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云计算在高等教育信息化中的应用与展望
云计算在高等教育信息化中的应用与展望
耿学华1,2梁林梅1王进2
（1.南京大学教育研究院，江苏南京210093；2.南京信息工程大学计算机与软件学院，江苏南京210044）
【摘要】对高等教育发展有重要影响的信息技术和关键议题很多。
云计算被认为是IT产业发展的方向。
使用云计算助力高等教育变革应当被理性对待。
云计算在高等教育中的应用应着眼未来、立足现在，有计划地推进。
【关键词】云计算；高等教育信息化；教育变革
【基金项目】：
本文为江苏高校哲学社会科学研究重点项目“长三角教育联动背景下以网络课程为依托的高校精品课程共享对策研究”（编号：
2011ZDIXM031）的阶段性研究成果。
【作者简介】：
耿学华，南京大学教育研究院，博士研究生；南京信息工程大学计算机与软件学院，讲师。
研究方向：
高等教育信息化与大学变革、图像处理与模式识别。
【文章来源】现代教育技术2012年第3期
引言
21世纪第二个十年，信息技术的飞速发展正在推进虚拟网络世界向现实物理世界全面渗透并与之无缝融合。
互联、开放、参与、互动、分享、创造成为这个时代的主题词。
新媒体、社交网络平台、移动网络、智能终端设备和桌面应用的强劲发展改变了内容生产/消费方式、信息传播方式、社会交往方式、协作方式等，这些变化如浪潮般深刻地影响着社会各个领域的变迁，孕育全新的生存空间。
在这一急剧变化的时代背景下，现行教育系统受到的冲击和挑战愈加剧烈。
从技术的角度，技术更迭速度加剧、技术消费化倾向日渐显著，由虚拟技术、传感技术等组合的技术方案为教育创造了无限可能。
技术的这些变化不仅引发人们对数字媒体素养和数字媒体变革教育的高度关注，更重要的是，一种技术的生命周期和影响力可能与教育机构的战略定位和未来发展密切关联，甚至引领整个教育领域的深层变革。
高等教育在国家高级人才战略和可持续发展中扮演关键角色。
对于受教育者个体而言，这也是其价值观形成、综合素质养成和学习能力培养的重要阶段。
因此，以技术为杠杆，加快高等教育信息化改造是这个时代的迫切任务。
云计算在高等教育信息化进程中将扮演何种角色？
本文予以探讨。
一高等教育信息化的趋势
EDUCAUSE是一个在世界范围内居于领导地位的高等教育信息化专业组织，其科研成果展现了高等教育信息化发展的趋势，对世界各国高等教育信息化建设具有宏观指导和引领作用。
EDUCAUSE学习计划（EDUCAUSE的一个项目）和新媒体联盟合作发布的2011年度《地平线报告》（以下简称《报告》）描绘未来1~5年可能会对大学教学、学习或创造性探究产生重大影响的技术。
《报告》指出，未来将越来越多使用云技术，IT支持将去中心化。
《报告》描述未来1~5年可能成为校园主流的新兴技术或实践依次是：
①未来1年以内，电子书和移动设备；②未来2-3年内，增强现实和基于游戏的学习；③未来3-5年内，基于手势的计算（Gesture-BasedComputing）和学习分析。
[1]其中，云计算技术不仅可以为这些新兴的技术或实践提供支撑平台，云计算领域关键问题的解决也将加速学习分析等技术的研究应用进展。
EDUCAUSE下设的当前议题委员会发布的调查报告显示，2011年度影响高等教育战略成功的十大IT议题依次是：
①信息化建设资金投入；②行政管理/ERP/信息系统；③技术支持的教学和学习；④安全；⑤移动技术；⑥敏捷性/适应性/响应性；⑦IT治理、组合管理/项目管理；⑧基础设施/赛博基础设施建设；⑨灾难恢复/业务连续性；⑩战略规划。
[2]虽然在调查中这十大议题被作为选项分别列出，但它们是互相交错联结的。
