云系統設計論文：PAAS形式的CSCL系統設計與落實范文
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作者：吳彥文馮正西康婷單位：華中師范大學信息技術系
1CSCL實施流程
CSCL是指利用計算機技術尤其是多媒體和網絡技術的輔助和支持，以增強學習者之間的交互和小組學習，促進學習小組成員的知識共享與建構的一種協作學習方式。其具體的實施流程如下。(1)學習活動的設計：教師根據教學需要確定學習目標，并將學習目標融入相關學習活動的設計中，通過活動情境激發學生的學習熱情和興趣。(2)學習小組的劃分：教師需要劃分若干個學習小組，各小組由小組長和小組成員組成，其中小組長將協助教師完成各小組的學習活動。(3)學習活動的執行：根據學習目標，小組長組織小組成員討論并明確各自的職責和任務。通過分工合作，共同完成小組學習任務。在學習活動中，組內的協作溝通十分重要，教師可以參與小組討論并在學生有困難時進行有效地指導。學習任務完成后，各小組把學習成果上傳到成果庫中等待進一步的評審。在整個學習過程中，教學資源庫提供輔助學習的內容材料、課件、其他資源庫鏈接和相應功能的軟件等。(4)學習成果的評價：學習成果的評價是檢驗學習是否達到目標的必要手段。我們可以采用教師評價、自我評價以及小組互評相結合的方法。評價需要從多個方面進行考慮，盡量保證評價的公平和公正。
可見，在CSCL系統中，學習者以群組為單位，在網絡環境中協作、探討和交流，共同完成學習目標，從而使得協作學習能夠最大化個人和他人的習得成果。CSCL系統中的交互性、協作性、共享性等特點是系統實現的核心，它們是小組學習活動得以完成的有力支撐。
2面向PAAS模式的CSCL系統架構
基于以上對CSCL系統實施流程的分析，我們構建了一種面向PAAS模式的CSCL系統。PAAS（PlatformasaService,平臺即服務）是一種基于云計算技術的服務，它在統一的應用程序模型的基礎上，將云平臺能力進行封裝，并提供基于云基礎設施的開發和托管環境。該模式可有效地縮短系統的開發時間、忽略底層硬件設計、節約成本等。本系統架構圖如圖1所示，整個系統自上而下分為應用層、平臺層和基礎設施層。應用層：本系統使用SQLAzure來進行數據庫管理，構建在WindowsAzure云操作系統之上。用戶（學習者和老師）終端使用各自權限通過WindowsAzure的訪問接口對CSCL系統進行訪問，實現CSCL系統資源瀏覽、查詢、數據處理和系統設置等功能。學習者通過瀏覽所在小組的任務并與其他小組成員進行溝通協作，共同完成學習任務，最終提交小組學習成果（可以是作品或研究報告等）。老師可以跟蹤和干預各小組的學習進度，參與各小組的學習活動，評價各小組的學習進展和學習成果。
平臺層和基礎設施層：本文利用WindowsAzure云服務平臺的開放式架構進行系統運行底層的構建，WindowsAzure是一個互聯網級的運行于微軟數據中心系統上的云計算服務平臺，它的數據中心能夠提供十分高效的數據同步、副本創建與更新策略以及相應的容錯機制，即使在某個數據中心失效時，也能夠保證數據的完整性、準確性。該平臺層通過虛擬化技術實現動態伸縮，使得應用的容量和能力根據訪問需求動態的改變。在應用部署和開始運行之后，云平臺提供相應的管理工具和環境對應用程序進行運行時的管理，比如應用性能的監控、配置的動態修改等。針對整個平臺的管理工作，運維環境能夠有效地處理應用的上線、升級、卸載和應用的在線配置等，保證平臺的健康運行和資源的高效使用。
3PAAS開發環境的部署
