基于云計(jì)算的數(shù)字化教材資源共享方法研究

基金項(xiàng)目：吉林省教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2023年度教育數(shù)字化專項(xiàng)課題；項(xiàng)目編號(hào)：JS2301。

作者簡介：于佳（1983— ），女，副教授，碩士；研究方向：測(cè)繪工程。

摘要：當(dāng)前共享方法常忽視用戶需求，導(dǎo)致數(shù)字化教材資源共享一致性低。為此，文章研究了基于云計(jì)算的數(shù)字化教材資源共享方法。首先，建立數(shù)字化教材資源數(shù)據(jù)庫；其次，集成不同類型資源，形成統(tǒng)一資源池，利用云計(jì)算技術(shù)調(diào)度資源，實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)和高效利用；最后，構(gòu)建認(rèn)證框架確保共享安全。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與P2P和FTP方法相比，基于云計(jì)算的共享方式在一致性上表現(xiàn)更優(yōu)，與真實(shí)數(shù)據(jù)高度一致。

關(guān)鍵詞：云計(jì)算技術(shù)；數(shù)字化教材資源；資源共享；教材共享

中圖分類號(hào)：G434" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0" 引言

數(shù)字化教材資源共享方法的研究，不僅關(guān)系到教育信息化的推進(jìn)，更直接影響到廣大學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)效果和終身學(xué)習(xí)的發(fā)展。在研究過程中，利用P2P文件共享方法時(shí)，用戶可以直接與其他用戶交換教材資源，無需經(jīng)過中間環(huán)節(jié)。然而，由于資源分散在不同用戶之間，如果某些用戶離線或斷開連接，可能導(dǎo)致資源無法訪問。而利用FTP服務(wù)器進(jìn)行文件共享的方法可以提供穩(wěn)定的文件傳輸服務(wù)，確保教材資源的完整性和準(zhǔn)確性。但這種方法需要專門的服務(wù)器硬件和維護(hù)人員來維護(hù)FTP服務(wù)器的正常運(yùn)行［1］。為此，本文研究了基于云計(jì)算的數(shù)字化教材資源共享方法。

1" 建立數(shù)字化教材資源數(shù)據(jù)庫

本文提出了一種基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源管理系統(tǒng)，將各個(gè)通信、傳輸接口的定位信息進(jìn)行整合，生成一個(gè)完備的數(shù)據(jù)集合，并將其上載至數(shù)字教學(xué)資源庫［2］。用戶通過云計(jì)算的數(shù)據(jù)傳輸功能，可以把數(shù)據(jù)下載到云端，數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)傳遞函數(shù)可以表示為式（1）：

a（s）=w2s2+q（1）

式中，a是從云上載數(shù)據(jù)所需的時(shí)間；w是用于平臺(tái)操作的緩存因子；s是數(shù)據(jù)傳送的速率；q是一次上載的資料數(shù)量。在此基礎(chǔ)上，假定各個(gè)云平臺(tái)的各個(gè)模塊都具備相同的數(shù)據(jù)感知環(huán)境，但不同的數(shù)據(jù)類型卻有著各自的特點(diǎn)。在進(jìn)行資源屬性分割時(shí)，設(shè)定一個(gè)與數(shù)字教科書資料資料相關(guān)聯(lián)的屬性參量。

r2=（1-e11）1+e11（k11+e21）2（2）

式中，r代表屬性參數(shù)和云數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)；k11代表該數(shù)據(jù)的特性認(rèn)知系數(shù)；e11、e21代表在不同時(shí)刻云計(jì)算承載的數(shù)據(jù)量。構(gòu)建特定的關(guān)系表達(dá)式使得不同屬性參數(shù)與云端數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)程度更加清晰，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化教材資源數(shù)據(jù)庫的建立。

2" 教材資源集成

在構(gòu)建優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源集成模型時(shí)，本文將云計(jì)算技術(shù)作為構(gòu)架模型中信息資源的并行計(jì)算框架。優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源集成模型如圖1所示。

圖1展示了教學(xué)資源集成模型的核心架構(gòu)。其中，App-VM表示虛擬機(jī)管理器，負(fù)責(zé)管理和調(diào)度虛擬機(jī)資源，確保教學(xué)資源的穩(wěn)定運(yùn)行。圖中的不同形狀（正方形、三角形和圓形）分別代表了不同類型的數(shù)字化教材資源。這些資源經(jīng)過精心挑選和整理，以滿足不同教學(xué)需求［3］。集成操作分為以下幾部分：

2.1" 數(shù)據(jù)訪問與挖掘

在訪問這些數(shù)字化教材資源存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫時(shí)，采用可擴(kuò)展標(biāo)記語言（eXtensible Markup Language，XML）對(duì)請(qǐng)求中包含的信息資源進(jìn)行挖掘。XML作為一種通用的數(shù)據(jù)描述語言，能夠有效地描述和存儲(chǔ)各種類型的教學(xué)資源，方便后續(xù)的處理和分析。

