基于網格工作流的高校教學資源整合與共享

劉躍華+聶丁

摘 要 本文通過分析現階段高校教學資源整合的現狀，針對教學資源的分布性和異構性所帶來的教學資源共享困難，提出基于開放網格服務體系結構（OGSA）的教學資源整合及共享方案，以校園網為基礎來構建一個統一的資源整合平臺，實際應用表明，以Globus Toolkit 來構建的教學資源網格系統能給師生提供便利的資源共享環境。

關鍵詞 教學資源 網格工作流 整合 共享

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

1 高校教學資源整合的現狀及其必要性

計算機技術和互聯網的發展催生了以數字化教學（e-leaning）為基礎的自主學習模式，我國越來越重視高校數字化教學資源的建設與共享。目前，高校的教學資源共享可分為物理設備的共享和信息資源的共享兩大類，其中物理設備包括計算機、存儲設備、網絡、教學儀器、實驗設備等；信息資源包括教學網站、教學課件、試題庫、教學素材、電子圖書、教學實驗軟件等。2003年教育部啟動《高等學校教學質量與教學改革質量工程》以來，各高校紛紛推出了各類精品課程，在國家精品課程資源網①上發布的國家級精品課程（本科、高職高專、網絡課程）網站共3835門、省級精品課程8279門、校級精品課程8170門。這些精品課程的建設為廣大師生提供了較豐富的優質資源，有效地擴展了教學的受益面，也是自主學習的有力推手。隨著以校園網為基礎的數字化校園的建設日臻完善，各高校都在校園網上發布了林林總總的教學資源，但也產生了教學資源整合與優化的問題，例如，在實際應用中，就資源的訪問而言有些資源的入口分配在教學管理系統、有的分配在各院系網站部分、訪問不同的網站和系統需要反復登錄和認證等，這就需要對教學資源進行有效整合，為師生提供統一的訪問平臺。2012年孫榮等在文獻②中對20所“985”工程高校的教學資源整合情況進行了問卷調查，圖1列出其統計結果，其中：沒有對資源進行整合的高校有11所，占55%，而對校內教學資源進行全面整合，向用戶提供一站式服務的高校僅2所，占10%。可以認為，國內高校教在學資源的整合與優化方面尚處于初級階段，尚有較大的上升空間。

《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）》中把教育信息化納入國家信息化發展整體戰略。指出要“加強優質教育資源開發與應用、加強網絡教學資源庫建設、引進國際優質數字化教學資源、開發網絡學習課程、建立數字圖書館和虛擬實驗室、建立開放靈活的教育資源公共服務平臺，促進優質教育資源普及共享”。

2 基于網格工作流的教學資源整合方案

網格技術被認為是繼互聯網、萬維網之后信息領域的第三次技術革命。網格將每臺參與計算或提供資源的計算機或網格當作一個節點，實現大范圍內的、分布式的、異構型的資源的互通與互操作來消除資源孤島。在網格計算中引入工作流技術（網格工作流）③可以實現資源的合理分配與業務流程的自動處理。目前，典型的網格的體系結構有五層沙漏結構和OGSA（開放網格服務結構），其中，由全球網格論壇GGF ④提出的OGSA體系結構以服務為中心，遵循現有的Web服務框架，利用現有的Web服務機制（如XML、SOAP、UDDI 與WSDL等），并定義了在網格環境中各種服務之間的使用接口，因其良好的擴展性而廣為采用。遵循OGSA的結構，我們將高校教學資源按圖1的層次框架進行整合，以便建立統一的資源共享環境。

應用層：本層直接面向廣大師生，用戶通過網格中的各種應用服務來實現對教學資源的共享和使用。主要包含：身份認證、資源導航、資源檢索、資源訂閱、調查統計、在線學習、在線考試、評價交流等功能。

網絡服務層：本層的功能是通過利用web服務技術給用戶提供服務支持和資源接口。這些服務包括服務本身的技術指標如：服務的創建、服務的注冊、生命周期的管理、服務的狀態等，以及各種教學系統接口如：精品課程網站、視頻教學、虛擬現實系統、實驗平臺、作業系統、考試系統等。

資源層：本層對各種分布式的教學資源進行有效的組織，將他們統一在一個邏輯系統中，供用戶使用和系統調用。這些資源包括：教學課件、教學錄像、教學文件、題庫、作業庫、教學素材、數字教材等。