基于平臺層的解決方案開發可以有兩種形式：離線形式和在線形式。離線形式是用戶在本地的開發工具中進行解決方案的開發和測試，開發完成后遠程部署到云平臺上；在線形式是用戶根據云平臺的標準在線開發和部署自己的應用。本文采用第一種形式，在本地開發完成系統后再部署到WindowsAzure平臺上并連接SQLAzure數據庫，具體開發環境配置如下。
（1）操作系統的配置
Azure服務平臺使開發者能夠在原有的技能、工具和技術的基礎上，進一步提高應用程序開發的靈活性和有效性。因此在本研究的開發過程中，筆者選用WindowsAzure云服務平臺對本文的PAAS架構進行支撐。為了配置云本地開發模擬環境，需要先安裝IIS7.0,然后再安裝WindowsAzureTools。
（2）數據庫管理系統的配置
系統本地開發時選用SQLServer2008。需要預安裝.NETFramework2.0和WindowsInstaller4.5等組件。MicrosoftSQLAzure提供了基于云的關系數據庫服務（基于SQLServer技術構建），這使將本地SQLServer2008數據庫移動到SQLAzure變得相對容易，可以使用本地SQLServerManagementStudio(SSMS)方便的連接和管理SQLAzureDatabase。
（3）開發工具的配置
Microsoft在VisualStudio2010和VisualWebDeveloper2010Express中新增了直接生成WindowsAzure應用程序的支持。本研究選用了MicrosoftVisualStudio2010作為開發工具。配置如下：啟動VisualStudio2010，單擊“文件”菜單，選擇“新建”|“項目”，打開“新建項目”對話框。在“VisualC#”下，選擇“云”節點。這將顯示“啟用WindowsAzureTools”項目模板，單擊該模板后，將顯示一個頁面，其中包含用于安裝WindowsAzureToolsforVisualStudio的按鈕。
（4）支持工具的配置
最后，安裝WindowsAzureSDK工具包，這個可使開發者依托Azure平臺應用.NET服務。此外MSDN代碼庫頁包含許多代碼示例，可幫助生成運行于WindowsAzure上的可縮放Web應用程序和服務。
系統的關鍵技術
1群組技術
群組技術是構建cscl系統的基礎，它將有相同愛好或是有共同興趣的個體以小組的形式組織起來，在計算機支持的環境中交流思想、共享心得。CSCL系統中群組大多為異質群組，可以更好地發揮學生的優勢。異質群組的分組原則為，組內差異度最大，組間差異度最小。秉承這一原則，本文設計了基于PAM的異質群組算法，該算法的具體步驟如下。
（1）建立用戶信息模型
英國教育學家Baker發現，學習者個體特質將嚴重影響協作學習的效果。協作學習的基礎是分析學生的個人特質，對此本文建立了學生信息模型，如表1所示。該模型將學生的個體特質描述為{性格特質、學習風格、學習能力、協作素質、基礎成績、學習興趣}六個方面構成的向量，并以1-10分為評價標準。舉個例子來說：向量a1={483594}表示個體a1性格內向、學習風格偏向于場獨立型、學習能力較低、能夠與其他同伴進行溝通、有扎實的基礎、對課程沒有太大的興趣；向量a2={637745}表示個體a2性格外向、學習風格偏向于場依存型、學習能力較強、容易溝通、基礎成績一般、興趣一般。
（2）PAM聚類描述
