云系統(tǒng)設(shè)計論文：PAAS形式的CSCL系統(tǒng)設(shè)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(shù)系
面向paas模式的CSCL系統(tǒng)設(shè)計
1CSCL實施流程
CSCL是指利用計算機技術(shù)尤其是多媒體和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)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(gòu)的一種協(xié)作學習方式。其具體的實施流程如下。(1)學習活動的設(shè)計：教師根據(jù)教學需要確定學習目標，并將學習目標融入相關(guān)學習活動的設(shè)計中，通過活動情境激發(fā)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(xié)助教師完成各小組的學習活動。(3)學習活動的執(zhí)行：根據(jù)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(wù)。通過分工合作，共同完成小組學習任務(wù)。在學習活動中，組內(nèi)的協(xié)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(wù)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(nèi)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(jié)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(tǒng)中，學習者以群組為單位，在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中協(xié)作、探討和交流，共同完成學習目標，從而使得協(xié)作學習能夠最大化個人和他人的習得成果。CSCL系統(tǒng)中的交互性、協(xié)作性、共享性等特點是系統(tǒng)實現(xiàn)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(tǒng)架構(gòu)
基于以上對CSCL系統(tǒng)實施流程的分析，我們構(gòu)建了一種面向PAAS模式的CSCL系統(tǒng)。PAAS（PlatformasaService,平臺即服務(wù)）是一種基于云計算技術(shù)的服務(wù)，它在統(tǒng)一的應用程序模型的基礎(chǔ)上，將云平臺能力進行封裝，并提供基于云基礎(chǔ)設(shè)施的開發(fā)和托管環(huán)境。該模式可有效地縮短系統(tǒng)的開發(fā)時間、忽略底層硬件設(shè)計、節(jié)約成本等。本系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示，整個系統(tǒng)自上而下分為應用層、平臺層和基礎(chǔ)設(shè)施層。應用層：本系統(tǒng)使用SQLAzure來進行數(shù)據(jù)庫管理，構(gòu)建在WindowsAzure云操作系統(tǒng)之上。用戶（學習者和老師）終端使用各自權(quán)限通過WindowsAzure的訪問接口對CSCL系統(tǒng)進行訪問，實現(xiàn)CSCL系統(tǒng)資源瀏覽、查詢、數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)設(shè)置等功能。學習者通過瀏覽所在小組的任務(wù)并與其他小組成員進行溝通協(xié)作，共同完成學習任務(wù)，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(chǔ)設(shè)施層：本文利用WindowsAzure云服務(wù)平臺的開放式架構(gòu)進行系統(tǒng)運行底層的構(gòu)建，WindowsAzure是一個互聯(lián)網(wǎng)級的運行于微軟數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)上的云計算服務(wù)平臺，它的數(shù)據(jù)中心能夠提供十分高效的數(shù)據(jù)同步、副本創(chuàng)建與更新策略以及相應的容錯機制，即使在某個數(shù)據(jù)中心失效時，也能夠保證數(shù)據(jù)的完整性、準確性。該平臺層通過虛擬化技術(shù)實現(xiàn)動態(tài)伸縮，使得應用的容量和能力根據(jù)訪問需求動態(tài)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(huán)境對應用程序進行運行時的管理，比如應用性能的監(jiān)控、配置的動態(tài)修改等。針對整個平臺的管理工作，運維環(huán)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(fā)環(huán)境的部署
基于平臺層的解決方案開發(fā)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(fā)工具中進行解決方案的開發(fā)和測試，開發(fā)完成后遠程部署到云平臺上；在線形式是用戶根據(jù)云平臺的標準在線開發(fā)和部署自己的應用。本文采用第一種形式，在本地開發(fā)完成系統(tǒng)后再部署到WindowsAzure平臺上并連接SQLAzure數(shù)據(jù)庫，具體開發(fā)環(huán)境配置如下。
（1）操作系統(tǒng)的配置
Azure服務(wù)平臺使開發(fā)者能夠在原有的技能、工具和技術(shù)的基礎(chǔ)上，進一步提高應用程序開發(fā)的靈活性和有效性。因此在本研究的開發(fā)過程中，筆者選用WindowsAzure云服務(wù)平臺對本文的PAAS架構(gòu)進行支撐。為了配置云本地開發(fā)模擬環(huán)境，需要先安裝IIS7.0,然后再安裝WindowsAzureTools。
（2）數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的配置
