創(chuàng)新型實(shí)踐教學(xué)私有云平臺(tái)的設(shè)計(jì)與研究

熊昕+熊茂華+晏細(xì)蘭

摘 要：介紹一種基于云計(jì)算的實(shí)踐教學(xué)私有云平臺(tái)的體系結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)述高校建設(shè)的私有教育云的三個(gè)不同層次即SaaS層、PaaS層和IaaS層的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：實(shí)踐教學(xué)；私有云；體系結(jié)構(gòu)；虛擬化技術(shù)；教學(xué)資源

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1673-8454（2015）21-0084-04

引言

近幾年來(lái)，云計(jì)算已使軟件變成了更具吸引力的服務(wù)，使世界IT工業(yè)對(duì)IT硬件設(shè)計(jì)和購(gòu)買(mǎi)方式進(jìn)行重新定義，從而可能引發(fā)IT工業(yè)大規(guī)模的變革。世界的廣大IT開(kāi)發(fā)人員不再需要大量的硬件購(gòu)置和維運(yùn)成本就可完成各種創(chuàng)新的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。云計(jì)算的使用可大大降低投資和運(yùn)營(yíng)成本，簡(jiǎn)化應(yīng)用程序的部署和管理，提高應(yīng)用程序和基礎(chǔ)設(shè)施的靈活性，方便地將應(yīng)用程序擴(kuò)展到互聯(lián)網(wǎng)，高效地處理高峰期流量，增強(qiáng)新功能開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。但在當(dāng)前的企業(yè)級(jí)IT平臺(tái)建設(shè)中，大多主要是將業(yè)務(wù)負(fù)載與物理資產(chǎn)緊密耦合，造成IT系統(tǒng)運(yùn)行效率低；而企事業(yè)單位對(duì)IT基礎(chǔ)架構(gòu)的動(dòng)態(tài)化、彈性化和自動(dòng)化要求也越來(lái)越高，他們需重新規(guī)劃信息中心的基礎(chǔ)架構(gòu)，建設(shè)高效、靈活、高可用、易管理的新一代信息中心。企事業(yè)單位內(nèi)部可構(gòu)建內(nèi)部云平臺(tái)（私有云），既提供了當(dāng)前數(shù)據(jù)中心的可控性和安全性，又提供了業(yè)務(wù)創(chuàng)新所要求的敏捷性和彈性化，而且大幅降低成本。高校建設(shè)創(chuàng)新型實(shí)踐教學(xué)私有云平臺(tái)可提高高?，F(xiàn)有設(shè)備的利用率，軟硬件相互隔離減少設(shè)備依賴(lài)性，易于平臺(tái)模塊化設(shè)計(jì)、提高可擴(kuò)展性，為用戶(hù)提供了彈性服務(wù)的虛擬資源池，校內(nèi)資源共享，為廣大師生提供24小時(shí)開(kāi)放的實(shí)驗(yàn)室和實(shí)訓(xùn)基地。

一、實(shí)踐教學(xué)私有云平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案

實(shí)踐教學(xué)私有云平臺(tái)以云計(jì)算的體系結(jié)構(gòu)為依據(jù)，突出了“教、學(xué)、練、做、考”五個(gè)環(huán)節(jié)；實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)突出強(qiáng)交互性以適應(yīng)教學(xué)。可提供包括實(shí)驗(yàn)手冊(cè)、教學(xué)視頻、教師參考答案、學(xué)生答案模板、實(shí)驗(yàn)素材、多媒體等多種實(shí)踐教學(xué)資源。采用終端云平臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多存儲(chǔ)設(shè)備、多應(yīng)用、多服務(wù)協(xié)同工作的海量信息服務(wù)系統(tǒng)。使用者可通過(guò) PC、手機(jī)、移動(dòng)多媒體等多種設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、文檔、圖片和視音頻等內(nèi)容的集中存儲(chǔ)和資料共享；將遠(yuǎn)程虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)、自主學(xué)習(xí)在線考試系統(tǒng)和在線培訓(xùn)與考證系統(tǒng)引入到實(shí)踐教學(xué)私有云平臺(tái)中。

1.總體架構(gòu)