我們將上述采集的一組學生特性數據看成是一個向量，那么隨機從集合空間內選擇幾個向量作為中心向量，計算其它向量到中心向量的距離，將距離最短的歸成一類；反復用非中心向量替換中心向量，以提高聚類的質量。聚類質量用代價來衡量，該代價也是判斷非中心替換中心是否恰當的標準。具體算法描述如下：給定n個數據對象，每個對象有p個屬性，將其劃分為k個簇。其具體步驟為：1)在n個數據對象中隨機選擇k個向量作為中心向量，即代表該簇的一個對象，其它n-k個向量為非中心向量。2)利用公式1的距離度量公式，計算剩下的n-k個非中心向量到k個中心向量的距離。其中，d(i,j)表示向量i到向量j的距離，且i用向量(,)i1i2ipaa…a描述，j用向量(,)j1j2jpaa…a描述。
（3）基于PAM的異質群組
假設分組人數為n，如果n<=6，則為一組。否則，在上述的描述中我們選擇聚類數k=4，這樣可以控制群組的基本規模在4-6個人。聚類完成后形成了4個簇，每個簇中含有的人數為num，其中最少的人數為min_num個。我們將從每個簇中選一個個體，可以分成num_class個小組（第一次聚類后的num_class=min_num）。最后我們在每個組中間選擇一個成員為組長，該個體到該組其它成員的平均距離最短。
2協同工作流技術
協同技術是CSCL系統的核心技術，協同技術就是要利用現有的技術來高效地管理學習過程，合理地劃分學習任務，有效地組織學習活動，從而協調不同學習者協同一致的完成某一目標。對學習過程的處理是協同的關鍵，而工作流技術正是處理學習過程的有效手段。協作學習工作流指的是教師、組長、組員擁有不同的業務處理權限，將學習任務劃分、分配和審核的一整套的流程。（1）構建協作學習工作流本文利用工作流技術將學習任務劃分為多個學習活動，使其在一定的約束條件下在學習者之間傳遞、執行，最終實現學習目標。要實現協作學習流程，需要定義協作學習過程。本文以WfMC定義的工作流過程元模型為指導，定義了協作學習過程模型，如圖2所示。（2）協作學習流程分析本文以協作學習的過程定義為基礎，分析了CSCL系統的協作流程。主要體現在業務流程、人機交互和信息處理三個方面，其主要思想如圖3所示。主要的業務為：明確學習目標、分配學習活動、審核學習成果、活動結束以及審核任務狀態等。人機交互則表現為：提交學習成果、評價活動成果、評價任務等。信息處理主要包括：狀態信息處理、數據庫信息處理以及下一步工作處理等。
3交互技術
交互技術是CSCL系統中的主要支撐技術，是開展協作學習的有效保證。CSCL系統中的交互指學習者充分發揮其主體作用，在原有的知識結構上，通過與網絡資源、學生、教師等相互作用來積極主動地構建知識的過程。在本文設計的CSCL系統中，我們依據平等參與、觀點互動的原則，采用虛擬圓桌交互活動的組織策略。具體實施過程如下：群組成員圍繞在圓桌周圍，對每個成員進行1-6編號；1號同學先發表自己的主要觀點或展示作品，其他同學按照編號針對1號的觀點或作品進行評論，形成結果；然后，2號同學發表自己的觀點，按照編號進行評論，直到所有同學都陳述完觀點或展示了作品；以上步驟完成后，每人根據大家的評論，修改完善自己的觀點或作品，再按照以上方法重新組織發言和評論。
運用虛擬圓桌式交互組織策略能夠讓發言更加有規律，從而最大限度地調動各方面的積極意見以得到及時的反饋消息。每個組員均有平等發言的機會，促使組員積極參與討論，有利于培養組員之間的合作精神。除了通過虛擬圓桌交互活動支持協作學習交流以外，本系統還設計了教師在線咨詢和論壇等交流模塊以幫助學生解決學習問題、分享學習經驗。
面向PAAS模式的CSCL系統的實現
1系統的“云部署”流程
（1）程序開發及部署到WindowsAzure的流程
