基于云计算的Moodle科研教学支持系统的设计与开发

赵莉

(信阳农林学院 信息工程学院，河南 信阳 464000)

云计算作为一种新兴的研究领域，近年来在教育领域中倍受研究者的青睐，运用云计算技术整合高校资源，为教育信息技术领域的创新应用及资源共享提供解决途径。云计算与开源教育云的同步发展，为新一代开源软件教育互联网化的推广应用提供了新的契机。云计算的IaaS(Inf restructure-as-a-Service,基础设施即服务)、SaaS( Software-as-a-Service,即软件即服务)、PaaS(Platform-as-a-Servi ce,平台即是服务)等以“一切皆服务”为核心理念，这些理念都与Moodle(Modular Object-Oriented Dynamic Learning Environment)开源软件提倡的免费开源、自由分享并按实际使用量多少付费的观点不谋而合，而Moodle免费开放、相容性高、技术门槛低等优势被认为是教学平台设计的首选[1]。本文利用云计算技术与Moodle的功能优势，搭建云计算服务的Moodle科研教学支持系统的总体功能设计。通过教学平台的功能结构设计、科研平台的功能结构设计、互动平台的功能结构设计、学习平台的功能结构和管理平台的功能结构设计等，实现高校间的教学科研信息资源共享、同行及师生间的探讨互动、学习进度跟踪、成绩查询等多种功能。

1 国内外研究现状分析

云计算(cloud computing)是分布式处理、并行处理和网格计算的发展和延伸，是基于互联网服务的增加、使用和交付模式，以虚拟化和资源池方式提供IT资源服务[1]。

随着云计算技术的日趋成熟，国外已有很多大学将云计算服务引入到校园网的应用中，如Google 和 IBM 联合宣布在教育领域推广“云计算计划”；美国格雷汉姆小学的桌面云；日本明治大学的云计算平台；新加坡教育部的云计算平台等[2]。与此同时，许多高校借助世界上最流行的Moodle开源免费网络课程管理系统辅助教学。目前Moodle系统被迅速推广且不断升级，已发展到电脑版 V3.5版本，并形成自己的社群。由于Moodle易于使用模块化的结构设计而且其本身是开放源码自由软件，目前支持上百种不同的语言版本，适合于不同国家不同语种的教师学习与使用，因此很快在世界各地的教育机构流传开来并作为教学管理软件开发的平台。根据官方网站(http://moodle.org)的数据统计显示，全世界200多个国家的注册使用机构达到67,000多所，用户数量达到了5,800万，运行的课程600多万门[3]。可见，在国外基于云计算服务下的Moodle系统应用非常广泛。

在国内，云计算的起步相对较晚，2007年才开始尝试。随着云计算对各个研究领域的不断渗透和人们对云计算技术的深入探究，云计算在教育领域的应用倍受关注。作为一种新的服务模式，2008年12月上海师范大学的黎加厚教授首次提出了“云计算辅助教学”(CCAI)。2013年教育部发布“国家教育云”，计划实现九百所院校五百万师生受益，倡导优质资源共建共享的重大举措[4]。而Moodle的研究是在2006年后才在国内逐渐得到重视，因发展现状受到地方经济及教育观念的限制，研究机构主要以高校为主，如上海师范大学、华东师范大学和哈尔滨工业大学等。根据中国知网(CNKI)的数据检索统计得知，截至2018年10月，发表国内期刊云计算辅助教学的相关文章为3922篇，而基于云计算服务Moodle系统辅助教学的文章仅有883篇[5]。不可否认的是，我国的云计算教育应用尚处于初级阶段，对基于云计算服务的Moodle系统的研究更是屈指可数。

