應(yīng)用云計(jì)算構(gòu)建高校計(jì)算機(jī)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境

董尚燕

摘要：利用云計(jì)算虛擬技術(shù)構(gòu)建計(jì)算機(jī)課程實(shí)驗(yàn)環(huán)境須重視技術(shù)應(yīng)用及資源管理兩個(gè)方面。云計(jì)算技術(shù)為虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境提供了廣闊的構(gòu)建平臺(tái)，而資源的建設(shè)與管理為教學(xué)研究和發(fā)展提供最全面和真實(shí)的挖掘材料。有別于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，在這種新型實(shí)驗(yàn)環(huán)境的基礎(chǔ)上可以很容易地延伸出富有成效的知識(shí)共享與教學(xué)研究資源。該文一方面闡述了應(yīng)用云計(jì)算實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境的技術(shù)路線，另一方面討論了共享社區(qū)、資源建設(shè)、教學(xué)檔案收集與挖掘等基于云計(jì)算環(huán)境的運(yùn)作模式。

關(guān)鍵詞：云計(jì)算；虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境；共享社區(qū)；資源管理

中圖分類號(hào)：TP311.13 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）32-0104-03

Application of Cloud Computing to Build the Experimental Environment of Computer Course in Colleges

DONG Shang-yan

（School of Computer Engineering， Jingchu University of Technology， Jingmen 448000， China）

Abstract： The experiment environment based on cloud computing should pay more attention to two aspects of technology application and resource management. Cloud computing technology provides a broad platform for the virtual experiment environment， and the construction and management of resources provide the most comprehensive and authentic materials for teaching research and development. Different from the traditional experimental teaching， it is easy to extend the knowledge sharing and teaching research on the basis of this experimental environment. This paper expounds the technical route of the experiment environment based on cloud computing， on the other hand， discusses the sharing community， resources construction， teaching archives collection and mining based on cloud computing environment.

Key words： cloud computing； Virtual experiment environment； Shared community； resource management

信息技術(shù)的發(fā)展使得軟件更新速度在加快，對(duì)硬件要求越來(lái)越高。高校計(jì)算機(jī)類實(shí)驗(yàn)室在跟隨時(shí)代發(fā)展的過(guò)程中基礎(chǔ)投入與運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本在不斷提高。軟硬件的升級(jí)換代，一方面給高校帶來(lái)財(cái)政負(fù)擔(dān)，另一方面又造成了很大的浪費(fèi)。云計(jì)算及其虛擬化技術(shù)為高校計(jì)算機(jī)課程的實(shí)踐教學(xué)帶來(lái)了新的建設(shè)思路?；谠朴?jì)算的虛擬化實(shí)驗(yàn)環(huán)境具有節(jié)省資源、易于擴(kuò)充、維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)。本文從基于云計(jì)算的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境的構(gòu)建方式、整體架構(gòu)、資源配備及信息管理幾個(gè)方面進(jìn)行闡述，對(duì)資源配備中門戶站點(diǎn)的建設(shè)思路提出了自己的觀點(diǎn)。

1 構(gòu)建方式

基于云計(jì)算構(gòu)建實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境有兩種方式：

第一種方式采用從公有云租借的方式。目前有很多商業(yè)化的公有云，提供了基礎(chǔ)設(shè)施、平臺(tái)、軟件各種服務(wù)（即IaaS、PaaS、SaaS）。在這種方式下，從軟硬件平臺(tái)的租借到實(shí)驗(yàn)資源的上載部署與更新都可以采取有償?shù)谌降男问綄?shí)現(xiàn)。高校重點(diǎn)關(guān)注實(shí)踐課程教學(xué)內(nèi)容的組織與更新，定期通過(guò)門戶站點(diǎn)對(duì)教學(xué)資料進(jìn)行本地化歸檔。

這種方式初期投入較少，內(nèi)容更新及時(shí)，根據(jù)學(xué)校的實(shí)際情況有較靈活的操作性。由于云計(jì)算按需支付的運(yùn)維方式，可能對(duì)大量或長(zhǎng)期占用云資源的研究實(shí)驗(yàn)有一定的限制。

