کاربردهای فناوری رایانش ابری در سیستم‌های یادگیری الکترونیکی
درخت دانش
چکیده
امروزه و طی سال‌های اخیر، اینترنت فضایی برای خواندن صفحات وب به شمار می‌رود که امکان آموزش محیطی و پیاده‌سازی و اجرای نرم‌افزارهای تغییریافته را برای کاربران فراهم ساخته است. سیستم‌های یادگیری الکترونیکی اغلب مستلزم منابع سخت‌افزاری و نرم‌افزاری زیادی است که امروزه فنّاوری رایانش ابری، مسیر توسعه و دستیابی به بسیاری از نرم‌افزارها را تغییر داده است]1[. از میان فنّاوری‌های مختلفی که برای آموزش و یادگیری وجود دارند، یادگیری الکترونیکی چالش‌هایی جدی را به همراه دارد. از جمله اینکه در حال حاضر، سیستم‌های آموزش الکترونیکی، در سطح زیرساخت از مقیاس‌پذیری بسیار کمی برخوردارند که این مسئله هزینه‌های مدیریت منابع را به شدت افزایش میدهد. یکی دیگر از چالش‌های کلیدی، مسئلة بهره‌وری کارا از منابع است. علاوه بر این چالش‌ها، بايد هزینه‌های دیگری که برای ارائة سیستم یادگیری الکترونیکی پرداخته شوند، مانند هزینه‌های نگهداری سایت و سیستم‌های کامپیوتری، و هزینه‌های نصب و پشتیبانی فنی از بسته‌های نرم‌افزاری، را نیز در نظر گرفت. [5] «آموزش و يادگيري الكترونيكي مبتني بر مدل‌هاي رايانش ابري» راهکار مناسبی برای پرداختن به مسائل و چالش‌های مطرح شده است. در این تحقيق بررسی خواهیم کرد که چگونه یادگیری الکترونیکی را میتوان به صورت یک سرویس آموزشی در ابر ارائه نمود. به این منظور، پس از معرفی کوتاهی از فنّاوری رایانش ابری، مزایای استفاده از آنها را در سیستم‌های یادگیری و آموزش الکترونیکی بررسی می‌کنیم. سپس به ارائه و طراحی معماری این سیستم‌ها بر اساس مدل‌های رایانش ابری می‌پردازیم.
کلیدواژه: رایانش ابری، یادگیری و آموزش الکترونیکی، مدل‌های رایانش ابری.
مقدمه
رایانش ابری به تمام خدماتی گفته می‌شود که از طریق اینترنت و از یک مرکز دادة اختصاصی ارائه می‌شود. منابعی که برای ارائة خدمات نرم‌افزاری لازم است، معمولاً در مرکز دادهها فراهم می‌شود. «دسترسی به منابع محاسباتی نامحدود در صورت نیاز»، «عدم نیاز به سرمایه‌گذاری برای کسب وکار» و «صرف هزینه به میزان مصرف» برخی ویژگی‌های فنّاوری رایانش ابری به شمار می‌روند. وب 2، یکی از موفق‌ترین فنّاوری‌هایی است که در سامانه‌های آموزش و یادگیری الکترونیکی مورد استفاده قرار می‌گیرد. این فنّاوری با وجود مزایای بسیار، چالش‌هایی نیز به همراه دارد. یکی از راهکارهای مناسب برای روبه‌رو شدن با این چالش‌ها، استفاده از فنّاوری رایانش ابری است؛ بدین معنا که سامانه‌های یادگیری الکترونیکی مبتنی بر فنّاوری رایانش ابری پیاده‌سازی شوند. هدف از طراحی سامانة یادگیری الکترونیکی بر پایة معماری رایانش ابری، به‌کارگیری خدمات رایانش ابری به منظور پیاده‌سازی قابلیت‌های متداول یک محیط یادگیری و آموزش الکترونیکی است.[5]
بدنه تحقيق
تاريخچه
رایانش ابری و کاربرد آن در برخی سیستم‌ها در اواخر سال 2007 میلادی ابداع شد. در این مدل برنامه‌های کاربردی و اسناد از طریق اینترنت و از یک مرکز دادة اختصاصی ارائه می‌شود. از این‌رو کاربران به راحتی امکان دسترسی و اشتراک‌گذاری دادهها و برنامه‌های خود را از راه دور بر روی ابر پیدا کردندکه به محض مطالبة آنها، در اختیارشان قرار گیرد. این مدل امکان ذخیره‌سازی دادهها بر یک منبع ذخیره‌سازی مشترک را فراهم می‌سازد که کامپیوترهای متعدد و کاربران با افزایش قدرت محاسباتی می‌توانند با یکدیگر کار کنند. [3]. با رشد سریع کاربرد معماری رایانش ابری، تمرکز صنایع از اختصاص منبع پردازش به اجاره کردن منبع پردازش از یک فروشندة اختصاصی جابه‌جا شد [1].
رايانش ابري
تعريف رايانش ابري
اگرچه تعاریف بسیاری برای «رایانش ابری» در دانشگاه‌ها و محیط کسب‌وکار پیشنهاد و بیان شده است، ولی تاکنون تعریفی که به طور گسترده توجه زیادی را به خود جلب کند، وجود ندارد. این وضعیت به دلایل مختلفی از قبیل موارد زیر است: 1.رایانش ابری شامل مهندسان و محققان در زمینه‌های مختلف است که از زوایای مختلف و با دیدگاه‌های متفاوتی در زمینة فنّاوری رایانش ابری فعالیت می‌کنند. 2.فنّاوری رایانش ابری، همانند فنّاوری «وب2»، هنوز هم فرایند در حال رشد و توسعة مداوم را دارد. 3.ابرها فاقد مقیاس اجرا و پردازش دادهها هستند، که در نهایت مفهوم اصلی رایانش ابری را تحت تأثیر قرار میدهد.
