云計算在高等教育信息化中的應用與展望

耿學華 梁林梅 王進

【摘要】對高等教育發展有重要影響的信息技術和關鍵議題很多。云計算被認為是IT產業發展的方向。使用云計算助力高等教育變革應當被理性對待。云計算在高等教育中的應用應著眼未來、立足現在，有計劃地推進。

【關鍵詞】云計算；高等教育信息化；教育變革

【中圖分類號】G40－057【文獻標識碼】A【論文編號】1009－8097(2012)03－0005－05

引言

21世紀第二個十年，信息技術的飛速發展正在推進虛擬網絡世界向現實物理世界全面滲透并與之無縫融合?；ヂ?、開放、參與、互動、分享、創造成為這個時代的主題詞。新媒體、社交網絡平臺、移動網絡、智能終端設備和桌面應用的強勁發展改變了內容生產/消費方式、信息傳播方式、社會交往方式、協作方式等，這些變化如浪潮般深刻地影響著社會各個領域的變遷，孕育全新的生存空間。

在這一急劇變化的時代背景下，現行教育系統受到的沖擊和挑戰愈加劇烈。從技術的角度，技術更迭速度加劇、技術消費化傾向日漸顯著，由虛擬技術、傳感技術等組合的技術方案為教育創造了無限可能。技術的這些變化不僅引發人們對數字媒體素養和數字媒體變革教育的高度關注，更重要的是，一種技術的生命周期和影響力可能與教育機構的戰略定位和未來發展密切關聯，甚至引領整個教育領域的深層變革。高等教育在國家高級人才戰略和可持續發展中扮演關鍵角色。對于受教育者個體而言，這也是其價值觀形成、綜合素質養成和學習能力培養的重要階段。因此，以技術為杠桿，加快高等教育信息化改造是這個時代的迫切任務。云計算在高等教育信息化進程中將扮演何種角色?本文予以探討。

一、高等教育信息化的趨勢

EDUCAUSE是一個在世界范圍內居于領導地位的高等教育信息化專業組織，其科研成果展現了高等教育信息化發展的趨勢，對世界各國高等教育信息化建設具有宏觀指導和引領作用。EDUCAUSE學習計劃(EDUCAUSE的一個項目)和新媒體聯盟合作發布的2011年度《地平線報告》(以下簡稱《報告》)描繪未來1－5年可能會對大學教學、學習或創造性探究產生重大影響的技術?！秷蟾妗分赋觯磥韺⒃絹碓蕉嗍褂迷萍夹g，IT支持將去中心化。《報告》描述未來1－5年可能成為校園主流的新興技術或實踐依次是：①未來1年以內，電子書和移動設備；②未來2－3年內，增強現實和基于游戲的學習；③未來3.5年內，基于手勢的計算(Gesture－BasedComputing)和學習分析。其中，云計算技術不僅可以為這些新興的技術或實踐提供支撐平臺，云計算領域關鍵問題的解決也將加速學習分析等技術的研究應用進展。EDUCAUSE下設的當前議題委員會發布的調查報告顯示，2011年度影響高等教育戰略成功的十大IT議題依次是：①信息化建設資金投入；②行政管理/ERP/信息系統；③技術支持的教學和學習：④安全；⑤移動技術；⑥敏捷性/適應性/響應性；⑦IT治理、組合管理/項目管理；⑧基礎設施/賽博基礎設施建設；⑨災難恢復/業務連續性；⑩戰略規劃。雖然在調查中這十大議題被作為選項分別列出，但它們是互相交錯聯結的。在具體論述每一項議題時，云計算多次被作為潛在的解決方案提及。

