Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Облачные технологии eLearning 8
1.1. Электронные образовательные ресурсы и виртуальные лаборатории 8
1.2. Технологии облачных вычислений 13
1.3. Модели организации ЭОР на основе облачных вычислений 18
1.4. Перспективы организации ВЛП на основе модели AaaS 22
Выводы по главе 1 26
Глава 2 Модели обучения с использованием ВЛП на основе модели AaaS 28
2.1. Состав и структура ВЛП 28
2.2. Информационные модели обучения с использованием ВЛП 32
2.3. Организация ВЛП на основе платформы CLAVIRE 39
2.4. Программно-аппаратное обеспечение учебного процесса 44
Выводы по главе 2 52
Глава 3 Инструментальное средство автоматизации построения ВЛП 53
3.1. Процедура и технологии построения ВЛП на основе платформы CLAVIRE 53
3.2. Проектирование и детализация архитектуры инструментального средства 60
3.3. Проектирование интерфейсов инструментального средства 64
3.4. Методика применения инструментального средства 70
Выводы по главе 3 75
Глава 4 Организация публичных ВЛП: web-центр «Социодинамика» 76
4.1. Концепция web-центра 76
4.2. Состав и высокоуровневая архитектура web-центра 81
4.3. Экспериментальные исследования производительности web-центра 85
4.4. Пример выполнения ВЛП на основе web-центра 91
Выводы по главе 4 98
Глава 5 Использование инструментального средства для поддержки межвузовской мобильности молодых ученых 100
5.1. Организация коллаборативной облачной инфраструктуры для поддержки межвузовской мобильности молодых ученых 101
5.2. Процесе разработки композитных приложений для интерактивной визуализации ... 104
5.3. Примеры композитных приложений, разработанных привлеченными молодыми учеными и специалистами 107
5.4. Экспериментальное исследование возможности применения платформы облачных вычислений для обучения 112
Выводы по главе 5 116
Заключение 118
Список использованных источников 120
Приложение А
- Модели организации ЭОР на основе облачных вычислений
- Организация ВЛП на основе платформы CLAVIRE
- Проектирование интерфейсов инструментального средства
- Процесе разработки композитных приложений для интерактивной визуализации
Модели организации ЭОР на основе облачных вычислений
Хотя использование облачных технологий в образовании сопряжено с описанными рисками, тенденция информатизации общества такова, что уровень развития телекоммуникаций повышается с каждым годом, и все больше учащихся имеют доступ к высокоскоростному Интернету (через мобильные устройства в том числе), и становится все более удобным использовать быстро совершенствующиеся web-приложения и размещать свои данные в «облаке». Применение облачных технологий в сфере образования проявляется по-разному, это в большей степени связано с классом решаемых задач. Облачные вычисления для построения инфраструктуры ЭОР реализуют следующие модели автоматизации образовательных процессов.
Модель IaaS. Виртуализация вычислительной инфраструктуры вуза.
Данный подход характеризуется виртуализацией вычислительной инфраструктуры вуза с последующим ее предоставлением различным подразделениям для решения собственных задач (в том числе, установки специализированных программ). С точки зрения ВЛП, она обеспечивает только основу для развертывания ЭОР с доступом через Интернет.
Модель PaaS. Предоставление доступа к типовому программному обеспечению.