با توجه به این مسائل، به نظر می‌رسد عناصری که به طور گسترده در فنّاوری رایانش ابری مورد استفاده قرار می‌گیرد، نقطة مشترکی دارد که این نقطة مشترک اولین بار از سوی مؤسسة ملّی استاندارد و فنّاوری (NIST) در ایالات متحده شامل «معماری ابر»، «استراتژی استقرار» و «امنیت» ارائه شد: «رایانش ابری مدلی است که به راحتی دسترسی به منابع اشتراکی و محاسباتی (به عنوان مثال: شبکه‌ها، سرورها، منابع ذخیره‌سازی، برنامه‌های کاربردی و خدمات) را فراهم می‌سازد و با تعامل ارائه‌دهندگان خدمات و مدیریت آنها می‌تواند با صرف کمترین زمان، دادهها یا خدمات تقاضا شده را ارائه دهد.» [3] درواقع «رایانش ابری» فنّاوری‌ای مقیاس‌پذیر برای ایجاد منابع مجازی است که امکان دسترسی به منابع را برای کاربران فراهم می‌سازد. با استفاده از این فنّاوری، کاربران می‌توانند بدون نیاز به هیچ‌گونه دانش خاصی دربارة مفهوم رایانش ابری و از طریق نرم‌افزارهای نصب شده روی رایانه‌ای که به سرور متصل است، از آنها استفاده کنند. رایانش ابری گرایش جدیدی از فنّاوری است که تأثیر قابل توجهی در محیط‌های آموزش و یادگیری الکترونیکی دارد. [4]
ويژگي‌هاي رايانش ابري
از جمله ویژگی‌های رایانش ابری عبارتند از:
3ـ2ـ1. سرویس‌دهی بر اساس تقاضا و پرداخت بر اساس میزان استفاده کاربر بر اساس نیاز فوری به یک منبع در یک بازة زمانی خاص، می‌تواند از امتیازهای منابع محاسباتی (مانند ذخیره‌سازی روی شبکه، استفاده از نرم‌افزار و ...) بهره‌مند شود و از طریقی مناسب برای دریافت خدمات با ارائه‌دهندگان خارجی تعامل داشته باشد. ماهیت خدمات‌رسانی خودکار در فنّاوری رایانش ابری به سازمان‌ها امکان ایجاد محیطی انعطاف‌پذیر را میدهد که بر اساس حجم کار و میزان کارایی هدف، خدمات خود را توسعه دهند و کاربران به میزان استفاده از خدمات ابر، هزینه پرداخت کنند.
3ـ2ـ2. دسترسی به شبکة گسترده منابع و خدمات می‌توانند از طریق شبکه (مانند اینترنت) و از طریق سیستم‌های سرویس‌گیرنده (مانند لپ‌تاپ، تلفن همراه و ...) و همچنین از طریق نرم‌افزارهای مبتنی بر ابر که برای کاربران مناسب است، در دسترس قرار گیرد.
3ـ2ـ3. ادغام منابع (زیرساخت مشترک) منابع و خدمات محاسباتی برای ارائه به کاربران متعدد در شبکه و به ویژه اینترنت از طریق زیرساخت‌های مشترک از جمله زیرساخت‌های ذخیره‌سازی، حافظه، پردازش، ماشین‌های مجازی و پهنای باند شبکه و به واسطة «مدل چندگانه» یا «مدل مجازی‌سازی» با یکدیگر ادغام شده‌اند تا در فضایی اشتراکی به کاربران متعدد در هر مکان و هر زمان خدمات موردنیاز را ارائه کنند. این به معنای تفاوت منابع فیزیکی و مجازی است که به صورت پویا بر اساس تقاضای کاربر به وی اختصاص داده می‌شود. دلیل ادغام منابع مبتنی بر مدل محاسبات، دو عامل «مقیاس» و «تخصص» است. مدل مبتنی بر ادغام، منابع فیزیکی را برای کاربر پنهان می‌سازد و آنها هیچ‌گونه دانش و اطلاعی دربارة محل و اصالت منابع (مثلاً پایگاه داده، پردازنده و ...) ندارند. همچنین کاربران هیچ‌گونه اطلاعات دقیق و شفافی مبنی بر اینکه داده‌هایشان در کدام بخش ابر ذخیره می‌شوند، نیز ندارند.
