基于云计算的数字信号处理精品课程资源共享平台建设

王桐 陈立伟

摘 要：如今，许多学校开始将教学资源以网络的形式来完成共享和交流任务。可是，以往的网络模式在共享教学资源时常常会使学校之间出现“信息壁垒”的现象，使得他们之间不能互联互通。鉴于云计算具有按需使用、安全稳定、成本较低等诸多优势，文章提出基于云计算的《数字信号处理》精品资源共享平台。文章首先分析了国内外教学网络资源共享的相关工作，然后给出云计算的概念，然后对引入云计算在教学共享方面的必要性进行分析，给出了该平台的架构及服务器端详细拓扑结构。平台提高了整个课程组的备课效率、方便了学生使用和学习精品课程共享资源。

关键词：教学资源；云计算；共享；数字信号处理

数字信号处理以信号与系统为先修课，该课程非常注重实践学习，与集数学、计算机学科、信号与信息处理和电子学等学科之间都有着紧密的联系。因此，整合优质的课程资源，使教师和学生都能够很好的利用这些资源，减少教师重复备课的时间，以及提高学生上课的积极性和学习效率，是当前急需解决的问题。另外，传统网络资源共享方式很容易造成学校间的“信息壁垒”，使得他们之间不能互联互通。本文提出以云计算为基础的《数字信号处理》精品教学资源共享平台。

1 国内外研究现状分析

为了完成教育规划纲要和广泛提升高等教育质量工作会议上提出的具体目标，根据《教育部财政部关于“十二五”期间实施“高等学校本科教学质量与教学改革工程”的意见》（教高[2011]6号），教育部办公厅于2012年5月21日下发了《精品资源共享课建设工作实施办法》。精品资源共享课程建设的目的在于革新传统的教育教学理念、通过多种现代信息技术形式的综合运用，促进高等学校优质课程教学资源的共建共享。

从国外资源共享课程的建设现状来看，美国高校网络资源共享课程覆盖面广、发展日趋完善的成熟现状，得益于政府及高校对网络教育资源建设的重视和投入。目前，国家教育资源信息中心、联邦优质教育资源、俄亥俄图书馆和信息网络以及教育资源中心是由美国政府出资建设的四个国家级资源信息中心项目。美国国家技术大学和麻省理工学院在通过网络实现教学资源共享上收到了卓越的成效。此外，对于共享学习资源平台的搭建问题，加拿大也很关注。例如，加拿大政府在2002年组织了名为EDUSOURSE的项目，主要目的就是搭建一个能够覆盖住加拿大整个国家范围的互联的共享网络学习库，便于所有的加拿大公民共享使用教学网络资源。再者，澳大利亚政府为了提升国民整体素质，也大力推行网络教育资源，力争使每个澳大利亚人在家中就能便捷地共享优质的远程教育资源。从我国资源共享课程建设情况来看，教育部“远程教育重要技术与主体服务系统和天地网结合项目”吸引了西安交大、上海交大、浙江大学的加入并进行合作研究、开發了远程教育的若干重要技术，搭建了有着自主知识产权的天地网联合的远程教育支持系统，将共建、共享精品数字化课程资源，最终实现优质教育资源的共建、共享和共管[1]。

但是，由于我国目前的网络教学资源在建设与分类上并没有一个一致的标准，网络教学资源在各个学校中独自为纲，不能完成高效的共享。因此，采用云计算这类新技术进行网络教学资源共享管理建设迫在眉睫[2]。清华大学建设云平台Meepo[3]，与人大、北大等知名高校联合，将精品课程等教学资料通过清华云存储平台进行共享，这大大提高了资源利用率，避免课程资源的重复建设。近期兰州大学、合肥工业大学等高校也陆续加入进来，促进了优质课程教学资源的共享。下文就简要分析基于云计算资源共享平台建设的必要性。

