云計算對高等教育信息化的促進

王金鳳

摘 要 目前，我國信息化應用已經深入教育行業，尤其是大專及本科教育的高等院校，電化教學已經普及。但是隨著生源的不斷擴大和教育資源的標準化推進，使得個體的電子終端已經不再適應大數據時代的到來，不但效率低下，而且成本巨大。云計算是構建教育大數據服務平臺的主要技術，它能夠集中巨大的資源，滿足大用戶群的學習需要，并且可以隨時隨地方便靈活地開展電化教學，對高等學校的教育信息化起到關鍵的推動作用。

關鍵詞 云計算 教育云 大數據 關鍵技術

中圖分類號：TP241 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2015.03.075

On the Promotion of Cloud Computing to Higher

Education Information Technology

WANG Jinfeng

（Mathematics and Information Engineering， South China Agricultural

University， Guangzhou， Guangdong 510642）

Abstract At present， China's information technology industry applications have in-depth education， especially higher education institutions， electronic teaching college and undergraduate education has spread. But with the growing standardization of students and educational resources to promote， so that electrons are no longer adapted to the individual terminal coming era of big data， not only inefficient， but also a huge cost. Cloud computing is to build on Education Data Services Platform main techniques， it can concentrate enormous resources to meet the learning needs of a large user base， and can be carried anywhere easily and flexibly electronic teaching， educational information on colleges and universities play a key role.

Key words cloud computing; education cloud; big data; key technology

0 背景

教育信息化始終是教育改革與發展的創新動力。《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）》明確指出：“信息技術對教育發展具有革命性影響，必須予以高度重視”，并將“教育信息化建設”列為2010-2012年亟待組織實施的十大工程之一。①當前，我國教育信息化建設正從“起步、應用”階段向“融合、創新”階段邁進，碰到一系列亟需解決的問題。

首先，各單位獨立購置和部署信息產品及服務的自建模式已經開始陷入困境。自行建設的前期投資高，阻礙教育信息化的普及;一次性購買軟硬件產品，無法適應需求和業務的動態變化，造成資源的極大浪費;而且自行建設會導致信息孤島，資源利用率不高;最后，政府主管部門不能統一地監管教育資源和服務的使用情況，更無法根據海量數據挖掘的結果進行科學決策。雖然也有些單位部門已經開始應用云計算技術進行信息化教育網絡的構建，但仍然是處于局域范圍的自建模式，例如，北京工業大學采用IBM云計算解決方案，打造“北京工業大學云計算實驗平臺”，為校內和校外用戶提供高性能計算服務，同時也為并行計算、虛擬化技術等課程提供實驗平臺;北京郵電大學采用開源的Eucalyptus構建云計算平臺，提供校園信息門戶、校園移動門戶、通用教學平臺（如教育視頻分發）和開放虛擬實驗室等服務。它們的應用范圍有限，無法充分顯示和利用云計算為大規模用戶提供公共服務的優勢。

其次，在當前的教育信息化實踐中，教育資源和服務提供商片面地強調功能的“多而全”，造就一個個規模龐大的系統。用戶經常用到也許只是每個系統的小部分功能，卻需要學習和掌握多個復雜系統。系統之間互不相通、無法集成，其有效性無疑會大打折扣。

面對以上問題，解決之道是真正采用云計算技術，構建教育云服務應用平臺。云計算數據中心為大規模用戶提供“按需使用，隨需應變”的服務，關鍵技術包括海量資源聚合與共享、大規模流媒體交互等，這將顯著提高高等教育資源的利用效率，節約前期投入和整體教育云平臺的運維成本。云計算為推動高等教育信息化的發展起到了關鍵性的作用。

1 現代高等教育信息化的發展

教育信息化作為一項典型的互聯網重大應用，是一個基于網絡的、多媒體、多模式，并具有高度的互動性、個性化和協作性的認知學習環境，其研究涉及認知科學、計算機科學、教育學等多門交叉學科，其服務與應用環境越來越依賴于廣泛社會群體的有效分工和密切合作。

教育信息技術領域很多專家對高等教育信息化都做了大量研究。②清華大學蔣東興教授等從實踐層面闡述了高校信息化過程中普遍存在的問題，包括：基礎設施不足、數字資源水平較低、系統建設落后等。③④而今后高等教育信息化的發展趨勢為：面向服務，面向用戶，面向知識，體現教育公平與泛在性。⑤何克抗教授對當前教育信息化理論發展的分析和總結中指出，對于泛在學習的變革實現了學習者可以在任何時間、任何地點得到他們所需要的各種學習信息;可以了解到學習內容使用的歷史記錄、與當前學習主題相關聯的內容、對當前學習的評估記錄、對學習內容的編輯更新記錄、與學習內容相關的方法策略、與學習內容相關的學習活動;通過學習的交互記錄可以獲得最適合自己需要的內容、方法、策略及工具;也可以實現隨時隨地共享社會人際網絡與認知網絡。⑥這正是教育的最終目標，即按需學習。但是所有的教育信息化策略都離不開信息化技術的支撐，主流是通過數字校園建設，拓寬教育的時間和空間維度，實現教育環境的網絡化和數字化。傳統的數字校園僅僅局限于本單位，即本校甚至本學院。總體來看，還處于“分散獨立建設”階段，信息孤島現象明顯。個別高校已開始進行全校統一的信息化規劃，正在向“數據互通，消除信息孤島”階段過渡，這需要各應用領域標準化工作的強力支持。

