云系统设计论文：PAAS形式的CSCL系统设计与落实范文
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作者：吴彦文冯正西康婷单位：华中师范大学信息技术系
1CSCL实施流程
CSCL是指利用计算机技术尤其是多媒体和网络技术的辅助和支持，以增强学习者之间的交互和小组学习，促进学习小组成员的知识共享与建构的一种协作学习方式。其具体的实施流程如下。(1)学习活动的设计：教师根据教学需要确定学习目标，并将学习目标融入相关学习活动的设计中，通过活动情境激发学生的学习热情和兴趣。(2)学习小组的划分：教师需要划分若干个学习小组，各小组由小组长和小组成员组成，其中小组长将协助教师完成各小组的学习活动。(3)学习活动的执行：根据学习目标，小组长组织小组成员讨论并明确各自的职责和任务。通过分工合作，共同完成小组学习任务。在学习活动中，组内的协作沟通十分重要，教师可以参与小组讨论并在学生有困难时进行有效地指导。学习任务完成后，各小组把学习成果上传到成果库中等待进一步的评审。在整个学习过程中，教学资源库提供辅助学习的内容材料、课件、其他资源库链接和相应功能的软件等。(4)学习成果的评价：学习成果的评价是检验学习是否达到目标的必要手段。我们可以采用教师评价、自我评价以及小组互评相结合的方法。评价需要从多个方面进行考虑，尽量保证评价的公平和公正。
可见，在CSCL系统中，学习者以群组为单位，在网络环境中协作、探讨和交流，共同完成学习目标，从而使得协作学习能够最大化个人和他人的习得成果。CSCL系统中的交互性、协作性、共享性等特点是系统实现的核心，它们是小组学习活动得以完成的有力支撑。
2面向PAAS模式的CSCL系统架构
基于以上对CSCL系统实施流程的分析，我们构建了一种面向PAAS模式的CSCL系统。PAAS（PlatformasaService,平台即服务）是一种基于云计算技术的服务，它在统一的应用程序模型的基础上，将云平台能力进行封装，并提供基于云基础设施的开发和托管环境。该模式可有效地缩短系统的开发时间、忽略底层硬件设计、节约成本等。本系统架构图如图1所示，整个系统自上而下分为应用层、平台层和基础设施层。应用层：本系统使用SQLAzure来进行数据库管理，构建在WindowsAzure云操作系统之上。用户（学习者和老师）终端使用各自权限通过WindowsAzure的访问接口对CSCL系统进行访问，实现CSCL系统资源浏览、查询、数据处理和系统设置等功能。学习者通过浏览所在小组的任务并与其他小组成员进行沟通协作，共同完成学习任务，最终提交小组学习成果（可以是作品或研究报告等）。老师可以跟踪和干预各小组的学习进度，参与各小组的学习活动，评价各小组的学习进展和学习成果。
平台层和基础设施层：本文利用WindowsAzure云服务平台的开放式架构进行系统运行底层的构建，WindowsAzure是一个互联网级的运行于微软数据中心系统上的云计算服务平台，它的数据中心能够提供十分高效的数据同步、副本创建与更新策略以及相应的容错机制，即使在某个数据中心失效时，也能够保证数据的完整性、准确性。该平台层通过虚拟化技术实现动态伸缩，使得应用的容量和能力根据访问需求动态的改变。在应用部署和开始运行之后，云平台提供相应的管理工具和环境对应用程序进行运行时的管理，比如应用性能的监控、配置的动态修改等。针对整个平台的管理工作，运维环境能够有效地处理应用的上线、升级、卸载和应用的在线配置等，保证平台的健康运行和资源的高效使用。
3PAAS开发环境的部署
基于平台层的解决方案开发可以有两种形式：离线形式和在线形式。离线形式是用户在本地的开发工具中进行解决方案的开发和测试，开发完成后远程部署到云平台上；在线形式是用户根据云平台的标准在线开发和部署自己的应用。本文采用第一种形式，在本地开发完成系统后再部署到WindowsAzure平台上并连接SQLAzure数据库，具体开发环境配置如下。
（1）操作系统的配置
Azure服务平台使开发者能够在原有的技能、工具和技术的基础上，进一步提高应用程序开发的灵活性和有效性。因此在本研究的开发过程中，笔者选用WindowsAzure云服务平台对本文的PAAS架构进行支撑。为了配置云本地开发模拟环境，需要先安装IIS7.0,然后再安装WindowsAzureTools。
（2）数据库管理系统的配置
系统本地开发时选用SQLServer2008。需要预安装.NETFramework2.0和WindowsInstaller4.5等组件。MicrosoftSQLAzure提供了基于云的关系数据库服务（基于SQLServer技术构建），这使将本地SQLServer2008数据库移动到SQLAzure变得相对容易，可以使用本地SQLServerManagementStudio(SSMS)方便的连接和管理SQLAzureDatabase。
