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使用云系统对编程课程进行在线教学：

实践和未来的挑战

Lakshmanan Senthilkumar

摘要——未来对云系统的接纳为大量云应用程序的安装提供了解决方案。在银行、游戏、教育等很多领域中都能发现它们的跨界存在。基于云的解决方案降低了主体机构的拥有及维护成本。对用户而言，灵活运用任何类型终端如工作站、笔记本电脑、上网本甚至是智能手机，可以对应用程序进行访问。将一个典型的基于云的LMS和适当的教学方法一起开发，可以用来教授编程课程。需要制作可以在云上使用的必要软件，在用户端使用最低限度要求的硬件规格。本文重点关注学生对这种纯粹在线课程的适应性以及他们的学习成果。文章还探讨了当规划在线课程规时，在技术和教学方面需要解决的问题与挑战。

关键词——在线学习，云系统，教学法，学习管理系统

I. 概述

一个想要增加或建立一个新的IT基础设施的组织将云运算视为是下一代技术。由于无处不在的网络和随着不断增加的数据下载速度，云模型将明显具有的更大的可接受性。

NIST将云计算定义为是一个模型，用来启用无所不在、方便、所需的网络访问，用来共享大量的可配置计算资源。

大型主机，分布式、网格以及后来的云计算概括了技术演变。一个巨大的集中式运算平台形成了大型主机系统。该系统有足够大的计算能力和存储(功能)，可以在任意给定的时间里处理无数的用户。必要软件的使用使集中性系统成为可能，终端用户系统通常是空洞的客户。在分布式技术中，多个计算系统结合在一起，形成一个巨大的体系。鉴于大型主机的安全性，这一系统的优点是可靠性以及可伸缩性。此外，在大型主机系统中，如果主机失败，整个系统便会崩溃，分布式系统则不会这样，没有特定的机器，系统照样能够运行。下一个便是网格技术，通过一个开放性和标准化的协议，将分布在各个位置的不同计算资源进行集合而构建的一种系统。每个位置资源作为本地管理，可以通过集中的索引服务进行访问。这一系统主要是为计算密集型的运用而开发，它需要强大的计算能力。云技术在2006年下半年变得很显著。人们认为云技术是网络技术的延伸。通过集合计算资源所建立的云系统用最少的工作便能够把所需的资源进行配置及释放。通过管理程序对所建立的共享资源池进行管理，从而解决了计算资源的个异性。因此，整个系统是在同一个管理员的控制之下，这有助于按照终端用户的要求对系统进行动态配置。而且用网格技术进行计算时，云系统具有更好的可伸缩性，并且以服务为导向。

在更早期的技术中，主要都关注于在用户之间分享计算资源，从而提高资源利用率。然而，在云计算技术中，所有的目标都旨在提供一个按需的网络访问来共享资源。所有在此所提供的（内容）都被视为是服务。云系统今天所提供的服务可以分为三大主要模型——作为服务的基础设施（IaaS），作为服务的平台（PaaS）以及作为服务的软件（SaaS）。在IaaS模型中，云服务供应商提供服务来获取原始计算、存储和网络资源。虚拟化技术在这一层面将更为流行。一个利用这些资源的组织可以按照供需完全控制它们，需要时增加资源，或放弃它们，不需要时便消除多余的资源。例子包括谷歌计算引擎，亚马逊弹性计算云 （亚马逊 EC2）和很多其它。在PaaS模型中，使用服务的组织利用编程工具、图书馆和服务来构建并且部署自己自定义的应用程序。在这一模型中，可以在不同层面提供不同的服务。一个提供有限控制的组织，尤其是通过一个接口已经部署的应用程序便会出现在另一端，通过该项服务用户可以通过选择他喜爱的操作系统和将会出现在另一端的中间设备来构建自己的平台。亚马逊的AWS平台即服务技术，谷歌的APP引擎，微软云Azure都是这种服务模型的例子。在SaaS模型中，一个组织将从服务器到客户的应用软件的全部需求都外包给云服务供应商。全部的所有权和维护都取决于服务供应商，并且组织在每此使用的基础上为服务付费。Gmail、雅虎邮箱就是这一模型的例子。大多时候，软件的单个实例为多个用户服务。

按照NIST的定义，云系统的四个部署模型包括：私有云、社区云、公共云和混合云。由单一机构为使用目的而部署的云系统称为私有云。在一个为了特定的任务或议程而分设的机构内部或外部，为社区的人们所建立的云基础设施就叫做社区云。为公众使用而设立的云网站被称为公共云。今天所有流行的社交网络以及其它的网站都是公共云的一个很好的例子。上述三个云模型的集合通过一个标准化的协议而联系在一起，就称为混合云。

