褚慶軍

云計算技術在教育考試中的應用

褚慶軍

本文在充分研究云計算技術及云服務模式的基礎上，針對教育考試的需求及面臨的問題，提出構建國家級云數(shù)據(jù)中心設想，提供包括基礎服務、專業(yè)化服務和應用支撐服務在內的云服務，同時展望了未來教育考試領域結合云計算技術的發(fā)展方向和前景。

教育考試信息化；云計算；云應用；云服務

1 引言

云計算是近年來迅速發(fā)展起來的基于互聯(lián)網的計算模式，是繼20世紀80年代由大型機轉到客戶機－服務器模式以來，又一次革命性的轉變。云計算旨在通過集約化的各類資源整合實現(xiàn)高質量的服務[1]，是網絡、分布式計算、虛擬化等技術不斷發(fā)展融合的產物。云計算的特點主要體現(xiàn)在：按需采用即用即付費的方式分配計算、存儲和帶寬資源，動態(tài)擴展功能和部署新服務的高可擴展性，提高各類資源的高利用率等[2-3]，這些特點使得云計算可以為用戶提供更加符合應用需求、高可靠性、彈性擴展的更優(yōu)化的服務。

信息技術的快速發(fā)展改變了世界、改變了社會、改變了人們生活和工作方式。當前經濟社會已經進入全新的云時代，云計算也日益為眾多企業(yè)所接受并廣泛采用。教育考試行業(yè)也不例外，隨著信息技術的蓬勃發(fā)展，考試手段從原始的人工管理發(fā)展到利用計算機網絡等現(xiàn)代信息技術，考試命題、考生報名、考試組織、網上閱卷、考試評價等方面都發(fā)生了巨大變化。隨著考試規(guī)模不斷擴大，社會對考試的科學性、公平性要求不斷提高。我們要充分利用云計算技術，建設國家教育考試云數(shù)據(jù)中心，不斷提升國家教育考試的專業(yè)化水平。

本文在充分研究云計算技術及云服務模式的基礎上，提出構建國家教育考試云數(shù)據(jù)中心的設想，并在此基礎上探索教育考試應用云化的實現(xiàn)方式。

2 云計算技術在教育考試中的應用

2.1 教育考試信息化現(xiàn)狀

教育考試涉及學習、教學和教育政策等因素，考試的結果會影響到考生個人的發(fā)展和成就的判斷，也會影響到教育的實體或管理部門，如學校、各級管理部門等[4]。因此，教育考試往往是一個高利害、高敏感和高質量要求的涉及全社會的工程，是一個非常專業(yè)的領域。同時教育考試是對人接受教育效果或掌握知識能力的測量，最終是對運用知識的行為能力的評測。因此，在測量過程中對信息管理和信息技術的應用具有獨特深入的需求。

教育考試應用系統(tǒng)的功能或服務包括命題制卷、考試組織、閱卷評分、分數(shù)合成轉換、成績發(fā)布解釋、分數(shù)應用等，構建和維護應用系統(tǒng)應該是建立在一定科學模型之上的系統(tǒng)性工程，并具有系統(tǒng)性、科學性、嚴密性、專業(yè)性等特點。目前，教育考試機構應用系統(tǒng)的狀態(tài)具有以下一些特點：（1）系統(tǒng)功能不斷豐富，但系統(tǒng)之間的服務往往以交換數(shù)據(jù)文件方式進行，系統(tǒng)的維護和擴展能力受到限制。（2）系統(tǒng)逐漸從傳統(tǒng)C/S模式轉向Web架構，并行運行的系統(tǒng)越來越多，而且單個應用系統(tǒng)需要多臺服務器的支撐，運維任務十分繁重，系統(tǒng)風險逐漸增長。（3）圖像和視頻數(shù)據(jù)逐漸成為應用系統(tǒng)的關鍵數(shù)據(jù)，各類非結構數(shù)據(jù)也快速增長，使存儲和數(shù)據(jù)共享成為系統(tǒng)維護和應用支撐的困難。（4）智能技術應用正在逐漸發(fā)展和投入使用，需要調度大量計算資源，普通的集群和虛擬化技術已經很難適應這類應用。（5）考試安全是應用系統(tǒng)需要提供的基本保障，數(shù)據(jù)安全、數(shù)據(jù)保密、系統(tǒng)安全和可靠性在傳統(tǒng)網絡環(huán)境下受到很多挑戰(zhàn)。