在具体论述每一项议题时，云计算多次被作为潜在的解决方案提及。
高等教育信息化的这些趋势要求高等教育机构的IT领导者及决策团队在对机构进行信息化改造和升级时，必须综合考虑所有可能的要素：
技术发展趋势，技术对校园内外的冲击和影响，校园IT基础设施及使用、管理现状，校园的技术改造能力（人力资源、技术资源）、可支配的预算、改革对未来机构发展走向的影响、相关法规及政策支持等。
IT领导者只有对这些问题有全面、深入、审慎的考量，同时具备技术的敏感性、准确的判断力和果断决策力，还要有一种勇于革新、尝试的精神，才会找到一个技术改革的平衡点，实现改革效果的最大化和可持续性，避免木桶效应带来改革的失败。
二云计算概述
云计算这一名词是由谷歌在2006年正式提出的，短短几年间跃升为IT产业界热议的主题。
严格意义上，云计算并不是一个学术名词，也没有新的学术思想，而是效用计算（UtilityComputing）、网格计算（GridComputing）、自治计算（AutonomicComputing）等计算科学概念的综合应用实现[3]，在谷歌、亚马逊、IBM等大公司的推动下发展成为日趋成熟的商业模型。
早在1961年，计算研究（ComputingResearch）的奠基人JohnMcCarthy就预言，将来有一天计算将被当做一种公共设施来组织，并对其实现方式做了预测。
在计算机发展早期，大型服务器非常昂贵，一般公司无力购买。
在这一背景下，效用计算模型被提出。
效用计算是指对计算资源（计算、存储等）进行打包，提供计量服务。
这成为后来按需计算（On-demandComputing）、软件作为服务（SaaS，SoftwareasaService）、云计算模型的基础。
早期以服务器为主要业务的IBM、惠普等出于自身业务需求推动了效用计算的研究发展。
到了20世纪90年代，随着PC的普及和互联网时代的来临，IranFoster[3]提出网格计算的概念，其出发点是整合网络中的闲置资源，形成虚拟计算机群，“在动态、多机构参与的虚拟组织中协同共享资源和求解问题。
”IranFoster等人指出，通过制定用于请求计算力的标准协议，可以构建一个在形式和应用上类似于电力网的计算网格。
但是，由于网格计算模型面向松散的异构资源，很多标准化工作和技术实现短期内无法满足要求，因而一直未能商业上实现。
这些都成为后来云计算演变的思想和技术基础。
谷歌早期开发云计算技术是为了满足自身大计算量的搜索服务需要，目的是把大量廉价服务器集成起来，完成超级计算机的计算和存储功能。
后来随着业务扩大以及和微软之间竞争的日益加剧，谷歌逐渐将原本运行在用户计算机上的各种应用软件搬到了网上，让用户可以随时、随地通过网络快速、安全访问、处理、存储和共享信息。
亚马逊最初建立数据中心为其平台上的商铺提供网站托管服务，后来，为了提高资源的利用率，亚马逊推出弹性计算云（EC2，ElasticComputeCloud）服务，将其计算资源租用给任何公司和个人。
IBM开始研究云计算，则是从这种计算和服务由客户端重回服务器端的趋势看到了出售其服务器的新商机。
[4]这些大的商业公司从事云计算的研究应用出发点不同，但正是因为他们的推动，使得云计算发展迅速。
之后，随着移动技术和智能终端设备的快速发展，随时随地访问、处理信息的需求急剧增加，云计算的优势逐渐显现，更多的公司（如微软）、研究院校等参与到云计算的应用研究中。
迄今为止，云计算并没有统一的定义。
本文对云计算的理解如下：
云计算是一种基于因特网的超级计算模式，在远程数据中心里，大量计算机和服务器构成资源池。
这种资源池被形象地称为“云”。
云平台对资源池中的资源进行统一管理和调度，向用户提供按需计算服务。
