智慧實驗云建設實踐

許正強

（廣東軒轅網絡科技股份有限公司）

智慧實驗云建設實踐

許正強

（廣東軒轅網絡科技股份有限公司）

針對傳統(tǒng)計算機實踐教學模式存在的實驗室維護繁瑣、管理效率低下、使用時空受限等缺點，從信息化建設的角度出發(fā)，探討智慧實驗云的建設實踐過程，為高校打造高水平的實驗室教學管理平臺。分析智慧實驗云的特色與優(yōu)勢，有效解決校園師生用戶與實驗室資源的供需問題，從而促進實驗室信息化管理的轉型和升級。

實驗云；實踐；教學模式

0 引言

計算機實踐教學是高校特別是工科院校培養(yǎng)學生學習鞏固理論知識，掌握科學方法，發(fā)現、分析、解決問題能力的重要環(huán)節(jié)。在數字化網絡化時代，傳統(tǒng)的實驗室教學方式的弊端正逐步顯現而面臨巨大的挑戰(zhàn)（圖1），主要表現為：實驗室機房維護工作繁瑣，管理分散，效率低下；機房設備重復投入，升級成本大；實踐環(huán)節(jié)需要配置各種軟硬件環(huán)境，實驗準備過程繁瑣；無法及時準確掌控學生學習過程與效果，難以對教學過程與質量進行量化準確評價；系統(tǒng)易中病毒，數據安全得不到保障；不能滿足個性化的服務與管理需求；師生使用實驗室時空受限等[1]。

圖1 傳統(tǒng)實驗室面臨的挑戰(zhàn)

國家“十三五”規(guī)劃對教育信息化提出了新的要求，高校教學改革、課程改革、教學和管理模式創(chuàng)新勢在必行；實踐教學也必將向個性化、精細化、科學化的方向邁進，實現人人皆學、處處能學、時時可學。國家《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020）》提出“建立國家教育云服務模式”，采用云計算技術，形成資源配置與服務的集約化發(fā)展途徑。規(guī)劃強調教育技術領導力的作用，建設培養(yǎng)學生終身學習能力和平臺[2]。

云計算技術的快速發(fā)展，為解決上述實踐教學問題，將有限的實驗設備資源進行最大化的、科學合理的分配利用提供了行之有效的途徑[3-4]?；谠朴嬎慵夹g搭建的實踐教學平臺可以將相應的教育信息化資源虛擬化成龐大的云資源庫，以云資源庫為基礎向教師、學生提供泛在的教學服務。具體來說，云平臺根據教學需求對資源進行組合，形成不同規(guī)格的虛擬機，最終以服務的方式為學生、教師提供遠程虛擬實驗室，為實踐教學提供靈活、便利的技術支持[5]。虛擬實驗室可為全程互動的工程實踐教育提供全新的教學仿真環(huán)境，具有實驗環(huán)境開放、多元化、成本低廉等優(yōu)點[6]。

本文將以筆者承擔的智慧實驗云建設項目為依托，研究和實踐以云計算平臺為支撐的高校智慧實驗云建設，以課程資源化、管理智能化、教學靈活化為思路，構建開放性實踐教學云服務，提升軟硬件資源利用率，優(yōu)化實驗室使用效益。該智慧實驗云平臺已經成功應用到某職業(yè)技術學院及某大學，從實踐上為云環(huán)境下高校實驗教學的實施提供了成功案例。

1 建設內容

智慧實驗云平臺基于新一代的虛擬化和云計算技術，構建虛擬仿真的實驗環(huán)境，模擬真實項目的實戰(zhàn)過程，達到專業(yè)教學與人才培養(yǎng)的雙重發(fā)展，即“真實項目的實戰(zhàn)就是教學，教學都是在真實項目的演練中完成”的效果，為高校打造高水平的實驗室教學管理平臺，提升學校的整體教學能力與人才培養(yǎng)質量。

