基于云計(jì)算的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)

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(黑龍江中醫(yī)藥大學(xué) 醫(yī)學(xué)信息工程學(xué)院, 哈爾濱 150040)

0 引言

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”計(jì)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(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略的層面，高校計(jì)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(gè)重要組成部分。高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)著全校計(jì)算機(jī)相關(guān)專(zhuān)業(yè)的課程實(shí)驗(yàn)任務(wù)、非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的計(jì)算機(jī)公共基礎(chǔ)課的實(shí)驗(yàn)任務(wù)和計(jì)算機(jī)類(lèi)的考試和科研任務(wù)，而目前大多數(shù)高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)仍然采用每臺(tái)計(jì)算機(jī)獨(dú)自享用資源的模式，這樣就會(huì)導(dǎo)致后期軟硬件購(gòu)買(mǎi)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(wèn)題。而云計(jì)算技術(shù)作為一種新型的具有虛擬化和高擴(kuò)展性的計(jì)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(lái)國(guó)內(nèi)外很多高校圍繞云計(jì)算的應(yīng)用展開(kāi)了研究，在云計(jì)算輔助教學(xué)、云計(jì)算資源建設(shè)等方面進(jìn)行了有益的實(shí)踐和探索，推動(dòng)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(jì)算的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，可以有效整合教學(xué)資源，使每臺(tái)計(jì)算機(jī)通過(guò)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(chǔ)資源、應(yīng)用軟件資源等，用戶(hù)可以根據(jù)自身實(shí)際需要，通過(guò)功能擴(kuò)展的方式獲得云計(jì)算實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)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(gòu)買(mǎi)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(jì)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(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)規(guī)模也在逐年擴(kuò)大，計(jì)算機(jī)性能不斷提高。但高校的逐年擴(kuò)招和無(wú)紙化考試的日益盛行使得現(xiàn)有計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的規(guī)模仍然不能滿(mǎn)足目前計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)踐、各類(lèi)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(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室?guī)缀鯖](méi)有空閑時(shí)間，學(xué)生很難利用業(yè)余時(shí)間進(jìn)行實(shí)踐練習(xí)。

1.2 建設(shè)資金相對(duì)匱乏

計(jì)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(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)仍然采用每臺(tái)計(jì)算機(jī)獨(dú)享資源的模式，改善實(shí)驗(yàn)室環(huán)境時(shí)需要在每臺(tái)計(jì)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(jí)和維護(hù)的成本。

1.3 資源利用率偏低

由于學(xué)生的專(zhuān)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(huì)為某一類(lèi)專(zhuān)業(yè)或研究領(lǐng)域的學(xué)生配備專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室，以提高教學(xué)質(zhì)量，但會(huì)導(dǎo)致這些專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室的資源無(wú)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(jì)算機(jī)獨(dú)享資源模式使得實(shí)驗(yàn)室管理者往往會(huì)在一臺(tái)機(jī)器即母機(jī)上安裝大量軟件，然后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)克隆的方式分發(fā)到每一臺(tái)學(xué)生機(jī)器上，以盡可能多的滿(mǎn)足學(xué)生的需要，但是太多的軟件使得計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不堪重負(fù)，每次網(wǎng)絡(luò)克隆的時(shí)間需要5小時(shí)左右，并且一旦軟件需求臨時(shí)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(shí)間、人力和物力。

1.5 無(wú)法提供個(gè)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(huì)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(wú)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(gè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境都是相同的，無(wú)法為學(xué)生提供個(gè)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(jì)算的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的構(gòu)建

2.1 云平臺(tái)的架構(gòu)

云計(jì)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(guò)互聯(lián)網(wǎng)來(lái)提供動(dòng)態(tài)易擴(kuò)展的而且經(jīng)常是虛擬化的資源[6]。基于云計(jì)算的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)分為4個(gè)層次，分別是云基礎(chǔ)設(shè)施硬件層、資源虛擬化平臺(tái)層、虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)層和云終端接入層，如圖1所示。

圖1 計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)云平臺(tái)架構(gòu)

