基于虛擬化技術的開放大學云教室建設探索

（無錫開放大學，江蘇無錫市，214011） 杜 俊

云教室的建設可有效解決遠程教育教學過程中存在的師資力量和教育資源分布不均衡、教學實時性差、互動性低等問題，有利于促進優質教育資源共享，通過云技術建構跨區域學習小組、組織豐富多樣的遠程教育教學活動，為學習者提供優質的學習資源和學習環境，滿足學習者個性化、多樣化學習需求，促進現代遠程教育的發展。

1 云技術與虛擬化

1.1 云技術

云技術就是利用高速互聯網的傳輸能力，將用戶所有的數據和服務（各類軟件）都放在“網絡云”（大型數據處理中心）中，用戶只要有一個上網的終端就可以使用。云技術將各種各樣的終端，例如個人電腦、手機、電視等，進行連接，為用戶提供廣泛、主動、高度個性化的服務。

1.2 虛擬化

虛擬化是一個廣義的術語，在計算機方面通常是指計算元件在虛擬的基礎上而不是真實的基礎上運行。虛擬化技術可以擴大硬件的容量，簡化軟件的重新配置過程。CPU 的虛擬化技術可以單CPU模擬多CPU并行，允許一個平臺同時運行多個操作系統，并且應用程序都可以在相互獨立的空間內運行而互不影響，從而顯著提高計算機的工作效率。

虛擬化是云的基石，一方面，通過虛擬化可以解決數據中心資源的整合問題，在整合過程中對計算、存儲等各種資源進行標準化；另一方面，通過虛擬化將資源切割為更小的可以更好調度的資源單位，以達到調度過程中充分利用硬件資源的能力。

2 云教室的結構和運行

開放大學承裁的不單單是學歷教育還有非學歷以至終身教育。這樣就使開放大學的專業眾多，學員來自五湖四海，數量龐大。而且由于我國幅員遼闊，地區發展差異懸殊，網絡環境復雜，要想實現高質量的遠程教學、輔導、大規模授課、測驗，都不是傳統教學手段和當前信息技術所能支撐與解決的。

云教室是“將現代通信技術、網絡、信息技術融入現代遠程教育中的新型技術方案，將高清的雙向視頻會議系統與遠程教育平臺緊密結合，通過組建圖像高清、音色悅耳清晰、設備穩定、操作方便的遠程視頻會議，為滿足網絡互通條件下的教學、研討、交流等業務提供技術支撐環境，最終形成互聯互通、內容共享、集中管理、分級維護的多終端應用模式”。

依托開放大學的數據中心和專有網絡初步實現了云以后，就可以把傳統的教務平臺、學習平臺、考試平臺、資源庫、數字化圖書館、虛擬實驗室都裝入到云里。云技術的關鍵作用是把教師和學員也請到“云”上來。

2.1 云教室結構

云教室通過四朵云和控制系統（借用個術語叫“云臺”）來實現，如圖l所示。

圖1 云教室

第一朵云是資源云，分為硬資源和軟資源兩類。硬資源是數據中心的計算能力、存儲能力、網絡能力。軟資源是遠程教學的各種工具、軟件、音視頻資源，教務平臺、學習平臺、考試平臺、資源庫、數字化圖書館、虛擬實驗室等等。

第二朵云是教師云，通過虛擬化把分布在各地的教師實時、快速、友好地組織起來。需要時按照不同專業，不同的授課需求，不同的教學任務，從云朵中扣取所需要的教師云片。沒有任務的教師可以通過云隨時保持相互聯系并進行教學研究，自愿組織教研小組、課題小組等。

第三朵云是學生云，這是一朵最龐大的云，理論上囊括了開放大學的所有學員。但是他們并不是時時刻刻都在云里，而是誰有學習任務，誰在學習中遇到問題才會上到云。同樣，學員如果愿意也可在云中組織學習小組（加入他們所希望的輔導教師）。用一句話概括就是，只要你需要你就可以隨時登錄到云，登錄了你就是云的一部分，你就可以享受云中的海量資源。

第四朵云是仲裁云，仲裁云里面全是任務、考核、審計、方案、規劃等等內容，這朵云是個持久云，作用是設計組織管理創建前三朵云，云教室里需要上什么課、圖書館里要有什么書，請哪里的老師輔導哪些課程，專業如何設計，學員如何組織等等。云臺是一組工具，一組控制器，一個強大的遠維團隊,是掩沒云層中的，看不到但隨時用得到。它實現數據中心之間的協同，實現云中網絡資源運算的、存儲和調配；它實現云運轉的維系、監控、故障隔離和安全保護；它實現教室內設備的調動，資源的分揀下發，學員和教師的上連；實現教研小組、學習小組、班級關系的建立與維系，課程過程中教師與學員的互動等。

