云计算技术在教育考试中的应用

褚庆军

云计算技术在教育考试中的应用

褚庆军

本文在充分研究云计算技术及云服务模式的基础上，针对教育考试的需求及面临的问题，提出构建国家级云数据中心设想，提供包括基础服务、专业化服务和应用支撑服务在内的云服务，同时展望了未来教育考试领域结合云计算技术的发展方向和前景。

教育考试信息化；云计算；云应用；云服务

1 引言

云计算是近年来迅速发展起来的基于互联网的计算模式，是继20世纪80年代由大型机转到客户机－服务器模式以来，又一次革命性的转变。云计算旨在通过集约化的各类资源整合实现高质量的服务[1]，是网络、分布式计算、虚拟化等技术不断发展融合的产物。云计算的特点主要体现在：按需采用即用即付费的方式分配计算、存储和带宽资源，动态扩展功能和部署新服务的高可扩展性，提高各类资源的高利用率等[2-3]，这些特点使得云计算可以为用户提供更加符合应用需求、高可靠性、弹性扩展的更优化的服务。

信息技术的快速发展改变了世界、改变了社会、改变了人们生活和工作方式。当前经济社会已经进入全新的云时代，云计算也日益为众多企业所接受并广泛采用。教育考试行业也不例外，随着信息技术的蓬勃发展，考试手段从原始的人工管理发展到利用计算机网络等现代信息技术，考试命题、考生报名、考试组织、网上阅卷、考试评价等方面都发生了巨大变化。随着考试规模不断扩大，社会对考试的科学性、公平性要求不断提高。我们要充分利用云计算技术，建设国家教育考试云数据中心，不断提升国家教育考试的专业化水平。

本文在充分研究云计算技术及云服务模式的基础上，提出构建国家教育考试云数据中心的设想，并在此基础上探索教育考试应用云化的实现方式。

2 云计算技术在教育考试中的应用

2.1 教育考试信息化现状

教育考试涉及学习、教学和教育政策等因素，考试的结果会影响到考生个人的发展和成就的判断，也会影响到教育的实体或管理部门，如学校、各级管理部门等[4]。因此，教育考试往往是一个高利害、高敏感和高质量要求的涉及全社会的工程，是一个非常专业的领域。同时教育考试是对人接受教育效果或掌握知识能力的测量，最终是对运用知识的行为能力的评测。因此，在测量过程中对信息管理和信息技术的应用具有独特深入的需求。

教育考试应用系统的功能或服务包括命题制卷、考试组织、阅卷评分、分数合成转换、成绩发布解释、分数应用等，构建和维护应用系统应该是建立在一定科学模型之上的系统性工程，并具有系统性、科学性、严密性、专业性等特点。目前，教育考试机构应用系统的状态具有以下一些特点：（1）系统功能不断丰富，但系统之间的服务往往以交换数据文件方式进行，系统的维护和扩展能力受到限制。（2）系统逐渐从传统C/S模式转向Web架构，并行运行的系统越来越多，而且单个应用系统需要多台服务器的支撑，运维任务十分繁重，系统风险逐渐增长。（3）图像和视频数据逐渐成为应用系统的关键数据，各类非结构数据也快速增长，使存储和数据共享成为系统维护和应用支撑的困难。（4）智能技术应用正在逐渐发展和投入使用，需要调度大量计算资源，普通的集群和虚拟化技术已经很难适应这类应用。（5）考试安全是应用系统需要提供的基本保障，数据安全、数据保密、系统安全和可靠性在传统网络环境下受到很多挑战。

信息技术作为国家教育考试的重要支撑，经过多年的发展在教育考试系统得到广泛应用。网络基础设施建设、业务应用软件等方面取得了长足发展，特别是国家教育考试标准化考点建设的推进，构筑了覆盖全国的教育考试网络基础平台，建设并完善了考试综合业务系统、考生身份验证系统、作弊防控系统、视频及网络监控系统、应急指挥系统，形成了安全、实时、高效的国家教育考试运行体系，全面提升了国家教育考试管理水平和服务质量。但是，我们应该看到，信息技术在我国考试中的应用与世界发达国家相比还有相当差距，在考试命题、考试实施、阅卷、成绩处理、评价等方面还存在明显不足。