2.2" 數(shù)據(jù)檢測(cè)與處理

在建立數(shù)字化教材資源集成模型的過程中，數(shù)據(jù)信息的規(guī)范性至關(guān)重要。因此，本文對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行嚴(yán)格的檢測(cè)。當(dāng)模型中存在不符合規(guī)范的數(shù)據(jù)信息時(shí)，這些數(shù)據(jù)將被返回至教學(xué)資源數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行二次分析挖掘，以確保數(shù)據(jù)的質(zhì)量和準(zhǔn)確性。只有當(dāng)數(shù)據(jù)信息符合規(guī)范時(shí)，數(shù)字化教材資源集成模型才會(huì)直接輸出對(duì)應(yīng)的信息，供用戶使用。

3" 利用云計(jì)算調(diào)度教材資源

在整合了教學(xué)資源之后，本文根據(jù)大學(xué)學(xué)生的學(xué)習(xí)需要，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于云計(jì)算的虛擬教學(xué)資源調(diào)度函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)資源的公平、高效配置。在調(diào)度教學(xué)資源時(shí)，首先要考慮到云服務(wù)器上的每日標(biāo)準(zhǔn)虛擬機(jī)存儲(chǔ)量，然后按照全局視圖為各個(gè)服務(wù)器分配教學(xué)資源［4］。

在充分考慮虛擬機(jī)性能的基礎(chǔ)上，本文對(duì)虛擬機(jī)設(shè)置了一種日尺度的記憶體值Q。

Q=U+Cmax，F(xiàn)gt;U

Z，Cmin≤F≤Cmax

Z+Qmax，F(xiàn)lt;Cmin（3）

其中，U為虛擬機(jī)在運(yùn)行期間占用的教學(xué)資源存儲(chǔ)空間；F代表在虛擬機(jī)處于閑置狀態(tài)時(shí)占用的教學(xué)資源存儲(chǔ)空間；Z是對(duì)虛擬機(jī)的要求和對(duì)日尺度內(nèi)存的要求之差；Qmax代表一個(gè)虛擬機(jī)的最大日標(biāo)記憶體；［Cmin，Cmax］代表一個(gè)虛擬機(jī)內(nèi)存數(shù)值的范圍。

在對(duì)數(shù)字教學(xué)資源進(jìn)行整體調(diào)度的過程中，考慮到虛擬機(jī)內(nèi)存的實(shí)際狀況，有必要將其劃分為多個(gè)情景。（1）虛擬機(jī)存儲(chǔ)量充足，即Q≤HF（HF是當(dāng)前可分配的教育資源內(nèi)存），此時(shí)虛擬機(jī)的存儲(chǔ)容量足以滿足要分配的教學(xué)資源，因此，不需要對(duì)這些資源進(jìn)行循環(huán)利用，而是將數(shù)據(jù)分析課程的教學(xué)資源直接分發(fā)到虛擬機(jī)上。（2）有充足的虛擬機(jī)存儲(chǔ)空間，即Q≤HF+K（K代表全局可循環(huán)存儲(chǔ)的數(shù)量）。目前，物理服務(wù)器上的空閑存儲(chǔ)已經(jīng)無法滿足云虛擬機(jī)對(duì)存儲(chǔ)容量的需求，需要對(duì)其進(jìn)行一定程度的恢復(fù)，才能滿足不同類型的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源需求。（3）因?yàn)樘摂M機(jī)的內(nèi)存過少，即Qgt;HF+K，所以即使將各虛擬機(jī)的可分配內(nèi)存都發(fā)揮到了極致，也無法滿足對(duì)教學(xué)資源的調(diào)度需求。此時(shí)必須針對(duì)虛擬機(jī)的存儲(chǔ)需求，設(shè)計(jì)合理的回收機(jī)制來優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源。以上措施的應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)以云計(jì)算為基礎(chǔ)，公平、高效、靈活地安排教學(xué)資源。

4" 構(gòu)建認(rèn)證框架實(shí)現(xiàn)安全共享

本文首先采用云計(jì)算技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享，其次在保證數(shù)據(jù)安全的前提下，利用拜占庭容錯(cuò)一致性算法［5］，構(gòu)建數(shù)字教學(xué)資源的身份驗(yàn)證體系。在此架構(gòu)中，虛擬的數(shù)據(jù)就像普通的節(jié)點(diǎn)一樣對(duì)待，而其他節(jié)點(diǎn)可能包含無效數(shù)據(jù)或遭受惡意攻擊，框架中共有的節(jié)點(diǎn)數(shù)|R|公式為：

|R|=3f+m（4）

式中，f是虛擬化數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，m是無效節(jié)點(diǎn)數(shù)。

當(dāng)使用者向其他使用者提出分享資料資料的要求時(shí)，鑒權(quán)架構(gòu)的主控節(jié)點(diǎn)會(huì)即時(shí)執(zhí)行雜湊值檢查。該程序在式（5）中表示為：

