求，并從軟件工程角度分析平臺(tái)設(shè)計(jì)需要的用戶角色和功能用例。

3.1 系統(tǒng)用戶介紹

如表1 所示，統(tǒng)計(jì)了教育信息管理平臺(tái)涉及的用戶角色及其各自的權(quán)限功能。

表1 教育信息管理平臺(tái)角色統(tǒng)計(jì)

管理員分為平臺(tái)管理員和學(xué)校管理員，平臺(tái)管理員擁有大部分權(quán)限，包括添加用戶角色、管理用戶權(quán)限、審核教育資源等；學(xué)校管理員的權(quán)限包括添加普通用戶角色、管理普通用戶權(quán)限、審核學(xué)校教育資源、安排學(xué)校課程等。

普通用戶包括教師和學(xué)生，教師的權(quán)限包括上傳教案、下載課程資源、布置批改作業(yè)、共享文件等；學(xué)生的權(quán)限包括上傳筆記、下載課程資源、上傳作業(yè)、共享文件等。

如表2 所示，解釋了各角色權(quán)限的具體功能。

表2 各權(quán)限功能介紹

3.2 系統(tǒng)功能模塊介紹

教育信息管理平臺(tái)系統(tǒng)除了各個(gè)用戶共用的登錄頁面外，具體可劃分為管理員模塊和普通用戶模塊。管理員模塊中主要包括的功能頁面為教師檔案信息管理頁面、學(xué)生檔案信息管理頁面、各類用戶權(quán)限分配頁面、各類教育資源審核頁面、數(shù)據(jù)庫管理頁面、系統(tǒng)維護(hù)管理頁面、各項(xiàng)計(jì)算數(shù)據(jù)生成的日志管理頁面等；普通用戶模塊中主要包括的功能頁面為個(gè)人信息修改頁面、私人信息上傳頁面、作業(yè)管理頁面、成績查詢頁面、文件分享頁面、在線留言頁面等。

4 教育信息管理平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

教育信息管理平臺(tái)采用三層B/S 架構(gòu)模式，包括瀏覽器—Web 服務(wù)器—數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，每一層都有各自的功能邏輯，在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的過程中發(fā)揮各自的作用。

4.1 瀏覽器頁面設(shè)計(jì)

瀏覽器頁面設(shè)計(jì)首先要考慮到易用性，以簡潔易用為主，符合用戶的一般使用習(xí)慣，如確認(rèn)鍵在輸入框右側(cè)或下側(cè)，提交鍵和下載鍵以特殊圖標(biāo)顯示等，讓用戶能夠快速掌握平臺(tái)的使用規(guī)則；其次要考慮到魯棒性，主要體現(xiàn)在對(duì)普通用戶輸入數(shù)據(jù)的判斷上面，理想情況是對(duì)每一條用戶輸入的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)都可以對(duì)其反饋信息，因此在設(shè)計(jì)的時(shí)候要注意提示用戶輸入的數(shù)據(jù)是否符合要求，即字符串是否有效，而不是亂碼或無意義的文字，甚至是空字符串。對(duì)不符合要求的數(shù)據(jù)要給予提示，提醒用戶應(yīng)該輸入符合要求的數(shù)據(jù)，對(duì)符合要求的數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)反饋交互信息。

4.2 Web服務(wù)器設(shè)計(jì)

Web 服務(wù)器的設(shè)計(jì)邏輯思路是利用云計(jì)算能力為每一個(gè)傳輸數(shù)據(jù)資源智能地選擇最佳路徑，當(dāng)用戶在瀏覽器發(fā)出請(qǐng)求后，業(yè)務(wù)層會(huì)立刻予以計(jì)算，尋找離該用戶最近的子服務(wù)器，并及時(shí)連通數(shù)據(jù)庫，從中提取教育資源，而當(dāng)其中一臺(tái)服務(wù)器出現(xiàn)故障時(shí)，平臺(tái)可以迅速轉(zhuǎn)移業(yè)務(wù)到其他備用服務(wù)器上，保證平臺(tái)應(yīng)用邏輯的順利完成，實(shí)現(xiàn)資源訪問的最優(yōu)化。Web 服務(wù)器的邏輯設(shè)計(jì)中最突出的一點(diǎn)在于能夠有效分配服務(wù)器資源，當(dāng)遇到大量用戶同時(shí)訪問時(shí)，可以集中力量解決計(jì)算問題。

4.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫是整個(gè)信息管理平臺(tái)設(shè)計(jì)的重中之重，也是底層設(shè)計(jì)，與瀏覽器和服務(wù)器共同實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的流通。本文選擇使用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，利用數(shù)據(jù)庫中表與表的關(guān)系，進(jìn)行一對(duì)一、一對(duì)多、多對(duì)多的設(shè)計(jì)，創(chuàng)建的SQL數(shù)據(jù)庫中含有多張數(shù)據(jù)表，并且采用了索引、視圖和觸發(fā)器的設(shè)計(jì)，使得整個(gè)數(shù)據(jù)庫的訪問變得靈活便于管理，且因命名規(guī)則的限定加上管理員對(duì)教育資源的審核，有效減輕了數(shù)據(jù)冗余問題，本文主要介紹用戶相關(guān)的數(shù)據(jù)表和教育資源相關(guān)的數(shù)據(jù)表，其中用戶表以學(xué)生表為例，教育資源表以課程表為例。

（1）students 表：記錄普通用戶基本信息，即用戶名、密碼、用戶類型、真實(shí)姓名、年齡、狀態(tài)等，如表3所示。

表3 學(xué)生表（students）

續(xù)表

（2）courses 表：記錄課程信息，即課程編號(hào)、課程名、上課時(shí)間、上課地點(diǎn)、學(xué)時(shí)等，如表4 所示。

表4 課程表（courses）

5 總結(jié)

教育信息管理平臺(tái)應(yīng)用云計(jì)算技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)搭建，可以有效地解決目前全國不同區(qū)域內(nèi)學(xué)校教育資源分配不均、資源共享難度大的問題，能夠切實(shí)幫助學(xué)生和教師更好地拓寬教育資源獲取渠道，最大限度地實(shí)現(xiàn)教育資源的公平發(fā)展，學(xué)生可以根據(jù)自己的需要制定有針對(duì)性的學(xué)習(xí)發(fā)展規(guī)劃，同時(shí)，基于云計(jì)算技術(shù)搭建的教育信息管理平臺(tái)還能夠有效避免不同區(qū)域因資源冗余問題而造成的管理成本浪費(fèi)現(xiàn)象，具有十分廣闊的發(fā)展前景。