基于虚拟化技术的开放大学云教室建设探索

2019-06-12无锡开放大学江苏无锡市214011

石河子科技 2019年6期

（无锡开放大学，江苏无锡市，214011）杜俊

云教室的建设可有效解决远程教育教学过程中存在的师资力量和教育资源分布不均衡、教学实时性差、互动性低等问题，有利于促进优质教育资源共享，通过云技术建构跨区域学习小组、组织丰富多样的远程教育教学活动，为学习者提供优质的学习资源和学习环境，满足学习者个性化、多样化学习需求，促进现代远程教育的发展。

1 云技术与虚拟化

1.1 云技术

云技术就是利用高速互联网的传输能力，将用户所有的数据和服务（各类软件）都放在“网络云”（大型数据处理中心）中，用户只要有一个上网的终端就可以使用。云技术将各种各样的终端，例如个人电脑、手机、电视等，进行连接，为用户提供广泛、主动、高度个性化的服务。

1.2 虚拟化

虚拟化是一个广义的术语，在计算机方面通常是指计算元件在虚拟的基础上而不是真实的基础上运行。虚拟化技术可以扩大硬件的容量，简化软件的重新配置过程。CPU 的虚拟化技术可以单CPU模拟多CPU并行，允许一个平台同时运行多个操作系统，并且应用程序都可以在相互独立的空间内运行而互不影响，从而显著提高计算机的工作效率。

虚拟化是云的基石，一方面，通过虚拟化可以解决数据中心资源的整合问题，在整合过程中对计算、存储等各种资源进行标准化；另一方面，通过虚拟化将资源切割为更小的可以更好调度的资源单位，以达到调度过程中充分利用硬件资源的能力。

2 云教室的结构和运行

开放大学承裁的不单单是学历教育还有非学历以至终身教育。这样就使开放大学的专业众多，学员来自五湖四海，数量庞大。而且由于我国幅员辽阔，地区发展差异悬殊，网络环境复杂，要想实现高质量的远程教学、辅导、大规模授课、测验，都不是传统教学手段和当前信息技术所能支撑与解决的。

云教室是“将现代通信技术、网络、信息技术融入现代远程教育中的新型技术方案，将高清的双向视频会议系统与远程教育平台紧密结合，通过组建图像高清、音色悦耳清晰、设备稳定、操作方便的远程视频会议，为满足网络互通条件下的教学、研讨、交流等业务提供技术支撑环境，最终形成互联互通、内容共享、集中管理、分级维护的多终端应用模式”。

依托开放大学的数据中心和专有网络初步实现了云以后，就可以把传统的教务平台、学习平台、考试平台、资源库、数字化图书馆、虚拟实验室都装入到云里。云技术的关键作用是把教师和学员也请到“云”上来。

2.1 云教室结构

云教室通过四朵云和控制系统（借用个术语叫“云台”）来实现，如图l所示。

图1 云教室

第一朵云是资源云，分为硬资源和软资源两类。硬资源是数据中心的计算能力、存储能力、网络能力。软资源是远程教学的各种工具、软件、音视频资源，教务平台、学习平台、考试平台、资源库、数字化图书馆、虚拟实验室等等。

第二朵云是教师云，通过虚拟化把分布在各地的教师实时、快速、友好地组织起来。需要时按照不同专业，不同的授课需求，不同的教学任务，从云朵中扣取所需要的教师云片。没有任务的教师可以通过云随时保持相互联系并进行教学研究，自愿组织教研小组、课题小组等。

第三朵云是学生云，这是一朵最庞大的云，理论上囊括了开放大学的所有学员。但是他们并不是时时刻刻都在云里，而是谁有学习任务，谁在学习中遇到问题才会上到云。同样，学员如果愿意也可在云中组织学习小组（加入他们所希望的辅导教师）。用一句话概括就是，只要你需要你就可以随时登录到云，登录了你就是云的一部分，你就可以享受云中的海量资源。