M=Hi（K-G）m（5）

其中，M是已通過哈希值驗(yàn)證的數(shù)據(jù)、Hi是數(shù)據(jù) i的哈希值、K是數(shù)據(jù)分享請(qǐng)求源區(qū)、G是數(shù)據(jù)驗(yàn)證遍歷節(jié)點(diǎn)數(shù)。通過哈希值檢驗(yàn)，判斷請(qǐng)求端的數(shù)據(jù)是否真實(shí)、有效，從而確保數(shù)據(jù)的安全性和可靠性。

在經(jīng)過身份驗(yàn)證后，被請(qǐng)求方將資料發(fā)送給請(qǐng)求方，完成了數(shù)據(jù)共享。在此基礎(chǔ)上，本文提出了一種以云計(jì)算為基礎(chǔ)的數(shù)字教科書資源安全共享方案。

5" 實(shí)驗(yàn)

5.1" 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

本文以某高職院校為試點(diǎn)，采用本文提出的數(shù)字教材資源共享方式，構(gòu)建了一個(gè)大學(xué)教育資源共享庫，并對(duì)該庫進(jìn)行了測(cè)試，其實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭建如下：

5.1.1" 硬件環(huán)境

為了確保實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定性和可靠性，本文選用了高性能的服務(wù)器作為實(shí)驗(yàn)環(huán)境的基礎(chǔ)。該服務(wù)器配備了Intel Xeon Gold 5115 CPU，主頻達(dá)到2.40 GHz，確保了處理能力的強(qiáng)大。

5.1.2" 軟件環(huán)境

在操作系統(tǒng)方面，本文選擇MacOS 12.01作為服務(wù)器操作系統(tǒng)。該系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性得到了廣泛認(rèn)可。在開發(fā)語言方面，本文選擇Python 3.7作為主要的開發(fā)語言。

5.2" 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為充分驗(yàn)證所提方法的先進(jìn)性，本文開展比較實(shí)驗(yàn)，分別選用P2P文件共享方法和基于FTP服務(wù)器的共享方法作為對(duì)照組，與本文基于云計(jì)算的數(shù)字化教材資源共享方法進(jìn)行對(duì)比。不同共享方式下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

如圖2所示，在此測(cè)試中，在不同的數(shù)據(jù)量下，本文所建議的數(shù)據(jù)安全分享方法對(duì)數(shù)字化教學(xué)資源的共享結(jié)果的前后一致程度都很高，每一輪的實(shí)驗(yàn)都與真實(shí)輸入的數(shù)據(jù)有很高的一致性，而P2P文件共享方法和FTP服務(wù)器文件共享方法在不同的數(shù)據(jù)數(shù)量上都比本文設(shè)計(jì)的方法要少。因此，本文提出的方法可以更好地保證數(shù)字化教學(xué)資源數(shù)據(jù)的安全、高質(zhì)量分享，并且分享后的數(shù)據(jù)和原來的數(shù)據(jù)相同，降低了信息的損失，同時(shí)也保證了共享過程的安全性。

6" 結(jié)語

基于云計(jì)算的數(shù)字化教材資源共享方法展現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢(shì)。通過云計(jì)算的分布式存儲(chǔ)和彈性計(jì)算能力，教材資源的共享變得更加高效和便捷。無論是教育機(jī)構(gòu)還是個(gè)人學(xué)習(xí)者，都可以快速訪問和獲取" 所需的教材資源，大大提高了教育資源的利用效率。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，筆者也發(fā)現(xiàn)了一些不足之處。云計(jì)算平臺(tái)的安全性和隱私保護(hù)問題仍需要重點(diǎn)關(guān)注?；谠朴?jì)算的數(shù)字化教材資源共享方法雖然采用了數(shù)據(jù)加密和訪問控制等安全措施，但仍需不斷提升安全防護(hù)能力，確保教材資源在共享過程中的安全性。在未來的研究中，需要進(jìn)一步探索如何提升云計(jì)算平臺(tái)的穩(wěn)定性和可靠性，確保教材資源共享的連續(xù)性和穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)

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（編輯" 王雪芬）

Research on the resource sharing method of digital textbooks based on cloud computing

YU" Jia

（School of Civil Engineering， Jilin University of Architecture and Technology， Changchun 130000， China）

Abstract：" The current sharing methods often overlook user needs， resulting in low consistency in the sharing of digital textbook resources. Therefore， this article studies the method of digital textbook resource sharing based on cloud computing. Firstly， establish a digital textbook resource database， and then integrate different types of resources to form a unified resource pool. Utilize cloud computing technology to schedule resources and achieve fast response and efficient utilization. Finally， build an authentication framework to ensure shared security. Experiments have shown that compared to P2P and FTP methods， cloud based sharing methods perform better in consistency and are highly consistent with real data.

Key words： cloud computing technology; digital teaching material resources; resource sharing; teaching material sharing