基于云計算的數字信號處理精品課程資源共享平臺建設

王桐 陳立偉

摘 要：如今，許多學校開始將教學資源以網絡的形式來完成共享和交流任務。可是，以往的網絡模式在共享教學資源時常常會使學校之間出現“信息壁壘”的現象，使得他們之間不能互聯互通。鑒于云計算具有按需使用、安全穩定、成本較低等諸多優勢，文章提出基于云計算的《數字信號處理》精品資源共享平臺。文章首先分析了國內外教學網絡資源共享的相關工作，然后給出云計算的概念，然后對引入云計算在教學共享方面的必要性進行分析，給出了該平臺的架構及服務器端詳細拓撲結構。平臺提高了整個課程組的備課效率、方便了學生使用和學習精品課程共享資源。

關鍵詞：教學資源；云計算；共享；數字信號處理

數字信號處理以信號與系統為先修課，該課程非常注重實踐學習，與集數學、計算機學科、信號與信息處理和電子學等學科之間都有著緊密的聯系。因此，整合優質的課程資源，使教師和學生都能夠很好的利用這些資源，減少教師重復備課的時間，以及提高學生上課的積極性和學習效率，是當前急需解決的問題。另外，傳統網絡資源共享方式很容易造成學校間的“信息壁壘”，使得他們之間不能互聯互通。本文提出以云計算為基礎的《數字信號處理》精品教學資源共享平臺。

1 國內外研究現狀分析

為了完成教育規劃綱要和廣泛提升高等教育質量工作會議上提出的具體目標，根據《教育部財政部關于“十二五”期間實施“高等學校本科教學質量與教學改革工程”的意見》（教高[2011]6號），教育部辦公廳于2012年5月21日下發了《精品資源共享課建設工作實施辦法》。精品資源共享課程建設的目的在于革新傳統的教育教學理念、通過多種現代信息技術形式的綜合運用，促進高等學校優質課程教學資源的共建共享。

從國外資源共享課程的建設現狀來看，美國高校網絡資源共享課程覆蓋面廣、發展日趨完善的成熟現狀，得益于政府及高校對網絡教育資源建設的重視和投入。目前，國家教育資源信息中心、聯邦優質教育資源、俄亥俄圖書館和信息網絡以及教育資源中心是由美國政府出資建設的四個國家級資源信息中心項目。美國國家技術大學和麻省理工學院在通過網絡實現教學資源共享上收到了卓越的成效。此外，對于共享學習資源平臺的搭建問題，加拿大也很關注。例如，加拿大政府在2002年組織了名為EDUSOURSE的項目，主要目的就是搭建一個能夠覆蓋住加拿大整個國家范圍的互聯的共享網絡學習庫，便于所有的加拿大公民共享使用教學網絡資源。再者，澳大利亞政府為了提升國民整體素質，也大力推行網絡教育資源，力爭使每個澳大利亞人在家中就能便捷地共享優質的遠程教育資源。從我國資源共享課程建設情況來看，教育部“遠程教育重要技術與主體服務系統和天地網結合項目”吸引了西安交大、上海交大、浙江大學的加入并進行合作研究、開發了遠程教育的若干重要技術，搭建了有著自主知識產權的天地網聯合的遠程教育支持系統，將共建、共享精品數字化課程資源，最終實現優質教育資源的共建、共享和共管[1]。

但是，由于我國目前的網絡教學資源在建設與分類上并沒有一個一致的標準，網絡教學資源在各個學校中獨自為綱，不能完成高效的共享。因此，采用云計算這類新技術進行網絡教學資源共享管理建設迫在眉睫[2]。清華大學建設云平臺Meepo[3]，與人大、北大等知名高校聯合，將精品課程等教學資料通過清華云存儲平臺進行共享，這大大提高了資源利用率，避免課程資源的重復建設。近期蘭州大學、合肥工業大學等高校也陸續加入進來，促進了優質課程教學資源的共享。下文就簡要分析基于云計算資源共享平臺建設的必要性。

