基于云計算的城鄉教育資源共享系統研究

【摘要】文章在分析了云計算及其技術優勢的基礎上，研究設計了基于云計算的城鄉教育資源共享系統，并詳細討論了云計算服務層的主要實現方法和系統中移動Agent的設計。該系統能充分地將城鄉各地的優質教育資源集中起來，并由云服務端自動管理，最大限度地實現資源共享，將有助于解決我國城鄉教育資源分布不均和資源共享程度低等問題，從而提高我國教育信息化的水平。另外，系統引入了智能分詞技術和移動Agent技術，使系統更具有智能性，為用戶提供個性化服務，動態調整并呈現教育資源檢索內容，提高了系統的易用性和交互性。

【關鍵詞】云計算；城鄉；教育資源；共享系統

【中圖分類號】G40-057 【文獻標識碼】A 【論文編號】1009—8097（2011）04—0151—04

引言

近年來，由于我國幅員遼闊，地區之間、城鄉之間的經濟發展不均衡，導致城鄉學校之間教育信息化的差距越來越大。農村學校的教育資源嚴重缺乏、教師信息化應用水平弱，而城市學校的教育資源相對豐富、教師信息化技術能力強。所以，建立一個統一、開放、靈活的教育資源共享平臺將有助于實現農村學校提升教育信息化水平的跨越式發展。

近年云計算技術的出現為解決這一問題提供了良好的契機。云計算具有超大規模、虛擬化、高可靠性、易用性、高可擴展性、按需服務、廉價等特點。微軟、亞馬遜、IBM和Google等國外大型IT公司紛紛建立自己的云計算平臺，提供相關云計算服務[1] [2] [3]。根據相關機構調查，在英國，有一半左右的中小企業計劃在2011年之前使用云計算，其中十分之一的企業已經在使用云計算服務[4]。在國內，云計算技術的發展也非常迅猛，無錫、東莞、南京等地的“云計算平臺”都相繼啟用。

在教育領域，云計算極大的潛在應用價值也得到了眾多教育機構的認可。在美國，Google和IBM公司于2007年10月就開始和一些大學聯合推廣云計算計劃，包括麻省理工學院、斯坦福大學等著名高校。在中國，Google公司于2008年3月和清華大學等一些高校院所也建立了云計算學術合作項目。上海師范大學的黎加厚教授也提出了云計算服務要應用于教育信息化，引領了云計算輔助教學課題的研究[5]。

云計算是繼互聯網之后信息技術的重大革新，是基于互聯網通過虛擬化方式共享資源的計算模式，使相關資源按照用戶的動態需要以服務的方式提供。因此，如果能夠及時利用云計算技術來研發教育資源共享系統，必將在快速推動我國農村教育信息化發展方面起到重要作用。

一 云計算及其在城鄉教育資源共享系統建設中的優勢

云計算（Cloud Computing）是網格計算（Grid Computing）、分布式計算（Distributed Computing）、并行計算（Parallel Computing）、效用計算（Utility Computing）、網絡存儲（Network Storage Technologies）、虛擬化（Virtualization）、負載均衡（Load Balance）等傳統計算機技術和網絡技術發展融合的產物，并借助IaaS(基礎設施即服務)、PaaS（平臺即服務）、SaaS（軟件即服務） 等先進的商業模式把這強大的計算能力分布到終端用戶手中[6]。它旨在通過網絡把多個成本相對較低的計算實體整合成一個具有強大計算能力的完美系統，進而減少用戶終端的處理負擔，最終使用戶終端簡化成一個單純的輸入輸出設備，并能按需享受云計算的強大處理能力。

云計算具有很多突出的優點，在許多領域，如遠程教育、電子商務、網絡存儲、在線辦公、搜索引擎、電信和物流等領域都可以得到充分利用。云計算正成為分布式計算模式的主流，在城鄉教育資源共享系統的建設中具有突出的技術優勢[7]：

