計算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺建設(shè)

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摘要：為了解決高校計算機(jī)實(shí)驗(yàn)室存在的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模有限、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)資金相對匱乏、軟硬件維護(hù)和升級工作量大、資源利用率低、無法提供個性化服務(wù)等問題，提出了基于云計算的計算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的架構(gòu)，闡述了該平臺的建設(shè)方案，并將其應(yīng)用到我校計算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。該平臺可以降低實(shí)驗(yàn)室維護(hù)成本、快速部署實(shí)驗(yàn)環(huán)境、提供個性化服務(wù)，滿足了學(xué)生在線自主學(xué)習(xí)的需要，提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力和教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：云計算；資源虛擬化；實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺；資源共享

0引言

隨著“互聯(lián)網(wǎng)＋”計劃的提出，教育信息化受到了前所未有的關(guān)注，并且已經(jīng)被納入到國家發(fā)展戰(zhàn)略的層面，高校計算機(jī)輔助教學(xué)也已經(jīng)成為培養(yǎng)創(chuàng)新型人才和高素質(zhì)人才戰(zhàn)略的一個重要組成部分。高校計算機(jī)實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)著全校計算機(jī)相關(guān)專業(yè)的課程實(shí)驗(yàn)任務(wù)、非計算機(jī)專業(yè)的計算機(jī)公共基礎(chǔ)課的實(shí)驗(yàn)任務(wù)和計算機(jī)類的考試和科研任務(wù)，而目前大多數(shù)高校計算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)仍然采用每臺計算機(jī)獨(dú)自享用資源的模式，這樣就會導(dǎo)致后期軟硬件購買成本高、系統(tǒng)管理維護(hù)困難、系統(tǒng)容易受病毒攻擊等問題。而云計算技術(shù)作為一種新型的具有虛擬化和高擴(kuò)展性的計算模式，為高校的資源建設(shè)和教育教學(xué)改革提供了思路［1－2］。近年來國內(nèi)外很多高校圍繞云計算的應(yīng)用展開了研究，在云計算輔助教學(xué)、云計算資源建設(shè)等方面進(jìn)行了有益的實(shí)踐和探索，推動了高校教育教學(xué)的發(fā)展和創(chuàng)新［3－5］。構(gòu)建基于云計算的計算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，可以有效整合教學(xué)資源，使每臺計算機(jī)通過互聯(lián)網(wǎng)獲得所需的軟硬件資源，包括網(wǎng)絡(luò)資源、服務(wù)器資源、存儲資源、應(yīng)用軟件資源等，用戶可以根據(jù)自身實(shí)際需要，通過功能擴(kuò)展的方式獲得云計算實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺中的各種IT服務(wù)，從而提高資源利用率，降低實(shí)驗(yàn)室軟硬件購買和維護(hù)成本，為學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和學(xué)校實(shí)踐教學(xué)模式的改革提供支持。

1高校計算機(jī)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)狀分析

1．1實(shí)驗(yàn)室建設(shè)規(guī)模有限

隨著教育信息化的迅速發(fā)展，高校計算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)規(guī)模也在逐年擴(kuò)大，計算機(jī)性能不斷提高。但高校的逐年擴(kuò)招和無紙化考試的日益盛行使得現(xiàn)有計算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的規(guī)模仍然不能滿足目前計算機(jī)教學(xué)實(shí)踐、各類網(wǎng)絡(luò)考試任務(wù)和教師科研任務(wù)的需求，部分高校的計算機(jī)實(shí)驗(yàn)室?guī)缀鯖]有空閑時間，學(xué)生很難利用業(yè)余時間進(jìn)行實(shí)踐練習(xí)。

1．2建設(shè)資金相對匱乏

計算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的軟硬件環(huán)境是提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵，而目前大多數(shù)高校計算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)仍然采用每臺計算機(jī)獨(dú)享資源的模式，改善實(shí)驗(yàn)室環(huán)境時需要在每臺計算機(jī)上都進(jìn)行軟硬件的更新，需要承擔(dān)高昂的軟硬件升級和維護(hù)的成本。

1．3資源利用率偏低

由于學(xué)生的專業(yè)和研究方向不同，所需要的實(shí)驗(yàn)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(lǐng)域的學(xué)生配備專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，以提高教學(xué)質(zhì)量，但會導(dǎo)致這些專業(yè)實(shí)驗(yàn)室的資源無法為其他教師和學(xué)生服務(wù)，使得實(shí)驗(yàn)室資源利用率偏低。

