基于云计算的远程移动学习系统设计

摘要：伴随着以无线网络、3G技术等为代表的移动网络技术的飞速发展，基于手机、PDA等移动终端的移动云计算（Mobile Cloud Computing）逐渐受到研究者的关注。如何将移动云计算运用到远程移动学习中已成为当前教育研究的热点问题。在分析移动云计算优势的基础上，根据移动云计算的特点，设计了一个整合高性能计算（HPC）集群架构和校园Moodle的云计算远程移动学习平台。该平台能够充分发挥云计算的优势，降低远程教育成本，为我国远程教育的发展提供强有力的支撑。

关键词：移动云计算；远程移动学习系统；远程教育

中图分类号：TP302文献标识码：A文章编号文章编号：16727800（2013）010000503

作者简介：程姗姗（1981-），女，硕士，湖北工程学院计算机学院研究员，研究方向为网络多媒体、远程教育。

0引言

在我国远程教育发展过程中，因受到地理位置、网络传输速度、服务器数据处理能力等诸多因素的影响，出现了远程教育平台不能满足师生学习的需要，信息和资源无法有效共享等问题。这些问题成为了远程教育发展的瓶颈，因此亟待寻求一种新的技术来解决这些问题。正是在这种需求背景下，诞生了一种新的网络计算模型——移动云计算，它是指通过移动网络以按需、易扩展的方式获得所需的基础设施、平台、软件（或应用）等的一种IT资源或（信息）服务的交付与使用模式。著名市场研究公司ABI Research在2009年7月7日所提供的报告“Mobile Cloud Computing”中指出，移动云计算不久将成为信息领域一股颠覆性的力量，最终会成为移动应用程序的主导运行方式。ABI Research调查统计分析，2008年全球移动云计算用户的数量为4 280万，占全球手机用户数量的1.1%；经过5年的高速发展，2014年预计将达到9.98亿，占全球手机用户的19%。面对如此众多的移动云计算用户，开发出更智慧更方便快捷的远程移动学习系统成为当前亟待解决的问题。

1概念界定

云计算是指由几十万甚至上百万台服务器所组成的网络，并以其为中心，提供用户安全、快速、便捷的数据存储和网络计算服务，它是近几年来计算机科学领域中的分布式处理、并行处理和网格计算的新发展。[1]

移动学习（Mobile Learning）是指利用无线移动通信网络技术以及无线移动通信设备（如移动电话、个人数字助理PDA、Pocket PC等）获取教育信息、教育资源和教育服务的一种新型学习形式[2]，具有“随时随地”的特性，即学习者可以在任何时间、任何地点进行学习，是在线数字化学习的无线扩展，被认为是未来学习中不可缺少的一种学习模式。

移动云计算定义MaaS（Mobility as a Service）如下：移动云计算指的是一种基础架构，数据存储和数据处理进程都不是在移动设备上进行。移动云设备将计算进程和数据存储放在云端，供移动用户方便快捷使用。

《通信技术与标准》基于云计算的定义，将移动互联网云计算定义为：指通过移动网络以按需、易扩展的方式获得所需的基础设施、平台、软件（或应用）等的一种IT资源或（信息）服务的交付与使用模式。

2国内外教育移动云计算发展概况

云计算的理念是要充分借力互联网和云中服务器的高计算能力和高存储容量，使消费者通过移动终端接入和使用"云中"的内容和计算。随着Web技术的发展，建立移动网站已经变得和建立普通网站同样容易。中国移动推出的"大云"计划，提供MaaS（Mobility as a Service）服务。目前，国内外已有不少教育行业的云计算应用案例。

（1）美国格雷汉姆小学的桌面云。在美国北卡罗来纳州，西蒙公司在格雷汉姆小学首先开展了云计算项目的尝试，该项目为西蒙教育春雷项目。为了满足师生日益增长的数字化学习需求，西蒙公司为学校600名师生带来虚拟电脑桌面，终端通过连接“通用云计算服务”来获取虚拟电脑桌面，同时为学生提供丰富的学习材料。学生不管是在教室、图书馆还是在家里，都可以访问到同一桌面，而无需额外的电脑。