高等教育信息化的這些趨勢要求高等教育機構的IT領導者及決策團隊在對機構進行信息化改造和升級時，必須綜合考慮所有可能的要素：技術發展趨勢，技術對校園內外的沖擊和影響，校園IT基礎設施及使用、管理現狀，校園的技術改造能力(人力資源、技術資源)、可支配的預算、改革對未來機構發展走向的影響、相關法規及政策支持等。IT領導者只有對這些問題有全面、深入、審慎的考量，同時具備技術的敏感性、準確的判斷力和果斷決策力，還要有一種勇于革新、嘗試的精神，才會找到一個技術改革的平衡點，實現改革效果的最大化和可持續性，避免木桶效應帶來改革的失敗。

二、云計算概述

云計算這一名詞是由谷歌在2006年正式提出的，短短幾年間躍升為IT產業界熱議的主題。嚴格意義上，云計算并不是一個學術名詞，也沒有新的學術思想，而是效用計算(UtilityComputing)、網格計算(Grid Computing)、自治計算(Autonomic Computing)等計算科學概念的綜合應用實現，在谷歌、亞馬遜、IBM等大公司的推動下發展成為日趨成熟的商業模型。

早在1961年，計算研究(Computing Research)的奠基人John McCarthy就預言，將來有一天計算將被當做一種公共設施來組織，并對其實現方式做了預測。在計算機發展早期，大型服務器非常昂貴，一般公司無力購買。在這一背景下，效用計算模型被提出。效用計算是指對計算資源(計算、存儲等)進行打包，提供計量服務。這成為后來按需計算(On－demand Computing)、軟件作為服務(SaaS，Soitware asa Service)、云計算模型的基礎。早期以服務器為主要業務的IBM、惠普等出于自身業務需求推動了效用計算的研究發展。到了20世紀90年代，隨著PC的普及和互聯網時代的來臨，Iran Foster提出網格計算的概念，其出發點是整合網絡中的閑置資源，形成虛擬計算機群，“在動態、多機構參與的虛擬組織中協同共享資源和求解問題。”Iran Foster等人指出，通過制定用于請求計算力的標準協議，可以構建一個在形式和應用上類似于電力網的計算網格。但是，由于網格計算模型面向松散的異構資源，很多標準化工作和技術實現短期內無法滿足要求，因而一直未能商業上實現。這些都成為后來云計算演變的思想和技術基礎。

谷歌早期開發云計算技術是為了滿足自身大計算量的搜索服務需要，目的是把大量廉價服務器集成起來，完成超級計算機的計算和存儲功能。后來隨著業務擴大以及和微軟之間競爭的日益加劇，谷歌逐漸將原本運行在用戶計算機上的各種應用軟件搬到了網上，讓用戶可以隨時、隨地通過網絡快速、安全訪問、處理、存儲和共享信息。亞馬遜最初建立數據中心為其平臺上的商鋪提供網站托管服務，后來，為了提高資源的利用率，亞馬遜推出彈性計算云(EC2，ElasticCompute Cloud)服務，將其計算資源租用給任何公司和個人。IBM開始研究云計算，則是從這種計算和服務由客戶端重回服務器端的趨勢看到了出售其服務器的新商機。這些大的商業公司從事云計算的研究應用出發點不同，但正是因為他們的推動，使得云計算發展迅速。之后，隨著移動技術和智能終端設備的快速發展，隨時隨地訪問、處理信息的需求急劇增加，云計算的優勢逐漸顯現，更多的公司(如微軟)、研究院校等參與到云計算的應用研究中。

迄今為止，云計算并沒有統一的定義。本文對云計算的理解如下：云計算是一種基于因特網的超級計算模式，在遠程數據中心里，大量計算機和服務器構成資源池。這種資源池被形象地稱為“云”。云平臺對資源池中的資源進行統一管

理和調度，向用戶提供按需計算服務。

從商業模式的角度，云計算將計算資源(硬件、軟件、應用)當作服務計量銷售；從計算模式的角度，云計算提供一種彈性的計算能力。在使用者看來，“云”中的資源是可以無限擴展的；從產業模式的角度，云計算將內容中樞移至云端：從操作管理的角度，云計算實現服務定制，操作、管理自動化。對于用戶而言，這些特性的好處在于用戶可以隨時隨地上網訪問資源，按需付費，節省成本(硬軟件購置、部署等)，簡便易用，專注于自身核心事務、業務處理。

