高校基于云服務的網絡學習空間建設研究

劉 穎，邵雨舟，賈 嵐，史虹湘，李志偉

（北京經濟管理職業學院信息學院，北京 100102）

教育信息化是衡量一個國家和地區教育發展水平的重要標志，實現教育現代化、創新教學模式、提高教育質量，迫切需要大力推進教育信息化。教育部提出在當前和今后一個時期內，要大力推進“三通兩平臺”建設，即寬帶網絡校校通、優質資源班班通、網絡學習空間人人通，建設教育資源公共服務平臺、教育管理公共服務平臺。其中“網絡學習空間人人通”面向教育主體，是推進高校信息化進程的一個研究領域［1］，當前的研究方向和主要成果體現在以下幾個方面。

1）以E－learning2.0為代表的網絡學習空間

高校網絡學習空間［2－3］創建了一個由博客平臺、網絡學習區、校園生活區和學習資源庫的學習空間。主要考慮信息共享和協作、互動的學習。

建設E－learning2.0開放式個人學習平臺［4－5］，由師生、動態學習內容構成一個個性化、社會化的學習環境，學生能獲得豐富的學習資源，教師能動態管理教學資源。

2）基于云計算的虛擬實驗室

基于云計算理念的虛擬實驗教學系統［6］利用云計算平臺，將本地或異地的不同實驗用戶與虛擬實驗室連接起來，共享一個虛擬的實驗空間。用戶通過瀏覽器開展遠程實驗和本地實驗，從而實現虛擬實驗教學和管理的目的。具體過程為學生通過瀏覽器，利用云計算提供的服務將不同實驗構件進行組合，實現不同實驗的創建。組合后的不同類型實驗場景通過統一的編譯和組裝器，實現實驗的邏輯裝配與運行。

基于云計算的虛擬科研環境［7］利用國家網格中可共享的虛擬機資源，通過網格技術來訪問和使用資源，實現國家網格資源共享，為不同學科的科研提供在線云服務。在具體實現時，不同學科組建自己的虛擬科研環境，利用云服務模式實現科研中分布式異構資源的集成和共享。

3）基于云計算的網絡學習空間

學習空間的建設基于云計算［8－9］，將已經虛擬化的軟硬件資源轉化成虛擬資源，向用戶提供服務。用戶無需知道客戶端和服務器端是如何交互的，只要接入互聯網，就能訪問學習空間。

現有研究能滿足師生部分教學需求，但也存在如下問題。

1）E－learning以學習者為中心，信息互享，教學內容動態組合，教學手段強調團隊協作。雖然提高了學生的學習積極性，學習自主性增強，但它注重的是信息和知識的分享，對于需要軟件支持的實驗和學習，E－learning的學習空間并不支持。

2）雖然基于云計算的虛擬實驗室能滿足部分教學延續性需求，但其本質是PaaS，應用場景有局限性，PaaS需要為不同的應用開發不同的平臺，比如計算機系和化學系的實驗不盡相同，所需的虛擬實驗室功能就不一樣。

3）基于云計算的網絡學習空間是一個研究熱點和發展趨勢，但該方面的現有研究沒有完全解決高校信息化建設和師生需求之間的矛盾。

在移動互聯迅速發展的環境下，師生在教學中遇到的問題主要有以下幾點。

1）教學資源利用率低 教師離開學校后，辦公電腦資源一般就空閑了，學生放學后，實驗室的機器也空閑。硬件、軟件資源利用率不高。

對一些學科，在教學期間臨時需要較大存儲空間或較高配置的電腦，比如影視制作專業的師生臨時存儲大量視頻素材，并且需要配置較高的計算機和專門的軟件進行視頻處理。如果院系自行購買硬盤、計算機、視頻制作軟件，一方面加大資源投入，另一方面教學任務結束后，資源就被閑置，造成資源浪費。

2）學生學習延續性受阻 學生在實驗室進行了課堂學習，執行了部分實踐操作，如果課后繼續學習，或完善豐富學習內容，需要在自己的機器上復制學習環境。學生2節課在實驗室使用不同的電腦，還需要把上一節課的學習成果復制到當前電腦上，影響了學習的延續性。