2 基于云計算資源共享平臺應用

2.1 云計算資源共享平臺簡介

“云計算可以作為一個系統平臺來理解，也可以把它看做是一種應用程序。云計算平臺根據具體的需要實現動態地規劃（provision）、配置（configuration）、重新配置（reconfigure）和撤銷服務（deprovision）等”[4]。云計算是互聯網信息基礎設施的重要形態，它能支持多種信息化的應用，能夠采用新的業務形式支持高性能、低成本的計算與數據服務。隨著云計算的快速發展及其所帶來的巨大影響力，亞馬遜、Google和微軟均推出了自己的云計算服務平臺，他們分別是Amazon EC2、Google Hadoop和Microsoft Azure平臺。其中，Microsoft Azure平臺是剛剛進入我國市場的，2013年11月筆者親自參加了廣州舉辦的Microsoft Azure Research Training培訓，得到豐富的第一手最新資料，再加上筆者從事云計算研究的數年積累，這些都為搭建數字信號處理課程資源共享平臺做了相應技術儲備。云計算資源共享平臺基本設計框架如圖1所示。

圖1 基于云計算教學資源共享平臺總體架構

其中，用戶交互接口向應用以Web Serv ices方式提供訪問接口，獲取用戶需求。用戶能夠訪問的服務清單以目錄的形式存儲。系統管理部分的主要任務是控制和分配全部可用的資源，負載均衡是其核心目標。配置工具主要用于準備分配節點上的服務運行環境。監視統計部分用于監視節點的運行情況和統計節點被用戶的使用狀態。用戶交互接口允許用戶從目錄中選取并調用一個服務并請求傳遞給系統管理模塊后，它會把合適的資源分給相應的用戶，然后采用配置工具進行運行環境的準備工作。因此我們需要在云平臺的基礎上設計一個用戶交互界面，以實現服務器資源的互相訪問。

下面給出具體的后臺通過數據中心實現的服務器端層次拓撲圖參考了Meepo系統[3]，如圖2所示。

2.2 云計算教學資源共享平臺需求分析及應用

目前，國內眾多知名高校紛紛利用網絡技術開發適合本校實際情況的教學資源管理系統。這些功能日趨完善的網絡資源不但進一步提升了教學質量，也為學生的課前預習和課后復習提供了良好了學習平臺。這些系統普遍以三層結構的B/S[5]方式來實現。B/S模式即瀏覽器和服務器模式，它有別于C/S[6]模式（客戶機和服務器模式）。B/S模式讓用戶只需要瀏覽器這一個工具，在服務器端實現所有的業務邏輯。此種模式極大地降低了客戶端電腦的負荷，降低了系統維護的工作量。而三層結構即MVC[7]模式。M（Model）為業務邏輯層，V（View）為視圖表示層，C（Control）為控制層。用戶通過瀏覽器發送請求，后臺控制器按照請求的不同分別進行處理。前段控制器接受請求并響應請求，而后臺控制器調用合適的模型對象來處理具體的業務邏輯，最后為了響應客戶端的請求返回一個具體的視圖。在處理具體的業務邏輯的過程中，需要進行底層數據庫的訪問。由于此種資源共享的模式存在局限性，因而形成了“信息壁壘[8]”。這里的信息壁壘主要指由于高校之間彼此設有權限，而形成了孤立的信息源，導致了高校之間的資源缺乏共享，無法滿足高校師生獲取更多優質教學資源的需求。

例如，某學生要在本院校查找有關云計算的資源，他首先訪問X院校的資源管理系統，該系統訪問X院校的X服務器，返回服務器上所有有關云計算的資源。但假設他還是沒找到需要的云計算資源，此時他需要訪問Y院校的資源管理系統。假設他不知道Y院校的資源管理系統的訪問方式，或者沒有Y院校的訪問權限，顯然他是不能訪問的。面對這個情況，X院校想到的解決辦法就是在X院校的系統上加上Y院校系統的的超鏈接，或者跟Y院校交涉互相共享教學資源。此時，學生只需知道X服務器的地址，并被賦予兩個系統的訪問權限，就可以訪問X、Y兩臺服務器上的所有資源。這種方式實現了資源的共享，提高了資源的利用率。但是，當學生面對多個管理系統的多個服務器時，他只能逐個站點登錄訪問。當前，由于多數高校網站都設有訪問權限（只對本校教師和學生開放），這就形成了“共享壁壘”——人為的造成“信息壁壘”導致高校間信息不能有效共享，造成了教學資源的極大浪費。

為了解決“共享壁壘”問題，云計算平臺的運用可以為不同教學側重的高校提供強大的在線應用功能服務，顯著地提升了高校的信息化水平。云計算平臺在《數字信號處理》精品課程資源共享領域應用需求主要體現在以下幾方面：