在工程實現上，根據其構建方式，可分為公有云、私有云、混合云。其中，公有云完全由第三方管理運行，私有云為某個組織或用戶專有，混合云則兼具兩種模式；根據其架構，云提供的服務分為IaaS(基礎設施作為服務)、PaaS(平臺作為服務)、SaaS(軟件作為服務)。

云計算的本質是IT資源的集約化配置與共享，核心是服務，未來的趨勢和方向是提供個性化、精細粒度的服務定制，關鍵技術在于資源的虛擬化、服務對象化、標準化、自動化等，其潛在挑戰是信息安全問題。

三、云計算助力高等教育變革的潛能和挑戰

如前所述，云計算具有眾多優勢，在高等教育信息化進程中，從大學層面，圍繞教學、科研、管理、公共服務、國際交流，使用云計算技術具有如下潛在優勢：①隨時隨地訪問網絡資源使得學生、教師可以更加靈活地開展教學、研究活動。學生有更多機會參加需要大容量計算資源或復雜資源部署的實踐項目；教師有機會使用更多資源，開展學術研究，縮短研究周期；②學?？梢詫θT資源進行整合、統一管理，使資源利用最大化，縮減資源購置、管理及運維成本；可以為災難恢復、業務連續性提供可靠的技術支持保障；③利用云端服務和移動網絡可以為師生提供更加豐富且人性化的教學、生活支持服務；④學校和學校之間可以方便實現資源(包括IT資源、人力/智力資源)共建、共享和協作(跨校學習、科研協作等)；⑤基于云端整合平臺的大量數據信息分析，可以輔助管理者發現大學運轉中的問題，據此做出快速響應，合理決策；可以對學習者的學習軌跡進行追蹤、記錄，及時發現問題，幫助學習者認識自己，幫助教師更立體地了解學生，從而有助于個性化的學習和指導。在上述這些潛在優勢中，直觀地看，云計算扮演的是支持服務的角色，為學校的運轉創造更好、更高效、更加人性化的軟、硬件支撐環境；進一步地，大學作為一個組織，其管理架構、管理方式、運行機制、服務模式、教學方式、學習績效、教學評價等可能會因為這一系列變化而發生質性改變，云計算轉而承擔起引領變革的角色。例如，移動學習、(跨校)協作學習等可能會改變現有的以課堂為主的教學模式及相應的評價考核機制；云端整合平臺的數據信息分析可能使得對學生一些綜合素養的考量具備可操作性，從而影響評價機制等。

云計算的確潛能巨大且云計算模型也在日漸成熟，但其普及應用還有很多關鍵問題需要解決。從云計算技術本身而言，技術上最大的挑戰是信息安全，行業上最亟須解決的是制定統一、開放的標準。只有確保云端數據的安全性，才會有更多用戶放心地選擇使用。進一步地，也要求國家或地區有完善的隱私保護法案支持，確保這些數據不會被非法使用。云計算的核心是服務。制定統一、開放的標準不僅能促進更豐富的云端服務被開發提供給用戶使用，還有利于實現不同云平臺之間的互操作性與無縫對接，從而方便用戶更加靈活、自主地選擇云服務提供商及與其合作方式。除此之外，在實施層面，一所大學在決定是否采用云計算進行校園信息化改造時，還有諸多現實因素會成為潛在的挑戰/障礙，例如：是否有覆蓋全面、通信質量穩定的接入網點；新技術更迭速度與新舊信息平臺轉換速度帶來的不確定性；在云平臺建設初期，仍然需要大量資金投入；選擇開源技術可以節約成本，但因其發展不確定性會給云平臺帶來潛在威脅等；在新舊平臺更迭轉換過程中，還涉及機構的人事調配、新的管理技能學習與探索等。