3）不支持移動教學 隨著師生移動性增加，不局限于固定位置的辦公和學習，教師、學生、企業專家都會參與到教學中。比如企業專家一邊遠程操作，一邊講解，授課視頻實時傳遞到學校課堂［8］。如果繼續采用信息和物理資源綁定的模式，將不能滿足師生移動或遠程教學的要求。

4）手機終端存在瓶頸 師生外出期間可能不會隨身攜帶電腦，但一定會攜帶手機。隨著移動通信，如3G 業務的大力發展，移動終端成為大家生活和工作必不可少的工具，并有逐漸取代電腦的趨勢，但手機的CPU、內存等硬件指標和存儲容量受到機體大小和電池容量的限制，目前手機還是無法完成需要大量運算的應用。如果教學需要軟件支持，就無法在手機上完成。

云計算合理有效地應用到教學環境中，輔助教學科研工作，是師生需求，也是發展的方向。高校校園網云服務平臺［10］提出了建設一個用戶參與，用戶自助定制服務的云服務平臺。本文將基于高校校園網云服務平臺，重點研究如何構建基于云服務的網絡學習空間。

1 網絡學習空間系統架構

基于云服務的網絡學習空間不僅包括網頁式的學習平臺，還把基礎設施和應用軟件開放給用戶。網絡學習空間組成元素如圖1所示。

圖1 網絡學習空間組成元素Fig.1 Elements of network learning space

數據中心實現云計算功能?；跀祿行?，把基礎的計算和存儲資源開放給用戶，直接提供虛擬機，實現基礎設施即服務IaaS。管理員為每個師生分配一臺虛擬計算機，安裝基本的操作系統。師生通過一個能聯網的瘦終端，一部手機，一臺平板電腦，輸入用戶名和密碼即可登錄自己的虛擬機。用戶在虛擬機上訪問因特網、安裝教學軟件、準備教學材料，存放個人資料，總而言之，和普通的電腦沒有區別。教室、辦公室、家里、宿舍、商場、公園，所有能上網的地方，通過登錄虛擬機就能實現辦公、授課和學習。通過虛擬機也能進入學習平臺。此外，用戶需要計算機實驗環境時，可以利用虛擬機迅速搭建起虛擬實驗室，不需要購買真實的物理機器。

軟件平臺應根據不同專業的教學需求，在對應師生的虛擬機上安裝教學所需軟件，存放教學資料，提供統一教學軟件平臺。在傳統教學模式下，師生在自己的物理機器上需要安裝教學軟件，使用虛擬機后，由管理人員在虛擬機上統一安裝或升級，為師生節約財力、物力。

學習平臺的設計要遵循開放性、互動性、擴展性、可管理、可評價等原則。具體要求如下。

1）開放性要求師生無論何時何地，只要能連接互聯網，就可以進入學習平臺進行教學。如果師生當前使用的物理終端沒有相關教學軟件或學習資料，或機器性能不滿足要求，則先登錄虛擬機，通過虛擬機進入學習平臺。反之，通過自己的物理機器直接進入學習平臺。

2）教師和學生能建立良好的互動關系。在傳統網絡學習空間中，學習情境和學習手段比較單一，主要是師生和機器進行交互。比如老師在空間上放置PPT、教學視頻、參考資料，學生把資料下載到本地或在線進行學習，老師再集中時間答疑。在學習過程中，師生之間幾乎沒有實時互動。在本學習平臺上，師生能在線進行視頻、語音、文字的溝通。學習模式包括一對一、一對多、多對多等形式。