信息技術作為國家教育考試的重要支撐，經過多年的發(fā)展在教育考試系統(tǒng)得到廣泛應用。網絡基礎設施建設、業(yè)務應用軟件等方面取得了長足發(fā)展，特別是國家教育考試標準化考點建設的推進，構筑了覆蓋全國的教育考試網絡基礎平臺，建設并完善了考試綜合業(yè)務系統(tǒng)、考生身份驗證系統(tǒng)、作弊防控系統(tǒng)、視頻及網絡監(jiān)控系統(tǒng)、應急指揮系統(tǒng)，形成了安全、實時、高效的國家教育考試運行體系，全面提升了國家教育考試管理水平和服務質量。但是，我們應該看到，信息技術在我國考試中的應用與世界發(fā)達國家相比還有相當差距，在考試命題、考試實施、閱卷、成績處理、評價等方面還存在明顯不足。

教育考試即將告別紙筆模式而進入機考時代?；谟嬎銠C的考試更加依賴于計算技術和計算環(huán)境的支撐，題庫系統(tǒng)需要高可靠性和大規(guī)模計算能力，機考考場管理等大規(guī)模遠程系統(tǒng)對后端的服務也提出了更高的要求，而題目呈現(xiàn)將會應用虛擬現(xiàn)實技術（VR）等新興技術，計算機化考試對應用系統(tǒng)的功能和運行環(huán)境將會提出更高的要求。

2.2 教育考試云數(shù)據(jù)中心建設與云服務

基于教育考試信息化不斷增長的需求和面臨的問題，教育考試領域構建云數(shù)據(jù)中心，即具有云計算模式的數(shù)據(jù)中心將是一個發(fā)展趨勢。建設云數(shù)據(jù)中心目的是為了提供更高質量的信息服務和業(yè)務應用的支撐能力，即所謂云服務。

2.2.1 云服務

通常意義上來說，云計算所提供的標準的云服務包括IaaS（基礎設施即服務）[5]、PaaS（平臺即服務）[6]、SaaS（軟件即服務）[7]，如圖1所示。

圖1 云服務

IaaS將基礎設施作為云服務環(huán)境提供給所需用戶。云服務用戶可以通過基礎設施獲得更多、更為實用、更為靈活的云服務，如網絡服務、通信服務、存儲服務、開發(fā)環(huán)境服務、軟件服務等。

PaaS構建在IaaS之上，它可以把用戶所需要的軟件開發(fā)環(huán)境、軟件運行環(huán)境以平臺的形式提供。用戶可以直接在平臺上開發(fā)自己的云應用產品，這些平臺還提供可配置的服務，如安全性要求、應用資源大小、數(shù)據(jù)庫存儲服務等。

SaaS是最成熟、知名度最高的云計算服務類型。SaaS的目標是將一切業(yè)務運行的后臺環(huán)境放入云端，通過一個瘦客戶端（通常是Web瀏覽器）向最終用戶直接提供服務。這樣將大幅度降低云服務用戶購買和維護服務器設備及軟件方面的成本。

IaaS云服務是PaaS云服務和SaaS云服務的重要基礎，是實現(xiàn)PaaS云服務和SaaS云服務的基礎保障[8]。云服務是云計算能夠滿足用戶需求的最終體現(xiàn)，是目前云計算改變計算模式的主要體現(xiàn)。