Модель PaaS ориентирована на предоставление виртуальных ресурсов с уже установленными вычислительными пакетами, обеспечивающими моделирование и доступ к данным в рамках ВЛП. При этом само программное обеспечение ЭОР на ресурсах не развернуто. Ярким примером данного подхода является платформа «Персональный виртуальный компьютер» (ПВК) в ЮУрГУ [29], которая реализована на базе технологий Microsoft и использует инфраструктуру виртуализации настольных систем на стороне сервера Microsoft Virtual Desktop Infrastructure (VDI). ПВК представляет собой универсальное средство доступа студентов и преподавателей к образовательным сервисам университета, организованным по облачным принципам. Технология VDI предоставляет пользователям, имеющим доступ к сети, возможность работать с персональными виртуальными рабочими столами, которые физически реализуются в центре обработки данных. Развертывание пользовательских рабочих мест и управление ими в архитектуре VDI является полностью централизованным. Для каждого студента создается отдельный ПВК с индивидуальным профилем, и для запуска своих ПВК студенты могут использовать произвольные личные устройства доступа, от домашних компьютеров и ноутбуков до планшетов и смартфонов. Внедрение ПВК в образовательный процесс согласно [29] позволило все образовательные электронные ресурсы университета организовать в форме облачных сервисов. Студент со своего ноутбука или другого устройства с доступом в Интернет подключается к системе ПВК, проходит процедуру идентификации и получает на экране привычную картинку рабочего стола с пиктограммами доступных ему образовательных сервисов, которых реализуется три типа: программы, документы и методические сервисы. Работая в среде ПВК, студент запускает необходимые программы как обычно, но при этом их не инсталлированы на его компьютере, а размещены на удаленном сервере и выполняются под управлением ПВК, предоставляя пользователю только необходимые результаты. Второй и третий тип сервисов это электронные материалы, но отличаются они возможностью редактирования. Так, документы, которые студенты создают в ходе занятий и всегда может получить к ним доступ, внести необходимые изменения, скопировать на внешний носитель, однако он не знает, где физически размещены эти документы. А методические сервисы не доступны студентам для изменений.
Модель DaaS (Data as a Service). Предоставление доступа к хранилищу ЭОР.
Использование облачных услуг с целью хранения данных становится выгодным, если проблема безопасности доступа к данным не является приоритетной. Самым ярким примером является предоставление пространства для хранения аудио- и видеоматериалов как открытых образовательных ресурсов. Для описанных целей не требуется особой категории сервисов, здесь может использоваться любой сервис, предоставляемый по модели DaaS. Наиболее известными поставщиками таких сервисов являются Dropbox [30], Google Drive [31], Яндекс.Диск [32] и SkyDrive [33]. Основными различиями данных сервисов являются объем доступного места, предлагаемого пользователю, и максимальный размер файла для загрузки.
Модель SaaS (Software as a Service).
Данный подход предполагает создание и распространений ЭОР как образовательных SaaS-услуг. В качестве примеров такого подхода можно привести несколько виртуальных лабораторий. Виртуальная образовательная лаборатория «VirtuLab» [34] содержит образовательные интерактивные работы, которые позволяют учащимся проводить виртуальные эксперименты по физике, химии, биологии, экологии и другим предметам в двухмерном и трехмерном пространстве. Все лабораторные работы имеют теоретическое сопровождение, реализованы с использованием технологии Adobe Flash и рассчитаны на целевую аудиторию учеников средней общеобразовательной школы.
Другим примером является Виртуальная лаборатория «Физикам - преподавателям и студентам» челябинского государственного университета [35], которая представ 21 лена в виде web-сайта и содержит методические материалы, читаемые курсы и лабораторные работы по механике, молекулярной физике, физика атома и ядра. Лабораторные работы написаны с использованием языка web-программирования javascript и являются основанием для аттестации студентов.
Центр научно-образовательных электронных ресурсов eScience&Learning [36] тверского государственного технического университета обеспечивает эффективное использование информационных ресурсов и образовательных технологий. Центр предоставляет целый набор виртуальных лабораторий и методических материалов к ним. Однако доступ к ним разрешен только определенным категориям пользователей.
Еще одним примером служит Виртуальная лаборатория «Математическое моделирование в естественных науках» [37], которая представляет собой комплекс программ, предоставляющий пользователям для исследования целый набор классических математических моделей физики, химии и биологии. Лаборатория работает в дистанционном режиме, используя MATLAB Web-Server, кроме того, на сайте доступна локальная версия лаборатории для скачивания. Данная виртуальная лаборатория состоит из нескольких частей, каждая из которых представляет собой целый комплекс разнообразных моделей.
Виртуальные лаборатории по физике и математике [38] представляет собой набор html-страниц под управлением среды BARSIC [39]. Основными областями применения комплекса BARSIC являются разработка программ учебного назначения в области физики, математики, информатики и других областях, а также программ для научных численных математических расчетов и математического моделирования, преимущественно в области физики. Виртуальные лаборатории по физике и математике предоставляют пользователю набор лабораторных работ, тестов и справочников. Данные лаборатории требуют предварительной установки среды BARSIC.