1 有效減少成本投入

軟硬件投資直接關系到系統建設的進程，但一般來說，農村學校的資金都相對緊張。而基于云計算的系統由云服務提供商來提供具體的硬件配置和軟件服務，對用戶端的設備要求非常低，用戶端完全可以利用已有的低配置計算機設備，甚至是可以上網的手機或PDA等。這樣，用戶不需要像以往那樣為每個IT系統購買固定資產如高配置計算機、專用服務器等硬件和相關軟件許可證。應用云計算技術，只需支付少量的費用租用云端的服務，就可獲得云模式中百萬臺服務器提供的技術支持，方便地構建自己的信息化教育平臺，從而使教育經費短缺的農村學校以較低的成本投入來達到軟硬件使用效益的最大化。與花巨資購買專用的軟硬件相比，使用云計算技術充分利用云服務提供的硬件和軟件顯然更經濟劃算。

2 更大范圍的資源共享

目前我國教育資源建設基本上是各自為政，即使可以上網共享的資源，數據也處于“分布式存儲、分布式訪問”的狀況，資源數據不標準、不規范，導致了大量的“數據孤島”的產生。這樣一方面給數據的共享、交換與更新帶來極大的不便，同時也造成了資源的重復性建設，浪費了大量的人力、物力和財力。而利用云計算模式則可以將分布式存儲的資源數據庫統一管理和存儲，幫助用戶高效地大范圍進行資源共享和訪問。

3 安全可靠的數據存儲

數據安全是教育資源建設中面臨的一大難題，而云計算模式可以有效地解決這一問題。在現行的教育信息化系統中，所有日常工作的相關數據都集中存儲在自己的服務器上，而一旦服務器出現故障，輕則不能給用戶提供正常的服務，重則將導致重要數據的丟失。其中教育資源系統更是數據量龐大，安全性要求更高。在云計算模式中，云計算服務商提供安全可靠的數據存儲中心，對數據進行統一管理、分配資源、均衡負載、控制安全，并進行可靠的安全實時監測。同時，云計算遵循嚴格的權限管理策略，能有效降低教育資源數據共享的安全風險。

4 降低系統軟硬件維護難度

為了確保各類教育信息系統正常穩定的運行，必須經常對計算機、服務器、網絡和資源數據庫等軟硬件進行維護、升級和更新。而農村中小學教師的計算機操作能力普遍偏低，知識更新慢，即使是計算機專業技術人員所擁有的計算機技術水平也相對偏弱，所以，他們對系統的日常維護往往力不從心。由于云計算模式只需要用戶終端能夠訪問互聯網即可，系統的軟硬件日常維護由云服務提供商來解決。因此，學校對于教育資源共享系統的維護難度大為降低。

二 基于云計算的城鄉教育資源共享系統

城鄉教育資源共享系統采用三層“B/A/CCS”體系結構，即“Browser/Agent/Cloud Computing Server”結構。用戶終端只需完成界面顯示和上網檢索等簡單數據處理功能，其余大量的數據處理和功能操作均由云計算服務中心完成，開創一種全新的低成本、交互式、易使用的用戶操作模式。接入網絡可以采用高速光纖、ADSL或者無線網絡，以適應不同地區學校的環境要求。云計算服務中心作為城鄉教育資源共享系統的核心，可以接收來自不同地區學校、各種類型的海量教育資源數據，使用智能檢索技術將最符合要求的教育資源信息呈現給用戶。

跟傳統的教育資源系統相比，該共享系統更強調動態智能交互。以往的系統只注重教育資源數據本身的處理，交互性較弱。而在城鄉教育資源共享系統中引入了智能分詞技術和移動Agent技術，使系統更具有智能性，能為用戶提供個性化服務，動態調整并呈現教育資源檢索內容。

1 系統總體結構設計

該教學資源采集系統采用的三層“B/A/CCS”體系結構是基于云計算的新一代分布式計算方案設計的應用軟件體系結構，客戶端利用瀏覽器上網，不再需要為不同的客戶端安裝不同的客戶程序，這為復雜的分布式應用提供了統一的環境，同時也便于系統的升級和改進。

系統體系結構模型如圖1所示：

系統的工作流程如下：

（1）通過驗證服務后系統根據用戶模型分析用戶提交的訪問需求，生成代表用戶請求的用戶Agent，然后系統根據用戶Agent攜帶的信息對用戶輸入的自然語句進行智能分詞處理。