第四朵云是仲裁云，仲裁云里面全是任务、考核、审计、方案、规划等等内容，这朵云是个持久云，作用是设计组织管理创建前三朵云，云教室里需要上什么课、图书馆里要有什么书，请哪里的老师辅导哪些课程，专业如何设计，学员如何组织等等。云台是一组工具，一组控制器，一个强大的远维团队,是掩没云层中的，看不到但随时用得到。它实现数据中心之间的协同，实现云中网络资源运算的、存储和调配；它实现云运转的维系、监控、故障隔离和安全保护；它实现教室内设备的调动，资源的分拣下发，学员和教师的上连；实现教研小组、学习小组、班级关系的建立与维系，课程过程中教师与学员的互动等。

2.2 云教室的运行

2.2.1 课程筹备

仲裁云发起任务。教学计划、课程设计的组织、辅助资源的选择(图书、实验、练习、测试)、等，都通过仲裁云设计完成后发布到云教室的服务器云中教师的选派、团队授课时间的安排等云台系统从云教室服务器云巾接收到这些要求后，开始协同数据中心，评估调配云中运算资源、存储资源、网络资源等、生成教师云，学生云并创建规则，制定安全约束。

教师云生成。根据仲裁云的要求，云台把教学所需要的各种资源的访问接口按个性化需求从资源云中搜索出来，生成教师服务器云，与所需要的所有参与教学工作的教师的虚拟桌面，并与教师服务器云互信，用以保障教学小组组织课程的各项工作，以及所有教师之间的实时联系。云台划分出逻辑教室、班级，生成每个教师的具体任务、课程表，并通过邮件、手机短信、即时通信等工具告知相关教师用什么终端，登录哪台虚拟桌面。

学员云生成。教学小组完成所有授课准备后，把授课计划和要求上传到教师服务器云。云台从资源云和教师服务器云中搜索调配出所需要的资源，生成班级服务器云，把所有授课资源（图书、视音频资料、实验、练习、测试、授课时间的安排、教师组简介等）放入班级服务器云，并建立班级服务器云与教师服务器云的互信。云台根据授课小组的要求创建学生远程终端脚本，并分配各地数据中心资源池和专网带宽；生成学生登录许可、班级信息和地址列表，发送给短情网关成邮件网关。学生收到通知信息后登录所收到的地址进行终端测试。当一名学生登录时，云台就会瞬间创建出一台学生远程终端（根据测试登录后学生的具体登录工具类型和网络情况适配），并接人所属班级服务器云。同时，在远程终端桌面建立好课件连接快捷、虚拟实验室快捷、测试系统快捷、参考资料快捷、班级服务器快捷和视频资料播放快捷等。

2.2.2 课程实施

教师和学生都已经被请上云教室了，资源也有选择地导人了云教室，下面就可以开始授课了，云教室中信息流程如图2所示。

图2 云教室中的信息流

教师通过登录自己的虚拟桌面，到教师服务器云，再到班级服务器云指导学员虚拟桌面的操作，实现教学任务与师生互动。

学生通过登录自i的虚拟桌面到班级服务器云再到教师服务器云，实现学生间的互动和与教师的交流。云台系统根据授课的实施情况，动态地调配各项资源，并屏蔽故障。

教学完成后，所有的数据（教师信息、学生信息、考试成绩、作业成绩、教学评测等等）都调入到资源云中保存。教师虚拟桌面、学员虚拟桌面、教师服务器云、班级服务器云，部生成脚本归档保存，如有需要可以依脚本重建。

3 云教室的特点

3.1 互动性

云教室里的所有设备（大多是虚拟设备）都是在数据中心的资源上创建的，好比是一个高性能的、同一规格的、严格安全监控的局域网环境，每个设备都有自己唯一的地址与身份，相当于每一个云教室里的人都知道其他人的名字，并信任他。如此交流起来当然就非常方便，非常顺畅。

云教室的资源是无限的，而且永远不会有故降，这样就保障了交互的质量和持续性，更能实现超大容量的用户间的任意交流。

3.2 灵活性

云教室是建造在云技术上的。云所具备的特性它都具备，所以灵活性非常高。它可以是私有云，也可以开放信任其他的云。云可以在需要时快速膨胀，也可以在不需要时快速收缩，因此，云教室不会浪费资源，也不会没有资源可用。