（1）云平臺課能夠減少學校基礎設施建設的成本，提高學校網絡服務水平。通過“云計算”與“云服務”建設具有互動交流功能的精品課程共享系統，保證每一節《數字信號處理》課程資源的系統性以及課程結構及數據的標準性，向高校師生和社會學習者提供快捷、開放、優質的《數字信號處理》視頻公開課，提升學校教育資源的網絡共享服務能力。

（2）利用云平臺加強校際、校企等之間教學管理與交流協作，共享多元化的教學資源。云平臺以開放與共享為基本目標，結合《數字信號處理》課程教與學的重點內容，圍繞教學需求提供資源豐富的教學資源，使教學資源得以完善。例如，在云端對教學資源進行分類建設，包括文件庫、規范庫、圖片庫、案例庫、文獻庫、教材庫，課件庫、試題庫、計算軟件、教學管理軟件等實現資源共享，提高資源的適用性。

（3）利用云平臺使教育機構共享虛擬教學資源，提升普通高校的教學水平。我國高校之間在經費投入和發展水平等方面存在著現實的差距。一些知名高校有更多的資金來源，承擔著更多前沿技術的課題研究工作。而其他同類高校存在著經費有限、師資力量相對不足等問題，難以形成“統一規格”的高質量的教學與實驗配置。云計算的出現，將為普通高校提供教學資源共享的環境。例如，普通高校在《數字信號處理》課程教學中，通過共享虛擬教學資源，同樣擁有國內知名大學才能配置的超級實驗環境，縮小了與名校之間的教學差距。

（4）利用云平臺提高學生對知識的自主學習能力，改良傳統的教學環境。在當前信息技術教育背景下，《數字信號處理》課程要特別強化學生在線學習、移動學習的自主學習觀念，打造吸引學生主動探尋知識的教學氛圍，真正實現以學生為中心的高效教學方式。例如，學生可以通過pad、手機隨時隨地接入云平臺，了解學科的最新前沿動態、下載更新教育資源，真正實現高效互動的課堂教學環境。

（5）利用云平臺分享《數字信號處理》精品課視頻，保證課程內容的同步完整性。作為精品資源共享課建設的一部分，優質教學視頻的建設必不可少。課程的不同章節可以由一位教師主講，也可以效仿世界著名高校視頻公開課的講解方式，聘請校內外的優秀教師按其專長深入地講解相關章節，打造真正有影響力的《數字信號處理》視頻公開課。由于視頻資料文件過大，需要大數據處理相關技術問題。因而，運用云平臺能輕松解決這一系列大數據存儲、管理、使用等問題，保證每一節《數字信號處理》視頻公開課的高質量播放。

3 結束語

哈爾濱工程大學數字信號處理課題組于2004年當選哈爾濱工程大學校級精品課程，2005年當選黑龍江省精品課程，經過課題組多年的建設，在課程設計和建設方面具有充足的教育經驗；筆者從事多年的云計算基礎和應用研究，在整個平臺建設方面有豐富的經驗。以實驗室搭建的hadoop平臺為基礎，搭建基于云計算平臺的《數字信號處理》精品課程資源共享平臺實驗原型，提高了整個課程組的備課效率、方便了學生預習、學習、復習和拓展精品課程共享資源。今后，《數字信號處理》課題組打算將這門精品課程的共享平臺進行擴展，使其他相關課程的資源也可以在該平臺運行，實現優質教學資源共享。

參考文獻

[1]數字信號處理課程教學改革的探索和實踐[J].東華理工大學學報（社會科學版），2011（3）：294-296.

[2]孫柏祥.云計算高校教育信息化建設和發展的新模式[J].中國電化教育，2010.

[3]陳康，鄭緯民.云計算：系統實例與研究現狀[J].軟件學報，2009，20（5）：1337-1348.

[4]Boss G， Malladi P， Quan D， Legregni L， Hall H. Cloud computing. IBM White Paper， 2007. [5]http：//download.boulder.ibm.com/ibmdl/pub/software/dw/wes/hipods/Cloud_computing_wp_final_8Oct.pdf.

[6]百度百科.B/S URL： http：//baike.baidu.com/view/679018.htm.

[7]百度百科.C/S URL： http：//baike.baidu.com/view/679010.htm.

[8]曹軍委.基于云計算的教學資源共享體系的研究與實現[D].2012.

[9][美]Dan Sanderson. GAE編程指南[M]. 唐學韜，何繼業，等譯.北京：機械工業出版社，2011.