2.2.2 教育考試云數(shù)據(jù)中心建設

建設教育考試云數(shù)據(jù)中心應以解決教育考試領域所面臨的問題為目的，以為教育考試未來發(fā)展提供計算環(huán)境和服務為目標，綜合平衡運維能力、經濟投入和性能效益，在不同層次的考試管理機構中需要考慮對云計算不同的應用和建設方案。因此，在云數(shù)據(jù)中心的建設方面應注意：第一，考慮我國教育考試的計算規(guī)模需求和業(yè)務管理特性，在省級考試機構建設云數(shù)據(jù)中心，并逐漸在國家云數(shù)據(jù)中心將各省市數(shù)據(jù)中心虛擬化為一個行業(yè)云。這是比較可行的發(fā)展方向，有利于充分利用目前已經存在的計算資源的管理升級，充分發(fā)揮領域資源的一體化應用和服務共享（如圖2所示）；第二，充分考慮教育考試的業(yè)務安全與信息服務特性，在核心安全業(yè)務方面使用私有云，甚至建立與外網隔離的桌面云，在面向考生和公眾服務功能方面結合公有云，使系統(tǒng)安全與高質量服務相結合；第三，選擇成熟的云操作系統(tǒng)和相關基礎支撐軟件系統(tǒng)，提升可視化和自動化系統(tǒng)管理能力，減少運維壓力；第四，積極推進信息技術人才的引進和培養(yǎng)，加強與網絡管理、網絡安全、數(shù)據(jù)分析、人工智能等高新技術公司和部門的合作，更新理念，重視人才，促進云計算技術產品的應用和云環(huán)境下應用系統(tǒng)的開發(fā)能力。

圖2 國家教育考試云平臺

在云計算環(huán)境下建設的云服務可以更好地發(fā)揮云數(shù)據(jù)中心的作用，基于IaaS、PaaS和SaaS技術，云服務將分為基礎服務、專業(yè)化服務和應用支撐服務三個方面。云數(shù)據(jù)中心在基礎服務方面可以提供虛擬數(shù)據(jù)中心或網絡環(huán)境，基層或考試項目部門可以在云數(shù)據(jù)中心申請獨立的虛擬網絡環(huán)境，構建獨立運行的應用系統(tǒng)。專業(yè)化服務是為一些需要特殊計算環(huán)境的業(yè)務提供服務，如教育考試的報名系統(tǒng)、評卷系統(tǒng)等都會對環(huán)境提出專業(yè)化要求。很多基層考試機構的應用可在省市級的云平臺上定制這些服務，以便使用這些系統(tǒng)能夠達到安全可靠和專業(yè)化的運行環(huán)境。應用服務是云數(shù)據(jù)中心提供的軟件服務功能，在云平臺上可以開發(fā)一些共享性和可定制的教育考試軟件，如考生報名、編排考場、分數(shù)發(fā)布等考生服務系統(tǒng)。一些考試項目或機構可以直接應用這些軟件服務，減少重復開發(fā)、測試、維護的負擔和風險。建設教育考試云數(shù)據(jù)中心可以實現(xiàn)教育考試資源管理控制的一體化、運維管理的自動化和業(yè)務流程的程序化，為業(yè)務系統(tǒng)提供一個高效、動態(tài)、靈活的IT基礎運行環(huán)境，有效解決教育考試領域信息化發(fā)展和服務提升面臨的諸多問題，進一步提升教育考試業(yè)務研究、服務管理的水平和能力。

2.3 教育考試應用云化

傳統(tǒng)的Web架構多數(shù)為表示層、業(yè)務邏輯層、數(shù)據(jù)訪問層三層架構，在早期對應用系統(tǒng)的開發(fā)起到了重要作用。但是隨著云計算的發(fā)展，軟件在面向對象的基礎上進一步抽象化，形成不同功能的業(yè)務子塊，以服務的方式對其他子塊提供服務，軟件的開發(fā)及運行環(huán)境的維護都由云數(shù)據(jù)中心來進行。

