大规模在线教学应用中文件存储体系研究与应用

【摘 要】本文阐述大规模在线课程教学特征，分析教学应用中的文件存储体系的需求，从总体设计、模块设计等方面介绍文件存储体系的设计，认为基于目前较为先进的云存储技术，大规模在线教学应用中的文件存储体系可以实现登录、访问、目录、存取、租赁、管理等功能，从而确保大规模在线教学产生的海量文件得到安全有序存储，并能够为系统用户提供可靠服务，增加在线学习的便利性。

【关键词】大规模在线教学 文件存储体系 存储功能

【中图分类号】G  【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2021）27-0168-03

大规模在线开放课程（MOOC）是网络时代的教育开发物，因其具有开放灵活、海量资源共享等特点，因此自2012年诞生以来，其教学应用就成为人们讨论的热点。近年来，大规模在线开放课程教学的热度更加高涨，国内的大规模在线开放课程远超5000 门，而在线开放课程的选课群体主要是高校学生。我国在优化推动“双万计划”以期建设一流课程的过程中，更加注重在国家和省两个层级的在线精品课程建设。随着更多的在线课程的产生，课程所积累的文件将越来越多，必然需要以合理的方式完成文件存储体系的建设，这样才能在后期的课程调用中发挥更积极的作用。

一、大规模在线课程教学特征

大规模在线开放课程在发展过程中已经持续向用户展现出自己的典型特征：一是资源丰富，网络中的各种共享信息都可以作为MOOC整合教学的数字资源;二是工具多样，如今网课学习者可以通过不同的智能终端接入网络，登录不同的学习网站平台完成学习，可利用的工具多元且灵活;三是课程限制少，网络用户可突破传统的学习时间、学习空间的约束，在有网络的情况下学习不同国家地区、不同院校、不同师资的教学课程;四是受众规模大，课程的发布并没有设定可观看、可使用受众的上限，因此可满足大规模的受众学习需求;五是受众参与自主性强，MOOC资源的学习者可随之开始或结束某项课程的学习，因此学习的效率和成果与学习者自身的学习自主性、自律性有很大关系。

二、大规模在线教学文件存储体系的需求分析

随着大数据、云计算、物联网、AI等技术的不断发展，人们对海量文件等数据存储提出了更高的要求。大规模在线教学所产生的数据，多是教师上传的教学视频文件，这些文件想要为更多的学习者提供学习便利，以满足学习者随机性的文件使用需求，就需要将教学文件保持较长时间的存储效果。从现阶段看，基于云计算技术实现的云存储系统可以满足大规模在线教学应用中的文件存储需求。云计算是新的技术变革下计算机与互联网的发展产物，作为一种网络服务模式，其将服务器、存储单元、软件、服务等不同资源进行融合共享后创造新的服务价值。云存储则基于云计算而发展，所提供的网络存儲服务更加高效便利。下面具体分析大规模在线教学文件云存储系统的需求。

（一）功能性分析

1.系统用户角色

现阶段看，大规模在线教学文件云存储系统的系统用户角色主要可分为系统租户和系统管理员，其中系统租户应是使用该云存储系统的主体，因此可进一步细分为教学用户以及教学管理员，而教学用户又最终体现在学生与教师两个角色身份上。系统管理员则是负责对大规模在线教学文件云存储系统进行管理或实施维护的角色。系统用户角色分配如图1所示。

2.功能模块

大规模在线教学文件云存储系统按六类功能配设计模块，即登录、访问、目录、存取、租赁、管理等模块。其中登录模块设计为允许用户在登录页面登录，无身份登记的用户需要先注册再登录;访问模块设计为对系统租户以及教学用户的访问动作进行管理控制，对角色设置必要的操作权限，在相应的权限下可对应使用相应资源的功能;目录模块设计为允许对文件或目录完成编辑、复制、移动、删除、搜索等操作;存取模块设计为允许文件的上传下载以及回撤后退删除等操作;租赁模块设计为允许为用户提供系统租赁或扩容租赁服务;管理模块设计为实施元数据、设备、多租户等相关管理。

（二）非功能性分析

在满足功能新需求之外，大规模在线教学文件云存储系统还应该结合用户体验度、系统服务结构、系统综合性能、安全表现、系统服务接口等方面，积极开发设计满足用户的非功能性需求。