1.1 平臺建設原則

（1）可靠性：系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，保障正常運行是智慧實驗云具有實用性的前提。

（2）擴展性：智慧實驗云具備充分、靈活的適應能力、可擴展能力和升級能力。

（3）易用性：平臺建設便于各種日常維護工作，能夠方便地進行軟件的重新配置、升級。

（4）安全性：平臺具備較強的遠程訪問控制手段和防護措施，避免被外部不法人員攻擊。

1.2 智慧實驗云平臺架構

智慧實驗云平臺采用超融合模式集中部署，提供虛擬資源池，通過云資源管理模塊實現底層計算、存儲與網絡資源的動態(tài)調度（圖2），通過集中化的實驗教學模塊實現對實訓資源、教學及實驗環(huán)境進行統(tǒng)一管理，具有很高的自適應性和擴展空間。

圖2 云化之路

圖3 平臺整體架構

平臺整體架構如圖3所示。

智慧云平臺采用多層次體系架構。支撐硬件層是智慧實驗云服務的核心支撐層，包括采用了服務器、存儲設備、網絡設備，聯(lián)同云平臺層構建的云計算服務基礎架構。虛擬化軟件實現對底層的服務器硬件、存儲資源和網絡設備的虛擬化，然后通過系統(tǒng)智慧引擎（圖4），將計算資源、存儲資源、網絡資源進行調度、聚合，構建新一代的資源中心，所有資源整合后在邏輯上以單一整體（虛擬機）的形式呈現，提供給應用層。這些資源根據需要進行動態(tài)擴展和配置，應用層各系統(tǒng)業(yè)務按需使用資源。

圖4 系統(tǒng)智慧引擎

1.3 智慧教育云平臺特色

（1）無縫終端接入

系統(tǒng)使用HTML5技術訪問教學桌面，所有實驗資源包及實驗環(huán)境均部署于云端，無需安裝任何客戶端和插件，即可在PC或移動終端自適應適配，使得教學場所不受機房、網絡等硬件條件限制，極大的方便了教學活動的展開；實驗資源能夠在各個時間點使用，真正做到時時、處處可學。用戶使用PC或各種移動終端的Web瀏覽器聯(lián)網接入平臺教學管理門戶，通過統(tǒng)一身份認證、訪問控制等安全策略控制后，即可使用云平臺各種虛擬云資源及云實訓課程資源進行學習和演練。

（2）資源智能預檢

為了最大程度保障實驗教學秩序，系統(tǒng)具備課前對系統(tǒng)軟硬件健康狀態(tài)及網絡連接性的課前智能預檢、預知和預防功能，從被動的故障事后處理向事前預防模式轉換，確保系統(tǒng)各項功能的有效性，保證課堂實驗教學正常、有序開展。

圖5 資源智能預檢示意圖

（3）智能排課

實現對學校教師、教室、班級，及課程的智能化信息管理，為用戶提供及時準確的課程信息、快捷的課程查詢手段，能根據班級信息、教師信息、課程信息、資源需求信息快速的生成課表，并支持進行手工調課。

圖6 智能排課示意圖

（4）無縫課程模板管理

將各種資源按照不同的使用規(guī)格，按需為用戶提供定制的課程資源模板，支持復雜類型的實驗課程，并提供眾多的實驗案例；系統(tǒng)提供模板的創(chuàng)建、修改、刪除等管理功能，教師、學生可以方便的生成課程模板、學習模板。

（5）資源靈活化配置與共享

系統(tǒng)提供統(tǒng)一預約平臺，使用者直接通過預約平臺一站式完成教學資源的申請使用過程。管理者只需完成流程審批過程，后臺過程由虛擬化管理平臺自動完成，無需干預（圖8）。借助云平臺，按需分配與調度計算資源，實現資源的靈活分配與共享。