Модель HaaS (Hardware as a Service).
Данная модель является специфической для организации ВЛП на основе не только имитации, но и удаленного доступа к реальным информационно-измерительным системам или другим техническим средствам. Одним из примеров реализации данного подхода является портал «Нанолаборатория РГРТУ с дистанционным доступом через сеть Internet к комплексу нанотехнологического исследовательского оборудования»[40]. Нанолаборатория создана рязанским государственным радиотехническим университетом совместно с ФТИ им. А.Ф. Иоффе с целью расширения возможностей использования комплекса уникальных научных исследовательских аналитических установок (зондовых, атомно-силовых и электронных микроскопов) путем обеспечения к ним удаленного доступа.
Организация ВЛП на основе платформы CLAVIRE
В общем случае в архитектуре таких виртуальных лабораторий можно выделить три основные подсистемы:
Подсистема инфраструктурного обеспечения (ПИО) обеспечивает создание композитных приложений и управление ими, интеграцию новых пакетов и сервисов, распределение вычислительной нагрузки, мониторинг состояния облачной среды, авторизацию, биллинг, тарификацию, а также централизованное управление хранилищем пользовательских данных.
Подсистема взаимодействия с внешними вычислительными ресурсами (ПВ-ВВР) обеспечивает исполнение задач, формируемых подсистемой инфраструктурного взаимодействия, на высокопроизводительных ресурсах в составе облачной среды, а также поддерживает механизмы интеграции новых аппаратных ресурсов.
Подсистема поддержки технологий Web 2.0 обеспечивает возможности добавления новых ресурсов: пакетов, результатов расчетов, ЭОР, презентаций, статей и т.п.; создания пользовательских групп; создания публичных или с ограниченным доступом Wiki и блогов и т.д.
Сопоставляя данное разбиение в соответствии с рис. 2.3.1, первые две подсистемы входят в состав ядра CLAVIRE, а подсистема поддержки технологий Web 2.0 представлена уровне пользовательского интерфейса.
С точки зрения пользователя все действия с ВЛП выполняются в основном через компонент «Портал», входящий в подсистему поддержки технологий Web 2.0: регистрация; авторизация; просмотр страниц; добавление, редактирование и удаление, как личной информации, так и разнообразных файлов. Для запуска пакетов и приложений «Портал» вызывает либо компонент ПОИ, либо компонент интеллектуального интерфейса удаленного доступа.
Виртуальный лабораторный практикум с точки зрения совокупности аппаратной части и программного обеспечения представляет собой программно-аппаратный комплекс (ПАК), который обеспечивает следующие функции: а) работа системных сервисов управляющего ядра МНТП; б) доступ к разнородным вычислительным ресурсам и сервисам, используемым МИТП в составе композитных приложений, решающих стоящие перед пользователем за дачи; в) доступ МИТП к специализированным ресурсам (например, средствам трехмер ной и интерактивной визуализации, датчикам и т.п.).
Все потребляемые МИТП ресурсы можно разбить на принадлежащие управляющей инфраструктуре (собственно МИТП) и принадлежащие вычислительной инфраструктуре (системам, на которых функционируют прикладные сервисы МИТП). В состав виртуальных лабораторных практикумов на основе облачных вычислений должны входить ресурсы обеих категорий.
Таким образом, ПАК, работающий под управлением ядра МИТП, обеспечивает решение следующих задач: функционирование управляющего ядра МИТП (набора системных сервисов и служебных приложений) с использованием набора ЭВМ (физических или виртуальных) в составе инфраструктуры; поддержка процесса управления набором распределенных разнородных вычислительных, программных и информационных ресурсов, в рамках модели облачных вычислений; обеспечение доступа к прикладным вычислительным сервисам в составе распределенной инфраструктуры при создании, исполнении и управлении композитными приложениями. обеспечение доступа к специализированным сервисам (визуализации, интерактивного взаимодействия с пользователем и т.п.), доступным в составе инфраструктуры.
Аппаратная часть ВЛП представляет собой комплекс технических средств, в состав которого входят следующие классы.
