基于校企聯(lián)合的實(shí)驗(yàn)室云教學(xué)平臺(tái)建設(shè)方案

趙曉娟 趙欽

國(guó)務(wù)院在“全面落實(shí)立德樹(shù)人根本任務(wù)”中強(qiáng)調(diào)，要支持本科生和研究生提前進(jìn)入企業(yè)開(kāi)展創(chuàng)新活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)。然而隨著企業(yè)對(duì)高等人才創(chuàng)新意識(shí)與應(yīng)用能力的需求的提高，當(dāng)前計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的硬件服務(wù)器資源及網(wǎng)絡(luò)環(huán)境已難以支撐多種試驗(yàn)系統(tǒng)的教學(xué)活動(dòng)要求。云計(jì)算技術(shù)以其資源利用率高且按需分配的特點(diǎn)，已受到國(guó)家教育部、司法部及軍隊(duì)的高度重視。同時(shí)，由于云計(jì)算技術(shù)具有數(shù)據(jù)集中存儲(chǔ)、安全可控、管理集中統(tǒng)一、可用性高、可擴(kuò)展性好、負(fù)載均衡等多種優(yōu)點(diǎn)，已在各行各業(yè)中得到廣泛應(yīng)用 。將云計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用與高校實(shí)驗(yàn)室教學(xué)當(dāng)中，以虛擬云桌面提到當(dāng)前獨(dú)立的操作系統(tǒng)，可以為高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供更加便捷高效的實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理。通過(guò)校企合作培養(yǎng)模式，建立校內(nèi)外實(shí)訓(xùn)基地，在課程過(guò)程中，可以由企業(yè)高級(jí)技術(shù)人員及專(zhuān)業(yè)教師對(duì)學(xué)生進(jìn)行多重指導(dǎo)，進(jìn)而提升高校的整體實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

一、云平臺(tái)與桌面虛擬化技術(shù)

云平臺(tái)在本質(zhì)上為借助云計(jì)算技術(shù)為計(jì)算機(jī)提供硬件與軟件資源的服務(wù)平臺(tái)。云平臺(tái)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用通常表現(xiàn)為通過(guò)校園網(wǎng)對(duì)校內(nèi)計(jì)算機(jī)軟件資源進(jìn)行統(tǒng)一管理的平臺(tái)。其在為用戶(hù)提供計(jì)算、數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)服務(wù)的同時(shí)，也可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)向用戶(hù)供給所需求的云端硬件與軟件資源。桌面虛擬化技術(shù)則為通過(guò)云端服務(wù)器對(duì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)的設(shè)備資源進(jìn)行集中管控和分配調(diào)度的系統(tǒng)架構(gòu)。基于該系統(tǒng)架構(gòu)，用戶(hù)可從服務(wù)器端獲取所需的存儲(chǔ)空間、軟件系統(tǒng)和虛擬內(nèi)存，并在終端顯示設(shè)備進(jìn)行輸出。將云平臺(tái)技術(shù)與桌面虛擬化技術(shù)相結(jié)合并應(yīng)用于高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理在服務(wù)器端進(jìn)行而僅將運(yùn)算結(jié)果反饋給學(xué)生終端，并根據(jù)各學(xué)生終端的實(shí)際需求對(duì)資源進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)分配，從而為計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室提供更加完善便捷的教學(xué)管理服務(wù)。

二、傳統(tǒng)高校多媒體實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)狀與問(wèn)題

本校區(qū)目前擁有計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室3間，學(xué)生終端數(shù)量近200臺(tái)。然而對(duì)終端設(shè)備的管理仍采用為每個(gè)終端安裝多個(gè)操作系統(tǒng)，并利用教學(xué)管理軟件來(lái)保護(hù)硬盤(pán)讀寫(xiě)的模式。當(dāng)前的管理模式在信息化教學(xué)實(shí)踐中存在以下問(wèn)題。