實(shí)踐教學(xué)私有云平臺(tái)的總體架構(gòu)如圖1所示。

實(shí)踐教學(xué)私有云平臺(tái)按照云計(jì)算的三個(gè)不同層次應(yīng)用，將高校的實(shí)踐教學(xué)信息化資源整合在一起，向用戶(hù)提供各種實(shí)踐教學(xué)服務(wù)。

實(shí)踐教學(xué)的私有云平臺(tái)包括三個(gè)不同層次即SaaS層、PaaS層和IaaS層的應(yīng)用。

實(shí)踐教學(xué)私有云平臺(tái)包括了高校內(nèi)部的各種實(shí)踐教學(xué)資源，平臺(tái)還引入了教育應(yīng)用引擎，是一個(gè)開(kāi)放式平臺(tái)，實(shí)踐教學(xué)客戶(hù)端、高校的其他教育應(yīng)用程序都可以通過(guò)SaaS層，以SaaS的方式接入到平臺(tái)上，供高校用戶(hù)選擇使用。

最底層IaaS可通過(guò)私用教育云IT資源，包括計(jì)算資源、網(wǎng)絡(luò)資源和存儲(chǔ)資源有機(jī)地整合在一起，并向上提供基礎(chǔ)服務(wù)，這些服務(wù)包括分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、計(jì)算服務(wù)、負(fù)載管理和備份等。其關(guān)鍵技術(shù)是服務(wù)器虛擬化技術(shù)，將分布式計(jì)算資源進(jìn)行整合，統(tǒng)一管理和使用。IaaS可向最終用戶(hù)提供各種服務(wù)，包括把各專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室的實(shí)踐教學(xué)和實(shí)踐應(yīng)用面向廣大用戶(hù)開(kāi)放，如軟件開(kāi)發(fā)、嵌入式技術(shù)應(yīng)用、電子商務(wù)、物聯(lián)網(wǎng)和3G移動(dòng)開(kāi)發(fā)等各種實(shí)驗(yàn)室，打破時(shí)空的限制。同時(shí)還可遠(yuǎn)程開(kāi)放幫助學(xué)生今后就業(yè)的“職業(yè)檔案系統(tǒng)”、先進(jìn)的“考試認(rèn)證中心”和SNS的人才社區(qū)等。

PaaS層是實(shí)踐教學(xué)業(yè)務(wù)的調(diào)度中心，主要功能包括統(tǒng)一身份認(rèn)證管理、各種實(shí)踐教學(xué)業(yè)務(wù)引擎、各種實(shí)踐教學(xué)應(yīng)用服務(wù)器、實(shí)踐教學(xué)資源管理、統(tǒng)一業(yè)務(wù)訪問(wèn)控制、數(shù)據(jù)挖掘和分析等。這一層使用了桌面虛擬化技術(shù)，而各種開(kāi)發(fā)工具、業(yè)務(wù)與管理支持工具、實(shí)踐教學(xué)管理工具等有機(jī)地整合在一起，對(duì)上一層打包進(jìn)行按需分配。

2.實(shí)踐教學(xué)體系建設(shè)

實(shí)踐教學(xué)體系的示意圖如圖2所示，實(shí)踐教學(xué)私有云平臺(tái)采用三段式、立體化的實(shí)踐教學(xué)體系，可實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源數(shù)字化、教學(xué)管理規(guī)范化，實(shí)踐教學(xué)做到可控、可操作、真實(shí)。以往教學(xué)資源和實(shí)踐教學(xué)的載體，要么在任課教師手里，要么存在學(xué)校服務(wù)器里，授課內(nèi)容只是與教師有關(guān)，沒(méi)有成為學(xué)校的教學(xué)資源，這樣教學(xué)資源難以統(tǒng)一保存和管理，無(wú)法實(shí)現(xiàn)共享；學(xué)生實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)需要教師實(shí)施監(jiān)控，學(xué)生在離開(kāi)實(shí)驗(yàn)室后就無(wú)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，教師難以及時(shí)答疑。實(shí)踐教學(xué)私有云平臺(tái)能把課程整合在這個(gè)教學(xué)管理平臺(tái)中，實(shí)現(xiàn)教師教案數(shù)字化，利用教學(xué)平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)，逐步形成課程實(shí)驗(yàn)庫(kù)、課程設(shè)計(jì)庫(kù)、綜合實(shí)驗(yàn)案例庫(kù)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的統(tǒng)一保存，實(shí)現(xiàn)共享。