2.2 云教室的運行

2.2.1 課程籌備

仲裁云發起任務。教學計劃、課程設計的組織、輔助資源的選擇(圖書、實驗、練習、測試)、等，都通過仲裁云設計完成后發布到云教室的服務器云中教師的選派、團隊授課時間的安排等云臺系統從云教室服務器云巾接收到這些要求后，開始協同數據中心，評估調配云中運算資源、存儲資源、網絡資源等、生成教師云，學生云并創建規則，制定安全約束。

教師云生成。根據仲裁云的要求，云臺把教學所需要的各種資源的訪問接口按個性化需求從資源云中搜索出來，生成教師服務器云，與所需要的所有參與教學工作的教師的虛擬桌面，并與教師服務器云互信，用以保障教學小組組織課程的各項工作，以及所有教師之間的實時聯系。云臺劃分出邏輯教室、班級，生成每個教師的具體任務、課程表，并通過郵件、手機短信、即時通信等工具告知相關教師用什么終端，登錄哪臺虛擬桌面。

學員云生成。教學小組完成所有授課準備后，把授課計劃和要求上傳到教師服務器云。云臺從資源云和教師服務器云中搜索調配出所需要的資源，生成班級服務器云，把所有授課資源（圖書、視音頻資料、實驗、練習、測試、授課時間的安排、教師組簡介等）放入班級服務器云，并建立班級服務器云與教師服務器云的互信。云臺根據授課小組的要求創建學生遠程終端腳本，并分配各地數據中心資源池和專網帶寬；生成學生登錄許可、班級信息和地址列表，發送給短情網關成郵件網關。學生收到通知信息后登錄所收到的地址進行終端測試。當一名學生登錄時，云臺就會瞬間創建出一臺學生遠程終端（根據測試登錄后學生的具體登錄工具類型和網絡情況適配），并接人所屬班級服務器云。同時，在遠程終端桌面建立好課件連接快捷、虛擬實驗室快捷、測試系統快捷、參考資料快捷、班級服務器快捷和視頻資料播放快捷等。

2.2.2 課程實施

教師和學生都已經被請上云教室了，資源也有選擇地導人了云教室，下面就可以開始授課了，云教室中信息流程如圖2所示。

圖2 云教室中的信息流

教師通過登錄自己的虛擬桌面，到教師服務器云，再到班級服務器云指導學員虛擬桌面的操作，實現教學任務與師生互動。

學生通過登錄自i的虛擬桌面到班級服務器云再到教師服務器云，實現學生間的互動和與教師的交流。云臺系統根據授課的實施情況，動態地調配各項資源，并屏蔽故障。

教學完成后，所有的數據（教師信息、學生信息、考試成績、作業成績、教學評測等等）都調入到資源云中保存。教師虛擬桌面、學員虛擬桌面、教師服務器云、班級服務器云，部生成腳本歸檔保存，如有需要可以依腳本重建。

3 云教室的特點

3.1 互動性

云教室里的所有設備（大多是虛擬設備）都是在數據中心的資源上創建的，好比是一個高性能的、同一規格的、嚴格安全監控的局域網環境，每個設備都有自己唯一的地址與身份，相當于每一個云教室里的人都知道其他人的名字，并信任他。如此交流起來當然就非常方便，非常順暢。

云教室的資源是無限的，而且永遠不會有故降，這樣就保障了交互的質量和持續性，更能實現超大容量的用戶間的任意交流。

3.2 靈活性

云教室是建造在云技術上的。云所具備的特性它都具備，所以靈活性非常高。它可以是私有云，也可以開放信任其他的云。云可以在需要時快速膨脹，也可以在不需要時快速收縮，因此，云教室不會浪費資源，也不會沒有資源可用。

3.3 安全性

所有云教室的用戶只需通過自己的終端（例如個人電腦、手機、電視等）進行認證，登錄到云教室中屬于自己的虛擬桌面上、使用自i 需要的資源。所有的資源與信息都是在教室內部流動的，不經過允許是無法帶出教室的。