2 云计算技术与Moodle平台融合

2.1 Moodle的介绍

Moodle(中文名为魔灯)是免费的开放源代码课程管理软件。它遵守GPL(GNU Public License)协议，这给Moodle带来了无穷的活力，吸引了大批的开发者。用户可以在不更改原有协议和版权的前提下，进行自由复制和增修Moodle，也让使用者之间能够收放自如地彼此交流资源。Moodle系统可以在任何支持PHP(Hypertext Preprocessor)的计算机上运作，Unix，Linux，Windows，Mac OS X，Xetware等系统都可以正常的执行。Moodle系统同时支持多种类型的数据库，特别是以MySQL和PostgreSQL资料库系统为最佳的选择，如在Oracle，Access，Interbase，ODBC和其他的资料库系统也能以正常的执行[6]。与其它的管理系统相比，Moodle不仅可以管理内容元件，还可以有针对性地进行特殊的教育训练设计，记录学习者的学习轨迹，让老师们更深入了解学生的学习现状。Moodle系统架构如图1所示。

图1 Moodle系统架构

2.2 Moodle的开发环境与技术

Moodle自身及其使用的主要组件以及运行环境均为一种基于开放源代码OSS(Open Source Software)软件，而OSS软件通常没有说明文档和技术支持。因此Moodle采用PHP脚本语言编写动态网站程序， HTTP服务器软件Apache或IIS需安装PHP，Linux，Windows Server,Mac OS均可支持。本系统开发环境选择了Windows操作系统、MySQL数据库、PHP语言等开发环境，见表1所示。

表1 Moodle运行环境

Windows 是一种多用户操作系统，对硬件要求不高。根据Moodle对工作环境的要求，在Windows操作系统下安装Moodle，更能发挥其优势。PHP是一种通用开源脚本HTML 内嵌式的语言，其独特的语法混合了C语言、Java和Perl的特点，可以执行加密编译后优化代码运行，速度更快，利于学习，运用广泛，适用于Web开发领域，整合了各主流的服务器环境，支持MySQL、Oracle、微软IIS、Tomcat等数据库软件。HTTP服务器软件Apache 与IIS类似，都属于Web服务器软件。Apache简单、速度快、容易扩展、性能比较稳定，也可作为代理服务器来使用，并可以在所有计算机操作系统上运行[7]。

2.3 云计算技术融合Moodle平台实施科研教学的可行性

从学生角度分析：不受时空限制的学习方式，突破时间和空间的限制，可以在任何时间、地点访问。学生的学习安排较为自由，可以自主选择有针对性的教学模块组织学习，如遇到困难也可以利用文字或视频等方式与老师、同学产生交流互动，充分发挥学生的自主能力和创新意识。

从学校角度分析：降低学校教育资源建设的成本，师生只要拥有上网的终端设备，通过浏览器就可以享受教育服务。有利于将信息资源上传或存储在云服务器上，便于师生实现信息资源共享，无需担心病毒入侵，保证了师生的数据安全。

借助Moodle系统，促进科研引领教学，通过高水平科研提高教学质量。利用“云”的广域性和Moodle系统完美的融合将是应用信息化教学促进教育均衡发展的趋势，能有效地改善高校科研教学资源建设现状，为基于云计算Moodle平台的科研教学服务提供范例。

3 云计算服务下Moodle科研教学支持系统的总体设计

3.1 云计算服务下Moodle支持系统的建模分析

图2云计算服务下Moodle支持系统建模

云计算服务下的Moodle支持系统分为：科研空间、教学空间、学习空间、互动空间和管理空间五大功能结构。教师既可以引导学生学习又可以与同行、学生交流互动；学生既能独立学习专业课程又能与同学互帮互助协力完成某一主题任务；而管理员则负责管理各个空间的资源分布及数据安全。各个部分相互作用相互联系，形成了一个完整的系统，如图2所示。

3.2 云计算服务下基于Moodle的支持系统架构

在云计算中，通过编程模型和平台管理等技术将分布在全国各地大规模服务器群虚拟成一个云计算服务资源池，用户只需将手中的终端设备连接到互联网上，就可以随时随地不受时空限制自由享受云端资源池的信息资源，实现动态的、可伸缩的扩展，按需提供资源，依据使用量多少支付费用，无需关心具体的硬件设施及其关联管理。