2.3.1 應用系統(tǒng)云化

應用系統(tǒng)云化是目前的基本趨勢，隨著微服務、REST、軟件云化等概念的引入，云環(huán)境下的軟件不再是一個簡單的代碼實體，而是由一系列服務構成的服務綜合體，通過互聯(lián)網進行交付，體現(xiàn)為一種更加契合云環(huán)境的軟件形態(tài)。云化的應用系統(tǒng)具備以下特征：（1）自動化要求。云計算環(huán)境下應用的自動化，是云計算賦予應用系統(tǒng)對平臺基礎架構的資源配置的統(tǒng)籌和對資源的動態(tài)分配的能力，自動化的目標是提高資源分配的效率，減少人為操作而帶來的不必要的錯誤。（2）分布式架構與彈性伸縮。云計算下的應用系統(tǒng)設計應當符合分布式架構的要求，采用集群等模式進行部署，這樣在應用程序運行需要更多的計算資源時，無論是計算還是存儲需求，云計算平臺都及時為應用系統(tǒng)提供服務，適應應用系統(tǒng)的需求。（3）松耦合。云化之后的應用系統(tǒng)，要實現(xiàn)系統(tǒng)之間的對接及擴展，就必須在設計的時候考慮松耦合的架構。在進行Web應用設計的時候，對于用戶狀態(tài)的保持就需要盡量采用無狀態(tài)的方式來設計，這樣可以提高應用程序的擴展能力。比如SOA模型中，根據(jù)系統(tǒng)需求將系統(tǒng)組件的子接口集封裝成公開的服務，任何應用都以公開服務的形式連接到系統(tǒng)中來，方式靈活，簡單快速，真正實現(xiàn)了信息共享和系統(tǒng)的互聯(lián)互通。（4）云存儲。在云計算環(huán)境下，尤其是對于互聯(lián)網應用，一方面云計算環(huán)境面對的是海量數(shù)據(jù)的存儲，另一方面互聯(lián)網應用數(shù)據(jù)的存儲類型較為復雜及多樣化，既有結構化數(shù)據(jù)又有非結構化數(shù)據(jù)。因此，云計算平臺需要針對結構化及非機構化數(shù)據(jù)提出存儲方案，同時應用程序的架構需要針對新的存儲方式進行調整。

2.3.2 教育考試應用云化

在行業(yè)應用云化中，一般會面臨幾個方面的問題：首先是已經存在的系統(tǒng)架構的升級轉化問題。這個轉化過程和需要考慮的新的架構的設計都需要一定的人力投入和技術轉型升級的準備；其次是技術隊伍的建設問題，在技術模式轉化和理念轉變方面需要作出重要的努力。盡管云計算在概念層面已經和Web一樣流行，但轉入深度的技術開發(fā)和應用，對很多團隊仍然是挑戰(zhàn)；第三是需要考慮在語義網技術、云存儲等基礎層面構建適應未來發(fā)展的云應用系統(tǒng)，強化未來應用系統(tǒng)的自動感應性Web服務、智能化計算技術等方面的發(fā)展。這些問題也是教育考試應用不斷走向云化所要面臨的挑戰(zhàn)，在發(fā)展的過程中需要做好應對策略，避免由于技術轉換而產生管理和業(yè)務方面的問題，同時，也要考慮由于開發(fā)能力、維護能力不足所產生的系統(tǒng)性先天缺陷。

教育考試應用系統(tǒng)普遍運行在獨立和固定的網絡環(huán)境中，在轉移到云計算環(huán)境時需要根據(jù)業(yè)務的需求來綜合考慮克服或規(guī)避上述問題。針對命題、閱卷、分數(shù)合成等安全要求較高的應用，在轉到云環(huán)境時尤其應該注意。而面向考生服務和考試過程管理功能的大規(guī)模用戶開放系統(tǒng)，如報名系統(tǒng)、考試組織系統(tǒng)、分數(shù)發(fā)布系統(tǒng)等，在構建標準云化應用時，很多系統(tǒng)可以考慮重構，重構過程應充分使用所謂“拆”“彈”“云”的三字訣[9]。只有將系統(tǒng)中融入分布架構、彈性伸縮、數(shù)據(jù)云存儲和自動化等云環(huán)境的技術特性，才能充分體現(xiàn)和享用云計算的優(yōu)勢，如圖3構建的教育考試云化應用架構。這些轉換帶來的是對技術開發(fā)水平要求的提升，雖然很多業(yè)務系統(tǒng)都將面臨重構，但由于云化各系統(tǒng)及服務之間以松耦合的狀態(tài)存在，將每一個系統(tǒng)或服務分擔給不同的開發(fā)團隊，這使得多團隊協(xié)作成為可能。整體系統(tǒng)的開發(fā)效率大大提升，同時由于系統(tǒng)的拆分，也使得系統(tǒng)的容錯性大大提升。