本文论述了如何利用云技术尤其是SaaS模型进行在线编程课程教学。本文强调了实施诸如在线学习系统的使用方法，以及学习者对其的适应性。本文还对采用具体的教学法来提高学习者的成果进行了论述。

本文的结构如下：第二章节对基于在线学习平台领域所开展的相关工作进行了思考，第三章节主要关注ICT在印度高等教育中的使用，第四章节为所提出的系统提供了点滴见解。第五章节主要讲述学习者对与该系统的适应性，并且提出应对未来挑战的建议。第六章节对本篇文章进行了总结。

II. 相关工作

基于云的实践目的，人们提出了很多在线学习的设计框架和结构。BlueSky，CluoudIA和eLC2是基于在线学习设计框架的流行云端，本文将要对其进行广泛的论述。它们中的一些已经成功的进入了大学。

在线学习的BlueSky 云框架更多的关注IaaS模型。对用于计算、存储和交流的虚拟物理机器进行按需分配。负载平衡和数据缓存是这些系统的显著特点。

E. Aljenaa等人在他们的论文中提出了EaaS（把在线学习作为服务）的模式，其中计算资源尤其是虚拟机器映射了用户的动态要求。Mohssen M. Alabbadi在他的论文中提出 ELaaS（把教育和学习作为一种服务）的理论框架，其中教育和学习活动被分为两大组成部分，称为关键和敏感任务。 又进一步划分为高级和低级。Ahmed Al- Hunaiyyan 和Hanna Al-Sharrah为K-22和高等教育提出一种集成在线学习模型和框架。这一框架由如下部分组成：基础设施——高性能数据中心所必需的LMS——包括家长、以内容为基础的互动多媒体、智能教室、一对一设备和智能学校在内的所有利益相关者的一个访问点——提供一个IP使校园Wifi、电子图书馆、教师所需的培训组成部分，媒体及意识活动成为可能。Frank Doelitzscher 等人强调建立基于CloudIA框架的云基础设施来解决了所有三大服务模型： Iaas,，Paas 和SaaS。该系统通过促进用户进行动态创建、管理和删除虚拟机器来支持IaaS。对于PaaS，该系统提供一个Servlet容器平台（SCP），允许其用户进行开发、部署和测试他们自己的应用程序。按需协同软件（collabsoft）促进其用户来创建自己的工作组，并且通过添加诸如日历、维基百科、论坛、聊天的功能来更好对工作组进行管理，从而解决SaaS段。

张等人在他们的论文中介绍了云计算的诸多优点，并且声称尽管使用云端用户不需要任何高水平的设备，但是它削减了用户成本。他重点说明了各种云计算模式如SaaS、效用计算、网络服务、PaaS、管理服务提供者（MSP）以及商业服务平台如何在企业运用以减低成本，并且在能力提升以及部署和培训交付周期方面提高效率。

杨和朱在他们的论文中，提出一个以在线学习解决方案为基础的EduCloud，它采用Hadoop来分析用户活动和因此产生的数据。为了解决可伸缩性以及资源限制，设想使用同时采用了IaaS以及SaaA模型的公共云端。

杨在他的论文中详述了基于在线教育框架的云有四个层次：应用层、平台层、控制层以及虚拟层。每一层都映射出与该层功能所匹配的开放资源。为了支持从一个云服务供应商到另一个供应商的移动，还提出了一个开放性的框架。这个框架包括四层即交付平台、核心服务、协同服务以及用户体验。

徐乐等人在他们的论文中提出了用虚拟实验室来进行计算机网络安全的实用会话。它的用户按照他们的安排，使用标准安全外壳（SSH）、虚拟网络计算(VNC)或远程桌面协议(RDP)通过远程访问的模式来访问实验室。研究发现，使用这一系统的学生有一个较短的学习曲线，并且能够在整个学期都使用这一设施而且也达到了预期的学习效果。荆英等人提出了以网站2.0技术所开发的网络教学平台为基础的云端，它允许教师和教育机构与他们的学生进行联系。根据建议，已经开发的开放AppScale架构为从现有LMS到云平台的转移提供了一个理论框架，作为公众或私人的云网络。

在我们早期的论文中，我们实现了一个集中的网络实验室，学生可以从远程登录来做试验练习。它的建立允许学生访问物理设备。本文强调了实验室的利用率、访问时间以及Live WebEx session的有效性。我们发现学生在访问物理设备时对碰到的网络问题喜欢用模拟器来完成练习。

Ashraf Zia等人在他们的论文中，强调云计算的关键性能问题与存储和查询处理有关。一个云系统将数据存在不同的位置，并且经过复制增加并发性和负载。此外当收到大量的用户要求时，该系统必需足够灵活，以便于处理这些问题并且提高性能。