教育考试即将告别纸笔模式而进入机考时代。基于计算机的考试更加依赖于计算技术和计算环境的支撑，题库系统需要高可靠性和大规模计算能力，机考考场管理等大规模远程系统对后端的服务也提出了更高的要求，而题目呈现将会应用虚拟现实技术（VR）等新兴技术，计算机化考试对应用系统的功能和运行环境将会提出更高的要求。

2.2 教育考试云数据中心建设与云服务

基于教育考试信息化不断增长的需求和面临的问题，教育考试领域构建云数据中心，即具有云计算模式的数据中心将是一个发展趋势。建设云数据中心目的是为了提供更高质量的信息服务和业务应用的支撑能力，即所谓云服务。

2.2.1 云服务

通常意义上来说，云计算所提供的标准的云服务包括IaaS（基础设施即服务）[5]、PaaS（平台即服务）[6]、SaaS（软件即服务）[7]，如图1所示。

图1 云服务

IaaS将基础设施作为云服务环境提供给所需用户。云服务用户可以通过基础设施获得更多、更为实用、更为灵活的云服务，如网络服务、通信服务、存储服务、开发环境服务、软件服务等。

PaaS构建在IaaS之上，它可以把用户所需要的软件开发环境、软件运行环境以平台的形式提供。用户可以直接在平台上开发自己的云应用产品，这些平台还提供可配置的服务，如安全性要求、应用资源大小、数据库存储服务等。

SaaS是最成熟、知名度最高的云计算服务类型。SaaS的目标是将一切业务运行的后台环境放入云端，通过一个瘦客户端（通常是Web浏览器）向最终用户直接提供服务。这样将大幅度降低云服务用户购买和维护服务器设备及软件方面的成本。

IaaS云服务是PaaS云服务和SaaS云服务的重要基础，是实现PaaS云服务和SaaS云服务的基础保障[8]。云服务是云计算能够满足用户需求的最终体现，是目前云计算改变计算模式的主要体现。

2.2.2 教育考试云数据中心建设

建设教育考试云数据中心应以解决教育考试领域所面临的问题为目的，以为教育考试未来发展提供计算环境和服务为目标，综合平衡运维能力、经济投入和性能效益，在不同层次的考试管理机构中需要考虑对云计算不同的应用和建设方案。因此，在云数据中心的建设方面应注意：第一，考虑我国教育考试的计算规模需求和业务管理特性，在省级考试机构建设云数据中心，并逐渐在国家云数据中心将各省市数据中心虚拟化为一个行业云。这是比较可行的发展方向，有利于充分利用目前已经存在的计算资源的管理升级，充分发挥领域资源的一体化应用和服务共享（如图2所示）；第二，充分考虑教育考试的业务安全与信息服务特性，在核心安全业务方面使用私有云，甚至建立与外网隔离的桌面云，在面向考生和公众服务功能方面结合公有云，使系统安全与高质量服务相结合；第三，选择成熟的云操作系统和相关基础支撑软件系统，提升可视化和自动化系统管理能力，减少运维压力；第四，积极推进信息技术人才的引进和培养，加强与网络管理、网络安全、数据分析、人工智能等高新技术公司和部门的合作，更新理念，重视人才，促进云计算技术产品的应用和云环境下应用系统的开发能力。

图2 国家教育考试云平台

在云计算环境下建设的云服务可以更好地发挥云数据中心的作用，基于IaaS、PaaS和SaaS技术，云服务将分为基础服务、专业化服务和应用支撑服务三个方面。云数据中心在基础服务方面可以提供虚拟数据中心或网络环境，基层或考试项目部门可以在云数据中心申请独立的虚拟网络环境，构建独立运行的应用系统。专业化服务是为一些需要特殊计算环境的业务提供服务，如教育考试的报名系统、评卷系统等都会对环境提出专业化要求。很多基层考试机构的应用可在省市级的云平台上定制这些服务，以便使用这些系统能够达到安全可靠和专业化的运行环境。应用服务是云数据中心提供的软件服务功能，在云平台上可以开发一些共享性和可定制的教育考试软件，如考生报名、编排考场、分数发布等考生服务系统。一些考试项目或机构可以直接应用这些软件服务，减少重复开发、测试、维护的负担和风险。建设教育考试云数据中心可以实现教育考试资源管理控制的一体化、运维管理的自动化和业务流程的程序化，为业务系统提供一个高效、动态、灵活的IT基础运行环境，有效解决教育考试领域信息化发展和服务提升面临的诸多问题，进一步提升教育考试业务研究、服务管理的水平和能力。