从商业模式的角度，云计算将计算资源（硬件、软件、应用）当作服务计量销售；从计算模式的角度，云计算提供一种弹性的计算能力。
在使用者看来，“云”中的资源是可以无限扩展的；从产业模式的角度，云计算将内容中枢移至云端；从操作管理的角度，云计算实现服务定制，操作、管理自动化。
对于用户而言，这些特性的好处在于用户可以随时随地上网访问资源，按需付费，节省成本（硬软件购置、部署等），简便易用，专注于自身核心事务、业务处理。
在工程实现上，根据其构建方式，可分为公有云、私有云、混合云。
其中，公有云完全由第三方管理运行，私有云为某个组织或用户专有，混合云则兼具两种模式；根据其架构，云提供的服务分为IaaS（基础设施作为服务）、PaaS（平台作为服务）、SaaS（软件作为服务）。
云计算的本质是IT资源的集约化配置与共享，核心是服务，未来的趋势和方向是提供个性化、精细粒度的服务定制，关键技术在于资源的虚拟化、服务对象化、标准化、自动化等，其潜在挑战是信息安全问题。
三云计算助力高等教育变革的潜能和挑战
如前所述，云计算具有众多优势，在高等教育信息化进程中，从大学层面，围绕教学、科研、管理、公共服务、国际交流，使用云计算技术具有如下潜在优势：
①随时随地访问网络资源使得学生、教师可以更加灵活地开展教学、研究活动。
学生有更多机会参加需要大容量计算资源或复杂资源部署的实践项目；教师有机会使用更多资源，开展学术研究，缩短研究周期；②学校可以对全校IT资源进行整合、统一管理，使资源利用最大化，缩减资源购置、管理及运维成本；可以为灾难恢复、业务连续性提供可靠的技术支持保障；③利用云端服务和移动网络可以为师生提供更加丰富且人性化的教学、生活支持服务；④学校和学校之间可以方便实现资源（包括IT资源、人力/智力资源）共建、共享和协作（跨校学习、科研协作等）；⑤基于云端整合平台的大量数据信息分析，可以辅助管理者发现大学运转中的问题，据此做出快速响应，合理决策；可以对学习者的学习轨迹进行追踪、记录，及时发现问题，帮助学习者认识自己，帮助教师更立体地了解学生，从而有助于个性化的学习和指导。
在上述这些潜在优势中，直观地看，云计算扮演的是支持服务的角色，为学校的运转创造更好、更高效、更加人性化的软、硬件支撑环境；进一步地，大学作为一个组织，其管理架构、管理方式、运行机制、服务模式、教学方式、学习绩效、教学评价等可能会因为这一系列变化而发生质性改变，云计算转而承担起引领变革的角色。
例如，移动学习、（跨校）协作学习等可能会改变现有的以课堂为主的教学模式及相应的评价考核机制；云端整合平台的数据信息分析可能使得对学生一些综合素养的考量具备可操作性，从而影响评价机制等。
云计算的确潜能巨大且云计算模型也在日渐成熟，但其普及应用还有很多关键问题需要解决。
从云计算技术本身而言，技术上最大的挑战是信息安全，行业上最亟须解决的是制定统一、开放的标准。
只有确保云端数据的安全性，才会有更多用户放心地选择使用。
进一步地，也要求国家或地区有完善的隐私保护法案支持，确保这些数据不会被非法使用。
云计算的核心是服务。
制定统一、开放的标准不仅能促进更丰富的云端服务被开发提供给用户使用，还有利于实现不同云平台之间的互操作性与无缝对接，从而方便用户更加灵活、自主地选择云服务提供商及与其合作方式。
除此之外，在实施层面，一所大学在决定是否采用云计算进行校园信息化改造时，还有诸多现实因素会成为潜在的挑战/障碍，例如：
是否有覆盖全面、通信质量稳定的接入网点；新技术更迭速度与新旧信息平台转换速度带来的不确定性；在云平台建设初期，仍然需要大量资金投入；选择开源技术可以节约成本，但因其发展不确定性会给云平台带来潜在威胁等；在新旧平台更迭转换过程中，还涉及机构的人事调配、新的管理技能学习与探索等。