而面對數量日益遞增的學習資源的大用戶群， 局域的教育信息網無法滿足用戶時間和空間上的需求，同時信息技術的落后和基礎設施的陳舊也是阻礙高等教育信息化的主要因素，例如不同地點的不同人群同時訪問視頻課程，可能會造成網絡擁塞，無法訪問或下載;本地的存儲能力無法承載巨大的教育資源，包括數字類型、文本類型、多媒體類型等，這些資源構成了教育大數據。如何將教育大數據從存儲管理到分析挖掘，最終傳至教育云端，以供不同地點、不同層次、不同類型的學習者以不同的形式采納學習，是推動高等教育信息化的重中之重。而云計算正是解決大數據的方法，⑦因此云計算關鍵技術的研究與發展是推動現代教育信息化技術發展的動力和能源。

2 高等教育云服務平臺中的云計算關鍵技術

云計算是一種通過互聯網提供和使用IT軟硬件設備與服務的新型應用模式，將在系統芯片、操作系統、應用軟件和服務等多層面產生深刻影響，改變整個信息產業生態，實現資源交付和使用模式創新。⑧教育云是指以云計算基礎設施和平臺為支撐，提供教育內容、應用和服務。云服務包括“數字內容超市”、混合學習平臺、教育信息管理和云存儲，其中“數字內容超市”實現了學習內容的存儲和管理，并提供內容購買服務;混合學習平臺同時支持課堂學習和在線學習，主要功能包括課堂協作、在線學習管理和Web會議等;教育信息管理是指搜集、處理、統計分析、發布和利用教育管理數據及信息;云存儲提供個人數據備份、同步和共享服務。諸多的云服務實現需要云計算關鍵技術的支撐，才得以保證順利實施，以及服務平臺架構的穩定。 下面從不同的關鍵技術點出發介紹分析其在教育云服務平臺中的重要度。

2.1 云存儲及高可信云文件系統技術

存儲技術發展的三個階段，分別是總線存儲階段、存儲網絡階段、虛擬存儲階段。⑨云存儲是云設施所提供的核心服務之一，云存儲具有四個關鍵的優勢：第一，容易管理。在云環境下的應用會在軟件、硬件和通用基礎設施支持存儲應用方面極大的簡化，這些應用使得在多個教育試行點的高等教育信息化推行中更容易執行和部署;第二，在升級期間的低影響。在計劃或非計劃的存儲擴容等方面具有顯著優勢，這有利于用戶使用教育云服務平臺過程中，不斷增加學習內容，擴充學習資料更為容易;第三，容災。異地容災是云存儲的重要功能。云存儲不僅僅支持異地容災，更重要的是線上教學的備份系統可以確保系統的數據冗余備份以及及時的在線恢復，以免用戶包括學生的云學習過程中前功盡棄;第四，規劃簡單。云存儲的提供使得單位用戶的規劃者能夠從精細化的存儲容量規劃中解放出來，實現按需提供。

2.2 基于云計算的大規模流媒體交互服務

大規模流媒體交互服務系統主要有三個主要組成部分：（1）管理中心主要由基于DNS的全局負載平衡系統、內容管理系統和監控系統組成。全局負載平衡系統，將用戶的請求重定向到最近的、負載較輕的服務器。（2）緩存服務器這類服務結點，將視頻內容由內容提供者傳輸給終端用戶。緩存服務器，可以根據服務規模組織成多層。服務結點的最低層服務器直接為終端用戶服務， 稱為邊緣服務器，其他層服務器結點稱為核心服務器。 （3）用戶結點分為兩類：一部分上傳帶寬高且性能穩定的終端用戶直接從邊緣服務器獲取視頻流，其他用戶在邊緣服務器的組織下，組成P2P用戶群，從其他穩定終端用戶那里獲取視頻流。

2.3 自然和諧的人機交互技術

自然和諧的人機交互技術是基于云服務提升用戶體驗的關鍵。筆式用戶界面提供了一種重要的人機交互方式，它將用戶從鍵盤、鼠標的束縛中解脫出來，允許人們采用類似于傳統紙、筆的方式與教育云終端進行交互，使人機之間的交流變得更加自然、生動。本節重點介紹兩類自然和諧的人機交互技術，即筆輸入技術和手寫數學公式輸入與識別技術。