2.3 教育考试应用云化

传统的Web架构多数为表示层、业务逻辑层、数据访问层三层架构，在早期对应用系统的开发起到了重要作用。但是随着云计算的发展，软件在面向对象的基础上进一步抽象化，形成不同功能的业务子块，以服务的方式对其他子块提供服务，软件的开发及运行环境的维护都由云数据中心来进行。

2.3.1 应用系统云化

应用系统云化是目前的基本趋势，随着微服务、REST、软件云化等概念的引入，云环境下的软件不再是一个简单的代码实体，而是由一系列服务构成的服务综合体，通过互联网进行交付，体现为一种更加契合云环境的软件形态。云化的应用系统具备以下特征：（1）自动化要求。云计算环境下应用的自动化，是云计算赋予应用系统对平台基础架构的资源配置的统筹和对资源的动态分配的能力，自动化的目标是提高资源分配的效率，减少人为操作而带来的不必要的错误。（2）分布式架构与弹性伸缩。云计算下的应用系统设计应当符合分布式架构的要求，采用集群等模式进行部署，这样在应用程序运行需要更多的计算资源时，无论是计算还是存储需求，云计算平台都及时为应用系统提供服务，适应应用系统的需求。（3）松耦合。云化之后的应用系统，要实现系统之间的对接及扩展，就必须在设计的时候考虑松耦合的架构。在进行Web应用设计的时候，对于用户状态的保持就需要尽量采用无状态的方式来设计，这样可以提高应用程序的扩展能力。比如SOA模型中，根据系统需求将系统组件的子接口集封装成公开的服务，任何应用都以公开服务的形式连接到系统中来，方式灵活，简单快速，真正实现了信息共享和系统的互联互通。（4）云存储。在云计算环境下，尤其是对于互联网应用，一方面云计算环境面对的是海量数据的存储，另一方面互联网应用数据的存储类型较为复杂及多样化，既有结构化数据又有非结构化数据。因此，云计算平台需要针对结构化及非机构化数据提出存储方案，同时应用程序的架构需要针对新的存储方式进行调整。

2.3.2 教育考试应用云化

在行业应用云化中，一般会面临几个方面的问题：首先是已经存在的系统架构的升级转化问题。这个转化过程和需要考虑的新的架构的设计都需要一定的人力投入和技术转型升级的准备；其次是技术队伍的建设问题，在技术模式转化和理念转变方面需要作出重要的努力。尽管云计算在概念层面已经和Web一样流行，但转入深度的技术开发和应用，对很多团队仍然是挑战；第三是需要考虑在语义网技术、云存储等基础层面构建适应未来发展的云应用系统，强化未来应用系统的自动感应性Web服务、智能化计算技术等方面的发展。这些问题也是教育考试应用不断走向云化所要面临的挑战，在发展的过程中需要做好应对策略，避免由于技术转换而产生管理和业务方面的问题，同时，也要考虑由于开发能力、维护能力不足所产生的系统性先天缺陷。

教育考试应用系统普遍运行在独立和固定的网络环境中，在转移到云计算环境时需要根据业务的需求来综合考虑克服或规避上述问题。针对命题、阅卷、分数合成等安全要求较高的应用，在转到云环境时尤其应该注意。而面向考生服务和考试过程管理功能的大规模用户开放系统，如报名系统、考试组织系统、分数发布系统等，在构建标准云化应用时，很多系统可以考虑重构，重构过程应充分使用所谓“拆”“弹”“云”的三字诀[9]。只有将系统中融入分布架构、弹性伸缩、数据云存储和自动化等云环境的技术特性，才能充分体现和享用云计算的优势，如图3构建的教育考试云化应用架构。这些转换带来的是对技术开发水平要求的提升，虽然很多业务系统都将面临重构，但由于云化各系统及服务之间以松耦合的状态存在，将每一个系统或服务分担给不同的开发团队，这使得多团队协作成为可能。整体系统的开发效率大大提升，同时由于系统的拆分，也使得系统的容错性大大提升。

