云计算与中小学数字化校园建设*

高艳贺，王锋辉

（1.西安外国语大学，陕西 西安710128；2.万达文化旅游规划研究院，北京100020）

一、引言

信息化是促成未来中小学教育及学习革命的主要动力，《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010－2020年）》明确提出，要“加快教育信息化进程”[1]。中小学数字化校园建设正是响应这一发展的需求而提出的概念。不同于高等学校的数字化校园建设，中小学校因其数量多、地域分散、资源分散、资金投入有限等原因，在每个学校均配置较多数量的服务器及其它软硬件设备，建成类似于高校的信息化基础设施，且配备大量专职信息管理人员并不现实，而且会出现资源利用效率低、使用维护费用高等问题。

云计算是近年来信息技术发展的新成果，代表未来信息技术的发展趋势。云计算所具有的特点恰好能够弥补以往数字化校园建设方案的不足，能解决目前中小学数字化校园建设中遇到的经费投入有限、基础设施利用低效等问题。鉴于云计算可以为中小学数字化校园建设提供良好的技术途径和技术方案这一事实，一些地方的中小学已启动了云计算辅助教学的实践，如鞍山一中、广州天河区中小学、浙江海盐地区中小学等。[2,3,4]《上海市中长期教育改革和发展规划纲要》（2010-2020年）提出，上海的教育发展要利用“电子书包”和“云计算辅助教学”建立数字化学习环境，使每个学生能够使用信息技术工具，实现随时随地的学习。[5]

在近期出现的中小学数字化校园建设方案中，云计算的概念被屡屡提及，也引发了不同的评论。[6]现阶段中小学数字化校园建设对云计算的需求具体体现在哪些地方、如何利用云计算技术建设中小学数字化校园，都是中小学教育信息化工作者和信息技术专家必须直面的问题。本文通过分析中小学数字化校园的建设目标、基本架构及其功能，同时剖析云计算技术的本质和功用，寻求二者的契合点，理清中小学数字化校园建设对云计算技术的具体需求，并提出基于云计算技术的中小学数字化校园解决方案。

二、中小学数字化校园的本质及其架构

中小学数字化校园是以校园网络为基础，利用先进的信息化手段和计算机技术、网络技术、通讯技术，实现从环境（包括设备、教室等）、资源（如图书、讲义、课件等）到活动（包括教学、管理、服务、办公等）全部数字化。通过对数字信息资源的整合和集成，构成统一的用户管理、统一的资源管理和统一的权限控制，最终实现教育过程的全面信息化。

中小学数字化校园的基本架构如图1所示，从下而上依次为网络基础设施层、应用支撑层和应用层。网络基础设施层综合运用计算机、网络设备、通信终端、视音频多媒体设备、RFID等，构架数字化校园的硬件平台。网络基础设施层主要包括有线网络、无线网络、物联网和五室（多媒体实验室、远程会议室、网络教室、创新实验室、电子阅览室）。应用支撑层主要包含校园信息数据库、数字资源库等基础数据库和网络安全、外部网接入等系统支撑软件，为各种应用提供数据和技术支撑。应用层是基于校园网的，面向教师和学生的教学、管理及服务的软件平台，包含数字化校园的绝大多数应用系统。

图1 中小学数字化校园的基本架构

对于数字化校园而言，以上三个层次的基本配置是必需的。对于具体的数字化校园建设项目，各层的软硬件配置可根据实际情况做适当的取舍。无论采用什么样的技术、配置多少信息技术产品，各种数字化校园建设方案的不同仅仅在于上述各层中的产品配置不同。具体到某个中学或小学，数字化校园的建设不必面面俱到，而应根据实际所需，以效用最大化为目的，根据需求进行数字化校园的应用层设计与规划，再由应用层需求提炼出应用支撑层和基础设施层的功能及相应的产品配置。在此过程中，还需兼顾已有的设备和设施，通过适应性改造，实现最大化的包容和继承，避免一切从头开始的方案。