第二種方式是高校在自己目前的實(shí)驗(yàn)設(shè)施基礎(chǔ)上擴(kuò)充后搭建教學(xué)私有云，從硬件、軟件兩個(gè)方面進(jìn)行自主建設(shè)，目前已有一些高校開始試行。當(dāng)前豐富的開源產(chǎn)品為私有云的構(gòu)建提供了強(qiáng)有力的保障，構(gòu)建輕量的私有云用于實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境已是高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的一種趨勢(shì)。由于高校在實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)期的建設(shè)投入中積累了豐富的資源，在服務(wù)器、計(jì)算機(jī)終端、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、多媒體設(shè)備等方面已有較好的基礎(chǔ)；還包括大量的實(shí)驗(yàn)保障設(shè)施，從實(shí)驗(yàn)室房屋及配套設(shè)施（如電源、空調(diào)、桌椅等）等方面也有較大的保有量；也培養(yǎng)了較成熟的管理運(yùn)維團(tuán)隊(duì)以及豐富的軟件資源及大量的不同種類及形式的教學(xué)檔案等，這些都為高校搭建基于私有云的虛擬實(shí)驗(yàn)室提供了充足的條件。

這種方式最大的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)現(xiàn)有的管理不會(huì)造成較大的沖擊，同時(shí)云計(jì)算虛擬技術(shù)也使得老舊的計(jì)算機(jī)設(shè)備能夠被再利用。另外，整個(gè)平臺(tái)搭建完成后可以實(shí)現(xiàn)多種用途，如學(xué)生實(shí)驗(yàn)，教師科研，校園管理等。本文將著重以這種方式來(lái)展開討論。

2 整體架構(gòu)

基于云計(jì)算構(gòu)建實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境的整體架構(gòu)如圖1所示：

在云平臺(tái)將所有資源進(jìn)行虛擬化向用戶（教師或?qū)W生）公布，用戶無(wú)論是在真實(shí)實(shí)驗(yàn)室的客戶端，還是在寢室的筆記本或臺(tái)式機(jī)，都能通過(guò)校園網(wǎng)或外網(wǎng)向平臺(tái)申請(qǐng)服務(wù)，以定制的方式訪問其發(fā)布的各種資源，如虛擬桌面，虛擬應(yīng)用軟件及各種服務(wù)器資源等，以虛擬的方式快速形成實(shí)驗(yàn)環(huán)境。當(dāng)實(shí)驗(yàn)開始后，所有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及過(guò)程會(huì)記載至平臺(tái)中個(gè)人文件夾并在實(shí)驗(yàn)完成提交后打包存儲(chǔ)。用戶可以隨時(shí)下載生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。除利用平臺(tái)完成實(shí)驗(yàn)外，用戶還可以將心得體會(huì)在用戶門戶網(wǎng)站進(jìn)行分享或者參與討論。而平臺(tái)管理員可以通過(guò)管理員門戶進(jìn)行資源維護(hù)與流程控制。

基于私有云的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境在邏輯上分三個(gè)部分：

基礎(chǔ)設(shè)施： 基礎(chǔ)設(shè)施包括所有的硬件設(shè)備，如服務(wù)器、存儲(chǔ)設(shè)備、終端、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、多媒體設(shè)備，輔助設(shè)備等。另外基礎(chǔ)設(shè)施上還應(yīng)配備相應(yīng)的操作系統(tǒng)及管理軟件。

教學(xué)資源：包括適應(yīng)各類課程教學(xué)的虛擬桌面，對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境以及為用戶分配的存儲(chǔ)空間及計(jì)算能力等。