2 基于云计算资源共享平台应用

2.1 云计算资源共享平台简介

“云计算可以作为一个系统平台来理解，也可以把它看做是一种应用程序。云计算平台根据具体的需要实现动态地规划（provision）、配置（configuration）、重新配置（reconfigure）和撤销服务（deprovision）等”[4]。云计算是互联网信息基础设施的重要形态，它能支持多种信息化的应用，能够采用新的业务形式支持高性能、低成本的计算与数据服务。随着云计算的快速发展及其所带来的巨大影响力，亚马逊、Google和微软均推出了自己的云计算服务平台，他们分别是Amazon EC2、Google Hadoop和Microsoft Azure平台。其中，Microsoft Azure平台是刚刚进入我国市场的，2013年11月笔者亲自参加了广州举办的Microsoft Azure Research Training培训，得到丰富的第一手最新资料，再加上笔者从事云计算研究的数年积累，这些都为搭建数字信号处理课程资源共享平台做了相应技术储备。云计算资源共享平台基本设计框架如图1所示。

图1 基于云计算教学资源共享平台总体架构

其中，用户交互接口向应用以Web Serv ices方式提供访问接口，获取用户需求。用户能够访问的服务清单以目录的形式存储。系统管理部分的主要任务是控制和分配全部可用的资源，负载均衡是其核心目标。配置工具主要用于准备分配节点上的服务运行环境。监视统计部分用于监视节点的运行情况和统计节点被用户的使用状态。用户交互接口允许用户从目录中选取并调用一个服务并请求传递给系统管理模块后，它会把合适的资源分给相应的用户，然后采用配置工具进行运行环境的准备工作。因此我们需要在云平台的基础上设计一个用户交互界面，以实现服务器资源的互相访问。

下面给出具体的后台通过数据中心实现的服务器端层次拓扑图参考了Meepo系统[3]，如图2所示。

2.2 云计算教学资源共享平台需求分析及应用

目前，国内众多知名高校纷纷利用网络技术开发适合本校实际情况的教学资源管理系统。这些功能日趋完善的网络资源不但进一步提升了教学质量，也为学生的课前预习和课后复习提供了良好了学习平台。这些系统普遍以三层结构的B/S[5]方式来实现。B/S模式即浏览器和服务器模式，它有别于C/S[6]模式（客户机和服务器模式）。B/S模式让用户只需要浏览器这一个工具，在服务器端实现所有的业务逻辑。此种模式极大地降低了客户端电脑的负荷，降低了系统维护的工作量。而三层结构即MVC[7]模式。M（Model）为业务逻辑层，V（View）为视图表示层，C（Control）为控制层。用户通过浏览器发送请求，后台控制器按照请求的不同分别进行处理。前段控制器接受请求并响应请求，而后台控制器调用合适的模型对象来处理具体的业务逻辑，最后为了响应客户端的请求返回一个具体的视图。在处理具体的业务逻辑的过程中，需要进行底层数据库的访问。由于此种资源共享的模式存在局限性，因而形成了“信息壁垒[8]”。这里的信息壁垒主要指由于高校之间彼此设有权限，而形成了孤立的信息源，导致了高校之间的资源缺乏共享，无法满足高校师生获取更多优质教学资源的需求。

例如，某学生要在本院校查找有关云计算的资源，他首先访问X院校的资源管理系统，该系统访问X院校的X服务器，返回服务器上所有有关云计算的资源。但假设他还是没找到需要的云计算资源，此时他需要访问Y院校的资源管理系统。假设他不知道Y院校的资源管理系统的访问方式，或者没有Y院校的访问权限，显然他是不能访问的。面对这个情况，X院校想到的解决办法就是在X院校的系统上加上Y院校系统的的超链接，或者跟Y院校交涉互相共享教学资源。此时，学生只需知道X服务器的地址，并被赋予两个系统的访问权限，就可以访问X、Y两台服务器上的所有资源。这种方式实现了资源的共享，提高了资源的利用率。但是，当学生面对多个管理系统的多个服务器时，他只能逐个站点登录访问。当前，由于多数高校网站都设有访问权限（只对本校教师和学生开放），这就形成了“共享壁垒”——人为的造成“信息壁垒”导致高校间信息不能有效共享，造成了教学资源的极大浪费。

