計算機實驗教學平臺建設

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摘要：為了解決高校計算機實驗室存在的實驗室規(guī)模有限、實驗室建設資金相對匱乏、軟硬件維護和升級工作量大、資源利用率低、無法提供個性化服務等問題，提出了基于云計算的計算機實驗教學平臺的架構，闡述了該平臺的建設方案，并將其應用到我校計算機實驗教學中。該平臺可以降低實驗室維護成本、快速部署實驗環(huán)境、提供個性化服務，滿足了學生在線自主學習的需要，提高了學生的創(chuàng)新能力和教學質量。

關鍵詞：云計算；資源虛擬化；實驗教學平臺；資源共享

0引言

隨著“互聯(lián)網＋”計劃的提出，教育信息化受到了前所未有的關注，并且已經被納入到國家發(fā)展戰(zhàn)略的層面，高校計算機輔助教學也已經成為培養(yǎng)創(chuàng)新型人才和高素質人才戰(zhàn)略的一個重要組成部分。高校計算機實驗室承擔著全校計算機相關專業(yè)的課程實驗任務、非計算機專業(yè)的計算機公共基礎課的實驗任務和計算機類的考試和科研任務，而目前大多數高校計算機實驗室的建設仍然采用每臺計算機獨自享用資源的模式，這樣就會導致后期軟硬件購買成本高、系統(tǒng)管理維護困難、系統(tǒng)容易受病毒攻擊等問題。而云計算技術作為一種新型的具有虛擬化和高擴展性的計算模式，為高校的資源建設和教育教學改革提供了思路［1－2］。近年來國內外很多高校圍繞云計算的應用展開了研究，在云計算輔助教學、云計算資源建設等方面進行了有益的實踐和探索，推動了高校教育教學的發(fā)展和創(chuàng)新［3－5］。構建基于云計算的計算機實驗教學平臺，可以有效整合教學資源，使每臺計算機通過互聯(lián)網獲得所需的軟硬件資源，包括網絡資源、服務器資源、存儲資源、應用軟件資源等，用戶可以根據自身實際需要，通過功能擴展的方式獲得云計算實驗教學平臺中的各種IT服務，從而提高資源利用率，降低實驗室軟硬件購買和維護成本，為學生實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和學校實踐教學模式的改革提供支持。

1高校計算機實驗室現狀分析

1．1實驗室建設規(guī)模有限

隨著教育信息化的迅速發(fā)展，高校計算機實驗室的建設規(guī)模也在逐年擴大，計算機性能不斷提高。但高校的逐年擴招和無紙化考試的日益盛行使得現有計算機實驗室的規(guī)模仍然不能滿足目前計算機教學實踐、各類網絡考試任務和教師科研任務的需求，部分高校的計算機實驗室?guī)缀鯖]有空閑時間，學生很難利用業(yè)余時間進行實踐練習。

1．2建設資金相對匱乏

計算機實驗室的軟硬件環(huán)境是提高實驗教學質量的關鍵，而目前大多數高校計算機實驗室的建設仍然采用每臺計算機獨享資源的模式，改善實驗室環(huán)境時需要在每臺計算機上都進行軟硬件的更新，需要承擔高昂的軟硬件升級和維護的成本。

1．3資源利用率偏低

由于學生的專業(yè)和研究方向不同，所需要的實驗室軟硬件環(huán)境也是不同的，一般的高校會為某一類專業(yè)或研究領域的學生配備專業(yè)實驗室，以提高教學質量，但會導致這些專業(yè)實驗室的資源無法為其他教師和學生服務，使得實驗室資源利用率偏低。

1．4日常維護工作量大

現有的計算機獨享資源模式使得實驗室管理者往往會在一臺機器即母機上安裝大量軟件，然后通過網絡克隆的方式分發(fā)到每一臺學生機器上，以盡可能多的滿足學生的需要，但是太多的軟件使得計算機系統(tǒng)不堪重負，每次網絡克隆的時間需要5小時左右，并且一旦軟件需求臨時發(fā)生變化，就需要重新進行網絡克隆，耗費大量的時間、人力和物力。

1．5無法提供個性化服務

目前大部分實驗室機器都安裝了還原卡，實驗完成重啟機器后機器會還原到初始狀態(tài)，有效地防范了病毒的入侵，但卻導致教學資料和實驗數據無法保存，影響了學習的連續(xù)性。另外，由于學生的學習程度不同，他們可能需要不同的實驗室環(huán)境，而獨享資源模式使得每個學生的實驗室環(huán)境都是相同的，無法為學生提供個性化的服務，不利于學生的自主學習能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

