北邮数字化学习系统的设计

1. 北邮数字化学习系统的设计 www.buptnu.com.cn 演讲人：李建伟 北京邮电大学网络教育学院

2. 内容简介 • 整体架构设计 • 主要数字化学习系统介绍 • 教务管理系统 • 通用教学系统 • 泛在学习系统 • 高可用、高可扩展的基础平台服务（IaaS） • 自动化的运维监控体系 • 数字化学习系统的开发和应用模式 • 总结 www.buptnu.com.cn

3. 整体架构设计 www.buptnu.com.cn

4. 主要数字化学习系统介绍—教务管理系统设计理念主要数字化学习系统介绍—教务管理系统设计理念 • “以学生为中心”即所有的环节让学生方便有效的学习 ，随到随学，自主选课和约考。 • 保证办学的规范、特色和要求。 • 管理流程模块化设计，明确管理环节的界限。 www.buptnu.com.cn

5. 分析以前教务管理系统的问题 • 招生时间固定不能满足学生随到随学的需求。 • 当前的培养计划和收费模式不能适应各类合作办学的需要，不利于学生能力的培养。 • 学费的收取不够人性化。 • 学籍信息不准确。 • 没有完全实施学分制选课。 • 学生对学习过程缺乏自主性。 www.buptnu.com.cn

6. “以学生为中心”设计理念 • 打破学期制，缩短教务管理周期。 • 招生管理设计：学生添加标签；入学考试采用网上考试系统。 • 收费管理设计：学费收取采用学年非精确预收费模式；系统自动审核学生缴费情况 。 • 课程管理设计 ：完全学分制下的学生自主选课 ；选课与课程学习的关系。 • 考试管理设计 ：考学分离原则 ；实施预约考试制 。 • 学籍管理设计 ：通过设置学习中心和网院两级审核机制，确保学籍信息准确 ；学籍异动引入工作流机制 www.buptnu.com.cn

7. 教务管理系统功能模块 • 系统管理 • 课程管理 • 招生管理 • 费用管理 • 考试管理 • 学籍管理 • 毕业设计 www.buptnu.com.cn

8. 教务管理系统模块结构 www.buptnu.com.cn

9. 教务业务泳道图 www.buptnu.com.cn

10. 教务系统的技术路线 • 采用开源架构。使用J2EE框架的三层设计模式，表示层采用Struts2框架 ，业务层采用Spring框架，数据持久层采用Hibernate 框架。 www.buptnu.com.cn

11. 教务系统界面 www.buptnu.com.cn

12. 招生机考界面 www.buptnu.com.cn

13. 通用教学系统的设计理念—自主式学习模式 • 所谓自主式学习模式强调的是学习者自主学习的行为，其实质仍然属于自学的一种形式。 • 自主式学习模式最大的优势是学习者可以享有充分的自由、数字化学习资源可以充分复用、可大幅度节约有限的师资资源。缺点是对学习者要求高，交互性差，学习效果不理想。 • 自主式学习模式的问题： • 学习者的网上学习没有引导或带领，学习者需要自己进行时间管理，学习目标不明确。 • 网上资源众多，内容过剩。 • 学习的过程和效果没有记录和分析，不能给学生提供个性化的主动的学习支持服务。 www.buptnu.com.cn

14. 通用教学系统的设计理念—引领式在线学习模式通用教学系统的设计理念—引领式在线学习模式 • 所谓引领式在线学习是在教师引导和带领下，学习者在特定时间内有目标、按计划地学习指定的在线课程内容，教师、学习者之间交互性学习活动是在线课程的主体，也是学生获取知识的主要途径。 • 主要的设计思想如下： • 1、系统向学生提供学习时间管理和学习目标管理 • 2、学生在网上学习资源以E-learning在线课程为主 • 3、系统挖掘学习记录，支持服务人员向学生提供个性化的主动的学习支持服务 www.buptnu.com.cn