（2）抽取云計算數據中心的教育資源庫中相關文檔特征，形成如干關聯特征關鍵詞，然后利用分析Agent對分詞模塊切好的用戶關鍵詞和關聯特征關鍵詞的隸屬度進行分析。

（3）系統根據基于閾值的模糊貼近度算法和基于自學習的檢索規則在云計算數據中心的教育資源庫中進行智能檢索。

（4）獲取的教育資源檢索結果先進行清洗和解析，最后以XML形式展現反饋給用戶，并與學習Agent交互進行機器學習來修改用戶模型并優化和修正分詞詞典。

2 云計算服務層實現方法

微軟公司于2008年10月推出了Windows Azure操作系統。支持基于XML的RESTful接口和使用.NET技術是Windows Azure的主要特點。用Visual Studio編寫的應用程序可以被其托管運行。考慮大多數學校原有教育資源系統采用的是.Net技術框架，因此該共享系統的設計采用Windows Azure作為云計算基礎架構，以下是云服務端的幾個主要接口函數的設計實現。

（1）驗證服務

遠程用戶要通過互聯網訪問云計算中心服務端的教育資源數據必須是使用經過驗證的安全連接。采用驗證服務有兩個原因：首先，云計算服務中心的數據是以收費服務或免費但經過授權的方式共享給各個學校用戶使用，因此必須跟蹤每個用戶的詳細訪問信息；其次，對每個消息隊列的訪問必須受到控制，非授權用戶不允許訪問云端消息隊列。

但也沒必要在云計算服務中心單獨創建用戶賬號數據庫，可以把所有用戶賬號信息集成到對應的用戶模型庫中。要檢索使用云計算服務中心的共享教育資源數據，首先必須注冊成為云服務用戶才能合法登陸。注冊和驗證登陸過程與傳統WEB技術一致，不再贅述。

系統應用的驗證服務接口如下：

Bool isRightfulUser(string sUserID，string sPassWord)

系統根據數據庫中用戶ID和密碼進行驗證，返回驗證結果，并根據驗證結果來控制其它服務的執行流程。

（2）檢索服務

作為城鄉學校用戶共享的教育資源平臺，云服務端提供數據檢索服務。檢索服務主要接口函數如下：

1）int isRightfulSearch（string sUserID，string sPassWord，int iDataBaseType）

參數說明：sUserID-用戶ID；sPassWord-用戶密鑰；iDataBase-教育資源數據類型。

流程描述：

①調用驗證服務確認用戶身份，身份驗證失敗直接返回0，身份驗證合法則執行下一步；

②根據需要檢索的教育資源數據類型審核是否允許檢索，如果不允許返回1，如果允許則執行下一步；

③將檢索請求信息寫入云服務端數據中心，寫入成功返回3，否則返回2。

返回值：0-身份驗證失敗；1-數據審核失敗；2-檢索請求失敗；3-檢索請求成功。

2）xmlDocument getUserEduData(string sUserID，string sPassWord，int iDataBaseType)

參數說明：sUserID-用戶ID；sPassWord-用戶密鑰；iDataBase-教育資源數據類型。

流程描述：

①調用isRightfulSearch()接口函數驗證用戶身份、審核待檢索的資源數據是否經過授權，檢索請求失敗反饋相關信息，成功則執行下一步；

②從云服務端數據中心的教育資源數據庫進行智能檢索，檢索結果以XML文檔形式返回。

返回值：XML數據文檔。

3）xmlDocument finishUserEduData(int iDataBaseType)

參數說明：iDataBaseType-教育資源數據類型。

流程描述：根據教育資源數據類型對教育資源數據檢索結果進行清洗和解析，將解析后的結果以XML文檔形式展現反饋給用戶。

返回值：XML數據文檔。

（3）發布服務

作為教育資源共享系統的基礎，云服務端必然要提供用戶遠程發布教育資源的服務。主要接口函數如下：

int publishData(string sUserID，string sPassWord，int iDataBaseType，string sUnitTitle，string sUnitContent，string sUploadFileAdress)

參數說明：sUserID-用戶ID；sPassWord-用戶密鑰；iDataBase-教育資源數據類型；sUnitTitle-單元資源數據標題；sUnitContent-單元資源數據內容；sUploadFileAdress-單元資源數據附件所在地址。

