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基于网格的分布式教学环境初探
Research on Scattered Technological Environment in Grid

【摘 要】 教育信息网格是教育信息系统综合集成的新兴技术，利用网格技术可以实现对所有软硬资源进行有机融合，实现高度共享和全面协作。本文试图依据教育信息网格的功能，分析基于网格的分布式教学环境对教学的作用和影响，并尝试性的提出了教育信息网格的系统框架，对促进网络化教学提供了理论参照。
【关键词】 网格、信息网格、教学环境、资源共享

Abstract: Technological information grid, a new technology synthesizing technological information system, achieve to combine all soft and hard resource with technology of grid ,and make high—level share and overall cooperation come true. The context tries to analyze the effect and function of technology of the scattered technological environment in grid by using the function of technological information grid, and put forward a system framework of technological information grid which provides a theoretical criterion for improving net teaching.
Keywords: grid, information grid, technological environment, resource share

1. 前言
随着计算机、网络与通讯技术的飞速发展，人类正向高度信息化的社会迈进，网络作为视听媒体信息存储、处理、传输的工具已应用到教育领域的各个环节之中，发挥着极其重要的作用。但长期以来，由于网络建设各自为阵，系统开发没有形成统一标准，信息资源缺乏科学管理，加之网络技术发展的自身原因，资源不能全面共享，形成了较大浪费，严重影响了网络功能的发挥，成为网络教学应用中的一个重要“瓶颈”。
网格技术的出现，为网络教学的充分应用提供了新的技支撑。利用网格技术可以高度集成和融合网上教育资源，实现信息节点的互连、互通、互操作，彻底的消除资源孤岛，使教学信息资源真正实现全面共享，这对基于网格的分布式教学环境和教学模式起到了重要的促进作用。网格新技术必将对现代教育理念、方法、手段的更新，对网络教学的发展起到积极的推动作用。因此，对基于网格的分布式教学环境研究是摆在我们面前的重要课题。
2. 关于网格
中国科学院计算所所长李国杰院士认为，网格是继传统因特网、Web之后的第三次互联网浪潮，可以称之为第三代因特网应用。传统因特网实现了计算机硬件的连通，Web实现了网页的连通，而网格则试图实现互联网上所有资源的全面连通。简单地讲，网格是把整个因特网整合成一台巨大的超级计算机，实现计算资源、存储资源、数据资源、信息资源、知识资源、专家资源的全面共享。当然，网格并不一定非要这么大，我们也可以构造地区性的网格，如科技园区网格、企事业内部网格、大学校园局域网网格等。事实上，网格的根本特征不是它的规模，而是资源共享，消除资源孤岛。
网格作为一项新技术，具有以下几个明显的特征：一是网格称谓的多样化。常见的名词包括语义网（Semantic Web）、知识管理（Knowledge Management）、知识本体（Ontology）、智能主体（Agents）、信息网格、知识网格、一体化智能信息平台等。在企业界的主要名词包括内容分发（Contents Delivery）、服务分发（Service Delivery）、电子服务（e-service）、实时企业计算（Real-Time Enterprise Computing，简称RTEC）、分布式计算、Peer-to-Peer Computing、万维网服务（Web Services）等。二是网格内涵的不确定性。由于网格是一项新的技术，其精确含义和内容都在探索当中,还不能确定。三是网格信息资源一体化。如果说因特网把全球的电脑连通，网格则进一步把全球电脑上的信息和知识孤岛联为一体，形成一体化的信息平台。根据网络的麦特考夫定律，网格的价值与网格用户数的平方成正比。
一般地讲，网格主要由六部分组成，即网格节点、数据库、贵重仪器、可视化设备、宽带主干网和网格软件。
3. 教育信息网格的功能与框架体系
3.1.教育信息网格的功能
教育信息网格是教育信息系统综合集成的新兴技术，其核心是一个庞大的、分布于教育信息网格各个节点的、协同工作的软件系统。它能够在现有信息传输、处理设施的基础上对所有软硬资源进行有机融合，实现高度共享和全面协作。教育信息网格主要由数据传输链路、微波中继站、地面光缆、教育科研网等通信基础设施，以及各种计算机、存储器、网格软件平台、各类信息资源数据库等信息设施组成，具有广域分布、无缝连接、动态扩展和高度集成等特点。教育信息网格主要负责在整个教育领域高效、分布式的共享各节点的教育资源，包括专业数据库、教材数据库、素材数据库、音视频数据库、数字化图书馆、实验室、精密贵重仪器以及相关的信息等，以能实现任意两点或多点之间，直接或间接的互连、互通、互操作；能够将信息进行自动融合，并向所有经授权的使用者提供按需获取处理过的信息；以及将所有的精密仪器设备连接成一个整体，极大的发挥教育资源的效能（如图1所示）。
3.2.教育信息网格的框架体系
Globus是美国Argonne国家实验室的研发项目，全美有12所大学和研究机构参与开发。Globus对资源管理、安全、信息服务及数据管理等网格计算的关键技术进行研究，开发能在各种平台上运行的网格计算工具软件（Toolkit），帮助规划和组建大型的网格试验平台，开发适合大型网格系统运行的大型应用程序。Globus认为：在网络环境下的互操作，意味着需要开发一套通用协议，用它来描述信息的格式和信息交换的规则。Globus的网格计算协议是建立在互联网协议之上的，以互联网协议中的通信、路由、名字解析等功能为基础。Globus的协议分为5层，上层协议可调用下层协议的服务。网格内的全局应用都通过协议提供的服务来调用操作系统。目前，Globus的技术已在NASA网格(NASA IPG)、欧洲数据网格（Data Grid）、美国国家技术网格(NTG)等8个项目中得到应用。
信息服务 资源管理 错误检测 ···
协同工作 数据管理 ··· 分布式教学
超级
计算机
海量
存储器
数据库
网 络
贵重
设备
应用一 应用二 应用三 应用N