大學或更高級的區域性教育機構在做決策時，要綜合考量已有的教育信息化基礎設施水平、技術實力、資金，還要考慮配套的標準、法規等，據此去判斷是否有成熟的條件使用云計算、如何使用等問題。

四、云計算在高等教育中的應用現狀和典型案例

1.云計算在高等教育中的應用現狀

目前在世界高等教育信息化實踐中，已經有一些機構和個人有選擇地使用云服務，其中使用最多的是E－mail云端化和利用云端平臺服務、計算服務等輔助科學研究。在澳大利亞和新西蘭大約75％的高校已將學生E－mail服務移至云端。出于對數據安全、隱私保護、業務連貫性等潛在風險的考慮，新西蘭大部分高校暫未考慮將其他服務云端化。2010年，麥考瑞大學成為澳大利亞第一所將研究、教學、行政工作人員E－mail服務全部外包給云服務提供商的高校。英國很多高校也將學生的E－mail服務外包給云服務提供商，并且有更多高校在考慮這一做法。加拿大高等教育的“云端化”進程則相對緩慢，因為該國對境外個人信息管理有嚴格立法，這限制了高等教育機構對境外云服務提供商的選擇。加拿大大學CIO委員會(CUCCIO)正在積極工作，力求在加拿大立法框架通過一些隱私評估方案保障與云服務商協商合作。在美國，Kuali基金會發起諸如Kuali Ready等開源項目面向多所高校提供云服務。2010年，NSF和微軟宣布將選出一批研究人員和研究團體，允許他們免費訪問Windows Azure的云計算資源。在英國，紐卡爾斯大學的Paul Wastson教授和他的團隊基于JISC資助的項目研究經驗，開發了基于云計算技術的平臺e－Science Central，支持跨學科的研究活動。除此之外，谷歌、微軟、IBM等一些云服務提供商也在積極尋求與高校或專業組織合作，以推廣其服務。一些教師和學生也以個人方式自由選擇gmail、Google Docs、Eucalyptus等多種云端服務輔助日常存儲、編輯及科學研究工作。

2.云計算在高校中應用的典型案例

(1)北卡萊羅納州立大學：云計算服務

北卡萊羅納州立大學的虛擬計算實驗室(VCL，VirtualComputing Laboratory)在為教育機構提供安全可靠的按需計算服務方面處于領先地位。自從2003年，VCL就一直致力于虛擬計算研究，2004年開始提供云服務，那時候云計算概念還沒有普及。VCL是Apache開源孵化器項目，其學術云基于開源技術，提供IaaS，PaaS，SaaS，也支持高性能計算服務。VCL云計算方法的優點在于不僅提供計算資源和技術支持服務，還提供一些在學生個人電腦上難以安裝的應用服務。此外，VCL還為其它教育機構提供他們受技術條件限制無法使用的服務。這些服務的典型應用方式是，用戶通過Web終端，輸入授權訪問賬號，驗證通過后，通過下拉菜單選擇期望的計算環境和使用期限，然后即可使用。VCL能為應用服務動

態分配資源，提高資源利用率，降低成本。例如，在假期中，當多數學生不使用計算資源時，系統會把自動把這些資源分配給那些有大容量計算需求的研究人員，比如運行復雜模型和仿真。又如，通過加載在數據中心的刀片服務器上的鏡像，可以實現計算環境快速部署與恢復，這使得計算實驗室的軟件安裝和維護成本不到原來的十分之一。2009年，VCL為3萬名師生提供云計算服務，每學期其計算資源預定次數超過10萬次。在試點基礎上，VCL現在向州內七所其他公立大學、社區學院以及州以外的大學(其中包含三所印度大學)提供服務。VCL計劃未來將學術云服務拓展至K－12學校。

(2)臺灣大學：臺大“筋斗云”