如下圖4所示。本地Web網站構建完畢后，使用VS2010提供的“Web角色”云模板將本地應用程序遷移到云端。WindowsAzure角色是指在云中運行的可單獨縮放的組建，云中的每個角色實例都分別對應于一個虛擬機（VM）實例。有兩種類型的角色：Web角色是運行于IIS上的Web應用程序。該角色可通過HTTP或HTTPS終結點訪問。工作線程角色是一個可運行任意.NET代碼的后臺處理應用程序。它能公開面向Internet的終結點和內部終結點。遷移完畢后，在VS2010中生成可在云端運行的角色包。最后通過WindowsAzure開發者門戶上傳部署該“角色”包后得到唯一域名的Web網站。
（2）將本地數據庫遷移到SQLAzure
將本地數據庫移動到SQLAzure，具體操作步驟如下：登錄到WindowsAzure管理門戶，設置目標SQLAzure數據庫；生成DDL腳本，根據SQLAzure執行DDL腳本；創建遷移幫助存儲過程；禁用外鍵約束，禁用非聚集索引；使用bcp命令行工具從源SQLServer2008數據庫導出表數據，使用bcp命令行工具將表數據導入目標SQLAzure數據庫；重新生成非聚集索引，啟用外鍵約束。
2系統的主要模塊實現與測試
（1）信息獲取模塊的實現與測試
學生信息是構建CSCL系統的基礎。在CSCL系統中，無論是實現群組算法，還是交流都離不開學生信息。因此，本文設計了信息獲取模塊來采集學生信息，運行后界面如下圖5所示。信息獲取模塊包括注冊模塊和登錄模塊，而注冊模塊包括基本信息調查和在線測試兩部分。測試模塊以群組技術中的學生個性化建模表為基礎，測試內容包括：性格特質、學習風格、學習能力、協作素質、基礎成績和學習興趣等。本系統采用卡特爾16項個性因素測試(16PF)測試性格特質；采用所羅門測試表測試學習風格；依據學生過往的學習行為，來判斷他們的學習能力、協作素質和興趣。登錄模塊用來判斷用戶的角色，同時記錄學習者的登錄次數，為后期分析學習行為提供有效的參考數據。
（2）協作學習模塊的實現與測試
協作模塊是CSCL系統中的核心模塊。該模塊需要為學生分組，分配任務，提供交互工具等。運行后界面如下所示，圖6為學習者分組界面。我們可以將協作模塊細分為群組模塊、自主學習模塊、交流模塊和評價模塊。群組是協作的基本單位，群組模塊利用基于PAM的異質群組算法實現。在分組后，學生可以看到該小組的風采，同組成員的基本信息、照片以及相關的聯系方式等。交流是分享學習經驗，解決學習問題，提升學習能力的有效手段，如圖7所示。本文設計的交流模塊包括郵件、教師在線咨詢、討論室、論壇和布告板等。其中，討論室提供的交流策略有：教師的在線引導、虛擬圓桌討論、隨機討論等。
（3）討論室管理模塊的實現與測試
在該管理模塊中，教師可以同時監控多個討論室的情況，根據討論室的熱度和小組成員的討論情況進行指導、干預和幫助。該系統為教師提供了一個同時監控各個討論室狀態的平臺，運行后界面如圖8所示。利用hot或者cool判斷當前討論是否激烈，通過調查成員是否有問題來進行宏觀調控，同時通過了解學生的問題進行個性化的干預。其它功能模塊的實現與測試，鑒于篇幅原因，就不一一截圖展示了。
結束語
本文基于云服務的PAAS模式搭建了一個CSCL系統，旨在為學習者創建一個更好的協作學習環境。在此模式下進行系統的開發，能夠縮短開發周期，減少投入成本。該系統利用SQLAzure數據庫進行數據存儲，采用進行開發，最終把Web網站部署到WindowsAzure云平臺。系統投入使用期間，受到學生一致好評，協作學習取得了令人滿意的成果。
與面向SAAS模式的CSCL系統相比，該系統提供了更加豐富的應用功能，以及更加便利、友好的交互環境，因此能夠更好地支持協作學習的開展。下一步，我們將研究如何將個性化推薦引入到CSCL系統中，使得協作學習可以進一步滿足每個學生的個性化發展的需要。