3ـ2ـ4. خدمات اندازه‌گیری با وجود ادغام منابع محاسباتی و اشتراک آنها از سوی کاربران متعدد، استفاده از منابع می‌تواند به صورت خودکار نظارت، کنترل و بهینه شود؛ چراکه زیرساخت‌های ابر مکانیزم استفادة هر کاربر به صورت منحصر به فرد را از طریق قابلیت‌های انداره‌گیری فراهم کرده است. [3]
معماري رايانش ابري
راه‌حل‌های زیادی برای ارائة نرم‌افزارهای مبتنی بر رایانش ابری به کاربر وجود دارد که به تجزیه و تحلیل و توصیف سیستم‌های مبتنی بر ابر کمک می‌کند. بسیاری از محققان به راه‌حل‌های ابر در قالب «مدل خدمات» و «مدل اجرا» مراجعه می‌کنند. این دو اصطلاح توسط مؤسسة ملّی استاندارد و فنّاوری (NIST) ارائه شده است. [3]
3ـ3ـ1. مدل تحویل خدمات رایانش ابری ابر از طریق ارائة «خدمات» می‌تواند با کاربر یا نرم‌افزار (به عنوان مشتری) تعامل داشته باشد. مدل‌های خدمات رایانش ابری به سه دستة زیر تقسیم می‌شوند:
الف. نرم‌افزار به عنوان خدمت (سَس) : در این مدل، فراهم کنندة خدمات ابر، مسؤولیت اجرا و نگهداری کاربردهای نرم‌افزاری، زیرساخت و بستر رایانشی را بر عهده دارد. درواقع در این مدل، نرم‌افزار به عنوان خدمات ارائه می‌شود.
ب. سکّو به عنوان خدمت (پَس) : در این مدل، فراهم کنندة خدمات ابر، مسؤولیت اجرا و نگهداری سیستم نرم‌افزاری و زیرساخت منابع رایانشی را بر عهده دارد.
ج. زیرساخت به عنوان خدمت (یَس) : فراهم کننده، مجموعه‌ای از منابع مجازی رایانشی را در ابر فراهم می‌کند. [2]
شکل1: مدل‌های رایانش ابری
3ـ3ـ2. مدل اجرای نرم‌افزارهای مبتنی بر رایانش ابری
اخیراً چهار مدل اجرا برای نرم‌افزارهای مبتنی بر رایانش ابری تعریف شده است:
الف. ابرهای اختصاصی زیرساخت‌های ابر به صورت انحصاری در یک سازمان واحد فراهم می‌شود. دلایل اختصاصی کردن ابر در یک سازمان عبارت است از اولاً: به حداکثر رساندن و بهینه‌سازی مصرف منابع موجود؛ دوماً: مسائل امنیتی مانند حفظ حریم امنیتی و جلب اعتماد؛ سوماً: هزینة انتقال دادهها از زیرساخت‌های محلی به ابرهای عمومی که همواره باید در نظر گرفته شود؛ چهارماً کنترل کامل بر فعالیت‌ها و در نهایت استفادة دانشگاهیان برای تحقیق و تدریس. بنابراین ابرهای خصوصی محلی برای استفادة شخصی مشتریان با امکان کنترل، امنیت و کیفیت خدمات دورن یک سازمان به شمار می‌رود که از یک مرکز دادة اختصاصی ارائه می‌شود.
ب. ابرهای عمومی این مدل گسترده‌ترین و کم‌هزینه‌ترین مدلی است که در دسترس عموم کاربران قرار می‌گیرد. از آنجا که دستیابی به این مدل برای همة کاربران امکان‌پذیر است، ممکن است تحت مالکیت و مدیریت کاربران قرار گیرد. کاربران و ارائه‌دهندگان خدمات بر روی سرورهای ابر، سیستم‌های ذخیره‌سازی و شبکه‌های مناسب با یکدیگر در تعامل هستند. ابرهای عمومی عمدتاً خارج از سازمان میزبانی می‌شود و راهی برای کاهش ریسک، کاهشزهزینه، انعطاف‌پذیری بالا و توسعة ناپایدار به شمار می‌رود. اصلی‌ترین ضعف استفاده از ابر عمومی، کاهش امنیت است که به دلیل دسترسی باز به نرم‌افزارها و داده‌های ابر ممکن است در معرض حملات ناخواسته قرار گیرد. آمازون، EC2، S3، Google، AppEngine محبوب‌ترین ابرهای عمومی به شمار می‌روند.
ج. ابرهای آمیخته این مدل راه‌حل‌های فنّاوری مجازی را با ترکیب دو یا چند ابر (خصوصی یا عمومی) که اشیاء منحصر به فرد را حفظ می‌کند، فراهم می‌سازد. سازمان‌ها از این مدل برای بهینه‌سازی منابع، افزایش توانایی‌ها و کنترل فعالیت‌های اساسی خود استفاده می‌کنند.
د. ابرهای اشتراکی این مدل برای به اشتراک‌گذاشتن منابع مشترک چند سازمانی است که هدف واحدی را دنبال می‌کنند که از همان زیرساخت‌های ابر، سیاست‌ها، ارزش‌‌ها و ... استفاده می‌کنند. زیرساخت‌های ابر را میتوان به صورت محلی در سازمان و یا توسط واسط میانی و با میزبانی داخلی و یا خارجی به کار گرفت. هزینة کاربران در این مدل بیشتر از ابر عمومی و کمتر از ابر خصوصی است، به همین دلیل موجب صرفه‌جویی در هزینه نیز می‌شود. [3]
اهميت فنّاوري رايانش ابري براي كاربران و توسعه‌دهندگان
الف. رایانش ابری برای توسعه‌دهندگان
1.امکان پردازش و ذخیره‌سازی بیشتری برای برنامه‌ها فراهم می‌آورد.
2.راه‌های جدید و مختلفی را برای دسترسی به اطلاعات، تعامل با کاربران و سایر منابع در مکان‌های مختلف، پردازش و تحلیل دادهها فراهم می‌سازد.
3.توسعه‌دهندگان از محدودیت‌های فیزیکی رهایی می‌یابند.
ب. رایانش ابری برای کاربران
1.کاربر می‌تواند در هر مکان و هر زمان به برنامه‌ها و اسناد خود دسترسی داشته باشد.