网格
应用

网格
软件
平台

资源

图1 网格软件平台融合资源和支撑应用示意图

教育信息网格是在计算服务、宽带传输和超大规模数据存储等网格支撑环境基础上建立的一个多层次的教育应用服务体系。根据Globus的网格体系结构，结合教育信息应用服务领域的固有特性，我们认为教育信息网格主要由构造层、连接层、资源层、汇集层和应用层5个层次组成(如图2所示)。 

图2 五层沙漏的典型结构
构造层（Fabric）：它的功能是向上提供网格中可以共享的资源，它们是物理或逻辑实体。常用的资源包括处理能力、存储系统、目录、网格资源、分布式文件系统、分布式计算机池、计算机集群等。 
连接层（Connectivity）：它是网格中网络事务处理通信与授权控制的核心协议。构造层提交的各种资源间的数据交换都在这一层的控制下实现。各种资源间的授权验证、安全控制也在这里实现。
资源层(Resource)：这一层的作用是对单个资源实施控制，与可用资源进行安全握手、对资源做初始化、监测资源运行状况、统计有关的资源使用数据。这些资源包括已建和在建的各类教学资源数据库（包括素材数据库、教材数据库和各类专业数据库等）、各种信息处理设备（包括超级计算机、PC等）、各种存储设备（大型磁盘阵列等）、各种教育资源信息获取设备，它们通过Internet或各种无线通信设施实现物理连接。
汇集层(Collective)：这层的作用是将资源层提交的受控资源汇集在一起，提供一个教育资源信息一体化管理与处理平台，供虚拟组织的应用程序共享、调用，综合使用各类资源提供数据存储、组织管理、分发、检索和处理等服务。 
应用层（Applications）：它是网格上用户的应用程序,提供一个面向应用领域的教育资源集成应用环境，即在上述教育信息网格汇集层的基础上，面向各个具体应用领域，对教育信息资源的使用模式和使用特点，提供教育信息资源使用策略和协议、应用软件工具、应用开发平台等，建立教育信息资源数据处理与信息服务集成环境。
4. 基于网格的分布式教学环境对教学的作用分析
教育信息网格将全部的教育资源融合成一个有机的整体，提供支持一体化的教育训练信息平台，是教学效果的倍增器。教育信息网格是依靠网格技术粘合起来的“系统之系统”，它可以实现所有信息节点之间的互连、互通、互操作，大大提高了信息获取、处理、分发和使用的自动化。基于网格的分布式教学环境，就是依托教育信息网格，并建立在此基础之上的，它不仅可以改变传统的教育理念，而且还会对教育模式产生深远的影响。
4.1.全维一体的教育理念
4.1.1.基于网格的分布式教学环境有效的解决了信息孤岛互连互通
网格的主要任务是在动态变化的网络环境中共享资源和协同解决问题。网格对现有互联网进行了非常好的管理，它把分散在不同地理位置的资源虚拟成为一个空前强大的信息系统，实现计算、存储、数据、信息、软件、通信、知识和专家等各种资源的全面共享。这些资源形成一个整体后，用户可以从中享受一体化的、动态变化的、可灵活控制的、智能的、协作式的信息服务，获得前所未有的使用方便性和超强能力。
无论是哪个国家，经过长期的积累和数字化建设，都拥有大量的信息资源，复杂的网络、庞大的数据库和各种教学管理应用软件，由于INTERNET只能解决简单的连通和有限的互动，有的由于方方面面的原因甚至还不能连通。这样就根本不可能真正发挥这些资源的整体效能，甚至形成了信息孤岛。教育信息网格就是把一个个信息孤岛真正连接起来、全面共享起来，形成一个硕大无比的交叉纵横的格状网。一旦某个信息孤岛连入教育信息网格，它就不再“孤独”，而能与其它信息节点互连互通，形成更大的一体化信息平台。对于教师和学生来说，可以对教育信息网格“即插即用”，像电力网一样，只要插入自己的终端，就能以合适的方式得到所需的信息。