1．4日常維護(hù)工作量大

現(xiàn)有的計算機(jī)獨(dú)享資源模式使得實(shí)驗(yàn)室管理者往往會在一臺機(jī)器即母機(jī)上安裝大量軟件，然后通過網(wǎng)絡(luò)克隆的方式分發(fā)到每一臺學(xué)生機(jī)器上，以盡可能多的滿足學(xué)生的需要，但是太多的軟件使得計算機(jī)系統(tǒng)不堪重負(fù)，每次網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行網(wǎng)絡(luò)克隆，耗費(fèi)大量的時間、人力和物力。

1．5無法提供個性化服務(wù)

目前大部分實(shí)驗(yàn)室機(jī)器都安裝了還原卡，實(shí)驗(yàn)完成重啟機(jī)器后機(jī)器會還原到初始狀態(tài)，有效地防范了病毒的入侵，但卻導(dǎo)致教學(xué)資料和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)無法保存，影響了學(xué)習(xí)的連續(xù)性。另外，由于學(xué)生的學(xué)習(xí)程度不同，他們可能需要不同的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，而獨(dú)享資源模式使得每個學(xué)生的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境都是相同的，無法為學(xué)生提供個性化的服務(wù)，不利于學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

2基于云計算的計算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的構(gòu)建

2．1云平臺的架構(gòu)

云計算是基于互聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)服務(wù)的增加、使用和交付模式，通過互聯(lián)網(wǎng)來提供動態(tài)易擴(kuò)展的而且經(jīng)常是虛擬化的資源［6］?；谠朴嬎愕挠嬎銠C(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺分為4個層次，分別是云基礎(chǔ)設(shè)施硬件層、資源虛擬化平臺層、虛擬實(shí)驗(yàn)平臺層和云終端接入層。通過該云平臺，可以構(gòu)建云數(shù)據(jù)中心，支持海量實(shí)驗(yàn)資源的存儲和管理，實(shí)現(xiàn)資源整合和資源共享，教師和學(xué)生可以不受時間和地域限制隨時隨地通過智能終端設(shè)備接入云平臺，獲取云平臺的IaaS（基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)）、PaaS（平臺即服務(wù)）和SaaS（軟件即服務(wù)）。云基礎(chǔ)設(shè)施硬件層：包括高性能服務(wù)器集群、光纖交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、高可用數(shù)據(jù)存儲設(shè)備，各設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)互連。資源虛擬化平臺層：利用虛擬化技術(shù)將計算資源、網(wǎng)絡(luò)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(fù)雜性，通過云計算管理軟件CloudStack實(shí)現(xiàn)資源的統(tǒng)一管理，使計算資源、網(wǎng)絡(luò)資源和存儲資源協(xié)同工作，可以按需動態(tài)分配和擴(kuò)展資源。虛擬實(shí)驗(yàn)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(rèn)證后，可以通過申請?zhí)摂M主機(jī)的方式申請?zhí)摂M化后的資源，快速部署個人實(shí)驗(yàn)環(huán)境，包括操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件、管理工具等，把傳統(tǒng)的機(jī)房遷移到云端，也可以在自己的虛擬機(jī)上存儲個人實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和教學(xué)資料，有效實(shí)現(xiàn)教學(xué)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(jī)、平板電腦等智能終端設(shè)備通過B／S模式登錄云終端，獲得云平臺的計算、網(wǎng)絡(luò)和存儲等服務(wù)。