1.用户体验度

考虑到大规模在线教学文件云存储系统的用户角色多样化，因此要全面把握不同用户对系统的使用体验，力争让所有用户都能体验到系统的友好、便捷，故须考虑将系统的前端和后端操作实施彻底分离，前端通过人机交互的简洁界面、响应流畅的功能操作、人性化的操作提示等提升用户体验度，后端则去完成对复杂操作的处理。

2.系统服务结构

大规模在线教学文件云存储系统将依据SOA设计概念，将服务作为基本单位，通过协调工作，最终让虚拟资源池可有效向用户提供基于配套服务结构的稳定服务。

3.系统综合性能

大规模在线教学文件云存储系统是面向用户提供文件存储服务的平台，因此需要谨慎关注系统性能，如系统稳定性、访问文件数据的效率、系统存储空间的配置及利用情况、系统故障恢复机制和效果等。

4.安全表现

大规模在线教学文件云存储系统将课程相关的文件存于云端，必然需要关注数据安全问题，因此系统要对文件数据的存储以及传输等工作实施加密，同时还要针对性完成备份。而且为了增强安全性，要严格核查用户身份，对于非法用户或异常用户要直接拒绝其访问系统。

三、大规模在线教学文件存储系统的设计及应用

（一）总体设计

1.系统逻辑架构设计

结合以上的需求分析，可设计大规模在线教学文件存储系统的逻辑架构，大规模在线教学文件存储系统的逻辑架构如图2所示。

其中，用户层中包括系统管员、教学管理员、教师、学生等系统用户;访问层针对不同的用户开辟了独立的访问空间;应用层主要为用户提供各类系统服务，包括目录、存取、租赁、管理、数据等服务;支撑层主要是为用户提供公共服务，包括身份识别认证、访问权限控制、租户管理等通用服务;数据层可进一步分为数据存储与数据管理层，可对系统数据、业务数据、文件数据以及服务数据等进行科学管理，并对各类数据采取合理的技术实现存储;基础层主要对应用服务器、文件存储及缓存服务器等设备实施管理。

2.系统物理架构设计

大规模在线教学文件存储系统所用设备主要包括网络、路由机和交换机等，实现与客户端、数据库、服务器、HDFS（分布式存储子系统）等集群的连接。在服务器方面，Web服务器主要执行指令转发或处理请求等工作，而文件缓存服务器则可对临时存储在系统内的文件建立索引，从而完成映射、缓存、解码、合并等操作。数据库主要整合三类技术形成数据库集群，其中MySQL数据库主要存放教学业务结构化数据以及各种系统数据;Redis数据库则主要存放用户操作中产生的文件与硬盘的映射数據;MongoDB数据库主要存储用户操作中产生的小型文件。

3.服务设计

大规模在线教学文件存储系统将使用Apache CXF开源框架以基于代码优先的Java编程完成服务访问设计。基本步骤为：（1）使用Java构建Web Services，以服务端点接口来定义可向Web Services提供服务的可行路径，起点为Java语言中的类或某一接口;（2）完善Java语言中的类或接口的相关注释，如Web Services外部服务的代码注释、服务注释以及服务端口注释等;（3）利用Java语言编写程序代码，产生Web Services，发布相关服务;（4）使用Java语言完成Web Services客户端应用编程，实现访问调用。

数据服务设计方面，主要考虑线上教学活动的结构化数据，将设计为应用程序开放有关数据新建、编辑、查询、删除等服务接口，为云存储提供数据支撑。

（二）子模块设计

前文提到大规模在线教学文件存储系统可分为六个功能模块。每个功能模块的功能设计都要程序编辑来实现。

1.登录模块设计

用户要从系统的首页进入系统，若用户已注册，则直接输入账户名与密码可完成身份验证并登录。若用户未注册，则要区分用户身份进行注册。对系统租户的注册，则需要系统管理员的审核，通过则注册成功并可完成登录，若未通过则需要进一步审核信息，这个过程租户无法对系统进行访问。对教师和学生的注册，需要教学管理员审核信息，通过则注册成功，完成登录。在登录后，系统还需要进一步对信息进行验证，只有通过验证才能在逻辑指令下直接转至对应用户空间。