15. 课程结构的描述 • 1、参考CELTS－20.1（学习管理系统标准）设计课程的结构如下： 课程 单元 模块 学习内容（文本、视频、音频、图片、作业、测试、讨论、自测等） • 2、每门课程包含若干个单元，每个单元包含若干个模块，模块是学习的基本单位。 www.buptnu.com.cn

16. 模型图 www.buptnu.com.cn

17. 学习交互 www.buptnu.com.cn

18. 通用教学系统的设计—参考标准 • 系统的设计参考CELTS－20.1（学习管理系统标准） • 标准适用于： • CMI （计算机管理教学 ）系统如何管理学习者活动，如上课、讨论。 • CMI 系统如何将课程结构、学习行为及学习内容传递给其他CMI 系统。 • CMI 系统如何与不同的课程互换信息。 • CBT（计算机化培训）系统如何与不同的数据分析工具协同工作。 www.buptnu.com.cn

19. 学习过程记录及统计分析 • 系统根据学习者学习活动记录进行数据挖掘和统计分析，将分析的结果反馈给不同的角色：学生、教师，支持服务人员，这些角色将分别对学习者进行个性化的主动的支持服务。例如： • 系统会分析学生学生的学习记录，告诉他有那些知识点的掌握的不是很好，有那些知识点还需要加强学习，有那些知识点掌握的很好。 • 系统会检索出做练习或测试超过两次都不通过的学生，教师对这些同学进行主动的联系，并对他们提供个性化的辅导和讲解。 • 系统会分析出上网比较少和学习进度落后的学生，学生支持服务人员去主动的联系这些学习者，帮助他们提高上网学习的时间和效率。 www.buptnu.com.cn

20. 给学生的数据 www.buptnu.com.cn

21. 给教师的数据 www.buptnu.com.cn

22. 作业两次都不通过的学生 www.buptnu.com.cn

23. 给管理人员的数据-统计学习进度 www.buptnu.com.cn

24. 给管理人员的数据-统计学习频率 www.buptnu.com.cn

25. 给管理人员的数据-统计学习频率 www.buptnu.com.cn

26. 通用教学系统开发 • 北邮的通用教学系统采用基于开源教学系统（Sakai）的二次开发模式。 • 选择Sakai的原因: • Sakai是一个在教育团体许可证下的免费开源项目。 • 在全世界有超过160个教育单位正式采用Sakai作为自己的教学系统，支持的用户数从200到20万，这些应用经验表明，Sakai是一个稳定的可以支持大规模应用的企业级应用。 • Sakai的系统框架是标准组件化的，非常有利于系统的扩展，除了可以使用Sakai提供的教学工具外，还可以按照Sakai的标准很方便的开发自己需要的教学工具，并将其集成到Sakai上。 www.buptnu.com.cn

27. Sakai结构图 共享模块 Shared 数据模型接口 Model 逻辑接口 Logic-api (business logic) 公共服务接口 Public-api (service) 数据访问接口 Dao-api (data access) 组件 Components 商业逻辑实现 Logic-impl (business logic) 网络应用 Webapps 数据访问实现 Dao-impl (data access) 工具集 Tool (presentation) www.buptnu.com.cn

28. 对sakai的二次开发工作 • 为实践“引领式在线学习模式” ，二次开发的重点放在Sakai的“课程内容编辑”（Melete Lesson Builder）工具上。 • 这个工具是一个在线电子讲义的制作和发布工具，由Etudes(一个非营利性的公共慈善组织)开发，作为Sakai的Contrib工具，我们将它改造成了一个能制作网上E-learning课件、能提供网上课件运行环境和能挖掘和分析学生学习过程数据的强大教学工具。 www.buptnu.com.cn

29. Sakai的工具裁剪使用 • Sakai2.5版本提供了40多种工具，我们不可能全部都使用这些工具，必须根据中国远程教育的特点，有选择的使用我们选择的工具如下： • 我的工作空间 • 课程主页 • 课程大纲（Syllabus） • 日程表（Schedule） • 课程通知（Announcements） • 资源（Resources） • 课程内容编辑工具（Melete Lesson Builder） • 聊天室工具（Chat） • 讨论与个人消息（Jforum） • 站点信息（Site Info） • 术语表（Glossary） • 花名册（Site Roster） • 站点统计（Site Stas） • 投递箱（Drop Box） www.buptnu.com.cn