（3）开发工具的配置
Microsoft在VisualStudio2010和VisualWebDeveloper2010Express中新增了直接生成WindowsAzure应用程序的支持。本研究选用了MicrosoftVisualStudio2010作为开发工具。配置如下：启动VisualStudio2010，单击“文件”菜单，选择“新建”|“项目”，打开“新建项目”对话框。在“VisualC#”下，选择“云”节点。这将显示“启用WindowsAzureTools”项目模板，单击该模板后，将显示一个页面，其中包含用于安装WindowsAzureToolsforVisualStudio的按钮。
（4）支持工具的配置
最后，安装WindowsAzureSDK工具包，这个可使开发者依托Azure平台应用.NET服务。此外MSDN代码库页包含许多代码示例，可帮助生成运行于WindowsAzure上的可缩放Web应用程序和服务。
系统的关键技术
1群组技术
群组技术是构建cscl系统的基础，它将有相同爱好或是有共同兴趣的个体以小组的形式组织起来，在计算机支持的环境中交流思想、共享心得。CSCL系统中群组大多为异质群组，可以更好地发挥学生的优势。异质群组的分组原则为，组内差异度最大，组间差异度最小。秉承这一原则，本文设计了基于PAM的异质群组算法，该算法的具体步骤如下。
（1）建立用户信息模型
英国教育学家Baker发现，学习者个体特质将严重影响协作学习的效果。协作学习的基础是分析学生的个人特质，对此本文建立了学生信息模型，如表1所示。该模型将学生的个体特质描述为{性格特质、学习风格、学习能力、协作素质、基础成绩、学习兴趣}六个方面构成的向量，并以1-10分为评价标准。举个例子来说：向量a1={483594}表示个体a1性格内向、学习风格偏向于场独立型、学习能力较低、能够与其他同伴进行沟通、有扎实的基础、对课程没有太大的兴趣；向量a2={637745}表示个体a2性格外向、学习风格偏向于场依存型、学习能力较强、容易沟通、基础成绩一般、兴趣一般。
（2）PAM聚类描述
我们将上述采集的一组学生特性数据看成是一个向量，那么随机从集合空间内选择几个向量作为中心向量，计算其它向量到中心向量的距离，将距离最短的归成一类；反复用非中心向量替换中心向量，以提高聚类的质量。聚类质量用代价来衡量，该代价也是判断非中心替换中心是否恰当的标准。具体算法描述如下：给定n个数据对象，每个对象有p个属性，将其划分为k个簇。其具体步骤为：1)在n个数据对象中随机选择k个向量作为中心向量，即代表该簇的一个对象，其它n-k个向量为非中心向量。2)利用公式1的距离度量公式，计算剩下的n-k个非中心向量到k个中心向量的距离。其中，d(i,j)表示向量i到向量j的距离，且i用向量(,)i1i2ipaa…a描述，j用向量(,)j1j2jpaa…a描述。
（3）基于PAM的异质群组
假设分组人数为n，如果n<=6，则为一组。否则，在上述的描述中我们选择聚类数k=4，这样可以控制群组的基本规模在4-6个人。聚类完成后形成了4个簇，每个簇中含有的人数为num，其中最少的人数为min_num个。我们将从每个簇中选一个个体，可以分成num_class个小组（第一次聚类后的num_class=min_num）。最后我们在每个组中间选择一个成员为组长，该个体到该组其它成员的平均距离最短。
2协同工作流技术
协同技术是CSCL系统的核心技术，协同技术就是要利用现有的技术来高效地管理学习过程，合理地划分学习任务，有效地组织学习活动，从而协调不同学习者协同一致的完成某一目标。对学习过程的处理是协同的关键，而工作流技术正是处理学习过程的有效手段。协作学习工作流指的是教师、组长、组员拥有不同的业务处理权限，将学习任务划分、分配和审核的一整套的流程。（1）构建协作学习工作流本文利用工作流技术将学习任务划分为多个学习活动，使其在一定的约束条件下在学习者之间传递、执行，最终实现学习目标。要实现协作学习流程，需要定义协作学习过程。本文以WfMC定义的工作流过程元模型为指导，定义了协作学习过程模型，如图2所示。（2）协作学习流程分析本文以协作学习的过程定义为基础，分析了CSCL系统的协作流程。主要体现在业务流程、人机交互和信息处理三个方面，其主要思想如图3所示。主要的业务为：明确学习目标、分配学习活动、审核学习成果、活动结束以及审核任务状态等。人机交互则表现为：提交学习成果、评价活动成果、评价任务等。信息处理主要包括：状态信息处理、数据库信息处理以及下一步工作处理等。
3交互技术