在實(shí)踐教學(xué)私有云平臺(tái)上可實(shí)現(xiàn)教師和學(xué)生在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)交互，網(wǎng)上答疑、布置作業(yè)、批改作業(yè)，如學(xué)生可以向教師在網(wǎng)上提問(wèn)；教師對(duì)學(xué)生作業(yè)可以在網(wǎng)上進(jìn)行評(píng)價(jià)；增加學(xué)生自主學(xué)習(xí)的可能性；在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境里實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)管理，包括分配任務(wù)和學(xué)生實(shí)驗(yàn)成果的統(tǒng)一歸檔保存。

為了達(dá)到實(shí)踐教學(xué)的目標(biāo)，課程實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容需要通過(guò)實(shí)際項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化后轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)驗(yàn)教學(xué)資源引進(jìn)校內(nèi)，在校內(nèi)對(duì)學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目開(kāi)發(fā)全過(guò)程的實(shí)際訓(xùn)練和培養(yǎng)。通過(guò)“學(xué)習(xí)—實(shí)踐—學(xué)習(xí)”的方式，注重學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)，為學(xué)生接下來(lái)的職業(yè)生涯奠定堅(jiān)實(shí)的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

實(shí)踐教學(xué)體系依據(jù)學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，可以采用“項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式”教學(xué)方法，使學(xué)生在入學(xué)時(shí)就明確整個(gè)大學(xué)期間的任務(wù)——完成“綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目”；圍繞“綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目”學(xué)生應(yīng)該掌握哪些技能；掌握這些技能學(xué)生應(yīng)該學(xué)習(xí)哪些課程；完成每門(mén)課程的學(xué)習(xí)學(xué)生要做哪些課程設(shè)計(jì)；完成課程設(shè)計(jì)，學(xué)生要做哪些實(shí)驗(yàn)。通過(guò)一系列的任務(wù)分解，將學(xué)生從低年級(jí)到高年級(jí)需要參與的實(shí)踐學(xué)習(xí)進(jìn)行統(tǒng)一安排。

二、實(shí)踐教學(xué)私有云平臺(tái)核心建設(shè)內(nèi)容

1.實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)建設(shè)

實(shí)踐教學(xué)私有云平臺(tái)，是具有強(qiáng)交互性的基于實(shí)踐教育為主的自適應(yīng)教學(xué)平臺(tái)?？商峁┌▽?shí)驗(yàn)手冊(cè)、教學(xué)視頻、教師參考答案、學(xué)生答案模板、實(shí)驗(yàn)素材下載、多媒體播放等多種實(shí)踐教學(xué)資源。平臺(tái)可以支持云計(jì)算、軟件開(kāi)發(fā)、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)、嵌入式應(yīng)用項(xiàng)目開(kāi)發(fā)、物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)、移動(dòng)開(kāi)發(fā)等多個(gè)IT領(lǐng)域，可以為高等院校搭建全校范圍的全方位互動(dòng)式整體教育實(shí)踐平臺(tái)。

平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)的特點(diǎn)如下：

（1）擴(kuò)展性強(qiáng)，分布式集群構(gòu)架可支持全校大用戶(hù)量的應(yīng)用。① 平臺(tái)為富客戶(hù)端分布式架構(gòu)，前臺(tái)是客戶(hù)端，后臺(tái)是瀏覽器。服務(wù)器端通過(guò)平臺(tái)應(yīng)用（用Java和Flex語(yǔ)言編寫(xiě)）Web服務(wù)器與后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)（MS-SQL Server2003）進(jìn)行交互。② 平臺(tái)可適用于單一的或多個(gè)服務(wù)器架構(gòu)（取決于用戶(hù)數(shù)量），這與平臺(tái)內(nèi)置的 Java Application Server （Nginx+Tomcat）的特性是一致的。③ 平臺(tái)可以進(jìn)行多臺(tái)服務(wù)器上的集群安裝，以提高平臺(tái)的整體性能。系統(tǒng)采用富客戶(hù)端分布式技術(shù)，集群的設(shè)置具有可擴(kuò)展性可使響應(yīng)優(yōu)化。