通過(guò)該云平臺(tái)，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(chǔ)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(shí)間和地域限制隨時(shí)隨地通過(guò)智能終端設(shè)備接入云平臺(tái)，獲取云平臺(tái)的IaaS(基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù))、PaaS(平臺(tái)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(chǔ)設(shè)備，各設(shè)備通過(guò)網(wǎng)絡(luò)互連。

資源虛擬化平臺(tái)層：利用虛擬化技術(shù)將計(jì)算資源、網(wǎng)絡(luò)資源和存儲(chǔ)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(guò)云計(jì)算管理軟件CloudStack實(shí)現(xiàn)資源的統(tǒng)一管理，使計(jì)算資源、網(wǎng)絡(luò)資源和存儲(chǔ)資源協(xié)同工作，可以按需動(dòng)態(tài)分配和擴(kuò)展資源。

虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)層：該層統(tǒng)一管理虛擬化資源池，用戶(hù)通過(guò)統(tǒng)一身份認(rèn)證后，可以通過(guò)申請(qǐng)?zhí)摂M主機(jī)的方式申請(qǐng)?zhí)摂M化后的資源，快速部署個(gè)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(chǔ)個(gè)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(dòng)。

云終端接入層：用戶(hù)可以隨時(shí)隨地借助個(gè)人電腦、手機(jī)、平板電腦等智能終端設(shè)備通過(guò)B/S模式登錄云終端，獲得云平臺(tái)的計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)等服務(wù)。

2.2 云平臺(tái)的實(shí)施

由于計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)云平臺(tái)主要面向?qū)W校的教師和學(xué)生，所以該平臺(tái)部署為私有云模式，平臺(tái)硬件拓?fù)?，如圖2所示。

圖2 計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)云平臺(tái)硬件拓?fù)?/p>

云平臺(tái)的主存儲(chǔ)采用FC-SAN的集中存儲(chǔ)架構(gòu)，通過(guò)光纖通道連接到服務(wù)器集群上，為計(jì)算節(jié)點(diǎn)以共享的方式提供存儲(chǔ)資源。由于虛擬機(jī)文件都存儲(chǔ)在后端的SAN存儲(chǔ)陣列中，當(dāng)云平臺(tái)中的任意一臺(tái)虛擬機(jī)出現(xiàn)單點(diǎn)故障時(shí)，都可實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)不間斷地遷移到另一臺(tái)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(jì)算服務(wù)器共有5臺(tái)，構(gòu)成5節(jié)點(diǎn)服務(wù)器集群，為平臺(tái)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(gè)網(wǎng)段，分別是存儲(chǔ)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(hù)通過(guò)智能終端設(shè)備接入到云平臺(tái)中。

在云基礎(chǔ)設(shè)施硬件層部署完成后，資源虛擬化平臺(tái)用于將計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)等資源進(jìn)行虛擬化管理，實(shí)現(xiàn)資源自動(dòng)化管理和按需分配。當(dāng)用戶(hù)在線提交虛擬機(jī)申請(qǐng)后，云管理系統(tǒng)會(huì)根據(jù)用戶(hù)申請(qǐng)的資源特點(diǎn)以快照或鏡像的方式分配虛擬機(jī)。同時(shí)資源虛擬化平臺(tái)會(huì)監(jiān)控和管理云中的計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)等資源的運(yùn)行性能，自動(dòng)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(tái)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(hù)也可以根據(jù)自身需求申請(qǐng)?zhí)摂M機(jī)資源，快速配置個(gè)性化的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。通過(guò)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(xiāo)毀。

2.3 云平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)

相較于傳統(tǒng)獨(dú)享資源的模式，基于云計(jì)算的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)教師或?qū)W生不再受時(shí)間和地域的限制，可以隨時(shí)隨地通過(guò)PC機(jī)、平板電腦或智能手機(jī)通過(guò)B/S模式登錄云終端，申請(qǐng)和配置個(gè)人實(shí)驗(yàn)環(huán)境開(kāi)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(wèn)題。

(2)云平臺(tái)模式是在服務(wù)器端部署全部資源，客戶(hù)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(jí)軟件時(shí)，只需要更新和升級(jí)服務(wù)器端的軟硬件，降低了基礎(chǔ)設(shè)置購(gòu)置成本和維護(hù)管理成本。