2.کاربر نگرانی از دست دادن اطلاعات را ندارد.
3.کاربر در هر مکان و زمان، امکان به‌روزرسانی، اشتراک‌گذاری اسناد و برنامه‌های کاربردی را دارد. [3]
شرايط به‌كارگيري خدمات رايانش ابري
در شرایط زیر به‌کارگیری رایانش ابری در مراکز داده توصیه می‌شود:
1.تقاضای درخواست خدمات، متغیر با زمان باشد؛ یعنی میزان بهره‌وری از مرکز داده در یک بازة زمانی متغیر باشد.
2.میزان تقاضا قابل پیش‌بینی نباشد. به عنوان مثال، میزان استقبال کاربران از خدمات جدیدی که ارائه می‌شود، از قبل مشخص نباشد.
3.نیاز به پردازش¬های با حجم بالا باشد.
هر سازمان یا نهاد در شرایط زیر می‌تواند ارائه‌دهندة خدمات رایانش ابری باشد:
1.سرمایه‌گذاری در ایجاد مراکز داده¬ی بزرگ، گردآوری زیرساخت¬های مقیاس‌پذیر و آموزش کارشناسان عملیاتی مورد نیاز
2.کسب درآمد بالا بر اساس اقتصاد در مقیاس
3.اهرم‌سازی سرمایه¬گذاری موجود، به این معنا که بتواند از سرمایه‌گذاری موجود، بیشترین درآمد را کسب کند. [5]
موانع و فرصت‌هاي موجود در به‌كارگيري فنّاوري رايانش ابري
از جمله موانع موجود در به کارگیری فنّاوری رایانش ابری، مسائل مطرح برای پذیرش، توسعه و سیاست‌گذاری این فنّاوری است که به سه دسته تقسیم می‌شود:
الف. پذیرش از جمله مسائلی که در پذیرش فنّاوری رایانش ابری مطرح می‌شود، عبارت است از: الف‌ـ1. دسترسی به خدمات: یکی از راه‌حل‌های موجود برای دسترسی به خدمات رایانش ابری در هر زمان، استفاده از چندین ارائه‌دهندة خدمات است. الف‌ـ2. قفل شدن داده: زمانی که داده به ارائه‌دهندة خاصی اختصاص داشته باشد، باعث می‌شود پس از ورود و پردازش داده، خروجی مورد نظر به همان ارائه‌دهنده محدود شود که اصطلاحاً به آن قفل شدن داده می‌گویند. یکی از راه‌حل‌های موجود، استاندارد کردن واسط‌های برنامه‌نویسی است که برای انتقال داده استفاده می‌شود. الف‌ـ3. محرمانگی داده: یکی از راه‌حل‌های موجود، رمزنگاری داده‌هایی است که در ابر قرار دارند.
ب. توسعه انتقال داده، بازده غیرقابل پیش¬بینی، ذخیره¬سازی مقیاس¬پذیر، خطاها در سیستم¬های توزیع¬یافتة بزرگ و مقیاس¬پذیری سریع از جمله مسائل مطرح در توسعة فنّاوری رایانش ابری هستند.
ج. سیاست‌گذاری در نهایت، مسائلی مانند اعتبار مشترک و مجوزدهی به نرم‌افزارهای ارائه شده در حوزة سیاست‌گذاری مطرح می‌شوند.
از کاربردهای رایانش ابری میتوان به موارد زیر اشاره کرد: 1. کابردهای تعاملی سیار: با استفاده از فنّاوری رایانش ابری، دسترسی به دادهها با استفاده از انواع ابزارهای سیار مانند تلفن همراه امکان‌پذیر است. 2. کاربردهای با حجم پردازش بالا (پردازش موازی): با استفاده از فنّاوری رایانش ابری، پردازش داده‌های حجیم با صرف زمان و هزینة کمتری صورت می‌پذیرد. 3. کاربردهای تحلیلی: برای مثال تجزیه و تحلیل کسب‌وکار با استفاده از خدماتی که ابر ارائه میدهد، بسیار کاراتر خواهد بود. 4. توسعة مدل‌های کسب‌وکار جدید: با استفاده از فنّاوری رایانش ابری میتوان مدل‌های جدیدی از کسب‌وکار را توسعه داد. 5. کاربرد در انتقال ریسک: مثال زیر بیانگر این کاربرد از فنّاوری رایانش ابری است: سایتی را در نظر می‌گیریم که به منظور ارائة یکی از خدمات جدید خود، در ابتدا برای مدیریت 40.000 کاربر تأمین منابع کرده است (1000 کاربر به ازای هر کارگزار × 40 کارگزار). فرض می‌شود10٪ از کاربرانی که خدمات ضعیف و نامطلوب دریافت می‌کنند، فرصت‌های همیشه از دست¬رفته باشند. اگر در نتیجة تبلیغات، در ساعت اول 50.000 کاربر به وبگاه مراجعه کنند، طبق فرض، از 10.000 کاربری که خدمات ضعیف و نامطلوب دریافت می‌کنند، %10 برای همیشه از دست می‌روند و در نتیجه 39.000 کاربر دائمی باقی می‌ماند. اگر در ساعت بعد 25.000 کاربر جدید اضافه شوند، 1.000 نفر از آن¬ها خدمات دریافت می‌کنند و از 24.000 کاربر بیش از ظرفیت مورد انتظار، 2.400 کاربر دیگر بازگشتی ندارند و در نتیجه 37.600 کاربر دائمی باقی می¬مانند. اگر این الگو همچنان ادامه یابد، بعد از 19 ساعت تعداد کاربران جدید به صفر نزدیک می¬شود، در حالی که کمتر از ظرفیت منابع تأمین شده، کاربر دائمی باقی مانده است و این به معنای انتقال ریسک است؛ یعنی قبول ریسک کسب و کار از تأمین‌کنندة سرویس به فراهم‌کنندة خدمات رایانش ابری انتقال می‌یابد. [5]