系統(tǒng)本地開發(fā)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(guān)系數(shù)據(jù)庫服務(wù)（基于SQLServer技術(shù)構(gòu)建），這使將本地SQLServer2008數(shù)據(jù)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(fā)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(fā)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(jié)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(fā)者依托Azure平臺應用.NET服務(wù)。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(wù)。
系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)
1群組技術(shù)
群組技術(shù)是構(gòu)建cscl系統(tǒng)的基礎(chǔ)，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(huán)境中交流思想、共享心得。CSCL系統(tǒng)中群組大多為異質(zhì)群組，可以更好地發(fā)揮學生的優(yōu)勢。異質(zhì)群組的分組原則為，組內(nèi)差異度最大，組間差異度最小。秉承這一原則，本文設(shè)計了基于PAM的異質(zhì)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(fā)現(xiàn)，學習者個體特質(zhì)將嚴重影響協(xié)作學習的效果。協(xié)作學習的基礎(chǔ)是分析學生的個人特質(zhì)，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(zhì)描述為{性格特質(zhì)、學習風格、學習能力、協(xié)作素質(zhì)、基礎(chǔ)成績、學習興趣}六個方面構(gòu)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(nèi)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(chǔ)、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(chǔ)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(shù)據(jù)看成是一個向量，那么隨機從集合空間內(nèi)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(zhì)量。聚類質(zhì)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?shù)臉藴?。具體算法描述如下：給定n個數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(zhì)群組
假設(shè)分組人數(shù)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(shù)k=4，這樣可以控制群組的基本規(guī)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(shù)為num，其中最少的人數(shù)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(xié)同工作流技術(shù)
協(xié)同技術(shù)是CSCL系統(tǒng)的核心技術(shù)，協(xié)同技術(shù)就是要利用現(xiàn)有的技術(shù)來高效地管理學習過程，合理地劃分學習任務(wù)，有效地組織學習活動，從而協(xié)調(diào)不同學習者協(xié)同一致的完成某一目標。對學習過程的處理是協(xié)同的關(guān)鍵，而工作流技術(shù)正是處理學習過程的有效手段。協(xié)作學習工作流指的是教師、組長、組員擁有不同的業(yè)務(wù)處理權(quán)限，將學習任務(wù)劃分、分配和審核的一整套的流程。（1）構(gòu)建協(xié)作學習工作流本文利用工作流技術(shù)將學習任務(wù)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(zhí)行，最終實現(xiàn)學習目標。要實現(xiàn)協(xié)作學習流程，需要定義協(xié)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(xié)作學習過程模型，如圖2所示。（2）協(xié)作學習流程分析本文以協(xié)作學習的過程定義為基礎(chǔ)，分析了CSCL系統(tǒng)的協(xié)作流程。主要體現(xiàn)在業(yè)務(wù)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(yè)務(wù)為：明確學習目標、分配學習活動、審核學習成果、活動結(jié)束以及審核任務(wù)狀態(tài)等。人機交互則表現(xiàn)為：提交學習成果、評價活動成果、評價任務(wù)等。信息處理主要包括：狀態(tài)信息處理、數(shù)據(jù)庫信息處理以及下一步工作處理等。
3交互技術(shù)
交互技術(shù)是CSCL系統(tǒng)中的主要支撐技術(shù)，是開展協(xié)作學習的有效保證。CSCL系統(tǒng)中的交互指學習者充分發(fā)揮其主體作用，在原有的知識結(jié)構(gòu)上，通過與網(wǎng)絡(luò)資源、學生、教師等相互作用來積極主動地構(gòu)建知識的過程。在本文設(shè)計的CSCL系統(tǒng)中，我們依據(jù)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(fā)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(jié)果；然后，2號同學發(fā)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(jù)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(fā)言和評論。