2.访问模块设计

用户准备进行系统登录时，将通过必要的身份验证机制来确定身份信息，在通过后会自主获得用户角色，并相应配置用户权限。若出现访问请求，则访问模块会识别所需要的服务类型，并对等安排资源，同时匹配操作权限，然后对用户身份与访问权限进行关联，在识别正常后用户就可以收到服务访问请求的反馈信息。

3.目录模块设计

目录模块的设计主要是在虚拟操作系统的环境中创建各类文件的目录树，从而形成逻辑层面的统一目录，便于对文件的存放形成可视指示。虚拟目录的模块流程设计为用户完成登录并通过身份验证后，就会进入用户空间，然后直接询问网盘服务，可通过目录或是文件视图，定位文件所存地址。该模块的设计可以实现目录的新建、编辑、搜索、删除、复制、配置权限等功能。

4.存取模块设计

文件存取模块主要包括文件上传、下载、删除。文件上传的过程：在客户端用户登录系统后，在虚拟目录中选择想要上传的目录，然后选择本地文件，点击确定进行上传;在服务端，先判断文件是否存在，存在返回错误信息，不存在再判断文件大小并把相关文件信息持久化到数据库中，如果是小文件直接进行Mongo DB 存储，如果是大文件直接存储到 HDFS 中，如果是中文件，文件需要先上传到文件存储服务器，进行中文件处理模块，存储到 HDFS 中。

5.租赁模块设计

租赁服务模块提供系统相关服务的租赁，主要包括扩容租赁和系统租赁。扩容租赁，对教育用户的学生、教师和教育管理员，如存储空间不够用，可以进行扩容申请，选择套餐和数量，交费后可以增加存储空间容量。系统租赁，只针对教育租户，即学校及机构等。如果继续租用系统，则需要进行租赁申请，选择租赁相关的套餐和数量，交费后可以增加租赁时间，延长使用时间。

6.管理模块设计

系统管理模块是系统管理员对当前系统给的管理，包括集群管理、设备、元数据管理、多租户管理、租赁管理等。

（三）大规模在线教学文件存储体系的应用

大规模在线教学文件存储体系投入应用后，不同用户通过定向页面可以登录，其中教学用户以登录页面作为口径进行登录，系统管理员和教学管理员则从后台登录端口登录。若是存储体系的新用户，则需要完成注册并核验身份后再登录。师生作为教学用户，可在注册时输入姓名、院校、身份类型、学号（或工号）等基础信息，注册新账户与密码。不同学校作为系统租户和教学管理员，可注册填录院校基础信息，注册新账户与密码。

系统的访问模块应用主要是实现对用户角色、资源以及操作等方面的建立、编辑、删除等功能管理，其中用户管理页面可以设置学生、教师以及职员三个项目，每个项目下都会对用户建档，分别记录基本的序号、学号（或工号）、姓名、学院、状态、角色以及关键操作等信息。

存储体系的目录模块应用将直接控制完成目录与文件的管理，包括对目录与文件实施新建、移动、复制、重命名、共享、删除等功能操作。存取模块的应用主要是对在大规模在线教学过程中产生的视频等文件进行上传和下载等服务。应用租赁模块时，教学管理员以及教学用户可以直接申请扩容租赁，选定新容量后由系统管理员审核扩容。而仅有学校或其他机构作为教学管理员可以申请系统租赁。通过系统管理模块的应用，可对系统存储集群的处理器、内存、硬盘空间等信息进行管理，并对文件元数据进行必要的查验和编辑。

本文研究了大规模在线教学应用中文件存储体系的设计与开发，基于目前较为先进的云存储技术，可以实现登录、访问、目录、存取、租赁、管理等功能，确保大规模在线教学产生的海量文件得到安全有序存储，并能够为系统用户提供可靠服务，增加了在线学习的便利性。

【参考文献】

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注：2021年度广西高校中青年教师基础能力提升项目“基于移动终端的毕业设计管理平台的研究”（2021KY1421）;2021年度学前教育职业教育集团化办学研究专项课题“基于智慧职教云平台学前教育专业《计算机应用基础》教学资源库建设的研究”（2021ZJY796）

【作者简介】胡钟月（1979— ），女，广西河池人，广西现代职业技术学院副教授，研究方向为计算机应用技术。