（2）日本明治大学的云计算平台。早在2010年，日本明治大学和日立公司联手在全校范围内推广云计算系统，以方便师生使用各种软件和服务，同时节省相关费用。学校师生利用手边的电脑连接互联网，就能直接使用中央服务器搭载的软件。回到家里，他们通过个人电脑也能享受和在学校相同的服务。明治大学的云计算系统已经投入使用，该大学的教室和研究室共有约4 000台电脑，引进云计算系统后，更换电脑时无须安装软件，更换电脑的次数也可大大减少，相关费用可节省约30%。

（3）苏州教育在线。以微软Share Point和System Center云计算管理平台为基础，建立了苏州教育公共服务平台基础门户，形成服务管理的基础网络，搭建服务应用的管理平台，整合现有教育局的资源与业务流程建设教育资源运营系统。教育云终端机基于教育云强大的储存和计算能力实现了多媒体教室设备及终端的无缝连接，其中包括教学中使用的电子白板、投影仪、触控一体机、教师及学生用电脑、音响设备、电子书包等。教育云的出现可以实现跨班教学、同步广播、课程录像点播及实时课程录制等网络化教学，以及数字化校园网络互连与教育资源共享。目前，各高校也纷纷建立“私有云”，并相互连接在一起，如“金橘市场”将复旦大学的移动校园和宁波大学的移动校园等移动校园连接在一起。

3基于云计算的远程移动学习优势

我国远程教育存在着诸多制约因素，主要包括：偏远地区资金不够，设备落后且维修困难；各地区软件版本不兼容导致优质资源无法共享，或出现一些操作问题；网络资源存在安全隐患，落后地区又缺少具有网络安全相关知识的专业人士来维护；学习评价方式单一，不能有效地对教学要素做出及时正确且多维度的评价等。移动云计算的出现，为解决以上问题找到了一条可行之路。移动云计算有许多优点，如增加了覆盖范围、降低了成本，并减少了对硬件和软件设备的依赖。移动云计算的优势主要表现在如下几个方面：

（1）实现真正意义上的随时随地学习。远程教育最大的特点就是师生时空分离，学习时间和地点是影响远程学习的一个最大因素。对于参加远程教育的学员，他们往往是有工作的人员，学习时间比较零散，常以自主学习为主。而在学习过程中，他们常会遇到很多学习困难，师生、生生之间的交互有时得不到很好的体现。基于手机的移动学习则弥补了这样的缺陷。它是一种典型的移动学习方式，即学习者把手机作为学习工具来进行泛在学习，是一种人性化的学习方式。[3]手机移动学习，使得在任何地点、任何时间用任何方式进行学习成为可能。而且手机本身就具有互动性，学习者可以通过移动设备访问互联网，下载优质学习资源。

（2）成本低廉。中国的远程教育由于国土面积大、经济发展不平衡、参与人数多而遇到了较多的困难，现有的远程教育系统存在软硬件要求高、资源重复建设、系统扩充能力弱、可配置性差等难题。基于云计算的远程教育系统不再强求高性能的服务器，由各地普通的服务器组成“云”来提供高性能的服务，节约了硬件投资；“云”的通用性使资源的利用率较之传统系统大幅提升，远程教育单位也无需再负担高昂的数据中心管理成本。

（3）安全、方便、快捷的云服务。我们都有过维护个人移动手机上种类繁多的应用软件的经历：为了使用某个最新的操作系统，或使用某个软件的最新版本，我们必须不断升级自己的手机；为了防止在下载时引入病毒，我们不得不反复安装杀毒软件和防火墙软件。而在云计算时代，所有这些都无需用户自己动手，因为在云服务端有专业的IT人员帮用户维护硬件、安装和升级软件、防范病毒和各类网络攻击，而用户只需在浏览器中键入URL，登录后即可在浏览器中做以前在手机上所能做的一切事情。得益于云存储技术，用户可以把重要的资料存放在云端，这样就不用担心用户端因遭受病毒入侵或硬件故障等问题而造成资料丢失。云计算技术会为用户提供一个无限的安全服务，如果用户端的机器出现了问题，云端会有专业的人士来帮助用户解决。