臺大“筋斗云”是臺灣大學正在實施的校園信息化云平臺項目。該項目的愿景是從云端服務入手，創新運作模式，以配合臺大邁向一流頂尖大學、追求研究卓越與教學卓越的目標。整個項目由臺大計算機及資訊網絡中心(以下簡稱計資中心)負責推動，與微軟、IBM、Citrix、普樺科技合作，分期實施。計資中心為此項目制定了詳細的計劃。在云平臺部署方面，使用IBM eServer BladerCenter服務器，作為云端運算的基礎運作平臺，提供穩定的運算環境；使用普樺科技的容錯磁盤陣列產品，作為存儲服務器，提供大容量、高速、穩定的容錯儲存設備：采用微軟的Hyper－V虛擬技術，確保虛擬化能帶來最大效益，提供彈性效能、方便部署和快速設置等優點；選用Citrix Netscaler應用程序防火墻，提供最高等級的信息與網絡安全防護。臺大認為云平臺真正創造價值的關鍵在于服務，計資中心構思如下創新作法來推動臺大云端服務：結合原有校務行政系統建立暢通且便利的付費機制、推動專業咨詢以促成原有系統及應用程序的云端化、導入服務質量承諾(Service Level Agreements)的概念來確保最佳的成本效益。計資中心還希望借這些創新做法從傳統的支持服務角色轉型成為促進者和協作者。到目前為止，計資中心己完成第一期的云端環境建設，所提供的服務包括虛擬主機服務和云端存儲服務。項目后期建設提供的服務還包括資料同步服務、桌面應用軟件服務、軟件共享與協同合作平臺。除此之外，計資中心還在計劃中構思若干創新做法，包括創新云端服務種類、擬訂收費方式等。

(3)中國科技大學：“瀚海星云”校園云服務平臺

中國科技大學“瀚海星云”校園云服務平臺是一個為全校師生提供云計算應用服務的平臺由中國科大以開源技術為基礎自主建設，向師生提供IaaS和PaaS。該云平臺的主要系統配置如下：硬件部分采用曙光刀片服務器、4臺2路聯想PC機架式服務器和48T的曙光存儲服務器；軟件部分以開源Eucalyptus云平臺為基礎，使用ruby 0n rails開發前端Web服務管理平臺，基于Nagios和Ganglia定制系統監控。使用方式是師生通過校園云平臺Web界面注冊成為會員。使用時，使用用戶名和密碼登錄，驗證后即可以訂單方式申請和釋放資源。在訂單中可以填寫對硬件、軟件部署等資源具體要求，申請成功后即可使用。具體地，使用該平臺，師生可以在此平臺上搭建私有云，從事云技術和云應用的實驗；可以定制高性能科學計算平臺，開展并行計算等實踐項目。以個人高性能計算環境使用為例，用戶通過Web界面定義所需并行計算環境的節點個數和節點屬性，向云平臺提交應用描述。云平臺據此自動部署并行計算編程環境，通過虛擬機鏡像啟動虛擬機，返回給用戶所需的計算環境。在該校2010年秋季開設的《并行算法實踐》課程中，100多名學生通過該平臺進行并行計算實驗。20％的學生連續使用科學計算平臺超過1小時，大多數學生使用的并行線程數少于64。實驗數據顯示該平臺能夠提供較好的計算速度。中國科技大學網絡信息中心負責相關工作的師生表示，后續的工作計劃包括：提供大容量廉價的云存儲及相關服務，提供包括]BE加密機制、數據完整性驗證等在內的數據安全服務，提供更加個性化的高性能計算平臺部署服務，提供更加友好的用戶界面以方便師生使用等。