交互技术是CSCL系统中的主要支撑技术，是开展协作学习的有效保证。CSCL系统中的交互指学习者充分发挥其主体作用，在原有的知识结构上，通过与网络资源、学生、教师等相互作用来积极主动地构建知识的过程。在本文设计的CSCL系统中，我们依据平等参与、观点互动的原则，采用虚拟圆桌交互活动的组织策略。具体实施过程如下：群组成员围绕在圆桌周围，对每个成员进行1-6编号；1号同学先发表自己的主要观点或展示作品，其他同学按照编号针对1号的观点或作品进行评论，形成结果；然后，2号同学发表自己的观点，按照编号进行评论，直到所有同学都陈述完观点或展示了作品；以上步骤完成后，每人根据大家的评论，修改完善自己的观点或作品，再按照以上方法重新组织发言和评论。
运用虚拟圆桌式交互组织策略能够让发言更加有规律，从而最大限度地调动各方面的积极意见以得到及时的反馈消息。每个组员均有平等发言的机会，促使组员积极参与讨论，有利于培养组员之间的合作精神。除了通过虚拟圆桌交互活动支持协作学习交流以外，本系统还设计了教师在线咨询和论坛等交流模块以帮助学生解决学习问题、分享学习经验。
面向PAAS模式的CSCL系统的实现
1系统的“云部署”流程
（1）程序开发及部署到WindowsAzure的流程
如下图4所示。本地Web网站构建完毕后，使用VS2010提供的“Web角色”云模板将本地应用程序迁移到云端。WindowsAzure角色是指在云中运行的可单独缩放的组建，云中的每个角色实例都分别对应于一个虚拟机（VM）实例。有两种类型的角色：Web角色是运行于IIS上的Web应用程序。该角色可通过HTTP或HTTPS终结点访问。工作线程角色是一个可运行任意.NET代码的后台处理应用程序。它能公开面向Internet的终结点和内部终结点。迁移完毕后，在VS2010中生成可在云端运行的角色包。最后通过WindowsAzure开发者门户上传部署该“角色”包后得到唯一域名的Web网站。
（2）将本地数据库迁移到SQLAzure
将本地数据库移动到SQLAzure，具体操作步骤如下：登录到WindowsAzure管理门户，设置目标SQLAzure数据库；生成DDL脚本，根据SQLAzure执行DDL脚本；创建迁移帮助存储过程；禁用外键约束，禁用非聚集索引；使用bcp命令行工具从源SQLServer2008数据库导出表数据，使用bcp命令行工具将表数据导入目标SQLAzure数据库；重新生成非聚集索引，启用外键约束。
2系统的主要模块实现与测试
（1）信息获取模块的实现与测试
学生信息是构建CSCL系统的基础。在CSCL系统中，无论是实现群组算法，还是交流都离不开学生信息。因此，本文设计了信息获取模块来采集学生信息，运行后界面如下图5所示。信息获取模块包括注册模块和登录模块，而注册模块包括基本信息调查和在线测试两部分。测试模块以群组技术中的学生个性化建模表为基础，测试内容包括：性格特质、学习风格、学习能力、协作素质、基础成绩和学习兴趣等。本系统采用卡特尔16项个性因素测试(16PF)测试性格特质；采用所罗门测试表测试学习风格；依据学生过往的学习行为，来判断他们的学习能力、协作素质和兴趣。登录模块用来判断用户的角色，同时记录学习者的登录次数，为后期分析学习行为提供有效的参考数据。
（2）协作学习模块的实现与测试
协作模块是CSCL系统中的核心模块。该模块需要为学生分组，分配任务，提供交互工具等。运行后界面如下所示，图6为学习者分组界面。我们可以将协作模块细分为群组模块、自主学习模块、交流模块和评价模块。群组是协作的基本单位，群组模块利用基于PAM的异质群组算法实现。在分组后，学生可以看到该小组的风采，同组成员的基本信息、照片以及相关的联系方式等。交流是分享学习经验，解决学习问题，提升学习能力的有效手段，如图7所示。本文设计的交流模块包括邮件、教师在线咨询、讨论室、论坛和布告板等。其中，讨论室提供的交流策略有：教师的在线引导、虚拟圆桌讨论、随机讨论等。
（3）讨论室管理模块的实现与测试
在该管理模块中，教师可以同时监控多个讨论室的情况，根据讨论室的热度和小组成员的讨论情况进行指导、干预和帮助。该系统为教师提供了一个同时监控各个讨论室状态的平台，运行后界面如图8所示。利用hot或者cool判断当前讨论是否激烈，通过调查成员是否有问题来进行宏观调控，同时通过了解学生的问题进行个性化的干预。其它功能模块的实现与测试，鉴于篇幅原因，就不一一截图展示了。
结束语
本文基于云服务的PAAS模式搭建了一个CSCL系统，旨在为学习者创建一个更好的协作学习环境。在此模式下进行系统的开发，能够缩短开发周期，减少投入成本。该系统利用SQLAzure数据库进行数据存储，采用进行开发，最终把Web网站部署到WindowsAzure云平台。系统投入使用期间，受到学生一致好评，协作学习取得了令人满意的成果。
与面向SAAS模式的CSCL系统相比，该系统提供了更加丰富的应用功能，以及更加便利、友好的交互环境，因此能够更好地支持协作学习的开展。下一步，我们将研究如何将个性化推荐引入到CSCL系统中，使得协作学习可以进一步满足每个学生的个性化发展的需要。