2．2云平臺的實(shí)施

由于計算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)云平臺主要面向?qū)W校的教師和學(xué)生，所以該平臺部署為私有云模式，平臺硬件拓?fù)?。云平臺的主存儲采用FC－SAN的集中存儲架構(gòu)，通過光纖通道連接到服務(wù)器集群上，為計算節(jié)點(diǎn)以共享的方式提供存儲資源。由于虛擬機(jī)文件都存儲在后端的SAN存儲陣列中，當(dāng)云平臺中的任意一臺虛擬機(jī)出現(xiàn)單點(diǎn)故障時，都可實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)不間斷地遷移到另一臺虛擬機(jī)當(dāng)中，有力地保障了云數(shù)據(jù)的高可用性。云計算服務(wù)器共有5臺，構(gòu)成5節(jié)點(diǎn)服務(wù)器集群，為平臺提供基礎(chǔ)硬件資源，包括CPU、內(nèi)存等，并由云管理服務(wù)器統(tǒng)一管理和調(diào)度。整套網(wǎng)絡(luò)分為3個網(wǎng)段，分別是存儲網(wǎng)絡(luò)、管理網(wǎng)絡(luò)和公共網(wǎng)絡(luò)。其中公共網(wǎng)絡(luò)用于用戶通過智能終端設(shè)備接入到云平臺中。在云基礎(chǔ)設(shè)施硬件層部署完成后，資源虛擬化平臺用于將計算、網(wǎng)絡(luò)、存儲等資源進(jìn)行虛擬化管理，實(shí)現(xiàn)資源自動化管理和按需分配。當(dāng)用戶在線提交虛擬機(jī)申請后，云管理系統(tǒng)會根據(jù)用戶申請的資源特點(diǎn)以快照或鏡像的方式分配虛擬機(jī)。同時資源虛擬化平臺會監(jiān)控和管理云中的計算、網(wǎng)絡(luò)、存儲等資源的運(yùn)行性能，自動生成監(jiān)控和管理日志，并以圖表的形式展現(xiàn)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(shí)驗(yàn)平臺層，管理員可以統(tǒng)一調(diào)配資源，為不同的課程創(chuàng)建和部署不同的虛擬實(shí)驗(yàn)資源池，普通用戶也可以根據(jù)自身需求申請?zhí)摂M機(jī)資源，快速配置個性化的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。通過虛擬化技術(shù)，可以方便地實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)的創(chuàng)建、啟用和銷毀。

2．3云平臺的優(yōu)點(diǎn)

相較于傳統(tǒng)獨(dú)享資源的模式，基于云計算的計算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）教師或?qū)W生不再受時間和地域的限制，可以隨時隨地通過PC機(jī)、平板電腦或智能手機(jī)通過B／S模式登錄云終端，申請和配置個人實(shí)驗(yàn)環(huán)境開展教學(xué)實(shí)踐和科學(xué)研究，有效解決了實(shí)驗(yàn)室規(guī)模有限的問題。（2）云平臺模式是在服務(wù)器端部署全部資源，客戶端只需基本的接入設(shè)備即可，當(dāng)需要更新設(shè)備和升級軟件時，只需要更新和升級服務(wù)器端的軟硬件，降低了基礎(chǔ)設(shè)置購置成本和維護(hù)管理成本。（3）云平臺利用虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)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(dú)設(shè)置針對某一專業(yè)或領(lǐng)域的專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，提高了資源利用率。（4）實(shí)驗(yàn)室管理員只需幾分鐘的時間就可以把實(shí)驗(yàn)環(huán)境到任何一臺PC機(jī)上，客戶端不再需要安裝實(shí)驗(yàn)所需的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，客戶端維護(hù)工作幾乎為零，有效減少了日常維護(hù)工作。（5）云平臺可以提供個性化服務(wù)，用戶可以在虛擬機(jī)上存儲個人實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和教學(xué)資料，實(shí)現(xiàn)資源共享和師生互動，保證教學(xué)和科研工作的連續(xù)性，有利于學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)。

3應(yīng)用案例

3．1計算機(jī)類實(shí)驗(yàn)教學(xué)