30. Sakai的汉化 • Sakai的设计支持国际化，汉化包括Sakai工具和帮助文档的汉化两方面的工作。 • Sakai2.5版本中的有些工具已经支持中文，但 Sakai在中文支持方面主要存在两个问题： • 汉化不完全 • 部分翻译不符合中国人的表达习惯 • 所以汉化工作主要是对未汉化部分予以彻底汉化，对已汉化部分进行校对和修正。 www.buptnu.com.cn

31. 对Sakai的Bug修改 • 系统对中文编码的支持 Bug 例如：论坛（jforum）和Wiki中的中文乱码问题，聊天室工具中用户名的中文乱码问题，资源中文件名中文也乱码问题等。 • 工具本身所隐含的逻辑Bug 例如：服务器重启后，jforum论坛工具会出现数据丢失问题，日程（Schedule）工具在主页显示时，点击有事件的日期不能正常显示，分配权限功能分配权限后不能立即生效等问题。 www.buptnu.com.cn

32. Sakai在应用上需要注意的问题 • 资源（Resource）工具在使用的时候，要注意在默认状态下，资源都是以Blob大字段方式存储在数据库中，但是，随着应用的规模越来越大，资源越来越多，数据库的压力会非常的大，数据库就会成为整个应用的瓶颈，所以，需要在开始使用资源工具的时候，通过配置将资源存储在共享的磁盘存储上而不是数据库中。 • 讨论与个人消息（Jforum）和课程内容编辑（Melete Lesson Builder）等使用频率较高的工具，需要考虑使用缓存技术来解决性能的问题。 www.buptnu.com.cn

33. 已有的教学工具与Sakai的集成 • 集成教务管理系统 • 集成题库和作业系统 • 集成实时答疑系统 • 虚拟实验系统等教学工具 • 以上集成都需要单点登录认证服务的支持。我们采用开源单点登录系统CAS 。 www.buptnu.com.cn

34. Sakai的使用经验总结 • 系统功能强大，稳定可靠，可扩展能力强。但是系统比较庞大和复杂，短期内很难全部掌握，应用的门槛较高。 • 不要修改Sakai已有工具的功能，但可以修改bug，修改已有工具的难度可能比开发新的工具难度还要大，另外，已有工具被修改后，将不能再升级。 • 如果Sakai的已有工具不能满足应用需求，可根据Sakai的组件开发规则，开发新的Sakai工具，同时，将新开发的工具贡献给Sakai社区共享。 • Sakai的交互性设计还有待完善，用户普遍反映系统不好用，期待Sakai3.0能在这方面有大的改进。 www.buptnu.com.cn

35. 北邮Sakai的应用数据 • 截止到2010年5月份，系统上共有18435 名学生。 • 课程100多门 • 同时在线人数3700多人。 www.buptnu.com.cn

36. 最高在线人数 www.buptnu.com.cn

37. 北邮Sakai www.buptnu.com.cn

38. 泛在学习系统设计 www.buptnu.com.cn

39. 高可用、高可扩展的基础平台服务（IaaS） • 远程教育平台对网络服务的可伸缩性和高可用性提出很高的要求，对用硬件和软件方法实现高可伸缩、高可用网络服务的需求不断增长。 • 例如：期末学生网上学习、提交作业、网上实时辅导答疑、下载学习资源等环节教学系统的压力很大甚至崩溃的情况，这主要是由于在数据库系统、文件系统、web负载集群、网络流量控制等基础平台服务方面存在缺陷。 • 目前最常见的集群类型包括高性能科学集群和商业集群，其中商业集群又可分为负载均衡集群和高可用性集群。 www.buptnu.com.cn