3.3 安全性

所有云教室的用户只需通过自己的终端（例如个人电脑、手机、电视等）进行认证，登录到云教室中属于自己的虚拟桌面上、使用自i 需要的资源。所有的资源与信息都是在教室内部流动的，不经过允许是无法带出教室的。

全部虚拟桌面都由云台系统生成并维护、监控，标准统一设备先进，所以不易被黑客、病毒攻破。虚拟桌面和用户认证都是按需自动生成、自动创建的时间准确，其生命周期有限，也增强了系统的安全性。

3.4 扩展性

云教室就是一朵云，云的膨胀与收缩是非常灵活的，用户不必关心它的资源、位置、安全等等问题，只要提出需求就可以了。

3.5 便捷性

云教室对于用户来说，几乎不需要他们准备任何复杂的设备，也不用具备较强的计算机知识，只要会操作带摄像头、麦克的终端上网就可以完成云终端的登录。登录后的操作全由辅导老师指导和协助，学员只需关心自己希望学到的内容。

4 云教室的实现

开放大学有自己的大型数据中心，而且不止一两个，小型的肯定就更多了，有自己的专网系统，这些都为部署云提供了有利的条件和保障。这样，通过国家开放大学的自主数据中心，基本不需要增加太多的投入就可以实现云部署，但是大规模的云还是要有大量技术、资源和人力投入的。

4.1 如何请教师和学生上到云

云教室通过虚拟化技术，把数据中心的服务器资源根据脚本的定义与约束，随着课程计划的变化，按需地虚拟出无数的远程终端，并连接上必要资源；根据教学计划创建班组，根据用户的终端设备特性(例如个人电脑、手机、平板电脑、电视等)和网络速度，适配远程登录到虚拟桌面；当教师和学生登录到远程终端后，就好像他们共同走进了一间多媒体教室。

4.2 云教室的实现

硬件基础稍作加强以后就可以实现云技术的应用，这基本没有太多的技术需要长期构建和积累的是服务于云应用的资源和技术标准，这个不能操之过急。关键技术是云台，云是好东西，但是不好控制，高高的飘在空中，多了会下暴雨，少了会干旱，云台是众多控制系统、监视系统、中间件、告警系统、故障自动处理系统、资源调配系统等的集合，同时也是使用开发和维护这些系统的技术团队的集合。这么庞大复杂的一个团队系统，不是一朝一夕可以创建起来的，所以云教室的实现至少要分三步走。

4.2.1 先期的示范体验中心

资源依然用现有的资源，只需要建立几个部署上拥有多媒体功能的大触模屏的体验教室。教室的网络环境要好，功能是要能通过网络登录云端的虚拟桌面。教室里完全可以不配备教师。数据中心建立一套实验云教室系统，与开放大学的演播中心相连接，定期组织一些体验课程。邀请一些学生和社会志愿者去体验室体验操作如何登录云终端，如何在云教室里学习。重点工作是多做些调查，收集数据，积累经验，调整课程，补充资源，检验系统，优化方案。当实验云教室随着体验者的意见不断优化以后，就可以承载更多的体验中心。同时，也可以开放部分虚拟桌面，允许通过网络登录。学生在家里也可以体验云教室。

4.2.2 中期的适度规模的开放云教室

随着云教室的完善和云台系统运行经验的积累，团队的壮大与完善，云教室就可以从实验系统转为正式系统，可以实现长期提供有一定规模的云教室课程应用。这时可以尝试实现高速网络、低速网络、无线网络、手机终端甚至是电视的远程登录自动适配技术，和其他教育资源的对接技术，以及和非教学资源的对接技术；实现云教室的大范围迁移技术，快速大容量膨胀、收缩技术。脚本自动化任务技术，破坏性灾难故障的自我发现自我排除实验等等。总而言之，此时我们的技术已经可以支持云教室的运转了。云教室此时已经初具规模，让入刮目相看。

4.2.3 远期实现真正的云中授课

云教室经过相当长一段时间的运行以后，最终实现不管是在什么地方、用何种方式、什么条件，有多少专业、有多少课程、有多少学员，你是想学习，还是想把自己的知识经验告知他人，只要你登录到云教室的虚拟桌面上，提出你的需求，就可以完成你的心愿。