三、云计算的体系结构及其技术特点

云计算是一种基于互联网的计算方式，是网格计算、分布式计算、并行计算、效用计算、网络存储、虚拟化、负载均衡等传统计算机和网络技术发展融合的产物，也是引领未来信息产业创新的关键战略性技术和手段。[9]狭义地讲，云计算指IT基础设施的交付和使用模式，通过网络以按需、易扩展的方式获得所需资源。广义地讲，云计算指服务的交付和使用模式，通过网络以按需、易扩展的方式获得所需服务。

云计算的体系结构可分为四层：物理资源层、资源池层、管理中间件层和SOA（Service-Oriented Architecture，面向服务的体系结构）构建层，[10]如图2所示。物理资源层包括计算机、存储器、网络设施、数据库和软件等。资源池层是将大量相同类型的资源构成同构或接近同构的资源池，如计算资源池、数据资源池等。管理中间件层负责对云计算的资源进行管理，并对众多应用任务进行调度，使资源能够高效、安全地为应用提供服务。SOA构建层将云计算能力封装成标准的Web Services服务，并纳入到SOA体系进行管理和使用，包括服务接口、服务注册、服务查找、服务访问和服务工作流等。

图2 云计算的体系结构

云计算采用虚拟化技术调配资源，将处于不同层面的硬件、软件、数据、网络及存储隔离开来，从而打破数据中心、服务器、存储、网络、数据和应用中的物理设备之间的划分，实现架构动态化，达到集中管理和动态使用物理资源及虚拟资源的效果。云计算提供三类服务，即SaaS（软件即服务）、PaaS（平台即服务）和IaaS（基础设施即服务）。[11]IaaS中包含操作系统和硬件基础设施，如Amazon提供的面向IaaS层的EC2/S3。PaaS中主要包含各类数据库和中间件，如Google提供的面向PaaS层的App Engine，以及微软公司提供的Windows Azure。SaaS中主要包含多种应用程序，如Salesforce提供的online CRM等。随着云计算的发展，传统的以PC和服务器为中心的IT应用模式将发生巨大变化，IT的应用、部署模式和商业模式也将发生重大的变化，用户只需要拥有可上网的终端设备，就能享受到自己想要的各种IT服务。

从云计算的体系结构和技术特点可知，云计算适合应用于具有以下特点的业务：一是业务量弹性大，用户数量增加较快，对资源占用不均匀；二是业务量较小，无法充分利用所分配资源。而中小学校的数字化校园对于信息技术的需求恰好具有上述特点。

四、云计算如何应用于中小学数字化校园建设

如图3所示，若将中小学数字化校园的架构与云计算的三种服务关联起来，即可发现二者在各层存在明显的对应关系。中小学数字化校园的应用层可使用Saas（软件即服务）中的应用软件，应用支撑层可利用PaaS(平台即服务)中的数据库和中间件，网络基础设施层可利用IaaS（基础设施即服务）中的服务器等基础设施。

由图3中的关联关系可知，云计算可以在中小学数字化校园建设的各个层级中得到应用，将云计算融入到校园的各个应用服务领域，通过计算及存储资源的弹性分配和动态管理，构建综合信息服务平台，实现透明高效的校务管理和泛在网络学习，能有效避免以往数字化校园架构所存在的信息孤岛、系统弹性差、资源利用率低、建设周期长、IT成本高等缺点。

图3 中小学数字化校园架构与云计算服务的关联关系

鉴于云计算在中小学数字化校园建设中的应用价值和潜力，国外主要IT公司，如Google、思科、苹果、亚马逊等均推出面向教育的云计算服务。如Google的协作学习平台、微软的教育云平台等。[7]国内的电信企业华为也推出面向教育的云计算服务，如华为的智慧教育项目，提出了基于云计算环境的“区域教育云+智慧校园”的融合社会教育信息化解决方案。