2.3.1 自然手寫輸入技術

筆輸入技術要旨是為用戶提供近似紙張書寫的筆觸書寫體驗和教學測評功能。首先通過選擇教育云終端平板電腦屏幕表面和手寫筆，使得書寫體驗近似紙面書寫感受;其次通過動態搜集用戶書寫的速度、方向和運行曲線，結合字形特點，在屏幕上展現具備粗細和轉角變化的字體筆鋒，近似手寫效果;最后，在學習模式下，通過將用戶輸入和內部筆畫與字形庫智能比對，對用戶筆畫順序和字形美觀程度進行及時評價。目前在手寫輸入方面已經取得了比較顯著的效果，如在電阻屏實現良好的筆觸書寫感受、對于單個漢字的筆順和字形可以很好地進行評價。

2.3.2 手寫公式輸入與識別技術

在筆式用戶界面下，單個手寫字符的識別技術已日趨成熟，并已大規模應用于目前市場上的手機、平板電腦中，但對于用戶自然書寫、連續輸入的中英文文本行以及具有二維結構的數學表達式、草圖等，其識別所需的巨大存儲量、復雜運算量、以及海量訓練樣本等在獨立的教育云終端上實現起來非常困難。特別在教育領域中，遠程教育、電子評卷、office辦公軟件等對于手寫識別（尤其是手寫數學公式識別）的準確性、實時性提出了較高要求，而現有的識別技術仍無法滿足這些要求，該矛盾已成為制約我國教育信息化發展的瓶頸因素之一。因此，云環境下對自然手寫的數學公式、草圖的識別問題是教育信息化中的首要技術問題。

3 總結和展望

教育信息化是我國教育事業發展的必經之路，而隨著計算機科學領域中云計算技術的迅猛發展，更加促進和推動了高等教育信息化的深化，云計算中的關鍵技術則成為了此次教育技術飛躍發展的重中之重。云計算是解決教育大數據問題的唯一有效途徑，其中的技術設計到多方面，文中僅介紹了幾種與高等教育信息化息息相關的技術，包括：云存儲及高可信云文件系統技術、基于云計算的大規模流媒體交互服務、自然和諧的人機交互技術。云存儲技術能夠低成本、高效率以及高擴展地為教育云終端在各個端點進行知識的備份以及資料的傳輸。大規模的流媒體交互為教育云平臺提供了快速、流暢、種類繁多的視頻學習服務，更好地滿足了高等教育用戶眾多、分散、需求量大的特性。最后的云計算中的人機交互技術為每位用戶在云終端上方便地進行筆記、測試等活動提供了支撐和保證。云計算概念新穎，潛力無限，更多的關鍵技術和特性還有待我們去研究和挖掘，同時高等教育信息化建設也正需要先進的技術支持才能發展得更快更好。我們在今后的工作中，一方面，要繼續探索信息化建設中的不足和缺陷，努力彌補改進;另一方面，要致力于云計算關鍵技術科研工作，優化現有算法，發掘未知技術。

項目基金：2012年度廣東省重大科技專項計劃項目：云計算若干關鍵技術及產業化與“粵教云”工程;（項目編號：2012A080104021）;2014年度華南農業大學教育教學改革與研究項目：基于“粵教云”的高校優質教學資源共享機制研究（項目編號：JG14104）

注釋

① 教育部.國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）[EB/OL].[2010-07-29]. http：//www.gov.cn/jrzg/2010-07/29/content_1667143.htm.

② 張文豐.近十年來我國高等教育信息化研究綜述[J].遼寧教育研究，2007（8）：49-51.

③ 蔣東興.高校信息化發展現狀與政策建議[J].中國教育信息化，2009（8）：27-34.

④ 蔣東興，許慶紅，謝矜，向春，李功強.高校信息化建設的一體化思路與實踐[J].教育信息化，2003（12）.

⑤ 胡欽太.高等教育信息化深度發展框架與趨勢分析[J].教育研究，2009（10）：97-101.

⑥ 何克抗.我國教育信息化理論研究新進展[J].中國電化教育，2011.1（288）：1-19.

⑦ [英]維克托·邁爾-舍恩伯格，[英]肯尼思·庫克耶著.大數據時代[M].盛楊燕，周濤，譯.杭州：浙江人民出版社，2013.

⑧ 劉鵬.云計算[M].北京：電子工業出版社，2010.

⑨ Jiyi WU， Lingdi PING， Xiaoping GE， et al. Cloud Storage as the Infrastructure of Cloud Computing[A]. 2010 International Conference on Intelligent Computing and Cognitive Informatics.

⑩ HDFS Architecture Guide[EB/OL]. http：//hadoop.apache.org/common/docs/current/hdfs_design.html.