圖7 無縫課程模板管理示意圖

圖8 智能實驗云教學資源預約使用流程

2 智能實驗云優(yōu)勢小結

（1）自由實驗

針對高校教學偏理論脫離實際、課后練習缺乏的痛點，實現理論知識與實際工作結合的綜合實驗實訓課程，讓學生隨時隨地的實驗學習。

（2）創(chuàng)新實驗室

針對高校傳統(tǒng)教學模式單一局限的痛點，實現無設備實驗云模式，支持自帶終端自適應接入，支持慕課、微課、翻轉課堂等新教學模式。

（3）便捷的維護性

針對傳統(tǒng)實驗室桌面維護、軟件更新帶來大量管理工作的痛點，實現Web門戶統(tǒng)一智能管理、更新與維護；便捷課程模版生成；課表自動發(fā)布資源。

（4）極高的穩(wěn)定性

針對傳統(tǒng)桌面實驗系統(tǒng)軟件過多導致系統(tǒng)不穩(wěn)定、收費軟件使用限制的痛點，實現多桌面環(huán)境智能匹配課程，資源自動發(fā)布回收打破固定機房限制。

3 結語

課程實驗建設是高校教學內容的重要組成部分，但傳統(tǒng)計算機實驗方式具有管理和使用效率低下、資源浪費嚴重等問題。本文敘述了智慧實驗云平臺的建設實踐過程，平臺具有管理效率高、使用方便、功能易擴展并且節(jié)約實驗環(huán)境的維護成本等特點，能夠有效解決校園師生用戶與實驗室資源的供需問題，因此具有良好的應用和發(fā)展前景。該平臺目前已經在某職業(yè)技術學院及某大學實施應用，成功幫助高校深化實驗教學改革，推動云計算技術在高校實驗教學中的應用，提升人才培養(yǎng)質量。一些可直接預見的推廣場景包括：智慧校園云、智慧課堂、智慧機房、流動圖書館、智慧就業(yè)等，都可以將計算、存儲以及數據資源作為服務，通過網絡提供給教師和學生，促進校園內的各種形式的創(chuàng)新。

[1]曾明星,王曉波,周清平,郭鑫.基于云計算的軟件工程專業(yè)校企合作實訓平臺構建研究[J].現代教育技術,2013(1):107-112.

[2]計世資訊.中國教育行業(yè)云計算應用白皮書[EB/OL],2015-09-03.http://www.ccwresearch.com.cn/white_book_detail.htm?id=17.

[3]汪萃萃,黃志芳,趙呈領.云計算在教育中的應用[J].中國教育技術裝備,2009(24):9-11.

[4]袁磊,程美,劉丹等.我國云計算教育應用的現狀與發(fā)展趨勢[J].現代遠程教育研究,2011(6):42-46.PHam

[5]陸洪毅,唐玉華,肖儂.計機硬件綜合“實驗云”[J].計算機教育,2014(5):36-38.

[6]黃汝維,陳寧江,何佩聰,劉曉東.基于按需云服務的計算機工程教育虛擬實驗室建設實踐[J].電子技術與軟件工程,2016(8): 166-167.

Practice of Smart ExperimentCloud Construction

XU Zheng-qiang

（Guangdong Xuanyuan Network&Technology Co.Ltd.，Guangzhou 510663）

Aiming at the drawback,including maintenance complex,inefficientmanagement,spatial-temporal restriction,of traditional computer practical teachingmode,discusses the experimental process of the construction practice of smartexperiment cloud so as to build a sophisticated laboratorymanagement platform.The features and advantages of smart experiment cloud effectively solve the contradiction between the lab user and laboratory resources,so as to promote the transition and upgrade of experimentalmanagement system.

Experiment Cloud;Practice;Teaching Mode

1007-1423（2017）03-0057-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.03.015

許正強（1979-），男，廣東廣州人，碩士研究生，高級工程師，研究方向為云計算、互聯(lián)網+、教育技術

2016-11-10

2017-01-12

廣東省科技計劃項目（No.2016B010124008）