يادگيري الكترونيكي
امروزه یادگیرندگان به دنبال یک شبکة آموزش مداوم و پایدار هستند تا نیازهای خود را برآورده سازند. به دلیل کاهش استقبال از حضور در برخی مؤسسات آموزش عالی از سوی متقاضیان، آنها برنامه‌ای را برای آموزش از راه دور متقاضیان فراهم کردند که از آن به عنوان «یادگیری و آموزش الکترونیکی» یاد می‌شود. [3] یادگیری الکترونیکی فرایندی مبتنی بر اینترنت است که از فنّاوری اینترنت برای طراحی، اجرا، انتخاب، مدیریت، پشتیبانی و گسترش یادگیری استفاده می‌کند و مزایایی همچون انعطاف‌پذیری، تنوع، دستیابی باز و ... را به همراه دارد. ]4[ در محیط‌های یادگیری الکترونیکی سنتی، خدمات به طور معمول بر اساس آموزش «در هر زمان»، «در هر مکان» و «برای همه» شکل گرفته که پیاده‌سازی سیستم‌های مرتبط در مؤسسات آموزش عالی، بسیاری از مشکلات از قبیل ساخت و تعمیر سیستم‌ها و سرمایه‌گذاری بدون سود را به همراه داشت. آموزش الکترونیکی سنتی چالش‌هایی را به دنبال داشت که شامل: تخصیص و بهینه‌سازی منابع در مقابل درخواست‌های پویا، دسترسی و بازیابی اطلاعات از هر مکان و از هر زمان، مدیریت هزینه و انعطاف‌پذیری، زیرساخت‌های فنی، عدم شخصی‌سازی و ... بود و میزان استقبال یادگیرندگان را از چنین فضایی کاهش می‌داد. ]3[ یادگیری و آموزش الکترونیکی جایگزینی برای آموزش حضوری به شمار نمی‌رود؛ بلکه به طور قابل توجهی موجب افزایش بهره‌وری، به‌روزرسانی فنّاوری، ابزار و روش‌های مفهومی در آموزش می‌گردد. [4]
رايانش ابري و يادگيري الكترونيكي
امروزه نیاز به یادگیری الکترونیکی در حال افزایش است، به همین دلیل ضروری است سیستم‌های یادگیری الکترونیکی با فنّاوری مناسبی توسعه و بهبود یابند. اگرچه فنّاوری‌های روز دنیا همچون وب2، ابر و ... محیطی را برای پیاده‌سازی موفق‌تر و مؤثرتر سیستم‌های یادگیری الکترونیکی فراهم کرده است، ولی موضوع مورد توجه، چگونگی استفاده از این فنّاوری‌ها و ادغام آنها برای توسعة ابزارهای یادگیری الکترونیکی و دستیابی به نتایج بهتر در سیستم‌های آموزشی است. رایانش ابری و وب 2، دو فنّاوری مهمی هستند که ظهور آنها پیاده‌سازی، اجرا و توسعة سیستم‌های یادگیری الکترونیکی را به شدت تحت تأثیر قرار داده است. فنّاوری وب 2، به عنوان اصلی‌ترین فنّاوری برای انتشار محتوا و پشتیبانی پویا از طریق اینترنت به شمار می‌رود که امکان انتشار، تبادل و اشتراک‌گذاری دادهها از سوی کاربران را فراهم می‌سازد. استفاده از برنامه‌های کاربردی که از فناوری وب 2 استفاده می‌کنند، مانند (ویکی‌پدیا، وبلاگ‌ها، یوتیوب، شبکه‌های اجتماعی و ...) با امکان یافتن منابع مختلف و اشتراک‌گذاری، موجب بهبود تعامل و همکاری یادگیرندگان در محیط آموزش و یادگیری الکترونیکی می‌شود. [3] وب 2، یکی از موفق‌ترین فنّاوری‌هایی است که در سامانه‌های آموزش و یادگیری الکترونیکی مورد استفاده قرار می‌گیرد. این فنّاوری با وجود مزایای بسیار، چالش‌هایی نیز به همراه دارد که برخی از آنها به شرح زیر است:
1. این سامانه‌ها در سطح زیرساخت، از مقیاس پذیری بسیار کمی برخوردارند، یعنی بسیاری از منابع، اختصاص‌یافته هستند. 2. یکی از چالش‌های موجود، مسئلة بهره‌وریِ کارا از منابع است. یعنی برخی مواقع، منابع کمتر از میزان ظرفیت‌شان استفاده می‌شوند و برخی مواقع بیشتر از میزان ظرفیت‌شان. برای مثال در طول شب میزان کار با سامانه کمتر است و در طول روز برعکس آن صدق می‌کند. 3. هزینه‌های نگهداری وبگاه و سیستم‌های کامپیوتری، نصب و پشتیبانی فنی از بسته‌های نرم افزاری را نیز باید در نظر گرفت.