III. 印度教育中的ICT

印度将ICT视为是为满足日益增长年轻人口的教育需求的解决方案。据2011年印度的总人口普查报告，总人口中有31%的是年龄0——14岁的群体。到2012年，平均年龄将会是29岁。从2002年到2012年这过去10年时间里，印度高等教育机构的数量增加了两倍。在此期间，印度的GER从8.97%上升到19.4%。

印度政府将GER目标设置为，到2020年达到30%的高等教育。这也就是说招生需要从目前的2400万人增加到大约4000万人。这也就意味着增加有大约33000的机构需求。为此，投资应该从目前的46.2亿增加到232.5亿，平均增长率为18%。

为了达到这个GER目标，在接下来9年时间里，每天平均要开办10家机构。这似乎不太现实。在这一背景之下，在印度政府的所有政策和开发举措中，信息通信技术(ICT)被认为是一个重要角色。印度政府最近关于传播知识的一些举措包括：通过信息和通信(NMEICT)技术进行教育的国家使命。在大约400所大学的框架下，有14000所大学提供了1 Gbps的连通性。国家技术强化学习方案(NPTEL)提倡创建网站以及工程、科学和人文交流的视频课程，通过免费在线课程来增强教育的品质。在2007年结束的阶段I中，共创建了260门课程内容。这些以开放访问内容作为托管并且可以进行免费下载。在从2007年开始结束于2012年的第二阶段这一时期内，增加了另外950门课程，将课程总数量提高到大约1200门。另一个诸如此类的措施推出了低成本的计算平板电脑“Akash”，以作为学生可以访问的设备。在另外一项举措中，将“A-View”一项免费的openware在线学习工具提供给所有的教育机构。这一工具促进了课堂教学的音频和视频流，内容协作及共享、对课程进行录音和回放，并且通过测试、轮询和通过提供即时反馈的方式进行现场评估。在同样的NMEICT方案中，提供虚拟实验室供教育机构使用。它允许学生做模拟实验室练习来更好的理解这些概念。这里所提供的实际演练与NPTEL的课程内容相一致。通过印度所有的教育委员会(AICTE)以及大学拨款委员会(UGC)，印度高等教育的顶尖机构也采用了类似的举措。通过他们的举措和所有的教育交流，把访问流行同辈评论期刊组成的数字图书馆以及文献数据库的机会提供给高等教育机构。最近，印度政府发起了一项以平台为基础的MooC，名为“Swayam”，它是有抱负青年进行自主学习的学习网站。这是为日益增长的人口提供负担得起和素质教育的最佳方式。

印度政府在基础设施方面也采取了很多措施。为了应对这些即将到来的挑战，政府以最快的模式增加现有的通信网络。这导致对最小宽带速度从2014年早些时候的256Kbps重新界定为 512Kbps，随后到2015年底又升级到2 mbps。

所有这些导致了印度在2013年有着大约有2.05亿用户的第三大互联网人口。这些人中，大约有2亿是在最后三年新增的。随着移动网络的深层渗透，印度是移动互联网用户已经增长到1.1亿。网络和互联网技术的进一步进步导致了网上做事的新模式。

第一个万维网版本万维网1.0设计是一个只读网站。组织主要采用网站作为媒介开展它们的在线业务。它们把网络作为媒介，使它们的信息随时随地传达给大量的人们。这一版本的网络不允许网站访问者注册他们的评论，或甚至是找到更多的细节。HTTP和HTML是所使用的两大显著技术。

现在网络平台网站 2.0，被称为是一个“可读可写的网站”。这个新版本允许网页访问者进行阅读、搜索和贡献评论。主要使用的技术包括XML、AJAX和SOAP。博客、社交网络、社交书签、维基百科、播客和视频是新时代的网站服务，并且应用程序已经很流行。Facebook、MySpace和Twitter是一些流行的新一代网站，他们拥有类似的广播电台例如电视和无线电广播系统。网站2.0允许其用户提供反馈或评论和分享信息。因此，提供了贡献和分享内容的方式。现在，这些进步使采用了LMS工具的在线教育更加有效，它允许在一个更大的平台上贡献和散步个性化的内容。

其它尤其是在互联网技术的一些进步，云技术的出现被视为是对印度政府电子措施的补充，为年轻人口提供了低成本、可负担得起和高品质的教育。云端解除了建立和维护IT基础设施的负担，现在，教育机构可以通过把所有与IT相关的活动交给第三方机构，来更加专注于它们传授知识的核心活动。人们看到SaaS将是理想的云服务模型，教育机构应该采取并且利用其充分的潜能。

IV. 学

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