1) Инфраструктурные ЭВМ используются для запуска системных сервисов МИТП. Управляющая инфраструктура формируется за счет совместного функционирования и интеграции нескольких компонентов МИТП. Благодаря тому, что МИТП разрабатывается согласно принципам SOA, функционирование платформы не зависит от размещения большинства компонентов (важно, чтобы компоненты имели доступ друг к другу).
2) Клиентские (или пользовательские) ЭВМ используются для доступа пользователей к функциональным возможностям МИТП и ресурсам. Использование web-интерфейса в качестве основного варианта работы пользователя с системой существенно снижает требования к клиентскому аппаратному обеспечению. Клиентская ЭВМ должна обла дать достаточными характеристиками для запуска и корректной работы web-браузера, поддерживающего технологию Silverlight, а так же доступом в сеть Internet с пропускной возможностью не менее 10 Мбит.
3) Вычислительные кластеры. Доступные по локальной сети высокопроизводительные ресурсы, предназначеные для установки (в т.ч. автоматической) и последующего использования прикладных сервисов МИТП. Ввиду того, что МИТП предоставляет возможность унифицированной работы с ресурсами, обладающими различными классами архитектур, ключевыми требованиями к таким ресурсам являются возможность доступа по стандартным сетевым протоколам, программная совместимость с прикладными сервисами, а также возможность использования стандартных средств управления ресурсами.
4) Грид-инфраструктура Данный класс ресурсов реализует доступ к распределенным вычислительным ресурсам в рамках концепции виртуальных организаций. При этом специфика организации доступа к таким ресурсам определяется технологическими особенностями сервисной среды Грид-сети, а также высокой изменчивостью структуры и характеристик этих ресурсов. Тем не менее, распределенный характер и высокая суммарная производительность позволяют эффективно задействовать данный класс ресурсов при решении ряда задач.
5) Облачная инфраструктура. Организация доступа к ресурсам на базе конфигурируемого блейд-сервера. Использование такого подхода позволит МИТП, организующей управление ПАК, обеспечить работу на уровне абстрактных (формируемых по требованию) ресурсов. Таким образом, работа в рамках концепции облачной инфраструктуры реализуется не только на уровне абстрактных прикладных сервисов (реализуются подбор и конфигурация существующих статических ресурсов), но и на уровне абстрактных вычислительных ресурсов (осуществляется динамическая конфигурация ресурса в соответствии с предъявляемыми требованиями).
6) Корпоративные ресурсы представляют собой вьщеленные рабочие станции для использования в качестве базового вычислительного ресурса. Интеграция широкого спектра разнородных ресурсов позволяет сформировать инфраструктуру, обеспечивающую исполнение заданий, оптимизированных для различных архитектур. С другой стороны, такой подход позволяет задействовать все существующие ресурсы в рамках организации.
Проектирование интерфейсов инструментального средства
Инструмент создания содержимого виртуальной лаборатории PackageManager представляет собой web-приложение и предназначен для автоматизации процесса описания пакета и для упрощения процедуры его встраивания. В предыдущем разделе был описан синтаксис используемого языка для описания прикладных пакетов, который и был положен в основу средства автоматизации. Как было отмечено ранее, не существует готовых инструментов работы с данным языком, что повлекло за собой необходимость разработки лексического и синтаксического анализаторов и включение их в общую архитектуру редактора в качестве отдельного модуля. PackageManager реализует следующие функциональные возможности:
Просмотр доступных пользователю пакетов. Доступность пакетов определяется в соответствии с назначенными пользователю правами.
Просмотр описания пакета в трех режимах представления: в виде текста, в виде форм, в виде графа зависимостей параметров. Подробнее о каждом режиме просмотра описано в разделе 3.3.
Редактирование описания пакета. Данная функциональная возможность сводится к редактированию информации об атрибутах, описывающих входные и выходные данные о пакете, в соответствующих полях на форме представления пакета;
Создание нового пакета. При создании пакета пользователю предоставляется полный спектр полей и атрибутов для заполнения, а так же автоматически назначаются права доступа к создаваемому пакету.
Удаление пакета. Данная функция доступна только администратору базы пакетов.
