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云系统设计论文:PAAS形式的CSCL系统设计与落实

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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

面向PAAS模式的CSCL系统设计

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(,)j1j2j