云计算在教育领域的应用

摘 要 ：云计算被视为“第三次IT革命”,是分布式处理、并行处理和网格计算的发展,是下一代互联网的发展趋势.其低成本、海量存储和强大计算能力在教育领域产生积极影响.该文在云计算和其特点服务简要介绍的基础上,重点分析了云计算在教育领域的应用以及教育云平台的架构.

关 键 词 ：云计算；教育云；教育云平台架构

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）01-0099-03

云计算被认为是继PC、互联网之后可能再一次改写IT面貌的“第三次IT革命”.以PC为核心的第一次IT革命主要解决信息的本地处理能力,大部分的的计算和存储都在本地发生,人们大多数活动都围绕PC来完成,但是信息的分享和交换主要以光盘、软盘等方式为主,信息交换率很低.以互联网为核心的第二次IT革命则极大提升了信息的交换和传播效率,尤其是Web 2.0技术的发展进一步改变了信息的产生和交互模式,互联网上的信息出现了爆炸性增长.面对如此海量的信息,如何高效的处理并为用户提供快捷有效的网络服务,成为互联网发展面临的首要问题.正如马丁·路德·金所言“所有的进步都是不稳定的,一个问题解决了,我们不得不面对又一个新问题.”从分布式处理到并行计算再到网格计算,IT界始终没有终止创新的步伐,基于分布式处理、并行处理和网格计算发展的云计算应运而生,它将彻底改变人们获取信息、软件甚至硬件资源能力的方式.它不仅会颠覆传统的PC桌面软件模式,也会颠覆人们生成软件、获取计算和存储能力的模式.

“云计算”自2007年被提出后,逐渐引起人们的关注和热捧,一时间风起云涌,云计算技术以其强大的功能已经在一些商业领域得到应用,如亚马逊、谷歌、IBM、雅虎、微软等互联网企业使用云计算平台构建自己的业务系统.随着云计算时代的到来,云计算技术也将对教育领域产生重要影响,促进教育教学的发展.

1.云计算简介

1.1什么是云计算

云计算（Cloud Computing）是对分布式处理、并行处理和网格计算的延续与创新,其实质是一种新的商业模式,让用户可以按需、动态地使用计算、存储、带宽等资源,实现低成本、高效率的信息技术的应用.云计算的基本原理是：用户所需要的数据和应用程序不再运行和保存在个人计算机、手机等终端设备上,而是保存在互联网的大规模服务器群的数据中心即“云数据”中,用户不需要传统桌面所需的磁盘空间和处理能力,只要能接入互联网,就能随时随地访问云端的资源.IT界有一种形象的比喻,将云计算模式比喻成发电厂集中供电的模式.用户可根据自身的需要购买其中的某一部分,并根据其使用量进行计费.

1.2云计算的特点

1） 超大规模.云计算对基础设施的虚拟化和强大的集群表现出其史无前例的计算能力,一般的云用户都由几十万台到几百万台服务器接连而成的.例如,Google云计算已经拥有100多万台服务器,Amazon、IBM、微软、Yahoo等的“云”均拥有几十万台服务器.

2） 高可靠性.云计算所有的服务分布在不同的服务器上,如果什么程序或节点出现了问题就终止它,再启动另一个程序或节点,保证了应用和计算的正常进行,而用户端不必备份,可以任意点恢复.

3） 弹性扩展.服务使用的资源规模可以随业务量动态扩展,以满足用户增长的需要,而且会保证服务质量.

4） 虚拟化.云计算最大的特点就是利用软件来实现硬件资源的虚拟化管理、调度以及应用.通过虚拟平台用户使用网络资源、计算资源、存储资源等,相当于用户在操作自己的计算机,只要在设备终端上就可以得到我们需要的服务.

5） 按需服务.“云”作为一个资源仓库,所提供的服务规模及其庞大.用户可根据自身的需要购买其中的某一部分,并根据其使用量进行计费,就像自来水,电,煤气那样计费.