流程描述：

①調用驗證服務確認用戶身份，身份驗證失敗直接返回0，身份驗證合法則執行下一步；

②將該單元的教育資源數據寫入云服務端數據中心，寫入失敗返回1，寫入成功返回2；

③調用通知服務接口函數sendMessage()發送通知反饋給用戶相關信息。

返回值：0-身份驗證失敗；1-資源發布失敗；2-資源發布成功。

3 移動Agent設計

移動Agent是體現教育資源共享系統智能行為的重要部分之一。在該系統中，封裝了相關資料信息和運行狀態的計算實體可以根據需要使得移動Agent能夠自動轉移到遠程計算機或云服務端，而且可以多次移動，執行任務并返回用戶機，這樣可以減少網絡擁塞。在整個任務執行的過程中用戶機沒有必要在網絡中存在，僅僅只有在移動Agent返回時，客戶機才需要連接到網絡上。如此允許網絡連接中斷，可以克服了網絡延遲、減少網絡占用時間，提高了網絡的利用率，能夠快速的響應用戶的交互請求，實現真正意義上的資源共享的智能性和交互性。

（1）用戶Agent

用戶Agent是用戶和系統的唯一接口，在異地完成任務后，它將卸載掉用戶的請求信息，攜帶所需信息返回或負責非終止通信過程的后續通信服務。用戶Agent既能攜帶用戶的檢索請求信息跟系統交互，又能給用戶提供友好的個性化的智能用戶界面。在交互過程中，用戶Agent接收用戶對當次教育資源檢索結果滿意度的主動反饋信息，同時還監測用戶的檢索、瀏覽等行為過程，分析用戶行為的隱式反饋信息，以獲取用戶感興趣的相關資源及其感興趣的程度，并把這些信息提供給學習Agent[8]。

（2）分析Agent

系統在檢索教育資源的同時生成分析Agent，它的主要作用是對檢索到的數據資源進行分析，抽取文檔特征，形成文檔的結構化的特征屬性表示。分析的手段主要是統計檢索關鍵詞在資源文檔中出現的頻度并計算該單元文檔與關鍵詞的隸屬度，將該隸屬度和關鍵詞的頻度特征屬性存入分析Agent的推理機[9]。

（3）學習Agent

學習Agent利用機器學習技術對用戶相關性反饋信息進行學習，自適應地動態調整用戶模型和分詞詞典以獲得更高的查準率。用戶模型則體現用戶的興趣和意圖，用于用戶興趣的表達和挖掘[10]。學習Agent的機器學習技術主要采用遺傳算法，其學習過程，既是用戶相關性反饋過程，也是用戶興趣挖掘過程。

三 結束語

云計算是未來教育信息化建設的技術熱點和必然趨勢，其特有的應用潛力無疑為分布和異構的教育資源的共享及開發利用帶來了前所未有的機遇。本文在分析了云計算所具有的技術優勢的基礎上，研究設計了基于云計算的城鄉教育資源共享系統。該系統能充分地將城鄉各地的教育機構和學校一切優質教育資源集中起來，并由云服務端自動管理，最大限度地實現了資源共享，將有助于解決我國城鄉教育資源分布不均和資源共享程度低等問題，從而提高我國教育信息化的水平。另外，系統引入了智能分詞技術和移動Agent技術，使系統更具有智能性，為用戶提供個性化服務，動態調整并呈現教育資源檢索內容，提高了系統的易用性和交互性。

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Research of Urban and Rural Education Resource Sharing System Based on Cloud Computing

LI Meng-xiong1 ZHONG Zhao-man2

(1. The Computer Department， Lianyungang Teachers College， Lianyungang， Jiangsu 222006，China; 2. School of Computer Engineering and Science， Shanghai University， Shanghai 200072， China)

Abstract: Based on the analysis of the cloud computing and its technological advantages， the paper aims at designing the urban and rural education resource sharing system， discussing the main Implementation of the layer of cloud computing services and designing the mobile agent in the system. Managed automatically by the cloud computing， this system can fully gather excellent educational resources from the urban and rural areas to realize the maximum sharing of the resources. It can help solve the uneven distribution and low level of resource sharing in the two areas so as to promote the information of education in our country. In addition， this system incorporated the intelligent word segmentation technology and mobile agent technology. In turn， it is made more intelligent and can provide personalized services for the clients. Besides， it realizes the dynamic adjustment and presentation of the retrieved contents of the educational resources， which greatly strengthens its easy access and interactivity.

Keywords: cloud computing; urban and rural; education resource; sharing system

*基金項目:江蘇省現代教育技術研究“十一#8226;五”規劃重點課題基金項目（項目編號：2006-R-2396）。

收稿日期：2011年2月21日

編輯：紅葉