（4）方便知识共享和团体协作。 云计算技术利用互联网将全世界的终端连接在一起，教育工作者和学习者可以从云端获取优质的资源，也可以把自己这里的优质资源上传到云端，还可以利用云端来合作开发高质量的教学资源，使数据共享变得更加方便快捷。

4基于云计算的远程移动学习系统设计

传统的移动学习有一定的局限性，如昂贵的移动设备和网络、较低的网络传输速率、有限的教育资源。基于云计算的移动学习（mlearning）平台可以解决这些问题，如利用云计算的大存储容量和强大的处理能力，为学习者提供更丰富的数据服务和更快的处理速度。

基于云计算的远程移动学习系统如图1所示。此模型整合了高性能计算（HPC）集群架构。用户与HPC中心之间的通信是在云中进行的。

终端与位于校园局域网里的HPC群集架构相连接（LAN），或直接与外部网络相连接（互联网）。校园Moodle平台服务器（Moodle课程管理系统）上有丰富的教学资源，它与校园局域网（LAN）相连接。 用户可以直接从校园局域网（LAN）或互联网访问Moodle平台，以收集HPC中心计算所需数据。同样，如果数据过大，移动终端无法收集时，HPC群集架构可通过校园局域网收集所需要的计算数据。当用户需要HPC群集架构处理一些数据时，它就会向HPC中心发送请求，当HPC确认该请求，它便在用户终端从校园Moodle平台直接接收数据。

Moodle课程管理系统平台由以下几个模块组成：

课程管理模块、作业模块、聊天模块、投票模块、论坛模块、测验模块、资源模块、问卷调查模块、互动评价模块（workshop）。

用户可以从校园的局域网，或直接从互联网通过HPC管理系统（HPC控制器）访问HPC中心。 HPC控制器管理授权访问HPC中心，并且它与被动和主动服务器直接连接。被动和主动服务器连接到负载均衡器，它决定了哪个服务器是活动的。负载平衡器也决定了哪个服务器需要管理的负载如即将到来的来自用户的服务请求。

主动和被动服务器都被连接到存储区域网络和群集网络架构上。服务器从存储区域网络中提取需要处理（计算）的数据，然后将所有必要的数据转发到集群网络架构作做一步计算。群集网络架构有N个相互连接的计算机节点。这些节点有一个主节点也就是控制节点，它决定哪些节点应执行数据计算。一旦数据计算完成后，最终的信息被发送返回给用户。如果主节点发生故障不能正常运行，则另一个节点成为主节点。

这种模式的优点是：它在移动设备上提供了新的服

务，这是在移动云环境中使用HPC中心的结果。在该模型中，通过使用HPC中心，将许多统计计算器连接到MDL上。 HPC集群架构的最大优点是：能使云计算在移动设备或笔记本电脑上运行。此模型的另一优点是：它提供服务的连续性和无缝移动性，如用户可以从外部网络与大学本地区域网络相互切换。

5结语

本文根据移动云计算的特点设计了一个整合高性能计算（HPC）集群架构和校园Moodle的云计算移动学习（MLearning）平台。它充分发挥了移动云计算的优势，增加了远程教育覆盖范围，降低了远程教育成本，并降低了远程教育对硬件和软件设备的依赖。

参考文献：

[1]黎加厚.走向教育技术“云”服务[J].远程教育杂志，2008（3）：7879.

[2]叶成林，徐福荫，许骏.移动学习研究综述[J].电化教育研究，2004（3）：1219.

[3]贾靖林，杨玉辉.基于智能手机的移动学习研究[J].软件导刊·教育技术，2009（1）：8082.

[4]T H DIHN，C LEE，D NIYATO，et al.A survey of mobile cloud computing：architecture，applications，and approaches[J].Wireless Communications and Mobile ComputingWiley， 2011（11） ：138.

[5]A RUDENKO，P REIHER，G J POPEK，et al.Saving portable computer battery power through remote process execution[J].Journal of ACM SIGMOBILE on Mobile Computing and Communications Review，1998，2（1）： 1926.

[6]U KREMER，J HICKS，J REHG.A Compilation framework for power and energy management on mobile computers[C].Proceedings of the 14th International Conference on Languages and Compilers for Parallel Computing，2012.