大学或更高级的区域性教育机构在做决策时，要综合考量已有的教育信息化基础设施水平、技术实力、资金，还要考虑配套的标准、法规等，据此去判断是否有成熟的条件使用云计算、如何使用等问题。
四云计算在高等教育中的应用现状和典型案例
1云计算在高等教育中的应用现状
目前在世界高等教育信息化实践中，已经有一些机构和个人有选择地使用云服务，其中使用最多的是E-mail云端化和利用云端平台服务、计算服务等辅助科学研究。
在澳大利亚和新西兰大约75%的高校已将学生E-mail服务移至云端。
出于对数据安全、隐私保护、业务连贯性等潜在风险的考虑，新西兰大部分高校暂未考虑将其他服务云端化。
2010年，麦考瑞大学成为澳大利亚第一所将研究、教学、行政工作人员E-mail服务全部外包给云服务提供商的高校。
英国很多高校也将学生的E-mail服务外包给云服务提供商，并且有更多高校在考虑这一做法。
加拿大高等教育的“云端化”进程则相对缓慢，因为该国对境外个人信息管理有严格立法，这限制了高等教育机构对境外云服务提供商的选择。
加拿大大学CIO委员会（CUCCIO）正在积极工作，力求在加拿大立法框架通过一些隐私评估方案保障与云服务商协商合作。
在美国，Kuali基金会发起诸如KualiReady等开源项目面向多所高校提供云服务。
2010年，NSF和微软宣布将选出一批研究人员和研究团体，允许他们免费访问WindowsAzure的云计算资源。
在英国，纽卡尔斯大学的PaulWastson教授和他的团队基于JISC资助的项目研究经验，开发了基于云计算技术的平台e-ScienceCentral，支持跨学科的研究活动。
除此之外，谷歌、微软、IBM等一些云服务提供商也在积极寻求与高校或专业组织合作，以推广其服务。
一些教师和学生也以个人方式自由选择gmail、GoogleDocs、Eucalyptus等多种云端服务辅助日常存储、编辑及科学研究工作。
[5]
2云计算在高校中应用的典型案例
（1）北卡莱罗纳州立大学：
云计算服务
北卡莱罗纳州立大学的虚拟计算实验室（VCL，VirtualComputingLaboratory）在为教育机构提供安全可靠的按需计算服务方面处于领先地位。
自从2003年，VCL就一直致力于虚拟计算研究，2004年开始提供云服务，那时候云计算概念还没有普及。
VCL是Apache开源孵化器项目，其学术云基于开源技术，提供IaaS，PaaS，SaaS，也支持高性能计算服务。
VCL云计算方法的优点在于不仅提供计算资源和技术支持服务，还提供一些在学生个人电脑上难以安装的应用服务。
此外，VCL还为其它教育机构提供他们受技术条件限制无法使用的服务。
这些服务的典型应用方式是，用户通过Web终端，输入授权访问账号，验证通过后，通过下拉菜单选择期望的计算环境和使用期限，然后即可使用。
VCL能为应用服务动态分配资源，提高资源利用率，降低成本。
例如，在假期中，当多数学生不使用计算资源时，系统会把自动把这些资源分配给那些有大容量计算需求的研究人员，比如运行复杂模型和仿真。
又如，通过加载在数据中心的刀片服务器上的镜像，可以实现计算环境快速部署与恢复，这使得计算实验室的软件安装和维护成本不到原来的十分之一。
2009年，VCL为3万名师生提供云计算服务，每学期其计算资源预定次数超过10万次。
在试点基础上，VCL现在向州内七所其他公立大学、社区学院以及州以外的大学（其中包含三所印度大学）提供服务。
VCL计划未来将学术云服务拓展至K-12学校。
[6]
（2）台湾大学：
台大“筋斗云”
台大“筋斗云”是台湾大学正在实施的校园信息化云平台项目。