門戶網(wǎng)站：包括用戶進(jìn)行知識(shí)共享的用戶門戶站點(diǎn)及管理員進(jìn)行資源維護(hù)的管理員門戶站點(diǎn)。

在實(shí)現(xiàn)的技術(shù)上，有三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：

虛擬化服務(wù)器：服務(wù)器虛擬化是將多個(gè)虛擬機(jī)運(yùn)行在單個(gè)服務(wù)器上，并且對(duì)硬件資源進(jìn)行抽象。服務(wù)器虛擬化技術(shù)保證了虛擬機(jī)運(yùn)行的獨(dú)立性，實(shí)現(xiàn)了信息的安全與共享。

虛擬化桌面：桌面虛擬化是將計(jì)算機(jī)的終端系統(tǒng)進(jìn)行虛擬化，用戶使用終端設(shè)備便可隨 時(shí)隨地通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪問個(gè)人的桌面系統(tǒng)。

應(yīng)用虛擬化：應(yīng)用虛擬化是指為應(yīng)用程序提供了虛擬運(yùn)行環(huán)境和可執(zhí)行文件，將應(yīng)用對(duì)底層系統(tǒng)和硬件的依賴抽象出來(lái)。在本地虛擬化環(huán)境中，應(yīng)用程序屏蔽了底層可能與其它應(yīng)用產(chǎn)生沖突的內(nèi)容（如動(dòng)態(tài)鏈接等），簡(jiǎn)化了應(yīng)用程序的部署升級(jí)，管理員只需更新虛擬環(huán)境中應(yīng)用程序的副本并將其發(fā)布出去，無(wú)需處理每臺(tái)設(shè)備的不兼容情況。

3 資源建設(shè)

在云計(jì)算應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境中，用戶不需要安裝服務(wù)器程序或任何客戶端軟件就可以利用自己的各類終端，在任意時(shí)間、任意地點(diǎn)通過(guò)瀏覽器訪問實(shí)驗(yàn)教學(xué)云資源，來(lái)完成各種課程學(xué)習(xí)或在線遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)操作。而在構(gòu)建基于云的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境時(shí)，無(wú)論我們采用哪一種方式，軟資源建設(shè)都是其中最重要最核心的環(huán)節(jié)。軟資源包括三方面的內(nèi)容：理論教學(xué)資源，實(shí)驗(yàn)教學(xué)指導(dǎo)類資源，輔助類資源。

3.1理論教學(xué)資源

理論教學(xué)往往是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的先行部分，為了滿足學(xué)生在實(shí)驗(yàn)之前對(duì)相關(guān)理論課內(nèi)容有查閱的需要，理論教學(xué)資源的建設(shè)很有必要。其資源形式有多種，如經(jīng)過(guò)提煉總結(jié)的靜態(tài)文檔、授課視頻及錄音、圖形圖像等。教學(xué)資料要有針對(duì)性，要突出重點(diǎn)，依照學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣予以組織和呈現(xiàn)。豐富的理論教學(xué)資源是學(xué)生實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備及實(shí)驗(yàn)后總結(jié)提高的重要保證。

3.2實(shí)驗(yàn)教學(xué)指導(dǎo)類資源

實(shí)驗(yàn)教學(xué)指導(dǎo)類資源主要包括實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)手冊(cè)、每個(gè)實(shí)驗(yàn)所要達(dá)到的教學(xué)目標(biāo)及考核指標(biāo)等。由于虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境的無(wú)差異性，每個(gè)學(xué)生都在穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中進(jìn)行操作。對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能的考核相對(duì)容易。

3.3輔助類資源

搭建共享社區(qū)平臺(tái)，為學(xué)生、教師及管理者之間的交流提供支持。另外，還應(yīng)鏈接外網(wǎng)與教學(xué)相關(guān)的內(nèi)容，如業(yè)界動(dòng)態(tài)、學(xué)習(xí)類博客等。

3.4 資源的組織原則

在公布給用戶的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，應(yīng)對(duì)所有資源進(jìn)行有效的組織，讓用戶有層次地進(jìn)行相關(guān)資料的調(diào)取查閱?？梢詫?shí)現(xiàn)課程所有章節(jié)的全部推送，也可以開關(guān)式的由指導(dǎo)教師制定推送清單，做到靈活管理。