目前可在云平臺上應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例主要有兩類，一類是全校計算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，另一類是醫(yī)學(xué)信息工程學(xué)院的專業(yè)課實(shí)驗(yàn)教學(xué)。以計算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)課程為例，計算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)是面向全校本科生的公共基礎(chǔ)課，每學(xué)期授課人數(shù)達(dá)1200人左右，實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求Window7操作系統(tǒng)和VisualBasic6．0編程軟件。在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式下，學(xué)生上機(jī)實(shí)踐機(jī)會少，教師也不能夠及時有效地跟蹤學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程。而使用基于云計算的計算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)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(xué)生用戶。管理員的權(quán)限主要是系統(tǒng)設(shè)置、實(shí)驗(yàn)調(diào)度管理、用戶管理和查詢統(tǒng)計。教師的權(quán)限主要是課程設(shè)置、課程考核管理、課程成績管理、實(shí)驗(yàn)設(shè)置、實(shí)驗(yàn)情況查詢和實(shí)驗(yàn)問答管理。學(xué)生的權(quán)限主要是選擇課程、實(shí)驗(yàn)操作、課程考試和個人信息修改。實(shí)驗(yàn)開始之前，管理員需要設(shè)置教師和學(xué)生的權(quán)限，然后教師通過個人賬號登錄云平臺，設(shè)置課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，配置計算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)課程所需的Window7和VisualBasic6．0的實(shí)驗(yàn)環(huán)境模板，根據(jù)選課學(xué)生的人數(shù)創(chuàng)建相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)虛擬機(jī)。實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭建成功之后，學(xué)生通過個人賬號登錄云平臺選擇相應(yīng)課程，獲得教師為自己搭建的實(shí)驗(yàn)虛擬機(jī)登錄IP地址和動態(tài)登錄密碼，學(xué)生可以遠(yuǎn)程登錄虛擬機(jī)進(jìn)行編程實(shí)驗(yàn)，可以進(jìn)行VisualBasic6．0的窗體設(shè)計和代碼設(shè)計。在實(shí)驗(yàn)過程中，教師可以隨時監(jiān)督學(xué)生的實(shí)驗(yàn)情況，師生之間、生生之間可以互動交流。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，學(xué)生可通過云平臺提交實(shí)驗(yàn)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(jī)資源。云平臺模式為每個學(xué)生創(chuàng)建了單獨(dú)的虛擬實(shí)驗(yàn)空間，在實(shí)驗(yàn)過程中不同的學(xué)生所做的實(shí)驗(yàn)操作是相互獨(dú)立、互不干擾的。學(xué)生不再局限于物理實(shí)驗(yàn)室，可以隨時隨地訪問個人賬號下的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)桌面開展教學(xué)實(shí)踐，提高了學(xué)生動手實(shí)踐能力，教師也能夠?qū)崟r掌握學(xué)生的實(shí)驗(yàn)進(jìn)度，根據(jù)學(xué)生反饋調(diào)整教學(xué)進(jìn)度，提高了教學(xué)質(zhì)量。此外，醫(yī)學(xué)信息工程學(xué)院的專業(yè)課實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要大量軟件，包括C語言程序設(shè)計課程的VC6．0、Java程序設(shè)計課程的JDK1．8、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)原理課程的OracleDatabase10g、醫(yī)學(xué)多媒體技術(shù)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(wù)器端，不再需要把所有軟件都安裝到每臺學(xué)生機(jī)器上，學(xué)生只需要基礎(chǔ)設(shè)施接入云端申請資源，有效提高了資源利用率，減少了實(shí)驗(yàn)室管理和維護(hù)的工作量。

3．2開放實(shí)驗(yàn)室預(yù)約

教師和學(xué)生可以登錄云平臺進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)室預(yù)約申請，填寫實(shí)驗(yàn)起止時間、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱、所需實(shí)驗(yàn)資源等，管理員根據(jù)預(yù)約申請進(jìn)行審核，按需分配云平臺虛擬實(shí)驗(yàn)空間賬號，教師和學(xué)生可以登錄云平臺開展教學(xué)實(shí)踐、科學(xué)項(xiàng)目研究和ACM等競賽培訓(xùn)，滿足學(xué)生自主學(xué)習(xí)的需要，提高學(xué)校整體的科研能力和團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新能力。

4總結(jié)

在教育信息化迅猛發(fā)展的背景下，云計算技術(shù)在教育教學(xué)領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用，拓展出了一個嶄新的教學(xué)空間，構(gòu)建高效、先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)室教學(xué)平臺已經(jīng)成為教育信息化的發(fā)展趨勢。本文針對高校計算機(jī)實(shí)驗(yàn)室存在的問題，提出了基于云計算的計算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，并對其進(jìn)行建設(shè)和應(yīng)用。該平臺可以實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源整合和共享，提供服務(wù)于創(chuàng)新實(shí)踐體系和課程教學(xué)的實(shí)驗(yàn)資源，用戶可通過互聯(lián)網(wǎng)按需獲得云端的計算、網(wǎng)絡(luò)和存儲服務(wù)，隨時隨地通過智能設(shè)備接入云端并快速部署實(shí)驗(yàn)環(huán)境，有效地解決了實(shí)驗(yàn)室規(guī)模有限和個性化服務(wù)問題，提高了資源利用率，有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力，同時對推進(jìn)課程改革、高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式也具有深遠(yuǎn)的意義。

參考文獻(xiàn)

［1］陳昌興．高校實(shí)驗(yàn)室信息化的云計算策略與方法［J］．實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管

作者：張艷明 桂忠艷 李力恒 單位：黑龍江中醫(yī)藥大學(xué)醫(yī)學(xué)信息工程學(xué)院