全部虛擬桌面都由云臺系統生成并維護、監控，標準統一設備先進，所以不易被黑客、病毒攻破。虛擬桌面和用戶認證都是按需自動生成、自動創建的時間準確，其生命周期有限，也增強了系統的安全性。

3.4 擴展性

云教室就是一朵云，云的膨脹與收縮是非常靈活的，用戶不必關心它的資源、位置、安全等等問題，只要提出需求就可以了。

3.5 便捷性

云教室對于用戶來說，幾乎不需要他們準備任何復雜的設備，也不用具備較強的計算機知識，只要會操作帶攝像頭、麥克的終端上網就可以完成云終端的登錄。登錄后的操作全由輔導老師指導和協助，學員只需關心自己希望學到的內容。

4 云教室的實現

開放大學有自己的大型數據中心，而且不止一兩個，小型的肯定就更多了，有自己的專網系統，這些都為部署云提供了有利的條件和保障。這樣，通過國家開放大學的自主數據中心，基本不需要增加太多的投入就可以實現云部署，但是大規模的云還是要有大量技術、資源和人力投入的。

4.1 如何請教師和學生上到云

云教室通過虛擬化技術，把數據中心的服務器資源根據腳本的定義與約束，隨著課程計劃的變化，按需地虛擬出無數的遠程終端，并連接上必要資源；根據教學計劃創建班組，根據用戶的終端設備特性(例如個人電腦、手機、平板電腦、電視等)和網絡速度，適配遠程登錄到虛擬桌面；當教師和學生登錄到遠程終端后，就好像他們共同走進了一間多媒體教室。

4.2 云教室的實現

硬件基礎稍作加強以后就可以實現云技術的應用，這基本沒有太多的技術需要長期構建和積累的是服務于云應用的資源和技術標準，這個不能操之過急。關鍵技術是云臺，云是好東西，但是不好控制，高高的飄在空中，多了會下暴雨，少了會干旱，云臺是眾多控制系統、監視系統、中間件、告警系統、故障自動處理系統、資源調配系統等的集合，同時也是使用開發和維護這些系統的技術團隊的集合。這么龐大復雜的一個團隊系統，不是一朝一夕可以創建起來的，所以云教室的實現至少要分三步走。

4.2.1 先期的示范體驗中心

資源依然用現有的資源，只需要建立幾個部署上擁有多媒體功能的大觸模屏的體驗教室。教室的網絡環境要好，功能是要能通過網絡登錄云端的虛擬桌面。教室里完全可以不配備教師。數據中心建立一套實驗云教室系統，與開放大學的演播中心相連接，定期組織一些體驗課程。邀請一些學生和社會志愿者去體驗室體驗操作如何登錄云終端，如何在云教室里學習。重點工作是多做些調查，收集數據，積累經驗，調整課程，補充資源，檢驗系統，優化方案。當實驗云教室隨著體驗者的意見不斷優化以后，就可以承載更多的體驗中心。同時，也可以開放部分虛擬桌面，允許通過網絡登錄。學生在家里也可以體驗云教室。

4.2.2 中期的適度規模的開放云教室

隨著云教室的完善和云臺系統運行經驗的積累，團隊的壯大與完善，云教室就可以從實驗系統轉為正式系統，可以實現長期提供有一定規模的云教室課程應用。這時可以嘗試實現高速網絡、低速網絡、無線網絡、手機終端甚至是電視的遠程登錄自動適配技術，和其他教育資源的對接技術，以及和非教學資源的對接技術；實現云教室的大范圍遷移技術，快速大容量膨脹、收縮技術。腳本自動化任務技術，破壞性災難故障的自我發現自我排除實驗等等。總而言之，此時我們的技術已經可以支持云教室的運轉了。云教室此時已經初具規模，讓入刮目相看。

4.2.3 遠期實現真正的云中授課

云教室經過相當長一段時間的運行以后，最終實現不管是在什么地方、用何種方式、什么條件，有多少專業、有多少課程、有多少學員，你是想學習，還是想把自己的知識經驗告知他人，只要你登錄到云教室的虛擬桌面上，提出你的需求，就可以完成你的心愿。

5 結語

云教室是開放大學實現現代信息技術與教育的深度融合體，在今后遠程教育中將扮演著重要的角色，如何進行云教室授課、開發更多的云教室課程并通過不斷發展的信息技術為云教室開辟更多的應用模式是未來開放大學整個系統需要研究的重點課題。