我国教育考试领域目前正孕育着很多业务模式的突破性发展，具有代表性的是基于计算机的自适应考试系统和智能测量，这些技术在国际上一些大型考试中已经越来越成熟，在开发这些应用的过程中应充分考虑云应用的特性和使用云计算可以提供的更强有力的支撑。对教育考试业务需求和云计算技术发展的持续跟踪研究是保障开发出高质量云应用系统的基础，在很多工程中使用成熟的技术是成功的关键，而对这些技术的掌握在于培养和发展高水平的团队。目前IT发展的趋势是计算环境云化服务和软件开源，因此构建一个良好应用的核心投入集中在技术人力方面，这是云时代最突出的特点。

3 在教育考试中云计算应用的发展趋势和展望

图3 教育考试云化应用架构

目前由于对云计算技术的理解程度各有差异，导致各省考试机构在应用云计算技术提升自身业务支撑水平及运维能力上存在不均衡的发展状态，个别省由于资金及其他因素导致其依然停留在传统架构之上。由于教育考试具有很强的时效性及突发性，因此如何在国家层面统一规划和利用好计算资源对于降低教育考试领域信息化成本、提升运维管理效率有巨大的推动作用。同时，对于应用云化来说，由于教育考试领域的各类业务系统在需求上带有很强的相似性，在国家层面将这些系统进行云化，以服务的形式进行提供，对于减少各级考试机构重复开发、提升业务系统支撑能力具有深远影响。

未来教育考试领域将实现各省数据中心虚拟化，并在此基础上构建统一管理、统一运维的国家云数据中心，各地可以根据自身需求通过同一平台实现资源的申请和使用，同时在云服务层面，国家级数据中心提供IaaS、PaaS、SaaS云服务，将云化的应用和其他类型的服务，以服务的方式进行提供，这必将带来国家教育考试信息化建设的又一次腾飞。

[1]张为民,唐剑峰,罗治国,等.云计算深刻改变未来[M].北京:科学出版社,2009.

[2]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.

[3]LINTHICUM D S.云计算与SOA[M].马国耀,译.北京:人民邮电出版社,2011:11-15.

[4]American Educational Research Association,American Psychologi⁃cal Association,National Council on Measurement in Education. Standards for Educational and Psychological Testing[M].Washing⁃ton DC:American Educational Research Association,2014.

[5]BHARDWAJ S,JAIN L,JAIN S.Cloud computing:A study of infra⁃structure as a service（IAAS）[J].International Journal of Engineer⁃ing and Information Technology,2010,2（1）:60-63.

[6]VAQUERO L M,RODERO-MERINO L,CACERES J,et al.A break in the clouds:Towards a cloud definition[J].ACM SIGCOMM Computer Communication Review,2009,39（1）:50-55.

[7]CUSUMANO M.Cloud computing and SaaS as new computing plat⁃forms[J].Communications of the ACM,2010,53（4）:27-29.

[8]冯秀珍,郝鹏.云计算环境下的信息资源云服务模式研究[J].计算机科学,2012,39（10）.

[9]莫显峰.云计算应用系统架构三字诀[J].程序员,2013（6）.

Application of Cloud Computing Technology in Education Examinations

CHU Qingjun

Based on full research on cloud computing technology and cloud service models,this paper proposes building a national data center to provide services ranging from basic services,professional services to application support services to meet the demands of education examinations and solve the problems they are confronting.It also looks to future directions and prospects of cloud computing technology application in education examinations.

Digitalization of Education Examinations;Cloud Computing;Cloud Application;Cloud Services

G405

A

1005-8427（2016）11-0038-6

（责任编辑：陈睿）

本文系全国教育科学“十二五”规划2011年度教育部重点课题“云计算技术在教育考试中的应用研究”（批准号：GFA111005）的研究成果。

褚庆军，男，教育部考试中心，助理研究员（北京 100084）