(3)云平臺(tái)利用虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了資源整合，用戶(hù)可以按需申請(qǐng)和快速部署各類(lèi)資源，不需再單獨(dú)設(shè)置針對(duì)某一專(zhuān)業(yè)或領(lǐng)域的專(zhuān)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(shí)間就可以把實(shí)驗(yàn)環(huán)境發(fā)布到任何一臺(tái)PC機(jī)上，客戶(hù)端不再需要安裝實(shí)驗(yàn)所需的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，客戶(hù)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(tái)可以提供個(gè)性化服務(wù)，用戶(hù)可以在虛擬機(jī)上存儲(chǔ)個(gè)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(dòng)，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(jì)算機(jī)類(lèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

目前可在云平臺(tái)上應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例主要有兩類(lèi)，一類(lèi)是全校計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，另一類(lèi)是醫(yī)學(xué)信息工程學(xué)院的專(zhuān)業(yè)課實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

以計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)課程為例，計(jì)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Visual Basic 6.0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(huì)少，教師也不能夠及時(shí)有效地跟蹤學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程。而使用基于云計(jì)算的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)可以有效地解決這個(gè)問(wèn)題。云平臺(tái)中的用戶(hù)主要分為三類(lèi)：管理員用戶(hù)、教師用戶(hù)和學(xué)生用戶(hù)。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(hù)管理和查詢(xún)統(tǒng)計(jì)。教師的權(quán)限主要是課程設(shè)置、課程考核管理、課程成績(jī)管理、實(shí)驗(yàn)設(shè)置、實(shí)驗(yàn)情況查詢(xún)和實(shí)驗(yàn)問(wèn)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(gè)人信息修改。

實(shí)驗(yàn)開(kāi)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(guò)個(gè)人賬號(hào)登錄云平臺(tái)，設(shè)置課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，配置計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)課程所需的Window7 和Visual Basic 6.0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(guò)個(gè)人賬號(hào)登錄云平臺(tái)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(dòng)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Visual Basic 6.0的窗體設(shè)計(jì)和代碼設(shè)計(jì)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，教師可以隨時(shí)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(dòng)交流。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，學(xué)生可通過(guò)云平臺(tái)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(jī)，并釋放虛擬機(jī)資源。

云平臺(tái)模式為每個(gè)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(guò)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(shí)隨地訪問(wèn)個(gè)人賬號(hào)下的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)桌面開(kāi)展教學(xué)實(shí)踐，提高了學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力，教師也能夠?qū)崟r(shí)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(zhuān)業(yè)課實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要大量軟件，包括C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)課程的VC6.0、Java程序設(shè)計(jì)課程的JDK1.8、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)原理課程的Oracle Database 10g、醫(yī)學(xué)多媒體技術(shù)課程的Photoshop和MATLAB等。云平臺(tái)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(tái)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(qǐng)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(kāi)放實(shí)驗(yàn)室預(yù)約

教師和學(xué)生可以登錄云平臺(tái)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)室預(yù)約申請(qǐng)，填寫(xiě)實(shí)驗(yàn)起止時(shí)間、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱(chēng)、所需實(shí)驗(yàn)資源等，管理員根據(jù)預(yù)約申請(qǐng)進(jìn)行審核，按需分配云平臺(tái)虛擬實(shí)驗(yàn)空間賬號(hào)，教師和學(xué)生可以登錄云平臺(tái)開(kāi)展教學(xué)實(shí)踐、科學(xué)項(xiàng)目研究和ACM等競(jìng)賽培訓(xùn)，滿(mǎn)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(jì)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(gè)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(tái)已經(jīng)成為教育信息化的發(fā)展趨勢(shì)。本文針對(duì)高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室存在的問(wèn)題，提出了基于云計(jì)算的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，并對(duì)其進(jìn)行建設(shè)和應(yīng)用。該平臺(tái)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(hù)可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)按需獲得云端的計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)服務(wù)，隨時(shí)隨地通過(guò)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(gè)性化服務(wù)問(wèn)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(shí)對(duì)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。