2基于云計算的計算機實驗教學平臺的構建

2．1云平臺的架構

云計算是基于互聯(lián)網的相關服務的增加、使用和交付模式，通過互聯(lián)網來提供動態(tài)易擴展的而且經常是虛擬化的資源［6］?；谠朴嬎愕挠嬎銠C實驗教學平臺分為4個層次，分別是云基礎設施硬件層、資源虛擬化平臺層、虛擬實驗平臺層和云終端接入層。通過該云平臺，可以構建云數據中心，支持海量實驗資源的存儲和管理，實現資源整合和資源共享，教師和學生可以不受時間和地域限制隨時隨地通過智能終端設備接入云平臺，獲取云平臺的IaaS（基礎設施即服務）、PaaS（平臺即服務）和SaaS（軟件即服務）。云基礎設施硬件層：包括高性能服務器集群、光纖交換機等網絡設備、高可用數據存儲設備，各設備通過網絡互連。資源虛擬化平臺層：利用虛擬化技術將計算資源、網絡資源和存儲資源池化，將物理上的硬件資源映射為邏輯資源，屏蔽物理資源的多樣性和復雜性，通過云計算管理軟件CloudStack實現資源的統(tǒng)一管理，使計算資源、網絡資源和存儲資源協(xié)同工作，可以按需動態(tài)分配和擴展資源。虛擬實驗平臺層：該層統(tǒng)一管理虛擬化資源池，用戶通過統(tǒng)一身份認證后，可以通過申請?zhí)摂M主機的方式申請?zhí)摂M化后的資源，快速部署個人實驗環(huán)境，包括操作系統(tǒng)、應用軟件、管理工具等，把傳統(tǒng)的機房遷移到云端，也可以在自己的虛擬機上存儲個人實驗數據和教學資料，有效實現教學資源共享和師生互動。云終端接入層：用戶可以隨時隨地借助個人電腦、手機、平板電腦等智能終端設備通過B／S模式登錄云終端，獲得云平臺的計算、網絡和存儲等服務。

2．2云平臺的實施

由于計算機實驗教學云平臺主要面向學校的教師和學生，所以該平臺部署為私有云模式，平臺硬件拓撲。云平臺的主存儲采用FC－SAN的集中存儲架構，通過光纖通道連接到服務器集群上，為計算節(jié)點以共享的方式提供存儲資源。由于虛擬機文件都存儲在后端的SAN存儲陣列中，當云平臺中的任意一臺虛擬機出現單點故障時，都可實現業(yè)務不間斷地遷移到另一臺虛擬機當中，有力地保障了云數據的高可用性。云計算服務器共有5臺，構成5節(jié)點服務器集群，為平臺提供基礎硬件資源，包括CPU、內存等，并由云管理服務器統(tǒng)一管理和調度。整套網絡分為3個網段，分別是存儲網絡、管理網絡和公共網絡。其中公共網絡用于用戶通過智能終端設備接入到云平臺中。在云基礎設施硬件層部署完成后，資源虛擬化平臺用于將計算、網絡、存儲等資源進行虛擬化管理，實現資源自動化管理和按需分配。當用戶在線提交虛擬機申請后，云管理系統(tǒng)會根據用戶申請的資源特點以快照或鏡像的方式分配虛擬機。同時資源虛擬化平臺會監(jiān)控和管理云中的計算、網絡、存儲等資源的運行性能，自動生成監(jiān)控和管理日志，并以圖表的形式展現給管理員，便于管理員合理配置資源，提高資源利用率。在虛擬實驗平臺層，管理員可以統(tǒng)一調配資源，為不同的課程創(chuàng)建和部署不同的虛擬實驗資源池，普通用戶也可以根據自身需求申請?zhí)摂M機資源，快速配置個性化的實驗環(huán)境。通過虛擬化技術，可以方便地實現虛擬機的創(chuàng)建、啟用和銷毀。

2．3云平臺的優(yōu)點

相較于傳統(tǒng)獨享資源的模式，基于云計算的計算機實驗教學平臺有如下優(yōu)點：（1）教師或學生不再受時間和地域的限制，可以隨時隨地通過PC機、平板電腦或智能手機通過B／S模式登錄云終端，申請和配置個人實驗環(huán)境開展教學實踐和科學研究，有效解決了實驗室規(guī)模有限的問題。（2）云平臺模式是在服務器端部署全部資源，客戶端只需基本的接入設備即可，當需要更新設備和升級軟件時，只需要更新和升級服務器端的軟硬件，降低了基礎設置購置成本和維護管理成本。（3）云平臺利用虛擬化技術實現了資源整合，用戶可以按需申請和快速部署各類資源，不需再單獨設置針對某一專業(yè)或領域的專業(yè)實驗室，提高了資源利用率。（4）實驗室管理員只需幾分鐘的時間就可以把實驗環(huán)境到任何一臺PC機上，客戶端不再需要安裝實驗所需的實驗環(huán)境，客戶端維護工作幾乎為零，有效減少了日常維護工作。（5）云平臺可以提供個性化服務，用戶可以在虛擬機上存儲個人實驗數據和教學資料，實現資源共享和師生互動，保證教學和科研工作的連續(xù)性，有利于學生自主學習能力的培養(yǎng)。