基于云计算Moodle的资源共享平台的系统构架是在B/S(Browser/Server，浏览器/服务器体系结构)结构的基础上，结合云计算技术的特点而设计的。B/S结构是C/S结构改进后的网络结构模式，由于借助于网络，B/S实现管理维护集中快捷、用户使用简单、跨平台使用等优势。但随着信息资源的深度开发，单台服务器能承载的处理能力和带宽有限，很难满足大量用户的并发访问及高并发请求[8]。因此，本课题考虑到云计算技术的先进性，将Moodle架设在云计算上，借助PaaS的优势，利用Apache反向代理机制，将计算资源的虚拟化进行在线迁移。当一个服务器繁忙时，可以通过负载均衡策略，将繁忙的虚拟机实例迁移到另一个空闲服务器上，保持了负载均衡。实验表明，让大量用户并发访问平均分配到每台服务器上，在保证数据资源安全的同时提供了高效的科学计算处理能力，提高了系统的访问速度。

4 基于云计算Moodle科研教学支持系统的功能模块

高校是教学和科研的重要基地，是培养人才的重要场所，科技的发展是推动地方经济发展的重要力量，也是衡量高校办学能力和办学水平的一项重要指标。针对传统教学中存在的问题，将云计算技术和Moodle的功能特点相结合，拟合构建云计算服务与Moodle平台科研教学支持系统的功能模块设计。该支持系统由科研、教学、学习、互动和管理五大平台组成，各平台间相互联系相互作用，平台的功能架构，如图3所示。

图3 云计算Moodle科研教学平台的功能架构

科研平台是高校创新体系的重要组成部分，是培养和提高教师队伍的学术水平、培养创新人才、促进学科的交叉融合与发展、开展学术交流活动的重要基地。主要从事学术交流、主题研究、协助探讨及科研成果推广等。

教学平台主要是教师利用平台功能开展教学实践，实现线上即时互动课堂，线下的教学资源收集和师资信息技术培训，实现线上线下无缝对接。主要包括教学设计管理、资源库管理、教学手段及工具、教学评价反馈等功能。

学习平台应用于学生参与各种学习活动并记录学习轨迹，如作业提交、课程测试、独立探索和小组讨论等，实现师生和生生间的交流互动、成果评价、学习进度查看、学习效果总结、成果经验共享、实验实训的完成等功能。

互动平台功能强大，主要是为教学科研的交流协作提供的师生间、生生间、同行间进行交流、讨论、协助的场所，具有聊天、专题讨论、讨论区、WIKI、作业讨论等交互功能。互动平台可以增进师生间、生生间的情感交融。

管理平台是以管理员身份负责平台的全面管理工作，拥有最高的编辑、管理权限。具有确认用户的申请、站点首页的设置、赋予或取消教师的权限、课程资源的备份与恢复、修改系统的配置、更新用户信息、数据资源安全和建设运行维护等功能。管理平台主要分为平台界面管理、用户账号管理、功能模块管理和系统安全管理。

基于云计算Moodle系统的资源共享学习模式，是借助云计算提供的优质资源共享平台，大力推动校级协作学习和远程协作学习的开展。让师生更容易地共享上传材料、软件及学习主题内容，以分享交流的方式进行协作学习，充分发挥群体智慧。实施在线编辑、评论和共享，鼓励师生之间、生生之间的互动，尽情享受云计算带来的方便。

5 总结

运用云计算技术整合高校资源，首先可以减少在IT 基础设施上的重复投资，为高校节约硬件购置、软件更新的成本，弥补实验设备匮乏，解决存储资源不足问题；其次借助云计算Moodle系统，实现各国、各地之间的教学科研信息资源的共享，提供校内各部门之间的数据共享、数据更新、同行及师生间的探讨互动、学习进度跟踪、成绩效果查询等多种功能；最后促进高校科研引领教学，探究教与学的过程及教与学资源的设计、开发、利用、管理和评价，打破时空限制和推动个人自主学习，同时方便高校教学平台管理，有利于促进科研与教学互动，通过高水平科学研究提高教学质量。