基于云計算的Moodle科研教學支持系統的設計與開發

趙莉

(信陽農林學院 信息工程學院，河南 信陽 464000)

云計算作為一種新興的研究領域，近年來在教育領域中倍受研究者的青睞，運用云計算技術整合高校資源，為教育信息技術領域的創新應用及資源共享提供解決途徑。云計算與開源教育云的同步發展，為新一代開源軟件教育互聯網化的推廣應用提供了新的契機。云計算的IaaS(Inf restructure-as-a-Service,基礎設施即服務)、SaaS( Software-as-a-Service,即軟件即服務)、PaaS(Platform-as-a-Servi ce,平臺即是服務)等以“一切皆服務”為核心理念，這些理念都與Moodle(Modular Object-Oriented Dynamic Learning Environment)開源軟件提倡的免費開源、自由分享并按實際使用量多少付費的觀點不謀而合，而Moodle免費開放、相容性高、技術門檻低等優勢被認為是教學平臺設計的首選[1]。本文利用云計算技術與Moodle的功能優勢，搭建云計算服務的Moodle科研教學支持系統的總體功能設計。通過教學平臺的功能結構設計、科研平臺的功能結構設計、互動平臺的功能結構設計、學習平臺的功能結構和管理平臺的功能結構設計等，實現高校間的教學科研信息資源共享、同行及師生間的探討互動、學習進度跟蹤、成績查詢等多種功能。

1 國內外研究現狀分析

云計算(cloud computing)是分布式處理、并行處理和網格計算的發展和延伸，是基于互聯網服務的增加、使用和交付模式，以虛擬化和資源池方式提供IT資源服務[1]。

隨著云計算技術的日趨成熟，國外已有很多大學將云計算服務引入到校園網的應用中，如Google 和 IBM 聯合宣布在教育領域推廣“云計算計劃”；美國格雷漢姆小學的桌面云；日本明治大學的云計算平臺；新加坡教育部的云計算平臺等[2]。與此同時，許多高校借助世界上最流行的Moodle開源免費網絡課程管理系統輔助教學。目前Moodle系統被迅速推廣且不斷升級，已發展到電腦版 V3.5版本，并形成自己的社群。由于Moodle易于使用模塊化的結構設計而且其本身是開放源碼自由軟件，目前支持上百種不同的語言版本，適合于不同國家不同語種的教師學習與使用，因此很快在世界各地的教育機構流傳開來并作為教學管理軟件開發的平臺。根據官方網站(http://moodle.org)的數據統計顯示，全世界200多個國家的注冊使用機構達到67,000多所，用戶數量達到了5,800萬，運行的課程600多萬門[3]?？梢?，在國外基于云計算服務下的Moodle系統應用非常廣泛。

在國內，云計算的起步相對較晚，2007年才開始嘗試。隨著云計算對各個研究領域的不斷滲透和人們對云計算技術的深入探究，云計算在教育領域的應用倍受關注。作為一種新的服務模式，2008年12月上海師范大學的黎加厚教授首次提出了“云計算輔助教學”(CCAI)。2013年教育部發布“國家教育云”，計劃實現九百所院校五百萬師生受益，倡導優質資源共建共享的重大舉措[4]。而Moodle的研究是在2006年后才在國內逐漸得到重視，因發展現狀受到地方經濟及教育觀念的限制，研究機構主要以高校為主，如上海師范大學、華東師范大學和哈爾濱工業大學等。根據中國知網(CNKI)的數據檢索統計得知，截至2018年10月，發表國內期刊云計算輔助教學的相關文章為3922篇，而基于云計算服務Moodle系統輔助教學的文章僅有883篇[5]。不可否認的是，我國的云計算教育應用尚處于初級階段，對基于云計算服務的Moodle系統的研究更是屈指可數。