3應用案例

3．1計算機類實驗教學

目前可在云平臺上應用的實驗教學案例主要有兩類，一類是全校計算機應用基礎課程的實驗教學，另一類是醫(yī)學信息工程學院的專業(yè)課實驗教學。以計算機應用基礎課程為例，計算機應用基礎是面向全校本科生的公共基礎課，每學期授課人數達1200人左右，實驗環(huán)境要求Window7操作系統(tǒng)和VisualBasic6．0編程軟件。在傳統(tǒng)的實驗教學模式下，學生上機實踐機會少，教師也不能夠及時有效地跟蹤學生實驗過程。而使用基于云計算的計算機實驗教學平臺可以有效地解決這個問題。云平臺中的用戶主要分為三類：管理員用戶、教師用戶和學生用戶。管理員的權限主要是系統(tǒng)設置、實驗調度管理、用戶管理和查詢統(tǒng)計。教師的權限主要是課程設置、課程考核管理、課程成績管理、實驗設置、實驗情況查詢和實驗問答管理。學生的權限主要是選擇課程、實驗操作、課程考試和個人信息修改。實驗開始之前，管理員需要設置教師和學生的權限，然后教師通過個人賬號登錄云平臺，設置課程實驗內容，配置計算機應用基礎課程所需的Window7和VisualBasic6．0的實驗環(huán)境模板，根據選課學生的人數創(chuàng)建相應的實驗虛擬機。實驗環(huán)境搭建成功之后，學生通過個人賬號登錄云平臺選擇相應課程，獲得教師為自己搭建的實驗虛擬機登錄IP地址和動態(tài)登錄密碼，學生可以遠程登錄虛擬機進行編程實驗，可以進行VisualBasic6．0的窗體設計和代碼設計。在實驗過程中，教師可以隨時監(jiān)督學生的實驗情況，師生之間、生生之間可以互動交流。實驗結束后，學生可通過云平臺提交實驗作業(yè)，教師可以在線批改作業(yè)和管理成績，并釋放虛擬機資源。云平臺模式為每個學生創(chuàng)建了單獨的虛擬實驗空間，在實驗過程中不同的學生所做的實驗操作是相互獨立、互不干擾的。學生不再局限于物理實驗室，可以隨時隨地訪問個人賬號下的虛擬實驗教學桌面開展教學實踐，提高了學生動手實踐能力，教師也能夠實時掌握學生的實驗進度，根據學生反饋調整教學進度，提高了教學質量。此外，醫(yī)學信息工程學院的專業(yè)課實驗教學需要大量軟件，包括C語言程序設計課程的VC6．0、Java程序設計課程的JDK1．8、數據庫系統(tǒng)原理課程的OracleDatabase10g、醫(yī)學多媒體技術課程的Photoshop和MATLAB等。云平臺模式是把所有軟件資源集中部署在服務器端，不再需要把所有軟件都安裝到每臺學生機器上，學生只需要基礎設施接入云端申請資源，有效提高了資源利用率，減少了實驗室管理和維護的工作量。

3．2開放實驗室預約

教師和學生可以登錄云平臺進行虛擬實驗室預約申請，填寫實驗起止時間、實驗項目名稱、所需實驗資源等，管理員根據預約申請進行審核，按需分配云平臺虛擬實驗空間賬號，教師和學生可以登錄云平臺開展教學實踐、科學項目研究和ACM等競賽培訓，滿足學生自主學習的需要，提高學校整體的科研能力和團隊創(chuàng)新能力。

4總結

在教育信息化迅猛發(fā)展的背景下，云計算技術在教育教學領域得到了日益廣泛的應用，拓展出了一個嶄新的教學空間，構建高效、先進的實驗室教學平臺已經成為教育信息化的發(fā)展趨勢。本文針對高校計算機實驗室存在的問題，提出了基于云計算的計算機實驗教學平臺，并對其進行建設和應用。該平臺可以實現教學資源整合和共享，提供服務于創(chuàng)新實踐體系和課程教學的實驗資源，用戶可通過互聯(lián)網按需獲得云端的計算、網絡和存儲服務，隨時隨地通過智能設備接入云端并快速部署實驗環(huán)境，有效地解決了實驗室規(guī)模有限和個性化服務問題，提高了資源利用率，有助于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和實踐能力，同時對推進課程改革、高校實驗室建設和創(chuàng)新實驗教學模式也具有深遠的意義。

參考文獻

［1］陳昌興．高校實驗室信息化的云計算策略與方法［J］．實驗技術與管

作者：張艷明 桂忠艷 李力恒 單位：黑龍江中醫(yī)藥大學醫(yī)學信息工程學院