五、啟示與展望

1.啟示

每一項新的科技發明，都會給人類帶來無數美好的憧憬。從PC到互聯網，從Web 1.0到WebX.0，從廣角鏡頭看，高等教育世界的確因此發生了巨大變化。但是，在微距模式下看，技術并不總是能將憧憬變為現實。在恰切的時機、恰切的場合恰切的使用技術，才會讓技術真正發揮威力。谷歌、亞馬遜、IBM從事云計算相關研究應用之初都是因為自身業務發展需要，同時他們都具備強大的資金和技術實力。在其發展的過程中，外在IT產業的發展及用戶的需求又讓云計算的優勢凸顯，在動態發展中為公司創造商業價值并引領產業變革。云計算在這些商業公司的應用成功有很多綜合的內部、外部條件支持，而非僅僅是因為技術本身的吸引力。北卡萊羅納州立大學的VCL學術云圍繞其強項“虛擬計算”提供各個層面的計算服務，并在研究發展中逐步將服務內容和服務范圍擴大。此外，VCL項目受到Apache軟件基金會的長期支持。臺灣大學的IT領導者對云計算持樂觀態度并積極推動，他們把云計算定位為不僅是要為大學提供更人性化、更高效、更多選擇的服務，還要擔當起引領學校工作、管理、教學變革的角色。因此，臺大的“筋斗云”有一個整套的解決方案，并與大公司合作分期、有計劃地實施完善。值得說明的是，臺大原有的行政業務系統、資源系統等已經處于相對較高的水平。中國科大“瀚海星云”校園云平臺由科大利用其技術優勢開發，其切入點是為教學、科研提供計算環境部署和研究平臺支持，在原有服務基礎上為師生拓展了學習、科研支持，也制定了未來計劃。仔細研究這三個案例會發現，這三所大學的內外部條件有很大差異，無論是所在國家/地區的IT領域發展狀況、相關教育政策/制度、教育信息化程度還是其組織結構、技術和資金實力等。但他們有一個共同點，就是都是基于對云計算技術本質的深刻理解，立足學校及所在地區現狀，制定切實可行的目標，有計劃地、逐步推動云計算的使用。因此，對于中國大陸很多高校而言，在考察使用云計算技術時，首先要準確、全面評估自身所處的內外部環境、條件，看看在這樣的條件下，云計算技術能夠做什么，能夠創造什么、改變什么，在積極尋找切入點并利用云計算技術的同時，也努力為使用云計算技術創造條件，在雙向行動中制定可行方案，促進云計算真正為高等教育改革與發展創造價值。

2.展望

從云計算概念正式提出至今，伴隨著云計算技術的逐漸成熟發展與應用，產業界對云計算的認識已經由早期的大肆熱捧逐步回歸理性并清晰化。2010年5月，EDUCAUSE和NACUBO聯合發布了名為“形成高等教育云”(Shaping theHigherEducation Cloud)的白皮書。該白皮書指出，高等教育機構的領導者應當重新考慮學校的服務模式，高校之間的聯合與服務共享將成為主流。

業界對云計算技術具備變革高等教育的巨大潛能己基本達成共識。但由于潛在的安全、IT治理、法規、服務質量等關鍵問題和障礙，很多高等教育機構在行動方案和行動進程上尚持謹慎態度。因此，未來云計算在高等教育信息化中的應用將可能呈現如下圖景：(1)高等教育機構對機構內所有數據和服務進行分類和評估，將一部分公共業務移至云端，一部分關鍵服務保留在本地數據中心，一部分服務選擇權移交給師生員工，由他們自行選擇公有云服務；(2)專業團體組織承擔起中間人角色，在第三方云服務提供商和高等教育機構之間做好需求協商，這樣既有利于第三方服務商開發公共服務滿足高等教育機構的共性需求實現其規模經濟效益，也有利于各個高等教育機構利用自身優勢專注于特定需求建設私有云；(3)專業組織通過項目資助或其他活動形式推動云計算在高等教育機構的使用嘗試，并對成功和失敗案例進行總結、剖析，形成報告，以實現經驗分享與借鑒；(4)云服務模式使得高等機構的IT部門可能需要和第三方協作管理IT服務，因此IT員工需學習新的管理技能，如合同管理等：(5)高等教育領域的云服務提供將專注與高等教育領域的獨特需求，同時引入服務質量保障以維護服務購置與開發成本；(6)伴隨著云計算的標準化工作，公有云、私有云將實現無縫連接，形成跨區域的“高等教育云服務”網絡，實現聯合和共享。