1.實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成本高。隨著科技水平的快速發(fā)展，實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件對(duì)硬件設(shè)備的配置要求逐步提升，大量終端設(shè)備的集中更新?lián)Q代導(dǎo)致高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)投入巨幅上漲。另外，由于計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室往往需同時(shí)服務(wù)于多學(xué)科的信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)，多種教學(xué)軟件的特異化需求也為終端硬件設(shè)備提出了更高的要求。同時(shí)，由于部分設(shè)備間存在性能差異，因此往往需要投入大量的成本用于計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的維護(hù)管理與設(shè)備維修。

2.維護(hù)管理難度大。由于本校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室需同時(shí)承擔(dān)土木工程、機(jī)械設(shè)計(jì)、軟件工程等多個(gè)學(xué)科的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和不同的教學(xué)任務(wù)，不同實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的與教學(xué)內(nèi)容對(duì)計(jì)算機(jī)應(yīng)用環(huán)境的需求存在差異，導(dǎo)致每臺(tái)終端設(shè)備需同時(shí)部署多款實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件?；诋?dāng)前對(duì)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室所采用的管理模式，各終端設(shè)備中普遍多個(gè)操作系統(tǒng)共存，在影響計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度的同時(shí)，多個(gè)系統(tǒng)間的不穩(wěn)定因素也極大地增加了實(shí)驗(yàn)室管理人員的工作難度。由于本?，F(xiàn)設(shè)有三個(gè)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室，因各實(shí)驗(yàn)室建設(shè)時(shí)間不同，終端設(shè)備間硬件異構(gòu)十分嚴(yán)重，各實(shí)驗(yàn)室中學(xué)生終端相對(duì)獨(dú)立，計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障的情形也各不相同，差異化嚴(yán)重的維修調(diào)試工作在給實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)維管理帶來(lái)不便的同時(shí)，也使得排課及統(tǒng)一維護(hù)需耗費(fèi)較多的時(shí)間和精力。此外，為保護(hù)學(xué)生終端設(shè)備硬盤(pán)，其計(jì)算機(jī)每次啟動(dòng)都會(huì)進(jìn)行系統(tǒng)地還原，由此導(dǎo)致教學(xué)系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)軟件的安裝及更新都需先在母系統(tǒng)上安裝后，再以網(wǎng)絡(luò)同傳的方式對(duì)其余計(jì)算機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一部署。然而由于實(shí)驗(yàn)室中各計(jì)算機(jī)的硬件配置和同傳管理軟件版本并不完全一致，這就導(dǎo)致了不同型號(hào)的計(jì)算機(jī)需要分批部署，逐臺(tái)安裝，嚴(yán)重影響了實(shí)驗(yàn)室管理工作的進(jìn)行。

3.數(shù)據(jù)安全性差。學(xué)生在上機(jī)操作過(guò)程中，由于學(xué)生網(wǎng)絡(luò)安全意識(shí)不強(qiáng)，終端設(shè)備的數(shù)據(jù)和系統(tǒng)安全性面臨著各類(lèi)威脅，學(xué)生所攜帶的移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備也為網(wǎng)絡(luò)病毒的入侵提供了途徑。此外，還原系統(tǒng)的存在使得學(xué)生在課堂實(shí)驗(yàn)中所取得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不能存儲(chǔ)在所操作的計(jì)算機(jī)中，導(dǎo)致課程教學(xué)的延續(xù)性受到影響，而反復(fù)多次的硬盤(pán)擦寫(xiě)操作也使得設(shè)備的使用壽命大大降低，為教學(xué)數(shù)據(jù)的丟失埋下隱患。