2 云計算技術與Moodle平臺融合

2.1 Moodle的介紹

Moodle(中文名為魔燈)是免費的開放源代碼課程管理軟件。它遵守GPL(GNU Public License)協議，這給Moodle帶來了無窮的活力，吸引了大批的開發者。用戶可以在不更改原有協議和版權的前提下，進行自由復制和增修Moodle，也讓使用者之間能夠收放自如地彼此交流資源。Moodle系統可以在任何支持PHP(Hypertext Preprocessor)的計算機上運作，Unix，Linux，Windows，Mac OS X，Xetware等系統都可以正常的執行。Moodle系統同時支持多種類型的數據庫，特別是以MySQL和PostgreSQL資料庫系統為最佳的選擇，如在Oracle，Access，Interbase，ODBC和其他的資料庫系統也能以正常的執行[6]。與其它的管理系統相比，Moodle不僅可以管理內容元件，還可以有針對性地進行特殊的教育訓練設計，記錄學習者的學習軌跡，讓老師們更深入了解學生的學習現狀。Moodle系統架構如圖1所示。

圖1 Moodle系統架構

2.2 Moodle的開發環境與技術

Moodle自身及其使用的主要組件以及運行環境均為一種基于開放源代碼OSS(Open Source Software)軟件，而OSS軟件通常沒有說明文檔和技術支持。因此Moodle采用PHP腳本語言編寫動態網站程序， HTTP服務器軟件Apache或IIS需安裝PHP，Linux，Windows Server,Mac OS均可支持。本系統開發環境選擇了Windows操作系統、MySQL數據庫、PHP語言等開發環境，見表1所示。

表1 Moodle運行環境

Windows 是一種多用戶操作系統，對硬件要求不高。根據Moodle對工作環境的要求，在Windows操作系統下安裝Moodle，更能發揮其優勢。PHP是一種通用開源腳本HTML 內嵌式的語言，其獨特的語法混合了C語言、Java和Perl的特點，可以執行加密編譯后優化代碼運行，速度更快，利于學習，運用廣泛，適用于Web開發領域，整合了各主流的服務器環境，支持MySQL、Oracle、微軟IIS、Tomcat等數據庫軟件。HTTP服務器軟件Apache 與IIS類似，都屬于Web服務器軟件。Apache簡單、速度快、容易擴展、性能比較穩定，也可作為代理服務器來使用，并可以在所有計算機操作系統上運行[7]。

2.3 云計算技術融合Moodle平臺實施科研教學的可行性

從學生角度分析：不受時空限制的學習方式，突破時間和空間的限制，可以在任何時間、地點訪問。學生的學習安排較為自由，可以自主選擇有針對性的教學模塊組織學習，如遇到困難也可以利用文字或視頻等方式與老師、同學產生交流互動，充分發揮學生的自主能力和創新意識。

從學校角度分析：降低學校教育資源建設的成本，師生只要擁有上網的終端設備，通過瀏覽器就可以享受教育服務。有利于將信息資源上傳或存儲在云服務器上，便于師生實現信息資源共享，無需擔心病毒入侵，保證了師生的數據安全。

借助Moodle系統，促進科研引領教學，通過高水平科研提高教學質量。利用“云”的廣域性和Moodle系統完美的融合將是應用信息化教學促進教育均衡發展的趨勢，能有效地改善高?？蒲薪虒W資源建設現狀，為基于云計算Moodle平臺的科研教學服務提供范例。

3 云計算服務下Moodle科研教學支持系統的總體設計

3.1 云計算服務下Moodle支持系統的建模分析

圖2云計算服務下Moodle支持系統建模

云計算服務下的Moodle支持系統分為：科研空間、教學空間、學習空間、互動空間和管理空間五大功能結構。教師既可以引導學生學習又可以與同行、學生交流互動；學生既能獨立學習專業課程又能與同學互幫互助協力完成某一主題任務；而管理員則負責管理各個空間的資源分布及數據安全。各個部分相互作用相互聯系，形成了一個完整的系統，如圖2所示。

3.2 云計算服務下基于Moodle的支持系統架構

在云計算中，通過編程模型和平臺管理等技術將分布在全國各地大規模服務器群虛擬成一個云計算服務資源池，用戶只需將手中的終端設備連接到互聯網上，就可以隨時隨地不受時空限制自由享受云端資源池的信息資源，實現動態的、可伸縮的擴展，按需提供資源，依據使用量多少支付費用，無需關心具體的硬件設施及其關聯管理。