運用虛擬圓桌式交互組織策略能夠讓發(fā)言更加有規(guī)律，從而最大限度地調(diào)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(fā)言的機會，促使組員積極參與討論，有利于培養(yǎng)組員之間的合作精神。除了通過虛擬圓桌交互活動支持協(xié)作學習交流以外，本系統(tǒng)還設(shè)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(jīng)驗。
面向PAAS模式的CSCL系統(tǒng)的實現(xiàn)
1系統(tǒng)的“云部署”流程
（1）程序開發(fā)及部署到WindowsAzure的流程
如下圖4所示。本地Web網(wǎng)站構(gòu)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(jié)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(jié)點和內(nèi)部終結(jié)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(fā)者門戶上傳部署該“角色”包后得到唯一域名的Web網(wǎng)站。
（2）將本地數(shù)據(jù)庫遷移到SQLAzure
將本地數(shù)據(jù)庫移動到SQLAzure，具體操作步驟如下：登錄到WindowsAzure管理門戶，設(shè)置目標SQLAzure數(shù)據(jù)庫；生成DDL腳本，根據(jù)SQLAzure執(zhí)行DDL腳本；創(chuàng)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(shù)據(jù)庫導出表數(shù)據(jù)，使用bcp命令行工具將表數(shù)據(jù)導入目標SQLAzure數(shù)據(jù)庫；重新生成非聚集索引，啟用外鍵約束。
2系統(tǒng)的主要模塊實現(xiàn)與測試
（1）信息獲取模塊的實現(xiàn)與測試
學生信息是構(gòu)建CSCL系統(tǒng)的基礎(chǔ)。在CSCL系統(tǒng)中，無論是實現(xiàn)群組算法，還是交流都離不開學生信息。因此，本文設(shè)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(diào)查和在線測試兩部分。測試模塊以群組技術(shù)中的學生個性化建模表為基礎(chǔ)，測試內(nèi)容包括：性格特質(zhì)、學習風格、學習能力、協(xié)作素質(zhì)、基礎(chǔ)成績和學習興趣等。本系統(tǒng)采用卡特爾16項個性因素測試(16PF)測試性格特質(zhì)；采用所羅門測試表測試學習風格；依據(jù)學生過往的學習行為，來判斷他們的學習能力、協(xié)作素質(zhì)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(shù)，為后期分析學習行為提供有效的參考數(shù)據(jù)。
（2）協(xié)作學習模塊的實現(xiàn)與測試
協(xié)作模塊是CSCL系統(tǒng)中的核心模塊。該模塊需要為學生分組，分配任務(wù)，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(xié)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(xié)作的基本單位，群組模塊利用基于PAM的異質(zhì)群組算法實現(xiàn)。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(guān)的聯(lián)系方式等。交流是分享學習經(jīng)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(shè)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(xiàn)與測試
在該管理模塊中，教師可以同時監(jiān)控多個討論室的情況，根據(jù)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(tǒng)為教師提供了一個同時監(jiān)控各個討論室狀態(tài)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(diào)查成員是否有問題來進行宏觀調(diào)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(xiàn)與測試，鑒于篇幅原因，就不一一截圖展示了。
結(jié)束語
本文基于云服務(wù)的PAAS模式搭建了一個CSCL系統(tǒng)，旨在為學習者創(chuàng)建一個更好的協(xié)作學習環(huán)境。在此模式下進行系統(tǒng)的開發(fā)，能夠縮短開發(fā)周期，減少投入成本。該系統(tǒng)利用SQLAzure數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)存儲，采用進行開發(fā)，最終把Web網(wǎng)站部署到WindowsAzure云平臺。系統(tǒng)投入使用期間，受到學生一致好評，協(xié)作學習取得了令人滿意的成果。
與面向SAAS模式的CSCL系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)提供了更加豐富的應用功能，以及更加便利、友好的交互環(huán)境，因此能夠更好地支持協(xié)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(tǒng)中，使得協(xié)作學習可以進一步滿足每個學生的個性化發(fā)展的需要。