三、建設(shè)方案

1.在硬件配置方面?；谄髽I(yè)對(duì)綜合創(chuàng)新型人才的迫切需求，結(jié)合本?，F(xiàn)有多媒體實(shí)驗(yàn)室實(shí)際特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了基于桌面虛擬化技術(shù)的虛擬云實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)方案，在硬件配置方面主要包含以下模塊：①服務(wù)器：基于本校現(xiàn)有多媒體實(shí)驗(yàn)室規(guī)模及設(shè)備資源，依據(jù)各計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)活動(dòng)規(guī)模，購(gòu)置部門(mén)級(jí)服務(wù)器一臺(tái)作為主節(jié)點(diǎn)運(yùn)行虛擬云平臺(tái)系統(tǒng)，現(xiàn)有兩臺(tái)高性能服務(wù)器作為從屬節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)算空間及硬件支持。服務(wù)器部署于本校服務(wù)器機(jī)房?jī)?nèi)，其中云主機(jī)搭載著云平臺(tái)軟件及教學(xué)管理軟件，而服務(wù)器整體承擔(dān)所有學(xué)生的課業(yè)及相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)所有學(xué)生終端的綜合管控。②云終端：云終端通過(guò)校內(nèi)局域網(wǎng)與教師端及服務(wù)器端進(jìn)行連接，從而獲取虛擬桌面操作系統(tǒng)，而終端本地操作系統(tǒng)不對(duì)學(xué)生授權(quán)開(kāi)放。由于計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容不同，因此本方案分批次分別購(gòu)置瘦客戶(hù)機(jī)作為學(xué)生終端顯示設(shè)備。

2.在系統(tǒng)建設(shè)方面。本方案采用OpenStack虛擬云平臺(tái)系統(tǒng)，依據(jù)本校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、硬件設(shè)備及應(yīng)用架構(gòu)搭建虛擬云試驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，從而避免在構(gòu)建過(guò)程中的大范圍系統(tǒng)改造，降低系統(tǒng)的復(fù)雜度和建設(shè)成本。該系統(tǒng)主要包括以下模塊。①系統(tǒng)環(huán)境布置模塊。實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的環(huán)境即實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用程序所需的運(yùn)行平臺(tái)。系統(tǒng)環(huán)境布置模塊用于對(duì)不同實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件所需的特定運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行搭建。同時(shí)依據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)科目和內(nèi)容對(duì)所搭建的運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行統(tǒng)一管理。②實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理模塊。實(shí)驗(yàn)教學(xué)的管理模塊用于對(duì)包括實(shí)驗(yàn)大綱、課時(shí)安排、教學(xué)任務(wù)、過(guò)程監(jiān)控等內(nèi)容的管理。在每學(xué)期開(kāi)學(xué)前，管理人員可通過(guò)該模塊對(duì)本學(xué)期所需在各計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)的課時(shí)安排、排課情況、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容等信息進(jìn)行管理，并為教師提供特定實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)的預(yù)約窗口。在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境搭建方面，服務(wù)器與實(shí)驗(yàn)室云終端之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)、交換機(jī)、路由器組建局域網(wǎng)，為了滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求采用千兆網(wǎng)組建教學(xué)網(wǎng)絡(luò)。

四、結(jié)語(yǔ)

校企聯(lián)合已成為高校辦學(xué)育人的重要模式之一，本文就高校實(shí)驗(yàn)室云平臺(tái)的建設(shè)展開(kāi)相應(yīng)的研究，從技術(shù)應(yīng)用、當(dāng)前多媒體實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)狀及虛擬化教學(xué)云平臺(tái)建設(shè)流程等多方面展開(kāi)研究?jī)?nèi)容的論述，仔細(xì)分析在實(shí)際應(yīng)用中存在的問(wèn)題并基于本校多媒體實(shí)驗(yàn)室實(shí)際情況提出虛擬化云桌面的建設(shè)方案，與校外企業(yè)聯(lián)合共建創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)驗(yàn)室，由企業(yè)進(jìn)行部分硬件或軟件的贈(zèng)送，搭建與企業(yè)、教師、學(xué)生科研項(xiàng)目溝通和互動(dòng)平臺(tái)，為學(xué)生提供進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)模擬環(huán)境，切實(shí)提升高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的整體質(zhì)量。[基金項(xiàng)目：西安理工大學(xué)教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目，課題編號(hào)xjy1858。]

（作者單位：西安理工大學(xué)）