（2）系統(tǒng)部署采用負(fù)載均衡技術(shù)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的負(fù)載均衡強(qiáng)化了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

（3）友好的界面和可供用戶(hù)設(shè)置的配置：軟件設(shè)計(jì)人性化，易于操作，同時(shí)具有安裝及卸載方便、運(yùn)行穩(wěn)定、移植性強(qiáng)等特點(diǎn)。

2.實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)技術(shù)功能

實(shí)踐教學(xué)私有云平臺(tái)軟件的主要技術(shù)和功能要求如下：

（1）技術(shù)要求

①平臺(tái)應(yīng)為B/S與富客戶(hù)端相結(jié)合的系統(tǒng)，前后臺(tái)分離，前臺(tái)使用B/S架構(gòu)，后臺(tái)使用主流的富客戶(hù)端技術(shù)。

②為了安全穩(wěn)定和性能需要，能部署在Windows和Linux服務(wù)器上。

③數(shù)據(jù)庫(kù)和應(yīng)用程序都能實(shí)現(xiàn)多服務(wù)器的負(fù)載均衡部署。

④平臺(tái)可支持學(xué)校資源庫(kù)的建設(shè)，除了支持計(jì)算機(jī)相關(guān)專(zhuān)業(yè)的系科使用外，也可以擴(kuò)展為支持非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的系科，除了支持實(shí)訓(xùn)外，還必須能輔助日常課程教學(xué)。

⑤平臺(tái)能支持綁定項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)所需的開(kāi)發(fā)工具和開(kāi)發(fā)環(huán)境。

（2）后臺(tái)管理系統(tǒng)功能

①模塊一，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理，包括用戶(hù)管理、權(quán)限管理、角色管理、機(jī)構(gòu)管理。

②模塊二，教學(xué)資源管理，包括資源分類(lèi)管理、課程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)管理、課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)管理、綜合案例實(shí)驗(yàn)管理、學(xué)習(xí)導(dǎo)向管理。

·教學(xué)資源分類(lèi)支持多層次、多分支靈活配置；

·課程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)有內(nèi)在的邏輯關(guān)系；

·綜合案例實(shí)驗(yàn)?zāi)芊植鸬秸n程中訓(xùn)練，同時(shí)還能確定訓(xùn)練順序，形成可編輯的學(xué)習(xí)導(dǎo)向圖；

·案例的源代碼和答案能按工程文檔方式展示，同時(shí)控制是否開(kāi)放給學(xué)生；

·資源文檔必須支持PPt、視頻等多種格式的導(dǎo)入。

③模塊三，課程資源管理，包括課程管理、課程章節(jié)管理、課程資源配置管理。

·課程必須與課程任務(wù)書(shū)對(duì)接；

·課程配置允許一門(mén)課程由多個(gè)教師授課，教師配置課程案例后系統(tǒng)能自動(dòng)分配任務(wù)，而不需要人工操作。

④模塊四，課程實(shí)施管理，包括學(xué)生管理、教師管理、課程計(jì)劃管理，學(xué)年學(xué)期管理。

·教學(xué)計(jì)劃管理必須與學(xué)校教學(xué)計(jì)劃無(wú)縫對(duì)接；

·學(xué)生管理既要支持自然管理還要支持教學(xué)大班管理；

·教學(xué)計(jì)劃的執(zhí)行自動(dòng)完成，不需要人工干預(yù)。

（3）教師端功能

①即時(shí)通訊，支持教師實(shí)時(shí)在線和學(xué)生聊天并實(shí)時(shí)交流。

②實(shí)訓(xùn)管理，支持個(gè)人資料維護(hù)、教學(xué)資源檢索、教學(xué)任務(wù)的微調(diào)管理、分組訓(xùn)練配置、綜合案例角色化、流程化任務(wù)分配。

③作業(yè)管理，支持提交作業(yè)流程管理（包含催繳作業(yè)功能）、學(xué)生作業(yè)情況監(jiān)控、學(xué)習(xí)導(dǎo)向圖查看、修改密碼和密碼取回、學(xué)生作業(yè)相似度比較、學(xué)生作業(yè)評(píng)價(jià)。