在資源的組織上還應(yīng)遵循漸進(jìn)式學(xué)習(xí)的原則：

第1階段：學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識(shí)。

第2階段：訓(xùn)練掌握相關(guān)技能。

第3階段：協(xié)作和知識(shí)共享。

三個(gè)階段的內(nèi)容除理論教學(xué)類資源的配置上要有一定層次外，實(shí)驗(yàn)類資源要有側(cè)重點(diǎn)，并互相銜接。第1階段主要針對(duì)基本概念提供驗(yàn)證式實(shí)驗(yàn)任務(wù)，第2階段要組織一些難度漸進(jìn)的綜合類實(shí)驗(yàn)，第3階段提供成果展示平臺(tái)，并定期進(jìn)行優(yōu)秀實(shí)驗(yàn)成果的評(píng)選，以促進(jìn)整個(gè)教學(xué)活動(dòng)的深入。

4 信息管理

基于云計(jì)算的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的管理要分為兩個(gè)部分：系統(tǒng)管理部分及實(shí)驗(yàn)信息檔案管理部分。

系統(tǒng)管理部分將用來(lái)管理和維護(hù)創(chuàng)建的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，并合理分配實(shí)驗(yàn)資源，將一個(gè)或多個(gè)云服務(wù)器整合為多個(gè)虛擬計(jì)算機(jī)集群系統(tǒng)。

教學(xué)檔案管理則相對(duì)復(fù)雜。早期的實(shí)驗(yàn)環(huán)境由于其固有的組織形式造成了每堂實(shí)驗(yàn)、每門課程、每個(gè)實(shí)驗(yàn)室等各元素相互之間的獨(dú)立性，在教學(xué)檔案的留存、學(xué)生實(shí)驗(yàn)信息的采集等都存在很大的困難。而虛擬實(shí)驗(yàn)室能很好地解決實(shí)驗(yàn)各方信息采集與管理，且為教學(xué)實(shí)踐深入開展提供了可供挖掘的數(shù)據(jù)資源。教師依靠教學(xué)檔案可視化工具，及時(shí)地發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中的薄弱環(huán)節(jié)，從而作出調(diào)整；又可以對(duì)學(xué)生整體水平作出客觀的評(píng)價(jià)，從而有針對(duì)性地進(jìn)行下一步的教學(xué)實(shí)施。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息總體上包括：學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告、教師授課計(jì)劃、學(xué)生實(shí)驗(yàn)成績(jī)及考勤，學(xué)生操作環(huán)節(jié)的記載，學(xué)生個(gè)人檔案信息，學(xué)生最終實(shí)驗(yàn)課程的成績(jī)?cè)u(píng)定以及教師教學(xué)效果的評(píng)定信息等。這些信息由于是實(shí)時(shí)采集，能全面客觀反映實(shí)驗(yàn)教學(xué)的真實(shí)狀態(tài)，是教師進(jìn)行教學(xué)改進(jìn)與提高的最好的研究資源。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息的存儲(chǔ)和管理依托的是云計(jì)算平臺(tái)，云平臺(tái)除了最基本的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境的配置開發(fā)外，還應(yīng)具有可靠的實(shí)時(shí)信息采集及存儲(chǔ)管理系統(tǒng)。基于云的虛擬實(shí)驗(yàn)室不是簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)環(huán)境的虛擬化，更要提供實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程的全程管理。

5 結(jié)束語(yǔ)

高?；谠茦?gòu)建計(jì)算機(jī)類課程的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，是實(shí)驗(yàn)室發(fā)展的一個(gè)方向。依托云平臺(tái)還可以開發(fā)各種門戶網(wǎng)站，如用于成果展示和分享的社區(qū)，用于用戶學(xué)習(xí)記錄的個(gè)人空間，用于各類資源管理的后臺(tái)門戶等。信息技術(shù)的發(fā)展必將為高校教育提供更廣闊的發(fā)展空間。

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