یکی از راهکارهای مناسب برای روبه‌رو شدن با این چالش‌ها، استفاده از فنّاوری رایانش ابری است؛ بدین معنا که سامانه‌های یادگیری الکترونیکی مبتنی بر فنّاوری رایانش ابری پیاده‌سازی شوند. [3] رایانش ابری به عنوان یک راه‌حل جدید برای اجرا و توسعة برنامه‌های کاربردی به شمار می‌رود که به چگونگی ارائة منابع به طور مؤثر و در مقیاس‌پذیری پویا می‌پردازد. در ابر، یاددهندگان نقش اصلی را ایفا می‌کنند که در توسعة یادگیری الکترونیکی بر فراز ابر نیز نقش دارند. بهره‌گیری از فنّآوری رایانش ابری در سیستم‌های یادگیری الکترونیکی، استراتژی یادگیری ترکیبی، بهبود محتوای تعاملی و همکاری مجازی در محیط آموزشی را به همراه دارد. میتوان از لایه‌های رایانش ابری (نرم‌افزار به عنوان خدمت، سکّو به عنوان خدمت و زیرساخت به عنوان خدمت) بعد از منابع محاسباتی که مجازی هستند، برای دسترسی یاددهندگان و یادگیرندگان استفاده کرد. [3]
قابلیت‌ها و خدمات سامانه‌های یادگیری الکترونیکی مبتنی بر ابر عبارتند از: 1.مدیریت مواد آموزشی مانند ارائه‌ها، سندها، تصاویر، نقشه‌ها و پروژه‌های آموزشی 2.ارائة ابزارهایی برای انجام آزمایش‌های علمی و شبیه‌سازی آنها 3.فراهم کردن امکان تعاملات جمعی، مانندگفتگوی جمعی، پیامک، رایانامه، انجمن، کنفرانس‌های صوتی و تصویری، نظرسنجی و جستجوی پروندة کاربران 4.ارائة ابزارهای ارزیابی یادگیرندگان، مانند برگزاری امتحان‌ها و دریافت و تصحیح تکالیف آموزشی 5.دارا بودن مخزنی برای نگهداری مواد آموزشی [5]
مزاياي استفاده از فنّاوري رايانش ابري در سيستم‌هاي يادگيري الكترونيكي
مزایای استفاده از خدمات رایانش ابری در سامانه‌های یادگیری و آموزش الکترونیکی به شرح زیر است: 1.قابلیت دسترسی از طریق وب در هر مکان و زمان 2.عدم نیاز به نصب نرم‌افزار خاص در سمت کاربر، صرف هزینه‌های نصب و نگهداری نرم‌افزار و مدیریت و به‌کارگیری کارساز (خدمت‌دهنده) 3.قابلیت پرداخت اشتراک بر حسب استفاده؛ یعنی به میزان استفاده از منابع، هزینه پرداخت می‌شود. 4.مقیاس‌پذیری بالای سامانه با اجرای کاربرد بر روی کارساز ابر 5.ذخیرة اطلاعات افراد یادگیرنده بر روی ابر 6.عدم نیاز به پشتیبان‌گیری موقت به منظور انتقال 7.امکان ایجاد و نگهداری پایگاهی از اطلاعات با حجم قابل افزایش 8.برای افرادی که قصد سوءاستفاده از سامانه را دارند، تعیین موقعیت ماشینی که دادة موردنظر آنها را ذخیره کرده، تقریباً غیرممکن است. 9.قابلیت مجازی‌سازی، امکان جایگزینی سریع سرویس‌دهنده‌های واقع در ابر را فراهم می‌سازد. 10.پایش نمودن دسترسی به دادهها آسان‌تر خواهد بود، زیرا تنها پایش یک مکان مورد نیاز است. 11.تغییر سیاست‌ها و روش‌های امنیتی به سادگی قابل آزمایش و پیاده‌سازی هستند.به این معنا که برای تمام کاربران، تنها یک مدخل ورودی در نظر گرفته می‌شود. [4]
معماري سيستم‌هاي يادگيري الكترونيكي مبتني بر رايانش ابري
معماری سیستم یادگیری الکترونیکی مبتنی بر رایانش ابری را میتوان در پنج لایه به شرح زیر تعریف کرد: [3] و [5] 1.لایة زیرساخت 2.لایة منابع نرم‌افزاری 3.لایة مدیریت منابع 4.لایة خدمات 5.لایة کاربرد
نحوة فعالیت هر یک از لایه‌های مذکور به شرح زیر است:
1.لایة زیرساخت این لایه به عنوان میزبان فیزیکی به صورت پویا و مقیاس‌پذیر، در پایین‌ترین لایة ابر قرار گرفته و متشکل از زیرساخت‌های ارتباطی (شامل: اینترنت / اینترانت، نرم‌افزار، اطلاعات مدیریت سیستم و برخی از نرم‌افزارها و سخت‌افزارهای شناخته شده) و منابع آموزشی است. این لایه منابع محاسباتی مانند حافظه فیزیکی و پردازنده را فراهم می‌کند.
2.لایة منابع نرم‌افزاری این لایه با ترکیب منابع نرم‌افزاری مختلف، ظاهر کاربری واحدی را برای توسعه‌دهندگان سیستم‌های یادگیری الکترونیکی فراهم می‌آورد و آنها را از طریق ابر در اختیار کاربران قرار میدهد.
3.لایة مدیریت منابع این لایه ترکیبی از منابع سخت‌افزاری و نرم‌افزاری را ادغام و در اختیار کاربر قرار میدهد.