Проверка корректности описания пакета в базе пакетов. Запуск проблемно-ориентированного интерфейса (ПОИ) в контексте текущего пользователя. Данная возможность предназначена для тестирования запуска пакета в среде CLAVTRE. Компонент ПОИ в зависимости от описания пакета в базе пакетов динамически строит web-интерфейс, который представляет собой набор полей для заполнения, необходимых для успешного выполнения программного пакета.
PackageManager разработан с использованием архитектуры MVC (Model-View-Controller, Модель-Представление-Контроллер). Данная архитектура была выбрана по нескольким причинам. Во-первых, она предоставляет возможность повторного использования кода, позволяя легко создавать различные интерфейсы для доступа к функциональности приложений. Это важно, например, в случае работы с web-сервисами. При необходимости реализации дополнительных интерфейсов HTML и SOAP для существующего поискового сервиса такая задача сводится к описанию нового формата представления, а также созданию объекта, отвечающего за вывод результатов в новом формате. При этом не требуется каких-либо изменений в существующей функциональности, а весь процесс отличается прозрачностью и простотой реализации. Используя данную модель, можно изменить любую часть кода, не затрагивая при этом html-разметку, или изменить шаблоны без изменения программной части.
В состав архитектуры подсистемы входят следующие блоки: «Модель», «Представление» и «Контроллер». «Модель» представляет бизнес-логику, которая содержит программный код, опреде ляющий типы данных, их свойства и взаимосвязи, а также дополнительные модули, содержащие набор функций, которые позволяют порталу работать с web-сервисами при помощи SOAP-запросов.
«Контроллер» формирует логику ввода, интерпретирует данные, введенные пользова телем, манипулирует сущностями «Модели» так, чтобы их можно было превратить в «Представление».
«Представление» определяет логику интерфейса, генерирует HTML-страницы сайта
из данных, полученных от «Модели», интерпретированных «Контроллером» на основе запросов пользователя. К «Представлению» относятся шаблоны страниц, файлы стилей, Javascript-сценарии, Flash- и Silverlight-приложения.
Благодаря такой архитектуре логика ввода, бизнес-логика и логика интерфейса разделяются, но достаточно тесно взаимодействуют друг с другом. Это разделение позволяет работать со сложными структурами при создании web-приложения, так как обеспечивает одновременную реализацию только одного аспекта. Еще одним достоинством использования архитектуры MVC является простота в расширении функциональных возможностей приложения без существенно переработки кода.
На рис. 3.1 представлена архитектура редактора пакетов. Взаимодействие инструмента с другими компонентами происходит посредством компонента «Facade». Facade отвечает за внешнее взаимодействие компонентов CLAVIRE, в частности компонента базы пакетов и проблемно-ориентированного интерфейса (ПОИ), обеспечивает, в соответствии с настроенной политикой безопасности, вызов необходимых методов.
Все операции пользователь выполняет, используя модуль пользовательского интерфейса. В этом модуле реализованы методы вызова соответствующих функций из других логических модулей.
Все функции работы с сервером, как инициализация сессии, запрос списка пакетов, запросы описаний пакетов, запрос на создание и сохранение пакета реализованы в модуле работы с сервером. Данный модуль в свою очередь работает напрямую с компонентом «Facade», который перенаправляет соответствующие запросы компонентам, в которых реализованы соответствующие интерфейсы.
Модуль разбора описания пакета на EasyPackage выполняет следующие функции: лексический и синтаксический разбор описания пакета и представление данного описания в удобном для модуля пользовательского интерфейса виде. Кроме того данный модульный блок выполняет обратное преобразование, т.е. собирает заполненную пользователем информацию о пакете и преобразует ее в описание пакета на языке EasyPackage в соответствии со структурой языка.
Процесе разработки композитных приложений для интерактивной визуализации
В данном разделе описывается лабораторная работа по выявлению в социальных сетях скрытых групп пользователей, потенциально заинтересованных в распространении наркокультуры.
Объектом исследования в первую очередь являются коммуникационные процессы в социальных сетях, а также формирование скрытых сообществ. Значимость такого исследования обусловлена необходимостью анализа способов наиболее эффективного вброса информации в социальные сети для максимального целевого и быстрого распространения информации. Помимо этого при данном способе исследования существует возможность сравнения топологических характеристик сообществ и степени влияния друг на друга.