利用云计算技术建设的中小学数字化校园可以实现“云计算辅助教学”（Cloud ComputingAssisted Instructions），即学校和教师利用云计算提供的服务，构建个性化教学的信息化环境，支持教师的教学和学生的学习。利用基于云计算的教学基础设施（如移动互联的课堂、泛在的学习资源和社区），可以促进教学资源的整合，保障教学信息的安全，分析学生日常行为取向，改进教学设施和教学方法，实现以学生为中心的个性化教学，从而提高教学质量。

目前，数字化校园的建设主要有三种模式，即自主开发模式、合作开发模式和租赁模式。统计数据及市场分析结果表明，不同规模的中小学数字化校园的建设成本一般在2万元至20万元。受建设成本及技术条件等因素制约，中小学数字化校园的建设宜采用合作开发模式或租赁模式，而采用这两种开发模式，则更适合引入云计算。数字化校园的部署模式主要有独立部署模式、托管部署模式和合作部署模式。目前，我国高校大多采用独立部署模式，大多数中小学也采用了独立部署模式，少数中小学开始尝试采用托管部署模式或合作部署模式。随着云计算技术引入数字化校园建设，托管部署模式将更有竞争力。

五、面临的问题及对策

当前，云计算应用于中小学数字化校园建设过程中所遇到的问题主要有两类，一类是安全问题，另一类是资源建设问题。

所有教育资源均集中在云端，或均从云计算供应商的数据中心获取，则必然存在厂商依赖和数据安全的问题。另外，各学校均有自己的私有数据需要保护，如校本课程资源、校园资产、教师及学生的个人信息等。针对上述问题，可通过采用公有云和私有云的混合云策略解决，学校内部的信息资源（如校本课程、特色课程）由私有云管理，学校外部的资源（如数字化图书馆、公共信息资源、科研资源）由公有云管理。公有云可实现资源共享，提高软硬件使用效率；私有云既可保护各学校内部资源的安全，又能避免对IT基础设施的大规模需求。此外，云计算的一大特点就是其安全性。例如，云计算系统通过监测集群内部异常数据，对可能的安全问题做出判定，并向各服务器发送防止病毒扩散的措施，从而预防安全问题的出现。

共享特定区域内的教学资源，是中小学数字化校园建设的重要保障条件。数字化校园的支持服务体系应由政府主导，由企业与学校共建，以区域（市/县）教育主管单位为中心，整合教育资源及业务流程，建立统一的教育公共服务平台，为教师、学生、家长及教育管理者提供统一的协作和沟通平台。国家基础教育云平台已于2012年12月28日开通上线试运行，向全国各级各类教育免费提供公益服务。[8]北京、上海、南京等地已建设了面向区域的教育云，向区域内的学校、教师、学生和家长提供各种教学服务和教育教学资源。

[1]国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）.

[2]俞建华.基于云计算的远程教学资源建设模式——以浙江开放大学为例[J].中国电化教育,2011(12)：130-134.

[3]贺小华.云计算在教育中的应用——以Google协作平台为例[J].软件导刊(教育技术),2009(9)：71-74.

[4]任宁.云计算辅助教学初探[J].成人教育,2010(10)：93-94.

[5]黎加厚.走向信息化教育“云”服务[J].中国教育信息化(基础教育),2008(20)：20-21．

[6]王运武.我国数字校园建设研究综述[J].现代远程教育研究,2011(4)：39-50.

[7]陈学军,黄利华.基于云计算的义务教育学科课程资源共建共享模式[J].中国电化教育,2013(1)：81-87.

[8]宋灵青.“国家教育资源公共服务平台”正式开通上线[J].中国电化教育,2013(1)：105.

[9]Voorsluys.W,Broberg.J,Buyya.R.Introduction to Cloud Computing[M].New York,USA：W iley Press.2011(2)：1-44.

[10]Patrícia.T.E,Glauco.E.G,Judith.K,D jamel S.A Survey on Open-source Cloud Computing Solutions[J].VIIIW orkshop on Clouds,GridsApplication,2010(5)：3-16.

[11]Peng.B,Cui.B,Li,X.Implementation Issues of A C loud Computing Platform[J].IEEE Data Engineering Bulletin,2009(1)：1-8.