3）學習、實驗環境具有良好的擴展性。比如學生需要多臺設備做實驗時，在學習平臺下能迅速搭建實驗環境。

4）教學過程可管理。學生進入學習平臺，后臺管理系統就開啟了學習監管。一般情況下，學生先登錄虛擬機，然后進入學習平臺，因此，可以從多個角度對教學過程進行監督和管理。比如統計學生在學習過程中虛擬機里其他活躍的進程，掌握學習的專注度和學生興趣點。設置告警門限，當學生做與學習無關的事情累計時間達到一定門限，向該學生彈出告警信息或限制該虛擬機的網絡帶寬。

5）教學效果可評價。其包括形成性評價和最終評價。老師通過學習平臺分發單元測試或期終測試題，學生在線完成試卷。學習平臺將對學生答題過程全程監管并分析，比如統計修改次數比較多的題目，每個題目的正確率等。總之，評價不僅看最后成績，還關注答題過程，全面掌握學生對知識的掌握程度。

師生對基礎設施、軟件平臺和學習平臺均能直接訪問或使用。鑒于以上要求，基于云計算的網絡學習空間系統架構如圖2所示。

圖2 網絡學習空間系統架構Fig.2 System architecture of network learning space

數據中心為每個用戶提供虛擬機，虛擬機是實現網絡學習空間的基礎。以IaaS的方式把物理資源開放給用戶，讓教學隨時隨地都可以開展，滿足移動互聯發展要求。在虛擬機上搭建軟件平臺。不同專業的用戶有不同需求，可以在教學開始前為用戶搭建好軟件平臺，提高教學效率。

網絡學習平臺包括虛擬機服務、虛擬實驗室、網絡教學與評價、教育資源共享等子系統。

虛擬機服務和虛擬實驗室可以統一分析與設計。用戶進入虛擬實驗室后，獲得屬于自己的實驗平臺。在實驗平臺上控制多臺虛擬機來完成實驗。在具體實現時，實驗室管理員根據教學要求預先分配虛擬機。師生進入虛擬實驗室后，用虛擬機搭建實驗環境，通過遠程桌面等方式登錄虛擬機進行實驗配置，在虛擬機上執行實驗，比如信息安全攻防實驗、網絡行為管理實驗等。如果虛擬機數量不滿足要求，則進入虛擬機服務申請界面，請求管理員分配相應數量的虛擬機，獲得批準后，即可進行實驗。

網絡教學與評價。打破傳統的面授方式，師生根據需要在任何地方都能在學習空間進行交流。比如學生實習期間，師生異地通過網絡進行視頻教學。老師親臨某地，通過視頻直播某活動，現場講授知識。師生遠程協作，完成實驗任務。師生通過虛擬機登錄學習空間或直接進入學習空間后，能進行一對一、一對多、多對多的文字、語音、視頻等多種形式的在線或離線教學。師生之間有了更多實時的互動。在教學評價方面，更注重學生的形成性評價。關心學生在完成練習或試題過程中的行為，分析學生對知識的掌握情況。

教育資源共享。老師錄制教學視頻，供學生網上學習。學生錄制一些學習相關的材料，供大家討論。教師之間也可進行教育資源共享。

后臺管理分為4方面。一是對用戶的管理，包括在線和離線的師生信息統計，每個用戶對虛擬資源的使用情況。二是對云內虛擬資源的管理，即數據中心物理設備上運行了哪些虛擬資源，搜集每臺物理設備上運行的虛擬機和分配的虛擬資源，對應的虛擬機標志、使用者標志、虛擬資源類型等信息。三是用戶行為管理，學生在實驗室通過虛擬機進行教學活動，在上課期間，對學生虛擬機上活躍進程進行統計，作為老師發現學生興趣點的參考，也可作為學生平時表現的評價依據。四是對網絡學習平臺的管理，這是實現管理系統時需要重點考慮的地方。首先管理虛擬實驗室，記錄下為每個用戶分配的虛擬機群。然后管理網絡教學與評價，主要是管理在線教學，對評價過程進行監控，收集評價結果，提供分析結論。最后管理教育資源，師生進行教育資源的上傳和下載，對資源使用情況進行監管和統計。