该项目的愿景是从云端服务入手，创新运作模式，以配合台大迈向一流顶尖大学、追求研究卓越与教学卓越的目标。
整个项目由台大计算机及资讯网络中心（以下简称计资中心）负责推动，与微软、IBM、Citrix、普桦科技合作，分期实施。
计资中心为此项目制定了详细的计划。
在云平台部署方面，使用IBMeServerBladerCenter服务器，作为云端运算的基础运作平台，提供稳定的运算环境；使用普桦科技的容错磁盘阵列产品，作为存储服务器，提供大容量、高速、稳定的容错储存设备；采用微软的Hyper-V虚拟技术，确保虚拟化能带来最大效益，提供弹性效能、方便部署和快速设置等优点；选用CitrixNetscaler应用程序防火墙，提供最高等级的信息与网络安全防护。
台大认为云平台真正创造价值的关键在于服务，计资中心构思如下创新作法来推动台大云端服务：
结合原有校务行政系统建立畅通且便利的付费机制、推动专业咨询以促成原有系统及应用程序的云端化、导入服务质量承诺（ServiceLevelAgreements）的概念来确保最佳的成本效益。
计资中心还希望借这些创新做法从传统的支持服务角色转型成为促进者和协作者。
到目前为止，计资中心已完成第一期的云端环境建设，所提供的服务包括虚拟主机服务和云端存储服务。
项目后期建设提供的服务还包括资料同步服务、桌面应用软件服务、软件共享与协同合作平台。
除此之外，计资中心在计划中构思若干创新做法，包括创新云端服务种类、拟订收费方式等。
[7]
（3）中国科技大学：
“瀚海星云”校园云服务平台
中国科技大学“瀚海星云”校园云服务平台是一个为全校师生提供云计算应用服务的平台由中国科大以开源技术为基础自主建设，向师生提供IaaS和PaaS。
该云平台的主要系统配置如下：
硬件部分采用曙光刀片服务器、4台2路联想PC机架式服务器和48T的曙光存储服务器；软件部分以开源Eucalyptus云平台为基础，使用rubyonrails开发前端Web服务管理平台，基于Nagios和Ganglia定制系统监控。
使用方式是师生通过校园云平台Web界面注册成为会员。
使用时，使用用户名和密码登录，验证后即可以订单方式申请和释放资源。
在订单中可以填写对硬件、软件部署等资源具体要求，申请成功后即可使用。
具体地，使用该平台，师生可以在此平台上搭建私有云，从事云技术和云应用的实验；可以定制高性能科学计算平台，开展并行计算等实践项目。
以个人高性能计算环境使用为例，用户通过Web界面定义所需并行计算环境的节点个数和节点属性，向云平台提交应用描述。
云平台据此自动部署并行计算编程环境，通过虚拟机镜像启动虚拟机，返回给用户所需的计算环境。
在该校2010年秋季开设的《并行算法实践》课程中，100多名学生通过该平台进行并行计算实验。
20%的学生连续使用科学计算平台超过1小时，大多数学生使用的并行线程数少于64。
实验数据显示该平台能够提供较好的计算速度。
中国科技大学网络信息中心负责相关工作的师生表示，后续的工作计划包括：
提供大容量廉价的云存储及相关服务，提供包括IBE加密机制、数据完整性验证等在内的数据安全服务，提供更加个性化的高性能计算平台部署服务，提供更加友好的用户界面以方便师生使用等。
[8]
五启示与展望
1启示
每一项新的科技发明，都会给人类带来无数美好的憧憬。
从PC到互联网，从Web1.0到WebX.0，从广角镜头看，高等教育世界的确因此发生了巨大变化。
但是，在微距模式下看，技术并不总是能将憧憬变为现实。
在恰切的时机、恰切的场合恰切的使用技术，才会让技术真正发挥威力。
谷歌、亚马逊、IBM从事云计算相关研究应用之初都是因为自身业务发展需要，同时他们都具备强大的资金和技术实力。