6） 高通用性.云计算没有限定应用的类型,在“云”里可以构建各种各样的应用,不同设备之间的数据与应用可以轻松地实现共享.

7） 费用低廉.云是由成千上万的廉价计算机组成的,这些计算机的每一个节点都是负载均衡的,不会浪费资源,因此云为用户提供的服务也是极其廉价的.

1.3云计算提供的服务类型

云计算提供3类服务：Iaas（基础设施即服务）指将IT基础设施能力如服务器、存储、计算能力等）通过互联网提供给用户使用,并根据用户对资源的实际使用量或占有量进行计费的一种服务.Paas（平台即服务）指在云计算基础设施上为用户提供应用软件部署和运行环境的服务.Saas（软件即服务）指一种基于互联网提供服务的软件应用模式,它能够以较低的成本为用户提供商业软件服务,免除了由与软件使用相关的安装、管理、支持、授权等导致的复杂问题.

2.云计算与教育

2.1云计算的教育价值

未来的信息化学习环境非常复杂,学习资源也越来越广泛.云计算有助于解决高原期的困惑,比如消除信息孤岛,实现系统互联、资源共享以及应用互通等.因此,信息化教育需要走上云服务平台.基于大装备的教育云的发展思路,继承“班班通”建设,通过信息化教室形成数字化校云,继而拓展至市（县）教育云,最终建立公共教育资源与数据的云服务中心,实现公共教育云的构建.[2]

教育云,即“云计算在教育中的应用”.作为一种新的服务模式,教育云服务受到了热捧.《教育信息化十年发展规划（2011—2020）》中明确提出了建设中国教育信息化云服务平台的任务和行动计划.教育云服务的发展是推进我国教育信息化向纵深发展的一次机遇,教育云有希望解决“教育不平等”和“资源浪费”等诸多问题.

2.2云计算对教育领域的重要意义

由云计算的原理以及特点可知道云计算在教育领域的应用具有重要的意义：

1） 云计算的应用能为学校节约成本.云计算对用户端的设备要求很低,它能把分布在大量的分布式计算机上的内存、存储和计算能力集中起来成为一个虚拟的资源池,并通过网络为用户提供实用计算服务.随着技术的更新,学校不得不经常更新电脑设备,这使得有的学校会因为资金问题而举步维艰.而在云计算背景下,绝大部分任务将交给云端（分布式计算机服务器）来完成,用户不用担心硬件性能、软件版本、数据同步、信息安全、存储备份、带宽等各种问题,只要拥有网络和终端设备,就能够像使用水和电一样,随时、随地、随需地信手拈来教育资源,获得教育服务. 2） 云计算的应用能实现教育资源的共享利用.我国教育的发展还存在差异性,中西部的教育发展水平相对于东南部来说落后很多,教育的公平性问题始终存在.而云计算平台建立了一个庞大的虚拟资源池,各地各个学校的教师可以在这一资源池中上传或下载教学资源,解决了许多学校资源更新速度慢、利用率低的问题.此外,云计算对学生的合作式学习也有很大的帮助,如Google Doc软件可以使学生方便地进行文本的创建、编辑和共享,尤其是对于一些需要小组讨论合作完成的作业,提高了学生的学习效率和效果.

3） 云计算能为学学校提高可靠安全的数据存储中心.在病毒猖獗的互联网时代,数据存储的安全可靠越来越重要,而信息安全问题在专业人员欠缺的学校特别突出.如果学校使用云计算服务,数据存储在云端,因此不用担心病毒的入侵和硬件的损坏导致数据丢失.