4.1.2.基于网格的分布式教学环境彻底打破了知识获取的时空限制
网格融合网络资源后，带来了前所未有的能力。网格突破了计算机能力、存储能力大小的限制，所能提供的计算和存储能力远远超出我们的想象；教育信息网格在结构上形成纵向衔接、横向贯通、资源任意分布且全面共享的模式，便于教师和学生随时随地的接入，可在任意地点获取资源。在功能上，提供分布式的教学环境，信息查询、检索、分类、存储等，以支持教学科研的综合应用，从而最大限度的满足了教学领域的需要。用“四个任何”来说明教育信息网格应用的时空范围是再恰当不过了，即在任何时刻、任何地点，可将任何信息传送到任何教师或学生，这样为分布式教学创造了极佳的环境。卫星、光纤和计算机网络技术的飞速发展，为“四个任何”的实现提供了物质基础。
4.1.3.基于网格的分布式教学环境为师生提供了一步到位的信息资源服务
网格技术所特有的技术特征包括：信息自动融合、按需获取信息、实现机器之间的互操作等，这些特征是传统的互联网所不具备的。由于这些特征，教师和学生就不需要直接面对潮水般涌来的信息，从而能够用最短的时间根据最恰当的信息来进行教学活动。教育信息网格就是要利用现有的网络基础设施、协议规范、万维网技术和数据库技术，为用户提供一体化的智能信息平台。在这个平台上，信息的处理是分布式、协作式和智能化的，教师或学生可以通过单一入口访问所有信息。信息网格追求的最终目标是能做到让用户按需获取信息。信息网格可以科学的描述信息、存储信息、发布信息和查找信息；可以将异构平台、不同格式、不同语义的信息进行规范和转换，从而实现信息的无障碍交换；能够将网格环境中众多的服务功能，按照用户的需求进行有机集成，形成自动完成的工作流程，向用户提供一步到位的服务。
4.2.智能先进的教育模式
4.2.1.基于网格的分布式教学环境极大丰富了远程沉浸训练
远程沉浸这个术语是在1996年10月，由美国伊利诺州大学芝加哥分校的电子可视化实验室最早提出来的。远程沉浸网格是一种特殊的网络化虚拟现实环境。这个环境可以是对现实或历史逼真的反映，可以是对高性能计算机结果或数据库的可视化，也可以是个纯粹虚拟的空间。沉浸建立在高速网络基础上，是协同可视化环境、音频、视频会议以及超级计算机和海量数据存储的有机融合。目前，美国伊利诺州大学芝加哥分校的电子可视化实验室已经开发出几十个远程沉浸应用，包括：虚拟历史博物馆、协同开发环境等。远程沉浸使分布在各地的使用者能够在相同的虚拟空间协同工作，就像是在同一个房间一样，甚至可以将虚拟环境扩展到全球范围内，进行协同工作。更重要的是它将“人—机交互”模式扩展成为“人—机—人协作”模式，不仅提供协作环境，还具有对数据库进行实时访问、数据挖掘和高性能计算等能力，为师生提供了一个崭新的学习模式。强调协作性正是远程沉浸区别于以前的虚拟现实的地方。
4.2.2.基于网格的分布式教学环境真正实现了协同式学习
教育信息网格打破了传统的共享协作限制，使得“人—机”、“人—人”、“机—机”之间可以进行任意的交互和沟通，可以将各个领域的专家和各种资源充分结合起来，动态建立各种虚拟组织，协同解决问题。教育信息网格不仅能将国内的院校科研机构连接在一起，而且还可以将分布在世界上的所有教育机构连接成为一个庞大的组织。在网格技术的支撑下，带来全新的协同式教学模式，让分布在各地的学生根据特定的学习目的组成学习共同体，在沟通、交流，分享各种学习资源过程中，共同完成学习任务。