40. 高可用、高可扩展的基础平台服务（IaaS） • 高可用、高可扩展的基础平台服务（IaaS）的设计，需要达到了以下四个重要目标 • 可伸缩性（Scalability），当服务的负载增长时，系统能被容易扩展来满足需求，且不降低服务质量。 • 高可用性（Availability），当部分硬件、软件和网络会发生故障，整个系统的服务必须是能提供24*7不间断连续服务，系统对外不能表现出任何故障，这要求系统具有自动故障恢复的能力 • 可管理性（Manageability），整个系统可能在物理上很大，但应该容易管理。 • 价格有效性（Cost-effectiveness），整个系统实现是经济的、易支付的。 www.buptnu.com.cn

41. 北邮高可用、高扩展性的解决方案 www.buptnu.com.cn

42. 北邮高可用、高扩展性的解决方案 www.buptnu.com.cn

43. 未来的发展趋势：IaaS PaaS www.buptnu.com.cn

44. 自动化的运维监控体系 www.buptnu.com.cn

45. 数字化学习系统的开发和应用模式 目前，国内的数字化系统应用一般有三种途径： • 第一种途径是选择购买商业的系统，优点是系统的功能齐全并有完善的维护、升级服务，缺点是购买和使用的费用比较高，而且不能完全满足自己单位的实际需求。 • 第二种途径是选择自主开发，优点是能够完全按照自己的实际需求开发，缺点是开发和维护的费用比较高，软件的质量难控制。 • 第三种途径是与商业组织联合开发，优点是能够完全按照自己的实际需求开发，软件的质量能得到保证，缺点是开发和维护的费用很高 www.buptnu.com.cn

46. 数字化学习系统的开发和应用模式 • 其它开发和应用模式： • 基于开源软件的二次开发模式。远程教育领域做的比较好的有Sakai和Moodle两款软件，但这两款软件与Linux、Tomcat、Mysql等开源领域著名的软件相比还相差甚远，但却是未来的发展方向。 • 如果能够在开源的远程教育软件的基础上进行二次的开发和应用，既能大幅度的减少开发和维护的成本，又能够完全满足自己的需求，而且软件的质量也能基本有所保证。 www.buptnu.com.cn

47. 数字化学习系统的开发和应用模式 • 其它开发和应用模式： • 软件即服务的模式。软件即是服务的思想在远程教育领域还没有成功的应用，在远程教育领域也非常需要一个像阿里巴巴一样的平台，它能够向各个大学、中学、小学、企业等提供教育服务，这些学校可以在这样一个公共的平台上展开远程教育，不必每个学校独立的筹建自己的教育平台。 • 北邮的教务管理系统采用自主开发模式，通用教学系统采用基于开源教学系统（Sakai）的二次开发模式。 www.buptnu.com.cn

48. 总结北邮数字化学习系统的设计 1、搭建在开源软件基础之上。 • 操作系统：Center OS、solaris • Web应用发布：Apache、Tomcat • 数据库：Mysql、postgresql • 负载均衡：LVS • 文件系统：NFS（AFS/GFS） • 运维监控软件：cacti、Nagios • 开发语言和工具包：Java、dojo、GWT • 开发框架：Spring、Hibernate、Struts、RSF • 工作流：Jbpm • 报表工具：ireport • 开发工具：Eclipse • 教学系统：Sakai • 单点登录：CAS www.buptnu.com.cn

49. 总结北邮数字化学习系统的设计 • 2、“以学生为中心”的设计理念贯穿始终，强调服务的个性化和数字化校园情境的创设；以服务为核心，以服务理论作为其设计的指导思想。 • 3、组件化的设计思想。通过基于SOA架构思想的内核管理，支持扩展各种教学思想的组件模块，以适应多样的远程教育需求。 www.buptnu.com.cn

50. 总结北邮数字化学习系统的设计 • 4、高可用高可扩展的基础网络平台建设，确保系统的稳定运行和可扩展性。 • 5、自动化的运维监控体系建设，确保能对硬件、网络到具体应用系统进行全方位数据采集、分析、报警和远程管理。 www.buptnu.com.cn