2.3 云计算在教育领域的发展现状

2007年10月,Google和IBM联合宣布推广“云计算”计划,包括卡内基梅隆大学、斯坦福大学、麻省理工学院、加州大学伯克利分校在内的多所高校都参加了该项计划,我国的清华大学也于2008年3月加入此项计划.[1]

云计算作为一种新兴的研究领域,倍受教育领域内学者的青睐.当前我国的云计算教育应用还处于初级阶段,发展现状受区域经济发展水平和教育程度的影响,研究机构主要以高校院系为主,研究内容主要集中在云计算技术的应用开发方面,云计算技术的教育应用模式主要体现在高等教育和通用教育中.[4]在今后的发展过程中,国家应出台相应的激励政策,加大资金投入.各高校院系应加强与科研机构的合作,发挥各自优势,加强云计算教育应用的技术开发研究以及在基础教育、高等教育、通用教育实践阵地的应用探索,以促进理论与技术、理论与实践更好地融合.

3.基于云计算的教育云平台的架构

3.1 教育云平台的架构可分为5层,如图1所示

1） 基础设施层：为高层提供计算、数据存储和网络通讯等资源,即提供Iaas,分为物理硬件层和虚拟化服务层.其中,物理硬件层由底层的各种硬件设备构成,主要包括服务器、存储系统、网络系统、硬件实验设备等,它们之间通过网络设备实现物理上的网络连接,是远程教育系统的物理资源池.虚拟化服务层构建在物理硬件层之上,利用虚拟化技术对底层硬件设备进行管理,向上提供计算、数据存储和网络通讯等虚拟资源.

2） 基础平台层：主要包括计算服务、统一存储、集群管理等,即提供Iaas.计算服务对云中的虚拟资源进行管理,即对资源的监控、分配与回收等,对云平台的各个资源节点进行负载均衡管理.统一存储对云平台的系统资源进行统一管理,即登陆验证、权限管理、访问管理、网络管理等.集群管理将多台存储设备中的资源聚合成一个能够给应用服务器提供统一访问接口和管理界面的存储池.

3） 应用接口层：为云应用程序开发人员提供一个平台,为开发各类基于云计算的教育应用软件提供开发环境和公用API等,即提供Paas,为用户和其他的程序提供功能和交互式接口.

4） 教育应用层：提供各类的教育教学相关的应用软件,即提供面向教育的Saas.有用于教学与教学管理的交流平台、学习平台、在线练习与考试等；用于教学资源的精品课程、在线资源库等.

5） 统一门户层：在客户端为用户访问教育云提供统一的两种接口：传统的图形用户接口（GUI）和基于Web的接口.借助与Web2.0技术,教育云提供的服务器主要为B/S结构,因此用户只需要使用浏览器就可以访问服务.传统的GUI将作为Web接口的一个辅助手段,用于远程登录教育云上的虚拟机,访问底层的资源.

3.2 教育云服务的运作过程

各类教育的软硬件资源都放在云端,组成了教育云,当用户通过终端登陆云计算系统访问云中的资源时,由云计算资源管理系统为云用户自动分配满足计算性能需求的计算机,自动收索教育云中的资源并选择最佳路径来发送数据,当一台服务器发生故障时,能自动转向其他服务器,实现对已有教育资源的全局分配和管理.[3]

用户使用云端的资源时并不知道当前访问的资源处在何处的哪台服务器上,只要拥有网络和设备终端,就能随时随地进行访问,不再受地域和时间的限制.对于任意的一个云计算用户,教育云系统都能够自动分析用户的IP 地址、确定路由、寻找距离当前访问最近的资源,并与之建立连接,提供最快最佳的访问服务,充分利用教育云的软硬件资源,提供强大的服务能力.[4]

4.总结与展望

云计算作为一种新的技术,它宣告了低成本提供超级计算服务的可能,云计算在教育领域的应用将会给教育带来新的机遇,极大地降低教育的成本,促进低碳型创新教育的发展.虽然我国目前的云计算还处于起步阶段,但云计算存在的强大生命力彰显了在教育领域的优势和价值.未来我们应该努力开发云计算在教育领域的应用,构建基于云计算的学习环境,实现学习者能够随时随地、自由化、个性化、多元化地学习.