我國教育考試領域目前正孕育著很多業(yè)務模式的突破性發(fā)展，具有代表性的是基于計算機的自適應考試系統(tǒng)和智能測量，這些技術在國際上一些大型考試中已經越來越成熟，在開發(fā)這些應用的過程中應充分考慮云應用的特性和使用云計算可以提供的更強有力的支撐。對教育考試業(yè)務需求和云計算技術發(fā)展的持續(xù)跟蹤研究是保障開發(fā)出高質量云應用系統(tǒng)的基礎，在很多工程中使用成熟的技術是成功的關鍵，而對這些技術的掌握在于培養(yǎng)和發(fā)展高水平的團隊。目前IT發(fā)展的趨勢是計算環(huán)境云化服務和軟件開源，因此構建一個良好應用的核心投入集中在技術人力方面，這是云時代最突出的特點。

3 在教育考試中云計算應用的發(fā)展趨勢和展望

圖3 教育考試云化應用架構

目前由于對云計算技術的理解程度各有差異，導致各省考試機構在應用云計算技術提升自身業(yè)務支撐水平及運維能力上存在不均衡的發(fā)展狀態(tài)，個別省由于資金及其他因素導致其依然停留在傳統(tǒng)架構之上。由于教育考試具有很強的時效性及突發(fā)性，因此如何在國家層面統(tǒng)一規(guī)劃和利用好計算資源對于降低教育考試領域信息化成本、提升運維管理效率有巨大的推動作用。同時，對于應用云化來說，由于教育考試領域的各類業(yè)務系統(tǒng)在需求上帶有很強的相似性，在國家層面將這些系統(tǒng)進行云化，以服務的形式進行提供，對于減少各級考試機構重復開發(fā)、提升業(yè)務系統(tǒng)支撐能力具有深遠影響。

未來教育考試領域將實現(xiàn)各省數(shù)據(jù)中心虛擬化，并在此基礎上構建統(tǒng)一管理、統(tǒng)一運維的國家云數(shù)據(jù)中心，各地可以根據(jù)自身需求通過同一平臺實現(xiàn)資源的申請和使用，同時在云服務層面，國家級數(shù)據(jù)中心提供IaaS、PaaS、SaaS云服務，將云化的應用和其他類型的服務，以服務的方式進行提供，這必將帶來國家教育考試信息化建設的又一次騰飛。

[1]張為民,唐劍峰,羅治國,等.云計算深刻改變未來[M].北京:科學出版社,2009.

[2]陳康,鄭緯民.云計算:系統(tǒng)實例與研究現(xiàn)狀[J].軟件學報,2009, 20（5）:1337-1348.

[3]LINTHICUM D S.云計算與SOA[M].馬國耀,譯.北京:人民郵電出版社,2011:11-15.

[4]American Educational Research Association,American Psychologi?cal Association,National Council on Measurement in Education. Standards for Educational and Psychological Testing[M].Washing?ton DC:American Educational Research Association,2014.

[5]BHARDWAJ S,JAIN L,JAIN S.Cloud computing:A study of infra?structure as a service（IAAS）[J].International Journal of Engineer?ing and Information Technology,2010,2（1）:60-63.

[6]VAQUERO L M,RODERO-MERINO L,CACERES J,et al.A break in the clouds:Towards a cloud definition[J].ACM SIGCOMM Computer Communication Review,2009,39（1）:50-55.

[7]CUSUMANO M.Cloud computing and SaaS as new computing plat?forms[J].Communications of the ACM,2010,53（4）:27-29.

[8]馮秀珍,郝鵬.云計算環(huán)境下的信息資源云服務模式研究[J].計算機科學,2012,39（10）.

[9]莫顯峰.云計算應用系統(tǒng)架構三字訣[J].程序員,2013（6）.

Application of Cloud Computing Technology in Education Examinations

CHU Qingjun

Based on full research on cloud computing technology and cloud service models,this paper proposes building a national data center to provide services ranging from basic services,professional services to application support services to meet the demands of education examinations and solve the problems they are confronting.It also looks to future directions and prospects of cloud computing technology application in education examinations.

Digitalization of Education Examinations;Cloud Computing;Cloud Application;Cloud Services

G405

A

1005-8427（2016）11-0038-6

（責任編輯：陳睿）

本文系全國教育科學“十二五”規(guī)劃2011年度教育部重點課題“云計算技術在教育考試中的應用研究”（批準號：GFA111005）的研究成果。

褚慶軍，男，教育部考試中心，助理研究員（北京 100084）