4.لایة خدمات این لایه در سه سطح (نرم‌افزار به عنوان خدمت، سکّو به عنوان خدمت و زیرساخت به عنوان خدمت) به کاربران خدمات ارائه میدهد و کاربران می‌توانند از طریق اینترنت بدون نیاز به خرید سخت‌افزار، نرم‌افزار و پرداخت هزینه، به منابع موردنیاز خود دستیابی داشته باشند.
5.لایة کاربرد در این لایه برنامه‌های کاربردی با ادغام منابع آموزشی مبتنی بر رایانش ابری (شامل تعاملی بودن دوره‌ها و امکان اشتراک‌گذاری منابع) در اختیار یادگیرندگان قرار می‌گیرد. این لایه امکان تولید محتوا، یادگیری مشارکتی، ارزیابی و... را فراهم می‌سازد.
طراحي سامانه يادگيري الكترونيكي بر پايه معماري رايانش ابري
هدف از طراحی سامانة یادگیری الکترونیکی بر پایة معماری رایانش ابری، به‌کارگیری خدمات رایانش ابری به منظور پیاده‌سازی قابلیت‌های متداول یک محیط یادگیری و آموزش الکترونیکی است. مطابق شکل2، برخی قابلیت‌ها مانند مدیریت مواد آموزشی و ابزارهای شبیه‌سازی برای انجام آزمایش‌های علمی با استفاده از هر سه نوع مدل فنّاوری رایانش ابری قابل پیاده‌سازی و اجرا هستند. برخی قابلیت‌ها به لایة خاصی محدود می‌شوند. به عنوان مثال، تعاملات جمعی به خدمات لایة نرم‌افزار و سکو محدود می‌شوند یا قابلیت مخزن نگهداری مواد آموزشی تنها به لایة زیرساخت محدود می‌شود. در مقابل برخی دیگر از قابلیت¬ها، مانند ابزارهای شبیه‌سازی و انجام آزمایش¬های علمی، توسط هر سه مدل سرویس رایانش ابری قابل پیاده¬سازی هستند. [5]
شکل2: چگونگی به‌کارگیری خدمات رایانش ابری به منظور پیاده سازی قابلیت‌های متداول یک محیط یادگیری الکترونیکی
شکل 3 شمای کلی از طراحی سیستم یادگیری الکترونیکی بر پایه معماری رایانش ابری را در سه لایه نشان میدهد: [5]
شکل3: طراحی سیستم یادگیری الکترونیکی بر پایه معماری رایانش ابری
مطابق شکل 3، در بالاترین لایه، سامانة مدیریت ابر قرار دارد که واسط بین کاربر و منابعی است که به عنوان ابر در اختیار سامانه قرار داده می‌شود. بنابراین از یک سو کاربر (پژوهشگر، استاد یا دانشجو یا ...) و از سوی دیگر منابع قرار می‌گیرند. این سامانه برای پیاده‌سازی قابلیت‌های سامانة یادگیری الکترونیکی شامل بخشهایی به شرح زیر است: 1.بخش پایش و نظارت که بر نحوة اجرای تقاضاهای دریافتی، نحوة پیکربندی و به‌کارگیری منابع و سلامت یا از کارافتادگی آنها نظارت دارد. 2.بخش توزیع که بار محاسباتی بر روی منابع فیزیکی به منظور ایجاد تعادل بار حاصل از ماشین‌های مجازی مورد نیاز را بر عهده دارد. 3.بخش مدیریت ظرفیت منابع بر حسب نیاز، میزان منابع را افزایش یا کاهش میدهد. 4.بخش مدیریت امنیت به منظور نظارت بر ورود کاربران به محیط، اطمینان از حفظ محرمانگی و یکپارچگی اطلاعات و دادهها و همچنین امنیت تراکنش‌های کاربران است. 5.بخش مدیریت سیاست‌گذاری به منظور پایه‌گذاری و حفظ سیاست‌های آموزش و یادگیری موردنظر و همچنین سیاست‌های زمان‌بندی و نحوة تخصیص منابع به‌کار می‌رود. این بخش‌ها در کنار یکدیگر سامانة مدیریت ابر را تشکیل می‌دهند. در لایة دوم ماشین‌های مجازی قرار می‌گیرند که بر حسب نیاز میتوان ظرفیت آنها را کاهش یا افزایش داد و در پایین‌ترین لایه نیز منابع فیزیکی و سخت‌افزارهایی قرار می‌گیرند که در مرکز داده وجود دارد.
نمونه‌هایی موفق از به‌کارگیری رایانش ابری در سامانه‌های یادگیری الکترونیکی
9ـ1. سامانة Codecademy «Codecademy» در واقع یک سامانة یادگیری و آموزش الکترونیکی در زمینة برنامه‌نویسی است. در این سامانه امکان یادگیری برنامه‌نویسی به زبان‌های مختلف وجود دارد که با انتخاب زبان موردنظر، مباحث مربوطه، متغیرها، عملگرها و ... نمایش و آموزش داده می‌شود. در نهایت هم بخشی از سامانه امکان برنامه‌نویسی از سوی کاربر را مهیا می‌سازد که خروجی برنامه در همان زمان نیز به کاربر نمایش داده می‌شود. سرویس¬های رایانش ابری CloudFront آمازون و AppEngine گوگل از جمله خدماتی هستند که در پشتة خدمات پشتیبان این سامانه قرار دارند.