这种学习共同体对分布式教学环境下创造思维教学具有重要意义。学生与教师、同伴进行交流和合作中，学生可以看到不同的信息，理解问题的不同角度，这又会促使他们进一步反思、丰富、扩充、重新组织自己的理解和思路，提高在创造活动中的自我效能感。可以肯定，基于网格的分布式教学， “人—机”、“人—人”、“机—机”、“人—机—人”之间任意的交互、协作和沟通可以促进学生学习和反思活动的深度，提高学生的学习需要以及对学习活动的自我意识，有效地发挥学生学习的能动性和创造性，这些对于创造思维培养来讲都是十分重要的。
4.2.3.基于网格的分布式教学环境更有利于智能导学
智能导学主要是指教育信息网格的智能代理。所谓智能代理是指代表用户或其它程序，以主动服务的方式完成一组操作的机动计算实体。它在基于网格的分布式教学中的作用主要体现为两个方面：自主学习和协作学习的指导。智能代理对学习者自主学习的指导主要体现在支持和促进学习者有效学习而安排学习环境中各个元素的模式和方法，发挥学习者学习的主动性、积极性，充分体现学习者的认知主体作用。基于网格的分布式教学智能代理可以结合学习者特征和学习内容两方面的因素，为学习者提供合理的自主学习策略指导，从而为学习者提供合适的学习内容和学习方法指导。智能代理对学习者协作学习的指导主要体现在对学习者协作内容、协作方式及协作对象的指导上，基于网格的分布式教学突破了时空限制、扩大了教学规模，协作方式灵活多样，可以科学有效的进行智能协作代理，帮助教师完成协作指导工作。同时，“信息随手可得”的网格还能提供许多想象不到的功能，学生的大部分疑问甚至可以由网格自动解答，进一步发挥了智能导学的作用。
5. 基于网格的分布式教学对教育信息化和现代化的影响
5.1.基于网格的分布式教学促进了教育信息化
教育信息化是指在教育领域全面深入地运用以多媒体计算机和网络通信技术为基础的现代信息技术，促进教育改革和教育现代化，使之适应信息化社会对教育发展的新要求。基于网格的分布式教学不仅在教育中普遍运用了现代信息技术，开发了教育资源，优化教育过程，而且实现了信息的自动融合、按需获取信息、机器之间的互操作等，可以培养和提高学生的信息素养，对教育现代化的过程将起来大大的促进作用。
教育信息化的特征可以从技术层面和教育层面两个维度考察。基于网格的分布式教学完全符合教育信息化的要求：从技术层面看，基于网格的分布式教学具有数字化、多媒体化、网络化和智能化的特点；从教育层面看，基于网格的分布式教学实现了教材多媒体化、资源全球化、教学个性化、学习自主化、学习活动合作化、管理自动化和环境虚拟化。
5.2.基于网格的分布式教学推进了教育现代化
教育现代化，就是建立适应现代社会、经济、科技发展需要的,以培养创造型的人才为目标的新型的现代化教育体系。它包括教育思想现代化、教育内容现代化、教育方法现代化、教育技术手段现代化、教育设施现代化、教育管理现代化等。
教育信息网格的建设与应用必将推动基于网格的分布式教学，创造良好的学习、互动和协作环境，可以使教学观念、教学内容、教学手段现代化，可以极大的提高教学效益和质量，全面提高学生素质，必将对发展现代教育思想、提高现代教育水平，培养具有创新意识和创新能力的人才产生较大的影响。
网格技术是一个新的研究领域，是教育技术发展的一个重要方向。虽然网格技术的功能很强，发挥的作用很大，基于网格的分布式教学环境能够对教学产生深远的影响，但对它的研究和应用还涉及到观念与技术方面的问题，如互联网的数据传输能力不足、人机通信不畅、网格资源的知识产权、资源的安全性等方面的问题，都有待于我们在今后研究、开发和应用过程中逐步解决。