2 網絡學習空間系統設計

基于網絡學習空間的系統架構，本節將分析如何實現該系統。數據中心里的虛擬機采用已有技術來創建，比如Citrix 的XenAPP，VMware的VDI。為每臺虛擬機安裝操作系統，基本的辦公軟件，以及不同專業用戶在教學時所需要的軟件、資料等，構建軟件平臺。網絡學習平臺以Web形式供用戶訪問。網絡學習空間的模塊設計如圖3所示。

圖3 網絡學習空間模塊設計Fig.3 Module design of network learning space

數據中心包括虛擬機以及其上的軟件平臺。用戶直接訪問虛擬機，虛擬機上搭建了軟件平臺。用戶在虛擬機上完成教學工作，比如軟件開發、圖像處理、使用仿真模擬軟件、文檔編輯等。通過虛擬機可以訪問網絡學習平臺的Web前端界面。

網絡學習平臺的Web界面包含虛擬機申請、虛擬實驗室、網絡課程和資源共享4個欄目。Web服務器后臺與數據庫和管理子系統相連。數據庫中存放用戶、虛擬機、實驗室虛擬機群、教學資源和教學評價等信息。下面對每個信息庫做一分析。

用戶信息庫以用戶id為索引，維護用戶信息，包括班級／院系，所使用的虛擬機id，當前是否在線。

虛擬機信息庫以虛擬機id為索引，維護虛擬機信息，包括虛擬機物理位置，虛擬資源使用情況等。

實驗室虛擬機群信息庫以用戶id為索引，記錄了管理員為該用戶分配的用于實驗的虛擬機id，這個數據庫具有動態性。實驗開始前為相關用戶分配實驗用的虛擬機；實驗過程中，如果用戶需要增加虛擬機，提交申請，管理員批準后即可使用；實驗結束后，釋放所分配的虛擬機。

多媒體教學資源庫以用戶id為索引，存放師生上傳的教學資源。每個教學資源包括所屬課程，可以訪問該資源的群組，訪問量等信息。管理子系統對教學資源進行管理和統計，比如熱門資源，上傳資源最多的用戶。

教學評價庫包含兩部分內容，一是評價資源，即練習庫、試題庫等；二是評價結果。評價資源以課程id為索引，記錄了提供該資源的教師id、最近修改時間等信息。評價結果以用戶id為索引，記錄了該用戶完成某課程的練習或試題的過程分析和最終結果分析。

管理子系統包含4個模塊。用戶管理模塊統計用戶在線、離線信息，主要與用戶信息庫交互。虛擬機管理模塊管理著虛擬機信息，主要與虛擬機信息庫交互。用戶行為管理模塊對用戶在虛擬機上的行為進行監管，形成分欄目的監管報告，比如用戶使用聊天工具、訪問游戲網頁、訪問新聞網站、下載影視文件的情況等。監管報告將呈現給教師，作為平時考核的參考依據。網絡學習平臺管理模塊對用戶登錄網絡學習平臺后的行為進行管理和監控。

網絡學習平臺的Web界面上的4個欄目與虛擬機、軟件平臺、數據庫和管理子系統共同協作，完成網絡學習平臺的功能，下面將設計每個欄目的工作流程或實現方式。

2.1 虛擬實驗室

虛擬實驗室不是為不同專業打造各自的實驗平臺，而是把底層的虛擬機開放給用戶。用戶在虛擬實驗室里看到的是一組專門用于實驗的虛擬機群，包含一臺或多臺虛擬機。用戶利用虛擬機搭建實驗環境，進行實驗。管理子系統只需要維護每個用戶對應的虛擬機群，不關心虛擬機上的具體操作。下面以計算機網絡專業的《用戶行為管理》課程為例，介紹具體實現方式，如圖4所示。

課程開始前，教師告知實驗室管理員為每個用戶分配3臺虛擬機。用戶登錄網絡學習平臺，進入虛擬實驗室欄目，選擇《用戶行為管理》課程，即可看到這3臺虛擬機。用戶選擇虛擬機A 為服務器端，B和C為客戶端，在A 上安裝行為管理服務器端軟件，在B，C上安裝行為管理客戶端軟件。配置虛擬機A，B，C的IP地址，讓它們處于同一個網段，這樣就可以開始行為管理實驗了。網絡學習平臺管理模塊在實驗室虛擬機群信息庫里維護著用戶和虛擬機群的關系表，當課程結束后，釋放虛擬機群。