Целью исследования является выявление скрытых групп пользователей, потенциально заинтересованных в теме наркотиков, т.е. групп пользователей, у которых в текстах отсутствует явное упоминание терминов наркокультуры, но которые обладают интересами специфичными для пользователей участвующих в распространении наркокультуры в сети.
Методика исследования заключается в рассмотрении процесса обсуждения тематики, для чего используется база знаний с семантическим описанием темы наркотиков с последующим выявлением лиц, явно заинтересованных в теме наркотиков. Интересы полученного явного сообщества пользователей, открыто пишущих о наркотиках, анализируются, и выявляется список характерных для него интересов, которые встречаются в нем чаще, чем во всей сети. На основе полученного списка характерных интересов происходит поиск других пользователей сети, также заинтересованных в теме наркотиков, и которые и составляют основу скрытых групп распространения наркокультуры в социальных сетях. Проводятся анализ топологических свойств полученных групп пользователей и более точная оценка свойств сети пользователей, как явных, так и скрытых, участвующих в распространении наркокультуры в социальных сетях.
В лабораторной работе используются следующие вычислительные пакеты, организованные в автоматически реализуемую цепочку задач: Crawler - прикладной пакет для сбора данных о пользователях сети Livejournal на основе семантического описания текстов; ConsumerBasket - прикладной пакет поиска характерных интересов сообщества; Community Finder - прикладной пакет поиска подсети пользователей с заданными интересами; OptStatNet - прикладной пакет вычисления топологических характеристик сети; SciLab - многоцелевой пакет компьютерной математики и визуализации (заимствуется). В результате выполнения данной лабораторной работы можно будет сделать сле дующие выводы: і Определение модели/схемы распространения информации по конкретной тематике на конкретной сети группы пользователей, участвующих в распространении наркокультуры (явное сообщество);
Выявление характерных интересов для группы пользователей, участвующих в распространении наркокультуры;
Определение модели/схемы группы пользователей, также обладающих интересами характерными для распространителей наркокультуры (скрытое сообщество); Расчет и сравнение топологических характеристик явного и скрытого сообществ пользователей, участвующих в распространении наркокультуры. Основные теоретические сведения.
Распространение сообщений в социальной сети могут рассматриваться и как межличностные, и как массовые. Межличностными они могут рассматриваться, когда у бло-гера мало подписчиков, все они являются людьми, с кем он лично знаком, и именно их автор рассматривает в качестве адресатов сообщения (например, закрытые страницы либо закрытые «записи только для друзей» в социальной сети). Распространение сообщений (и соответственно, каналы распространения информации) можно считать массовыми, когда автор пишет сообщения с целью самовыражения, и в целом допускает, что его сообщения могут быть прочитаны кем угодно, т.е. потенциально рассматривает в качестве своего читателя анонимизированного индивида (открытые страницы в социальной сети, открытые записи).
Пространственным аналогом применительно к распространению информации можно считать схему (граф) распространения информации в виртуальном пространстве.
Для сбора информации из социальных сетей используются специальные программы, так называемые краулеры [74]. Краулер работает итерационно: на каждой итерации он посещает фиксированное число пользователей, после чего происходит анализ собранной информации. На первом этапе работы краулера формируется список новых узлов, найденных на каждой итерации. Для этого анализируются все ребра, найденные на итерации, и определяется, что они ведут в еще не посещенные узлы, для чего в память загружается список посещенных узлов. На втором этапе из списка узлов для обхода, построенного на предыдущей итерации, отфильтровываются узлы, которые еще не были посещены. Для реализации тематической политики обхода краулера используется подход, основанный на анализе контекста пользователя социальной сети: его интересов и его документов, в предположении, что люди, интересующиеся схожими темами, образуют неявные сообщества в социальной сети, и между ними существуют связи. Для содержательного анализа текстов и интересов пользователя используются методы, основанные на применении списка ключевых слов, которые достаточно полно описывают некоторую тему, например, тему наркотизации населения.