在其发展的过程中，外在IT产业的发展及用户的需求又让云计算的优势凸显，在动态发展中为公司创造商业价值并引领产业变革。
云计算在这些商业公司的应用成功有很多综合的内部、外部条件支持，而非仅仅是因为技术本身的吸引力。
北卡莱罗纳州立大学的VCL学术云围绕其强项“虚拟计算”提供各个层面的计算服务，并在研究发展中逐步将服务内容和服务范围扩大。
此外，VCL项目受到Apache软件基金会的长期支持。
台湾大学的IT领导者对云计算持乐观态度并积极推动，他们把云计算定位为不仅是要为大学提供更人性化、更高效、更多选择的服务，还要担当起引领学校工作、管理、教学变革的角色。
因此，台大的“筋斗云”有一个整套的解决方案，并与大公司合作分期、有计划地实施完善。
值得说明的是，台大原有的行政业务系统、资源系统等已经处于相对较高的水平。
中国科大“瀚海星云”校园云平台由科大利用其技术优势开发，其切入点是为教学、科研提供计算环境部署和研究平台支持，在原有服务基础上为师生拓展了学习、科研支持，也制定了未来计划。
仔细研究这三个案例会发现，这三所大学的内外部条件有很大差异，无论是所在国家/地区的IT领域发展状况、相关教育政策/制度、教育信息化程度还是其组织结构、技术和资金实力等。
但他们有一个共同点，就是都是基于对云计算技术本质的深刻理解，立足学校及所在地区现状，制定切实可行的目标，有计划地、逐步推动云计算的使用。
因此，对于中国大陆很多高校而言，在考察使用云计算技术时，首先要准确、全面评估自身所处的内外部环境、条件，看看在这样的条件下，云计算技术能够做什么，能够创造什么、改变什么，在积极寻找切入点并利用云计算技术的同时，也努力为使用云计算技术创造条件，在双向行动中制定可行方案，促进云计算真正为高等教育改革与发展创造价值。
2展望
从云计算概念正式提出至今，伴随着云计算技术的逐渐成熟发展与应用，产业界对云计算的认识已经由早期的大肆热捧逐步回归理性并清晰化。
2010年5月，EDUCAUSE和NACUBO联合发布了名为“形成高等教育云”（ShapingtheHigherEducationCloud）的白皮书。
该白皮书指出，高等教育机构的领导者应当重新考虑学校的服务模式，高校之间的联合与服务共享将成为主流。
[9]
业界对云计算技术具备变革高等教育的巨大潜能已基本达成共识。
但由于潜在的安全、IT治理、法规、服务质量等关键问题和障碍，很多高等教育机构在行动方案和行动进程上尚持谨慎态度。
因此，未来云计算在高等教育信息化中的应用将可能呈现如下图景：
（1）高等教育机构对机构内所有数据和服务进行分类和评估，将一部分公共业务移至云端，一部分关键服务保留在本地数据中心，一部分服务选择权移交给师生员工，由他们自行选择公有云服务；
（2）专业团体组织承担起中间人角色，在第三方云服务提供商和高等教育机构之间做好需求协商，这样既有利于第三方服务商开发公共服务满足高等教育机构的共性需求实现其规模经济效益，也有利于各个高等教育机构利用自身优势专注于特定需求建设私有云；（3）专业组织通过项目资助或其他活动形式推动云计算在高等教育机构的使用尝试，并对成功和失败案例进行总结、剖析，形成报告，以实现经验分享与借鉴；（4）云服务模式使得高等机构的IT部门可能需要和第三方协作管理IT服务，因此IT员工需学习新的管理技能，如合同管理等；（5）高等教育领域的云服务提供将专注与高等教育领域的独特需求，同时引入服务质量保障以维护服务购置与开发成本；（6）伴随着云计算的标准化工作，公有云、私有云将实现无缝连接，形成跨区域的“高等教育云服务”网络，实现联合和共享。
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