圖4 虛擬實驗室實例Fig.4 Example of virtual laboratory

2.2 虛擬機申請

在使用虛擬實驗室過程中，因為教學安排，需要額外使用虛擬機，教學管理員進入虛擬機申請欄目，提供需要新虛擬機的用戶id、虛擬機的性能指標、虛擬機數量，然后提交申請。實驗室管理員審核通過后，分配新的虛擬機。用戶再次進入虛擬實驗室就能使用新的虛擬機。

2.3 網絡課程

對教師用戶，該欄目羅列了教師當前所教課程；對學生用戶，該欄目初始狀態羅列了學生當前所學課程，用戶后續可以增加感興趣的課程。針對每門課，包含了在線教學和課程評價2個功能。

在線教學應用場景較為廣泛。學生如果外出實習，白天沒有時間上課，師生約定一個晚上的時間，點擊“在線教學”，一起進入直播教學環境，師生通過攝像頭能看到對方畫面，教師也可以播放課件等文字信息。網絡學習平臺管理模塊統計在線學生id，作為學生考勤依據。隨著校企合作的深入開展，老師進入企業，或者邀請企業專家現場授課，教學視頻實時傳回課堂，讓學生在課堂就能感受工作場景，和一線工程師進行互動。

課程評價包含了平時練習題目和階段性測試題目。學生選擇試卷，在完成試題的同時，網絡學習平臺管理模塊記錄下用戶的答題行為，分析學生對知識點的掌握程度。具體過程如圖5所示。

第1步，用戶選擇試卷；第2步，網絡學習平臺管理模塊從教學評價庫中調出該試題，返回給用戶；第3步，用戶在答題過程中，網絡學習平臺管理模塊監控并分析用戶行為，比如統計出修改率和出錯率高的題目，最終把分析結果呈現給教師。

2.4 資源共享

師生針對課程上傳學習資料，師生之間、教師之間能互相訪問課程資源。

圖5 網絡課程評價實例Fig.5 Example of the network course evaluation

3 結 語

提出在高校部署基于云服務的網絡學習空間，對學習空間的架構設計和系統實現進行了研究。學習空間劃分為數據中心、軟件平臺和網絡學習平臺3部分。數據中心提供的IaaS服務，把物理資源開放給用戶，師生無論在什么地方，都可以通過移動終端或便攜式計算機登錄虛擬機，工作和學習不受時間和地點的限制。這加強了學生學習的延續性，也減少了老師重復性工作。

軟件平臺根據不同專業用戶的需求統一教學軟件環境，一方面方便教學、提高效率，另一方面減少實驗室的管理維護成本。

網絡學習平臺提供多種學習服務。其中虛擬實驗室讓實驗操作和硬件資源剝離，使得實驗平臺搭建變得簡單，學生做實驗不再受時間和地點的限制。

網絡教學能有效地創設優越的教學情景，將書面知識通過特定活動呈現于學生面前，便于學生掌握。比如老師前往會議、展覽等現場，通過實時視頻為學生現場講解知識，讓學生更易接受和吸收知識。

老師把和教學相關的視頻、音頻、文字等材料放入學習空間，其他師生都可以借鑒、學習，讓優質教學資源及時共享。

高校引入云計算將是校園信息化建設的必然趨勢。本文提出的網絡學習空間對高校部署云服務具有借鑒價值。但網絡學習平臺提供的服務有待深入研究，服務的新穎性和對用戶的吸引度有待提高。下一步研究可分為兩方面，一是引入大數據研究，通過分析用戶行為，提供針對特定用戶的特定服務。二是將云服務和物聯網相結合［11］，將各類資源引入到學習空間中，為師生提供內容豐富的學習環境。

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