基于云計算Moodle的資源共享平臺的系統構架是在B/S(Browser/Server，瀏覽器/服務器體系結構)結構的基礎上，結合云計算技術的特點而設計的。B/S結構是C/S結構改進后的網絡結構模式，由于借助于網絡，B/S實現管理維護集中快捷、用戶使用簡單、跨平臺使用等優勢。但隨著信息資源的深度開發，單臺服務器能承載的處理能力和帶寬有限，很難滿足大量用戶的并發訪問及高并發請求[8]。因此，本課題考慮到云計算技術的先進性，將Moodle架設在云計算上，借助PaaS的優勢，利用Apache反向代理機制，將計算資源的虛擬化進行在線遷移。當一個服務器繁忙時，可以通過負載均衡策略，將繁忙的虛擬機實例遷移到另一個空閑服務器上，保持了負載均衡。實驗表明，讓大量用戶并發訪問平均分配到每臺服務器上，在保證數據資源安全的同時提供了高效的科學計算處理能力，提高了系統的訪問速度。

4 基于云計算Moodle科研教學支持系統的功能模塊

高校是教學和科研的重要基地，是培養人才的重要場所，科技的發展是推動地方經濟發展的重要力量，也是衡量高校辦學能力和辦學水平的一項重要指標。針對傳統教學中存在的問題，將云計算技術和Moodle的功能特點相結合，擬合構建云計算服務與Moodle平臺科研教學支持系統的功能模塊設計。該支持系統由科研、教學、學習、互動和管理五大平臺組成，各平臺間相互聯系相互作用，平臺的功能架構，如圖3所示。

圖3 云計算Moodle科研教學平臺的功能架構

科研平臺是高校創新體系的重要組成部分，是培養和提高教師隊伍的學術水平、培養創新人才、促進學科的交叉融合與發展、開展學術交流活動的重要基地。主要從事學術交流、主題研究、協助探討及科研成果推廣等。

教學平臺主要是教師利用平臺功能開展教學實踐，實現線上即時互動課堂，線下的教學資源收集和師資信息技術培訓，實現線上線下無縫對接。主要包括教學設計管理、資源庫管理、教學手段及工具、教學評價反饋等功能。

學習平臺應用于學生參與各種學習活動并記錄學習軌跡，如作業提交、課程測試、獨立探索和小組討論等，實現師生和生生間的交流互動、成果評價、學習進度查看、學習效果總結、成果經驗共享、實驗實訓的完成等功能。

互動平臺功能強大，主要是為教學科研的交流協作提供的師生間、生生間、同行間進行交流、討論、協助的場所，具有聊天、專題討論、討論區、WIKI、作業討論等交互功能?；悠脚_可以增進師生間、生生間的情感交融。

管理平臺是以管理員身份負責平臺的全面管理工作，擁有最高的編輯、管理權限。具有確認用戶的申請、站點首頁的設置、賦予或取消教師的權限、課程資源的備份與恢復、修改系統的配置、更新用戶信息、數據資源安全和建設運行維護等功能。管理平臺主要分為平臺界面管理、用戶賬號管理、功能模塊管理和系統安全管理。

基于云計算Moodle系統的資源共享學習模式，是借助云計算提供的優質資源共享平臺，大力推動校級協作學習和遠程協作學習的開展。讓師生更容易地共享上傳材料、軟件及學習主題內容，以分享交流的方式進行協作學習，充分發揮群體智慧。實施在線編輯、評論和共享，鼓勵師生之間、生生之間的互動，盡情享受云計算帶來的方便。

5 總結

運用云計算技術整合高校資源，首先可以減少在IT 基礎設施上的重復投資，為高校節約硬件購置、軟件更新的成本，彌補實驗設備匱乏，解決存儲資源不足問題；其次借助云計算Moodle系統，實現各國、各地之間的教學科研信息資源的共享，提供校內各部門之間的數據共享、數據更新、同行及師生間的探討互動、學習進度跟蹤、成績效果查詢等多種功能；最后促進高?？蒲幸I教學，探究教與學的過程及教與學資源的設計、開發、利用、管理和評價，打破時空限制和推動個人自主學習，同時方便高校教學平臺管理，有利于促進科研與教學互動，通過高水平科學研究提高教學質量。