9ـ2. سامانة CLASS2Go
این سامانه از سوی دانشگاه استنفورد به عنوان سامانة آموزش و یادگیری الکترونیکی در اختیار کاربران قرار می‌گیرد. در این سامانه بخشهایی با عنوان درس اصلی، تمرینات درسی، آزمون و ... درج شده است که با ورود به هر قسمت میتوان مراحل را به ترتیب پشت‌سر گذاشت.
9ـ3. سامانة Coursera
«Coursera» سامانة آموزش و یادگیری الکترونیکی بسیار گسترده‌ای است که دانشگاه‌های زیادی از طریق این سامانه محتوا و آزمون‌های خود را ارائه می‌دهند. در این سامانه درس‌های گذرانده شده، دریافت شده، آزمون‌ها و... در پروندة کاربر نمایش داده می‌شود. زمانی که کاربر قصد بارگذاری یکی از پوشه‌های درسی را دارد، پیوند نمایش داده شده com.http://spark-public.s3.amazonaws است. «s3» یکی از خدمات فراهم‌کنندة ابر آمازون است که فضای ذخیره‌سازی روی ابر را در اختیار کاربر قرار میدهد. درواقع محتوای آموزشی هر درس در آنجا ذخیره می‌شود.
9ـ4. سامانة Mapreduce
این سامانه، یک چارچوب مورداستفاده برای برنامه‌نویسی موازی،است که تحت این چارچوب، کارهای پردازشی توزیع می‌شود.Map و Reduce نام دو مرحله‌ای است که تحت این چارچوب اجرا می‌شوند. یعنی در مرحلة Map کارها توزیع و نتایج پردازش شده در بخش Reduce جمع‌بندی می‌شود و به عنوان خروجی نهایی تولید و نمایان می‌شود. این سامانه از سوی بسیاری از دانشگاه‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد و از خدمات آمازون استفاده کرده است. این سامانه به طور کامل می‌تواند روی ابر اجرا شود.
نتیجه گیری
رایانش ابری به تازگی به عنوان یک پارادایم مهم و ضروری برای مدیریت و ارائة خدمات در بستر اینترنت ظهور کرده است. ظهور رایانش ابری به سرعت چشم‌انداز فنّاوری اطلاعات را تغییر داده و پس از یک وعدة طولانی با فراهم آوردن ابزار محاسباتی در بستر شبکه، به یک واقعیت تبدیل شده است. رایانش ابری می‌تواند جوامع و ملّت‌ها و به ویژه نظام آموزش و یادگیری را تغییر دهد و منابع و خدمات آموزشی را از سراسر جهان در هر زمان در اختیار یادگیرندگان و یاددهندگان قرار گیرد که موجب کاهش هزینه و تسهیل ارائة خدمات به کاربران می‌گردد. رایانش ابری یادگیرندگان را قادر می‌سازد تا برای کسب مهارت و دانش به رقابت در جامعة اطلاعاتی ترغیب شوند. [4] آموزش الکترونیکی با توسعة فنّاوری‌های جدید، به یکی از پرطرفدارترین شیوه‌های یادگیری تبدیل شده است. همچنین با رشد فنّاوری اطلاعات، این نیاز احساس می‌شودکه مدیران مؤسسات آموزشی بتوانند خدمات آموزشی خود را به صورت سرویس‌هایی مستقل از بسترهای محاسباتی به دانش‌آموزان ارائه نمایند. جهان رایانه به این سمت حرکت خواهد کرد که نرم‌افزارهایی توسعه پیدا کنند که به صورت هم‌زمان توسط میلیون‌ها نفر از اقصی نقاط جهان مورد استفاده قرار گیرند. پیدایش و رشد رایانش ابری یکی از تحولات در تحقق این امر است. [6] وضعیت اقتصادی فعلی در نهادها و سازمان‌ها، سبب شده تا آنها استفاده از رایانش ابری در سیستم‌های خود را به عنوان یک راه‌حل درنظر بگیرند. دانشگاه‌ها از این ابتکار در سیستم‌های آموزش و یادگیری الکترونیکی استفاده کردندکه کاهش هزینة معناداری را نشان داد. به همین دلیل پیاده‌سازی معماری رایانش ابری در سیستم‌های یادگیری الکترونیکی تحولی را در نظام آموزش عالی به وجود آورده است. [4]
منابع و مراجع
[1] Riahi Gh., E-learning Systems Based on Cloud Computing, Procedia Computer Science, Volume 62, 2015, Pages 352-359.
[2] Zheng H., A Virtual Learning Community Based on Cloud Computing and Web 2.0, International Journal of Computer Science Issues , Volume 9, 2012.
[3] AlCattan R.F, Integration of Cloud Computing and Web2.0 Collaboration Technologies in E-Learning, International Journal of Computer Trends and Technology (IJCTT), Volume 12, 2014.
[4] Huang X. , Masud H., An E-learning System Architecture based on Cloud Computing, International Journal of Computer, Volume 6, 2012.
[5]وکیلی گلناز، طراحی سیستم یادگیری و آموزش الکترونیکی مبتنی بر مدل‌های رایانش ابری، هفتمین کنفرانس ملّی و چهارمین کنفرانس بین‌المللی آموزش و یادگیری الکترونیکی ایران، شیراز، 1391.
[6]لاریمی مهتاب، ارائه معماری مقیاس‌پذیری زیرساخت ابرهای ارائه‌کننده خدمات آموزش الکترونیکی، هفتمین کنفرانس ملّی و چهارمین کنفرانس بین‌المللی آموزش و یادگیری الکترونیکی ایران، شیراز، 1391.