④實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目檢查，支持遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)瀏覽學(xué)生實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目運(yùn)行情況。

（4）學(xué)生端功能

①即時(shí)通訊，支持學(xué)生與教師或同學(xué)在線實(shí)時(shí)聊天進(jìn)行技術(shù)溝通。

②可支持在線調(diào)用并使用項(xiàng)目所需開(kāi)發(fā)工具及環(huán)境，在線展示自己的作業(yè)并部署。

③支持實(shí)訓(xùn)任務(wù)的接受、在線實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)展示、課程列表、教學(xué)資源檢索、學(xué)習(xí)導(dǎo)向圖、個(gè)人資料維護(hù)、修改密碼和密碼取回。

三、平臺(tái)開(kāi)發(fā)重點(diǎn)解決的關(guān)鍵問(wèn)題

本實(shí)踐教學(xué)私有云平臺(tái)重點(diǎn)解決以下關(guān)鍵問(wèn)題：

（1）創(chuàng)新型實(shí)踐教學(xué)私有云平臺(tái)的建設(shè)方案中如何構(gòu)建學(xué)校的實(shí)踐教學(xué)“私有云”，制定相關(guān)流程和標(biāo)準(zhǔn)來(lái)保證客戶(hù)的數(shù)據(jù)安全，根據(jù)不同的需要，搭建符合自身要求的私有云平臺(tái)，打造學(xué)校私有的“公共資源云”，以便更好地為本校師生服務(wù)。

（2）建立實(shí)踐教學(xué)私有云平臺(tái)的技術(shù)規(guī)范，建立共同的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，按照相同的規(guī)范來(lái)搭建數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)，防止出現(xiàn)數(shù)據(jù)不兼容的情況。

（3）與“公共云”緊密縫合，實(shí)現(xiàn)最大范圍的共享，在云計(jì)算環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)各種實(shí)踐教學(xué)私有云的數(shù)字化教學(xué)資源庫(kù)無(wú)縫連接，云與云直接形成網(wǎng)絡(luò)，擴(kuò)寬資源的共享寬度和廣度。

（4）建立創(chuàng)新型實(shí)踐教學(xué)私有云平臺(tái)，在云計(jì)算的實(shí)踐教學(xué)數(shù)字化資源庫(kù)建設(shè)中，充分利用資源庫(kù)開(kāi)放性的特點(diǎn)，增加其使用的交互性。各種實(shí)踐教學(xué)資源雖然存儲(chǔ)在云端，但是用戶(hù)可以很輕松地檢索各種資料信息，設(shè)置資源入庫(kù)、編輯、調(diào)用、查詢(xún)、下載等。

（5）開(kāi)發(fā)基于移動(dòng)設(shè)備的客戶(hù)端軟件，方便隨時(shí)隨地訪問(wèn)云端資源，使移動(dòng)學(xué)習(xí)成為了可能，并在使用過(guò)程中實(shí)現(xiàn)最大范圍的交流和交互。

四、結(jié)論

本文開(kāi)發(fā)的實(shí)踐教學(xué)私有云平臺(tái)是以云計(jì)算體系結(jié)構(gòu)為依據(jù)，突出“教、學(xué)、練、做、考”五個(gè)環(huán)節(jié)；硬件資源虛擬化和自動(dòng)化，服務(wù)器、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)等都在一個(gè)統(tǒng)一管理、分配的資源池中，根據(jù)業(yè)務(wù)要求具備彈性的伸縮能力，應(yīng)用程序真正做到可擴(kuò)展，側(cè)重在滿足實(shí)踐教學(xué)的服務(wù)上，使應(yīng)用程序屏蔽了底層硬件架構(gòu)的復(fù)雜性。通過(guò)虛擬化與彈性化，組織內(nèi)部云減少了對(duì)硬件設(shè)備的需求；通過(guò)對(duì)底層資源的屏蔽和高可管理、高可用等特點(diǎn)，內(nèi)部云降低了運(yùn)維難度和管理的成本。實(shí)踐教學(xué)私有云平臺(tái)具有很好的實(shí)用性。

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（編輯：王天鵬）