基礎層：主要是校園網的基礎設施，如骨干網絡、服務器、交換機、路由器、網關和防火墻等。

通過對高校教學資源的合理整合為構建“大一統”的資源共享平臺打下了堅實的基礎。

圖1 部分高校教學資源整合情況

圖2 基于網格體系的教學資源整合框架

3 基于網格工作流的資源共享系統

圖3給出了基于網格工作流的教學資源共享系統的總體構架。整個系統主要由系統服務點、資源主系統、權限認證、資源命名、資源訪問Agent（中間件）等服務模塊組成。系統服務點⑤（系統中的訪問服務點可按需動態增減）是整個系統的入口，通過該服務點，用戶登錄系統并訪問網格資源，其中主要包括資源同步、訪問接口和調度引擎等部件。訪問接口部分提供了訪問資源主系統、權限認證服務、資源命名服務和訪問網格資源的各種的接口，資源同步部分負責提供數據的同步機制，自動實現資源分配和節點間資源的同步，該部件將從資源網格中獲取到的新的數據和教學資源同步到系統中，以保證系統中的數據是優化和最新的資源。調度引擎其主要負責資源的申請和調度，與資源同步部件協作來完成資源的分配與系統中原有資源數據的更新并實現數據的副本管理。調度引擎是網格工作流系統中重要的中間件，其性能的優劣直接關系到資源訪問的效率。權限認證部分主要負責用戶的身份認證、訪問的權限管理、系統的安全性和數據的訪問控制等。資源命名部分負責系統中元數據的管理，實現資源命名、地址解析、數據檢索等功能。資源訪問代理采用多智能體技術為系統提供具有自適應能力的資源訪問接口，通過Internet可以訪問外部資源網格，如中國教育科研網格ChinaGrid⑥和其它的Web服務。用戶通過瀏覽器來訪問系統，其工作流程的描述如下：①通過系統服務點接入系統，②通過系統服務點提供的接口訪問權限認證服務器以獲得身份認證和訪問權限，認證通過后，③再通過訪問服務點的接口訪問命名服務器，檢索并獲得相應的資源信息，如果主系統中原有資源中存在所需信息，則轉入步驟⑤，④通過系統服務點接入資源訪問代理，訪問代理Agent從資源網格中獲取所需的教學資源后，通過系統訪問點將資源返回給用戶。圖3中的步驟0主要是實現系統中的數據同步更新和數據的副本管理，由資源同步管理部分自動完成。

圖3 教學資源共享系統模型

3.1 統一登錄

在網格環境下，允許用戶訪問分布在虛擬組織中不同網格節點上的資源，并且在訪問任何節點之前都需要進行身份認證，而統一登錄⑦能夠避免用戶在使用系統過程中多次輸入認證句柄（用戶名/密碼對），用戶只需要在訪問第一個網格節點時進行認證，在后續訪問其他節點時，系統將自動完成身份認證。其認證過程如圖4所示。

圖4 登錄認證過程

3.2 元數據

網格系統中的元數據是用來描述數據的屬性，通過它能夠幫助用戶查找數據項以及與上下文有關的信息等。元數據存在多個層次，主要包括語法、結構和語義元數據等。就系統中描述教學資源屬性的元數據而言，應該遵循中國教育信息化標準委員會提出的《學習對象元數據》和《教育資源建設技術規范》。可將資源元數據定義如下結構：

public struct Grid_R_meta

{

public string R_type； //資源類型，如精品課程、作業系統、程序評測系統等

public string R_ID； //節點的全局惟一資源編號

public string R_IP；// 資源節點的IP 地址

public string R_subject； //學科科目

public string R_Size ； //資源大小

public string R_Date； //創建日期

public string R_Life； //生存期

......

public string R_Relation； //關聯信息，前、后節點

}

通過元數據來定位到目標數據的過程如圖5所示。

圖5 元數據與資源檢索

圖6 在線程序評測與在線作業網格

4 應用與結論

我們用Globus Toolkit4.0構建了基于校園網的資源共享系統，可以將校園網里的教學資源（教學網站、課件、實驗系統等）整合起來，并能靈活地擴充資源。圖5的兩個資源網格分別是在線程序評測網格和在線作業網格，通過統一的共享平臺師生可以在校園網內很便利地訪問教學資源。

通過網格工作流來構建的資源共享系統可以將分布式的、異構的教學資源整合起來，為用戶提供統一的訪問接口，通過完全屏蔽底層資源的異構性、為用戶提供統一的視圖來實現資源的透明訪問，因而可以實現校內教學資源的全面整合，為師生提供一站式的訪問服務。

基金項目：本文系湖南省教育廳教改項目，湘教通[2011]35號：“基于網格工作流的教學資源共享、整合與優化配置的研究與實踐”的階段性研究成果

注釋

① 孫榮，孟凡立，張慰.論數字校園環境下高校教學資源的整合運行策略[J].現代教育技術，2012.22（5）.

② 國家精品課程資源中心工作簡報[2011]第5期[DB/OL]. http：//news.jingpinke.com.

③ Cybok D. A Grid Workflow Infrastructure[A].Workshop on Grid Workflow[C].Berlin： GGF-10， 2004.

④ Thomas Myer.Global Grid Forum[DB/OL]. http：//www.gridforum.org /2004-01-01.

⑤ 梅炳夫，王惟言，李擁軍.基于Globus訪問數據以及在教育資源整合上的應用[J].廣州廣播電視大學學報，2008（2）.

⑥ 金海.搭建資源共享平臺——中國教育科研網格ChinaGrid[J].中國教育網絡，2006（9）.

⑦ 許駿，柳泉波.面向服務的網格計算[M].北京：科學出版社，2009.5.