为了解决“共享壁垒”问题，云计算平台的运用可以为不同教学侧重的高校提供强大的在线应用功能服务，显著地提升了高校的信息化水平。云计算平台在《数字信号处理》精品课程资源共享领域应用需求主要体现在以下几方面：

（1）云平台课能够减少学校基础设施建设的成本，提高学校网络服务水平。通过“云计算”与“云服务”建设具有互动交流功能的精品课程共享系统，保证每一节《数字信号处理》课程资源的系统性以及课程结构及数据的标准性，向高校师生和社会学习者提供快捷、开放、优质的《数字信号处理》视频公开课，提升学校教育资源的网络共享服务能力。

（2）利用云平台加强校际、校企等之间教学管理与交流协作，共享多元化的教学资源。云平台以开放与共享为基本目标，结合《数字信号处理》课程教与学的重点内容，围绕教学需求提供资源丰富的教学资源，使教学资源得以完善。例如，在云端对教学资源进行分类建设，包括文件库、规范库、图片库、案例库、文献库、教材库，课件库、试题库、计算软件、教学管理软件等实现资源共享，提高资源的适用性。

（3）利用云平台使教育机构共享虚拟教学资源，提升普通高校的教学水平。我国高校之间在经费投入和发展水平等方面存在着现实的差距。一些知名高校有更多的资金来源，承担着更多前沿技术的课题研究工作。而其他同类高校存在着经费有限、师资力量相对不足等问题，难以形成“统一规格”的高质量的教学与实验配置。云计算的出现，将为普通高校提供教学资源共享的环境。例如，普通高校在《数字信号处理》课程教学中，通过共享虚拟教学资源，同样拥有国内知名大学才能配置的超级实验环境，缩小了与名校之间的教学差距。

（4）利用云平台提高学生对知识的自主学习能力，改良传统的教学环境。在当前信息技术教育背景下，《数字信号处理》课程要特别强化学生在线学习、移动学习的自主学习观念，打造吸引学生主动探寻知识的教学氛围，真正实现以学生为中心的高效教学方式。例如，学生可以通过pad、手机随时随地接入云平台，了解学科的最新前沿动态、下载更新教育资源，真正实现高效互动的课堂教学环境。

（5）利用云平台分享《数字信号处理》精品课视频，保证课程内容的同步完整性。作为精品资源共享课建设的一部分，优质教学视频的建设必不可少。课程的不同章节可以由一位教师主讲，也可以效仿世界著名高校視频公开课的讲解方式，聘请校内外的优秀教师按其专长深入地讲解相关章节，打造真正有影响力的《数字信号处理》视频公开课。由于视频资料文件过大，需要大数据处理相关技术问题。因而，运用云平台能轻松解决这一系列大数据存储、管理、使用等问题，保证每一节《数字信号处理》视频公开课的高质量播放。

3 结束语

哈尔滨工程大学数字信号处理课题组于2004年当选哈尔滨工程大学校级精品课程，2005年当选黑龙江省精品课程，经过课题组多年的建设，在课程设计和建设方面具有充足的教育经验；笔者从事多年的云计算基础和应用研究，在整个平台建设方面有丰富的经验。以实验室搭建的hadoop平台为基础，搭建基于云计算平台的《数字信号处理》精品课程资源共享平台实验原型，提高了整个课程组的备课效率、方便了学生预习、学习、复习和拓展精品课程共享资源。今后，《数字信号处理》课题组打算将这门精品课程的共享平台进行扩展，使其他相关课程的资源也可以在该平台运行，实现优质教学资源共享。

参考文献

[1]数字信号处理课程教学改革的探索和实践[J].东华理工大学学报（社会科学版），2011（3）：294-296.

[2]孙柏祥.云计算高校教育信息化建设和发展的新模式[J].中国电化教育，2010.

[3]陈康，郑纬民.云计算：系统实例与研究现状[J].软件学报，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]曹军委.基于云计算的教学资源共享体系的研究与实现[D].2012.

[9][美]Dan Sanderson. GAE编程指南[M]. 唐学韬，何继业，等译.北京：机械工业出版社，2011.