董尚燕

摘要：利用云計算虛擬技術(shù)構(gòu)建計算機課程實驗環(huán)境須重視技術(shù)應(yīng)用及資源管理兩個方面。云計算技術(shù)為虛擬實驗環(huán)境提供了廣闊的構(gòu)建平臺，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的挖掘材料。有別于傳統(tǒng)實驗教學(xué)，在這種新型實驗環(huán)境的基礎(chǔ)上可以很容易地延伸出富有成效的知識共享與教學(xué)研究資源。該文一方面闡述了應(yīng)用云計算實現(xiàn)虛擬實驗環(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算環(huán)境的運作模式。

關(guān)鍵詞：云計算；虛擬實驗環(huán)境；共享社區(qū)；資源管理

中圖分類號：TP311.13 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：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，對硬件要求越來越高。高校計算機類實驗室在跟隨時代發(fā)展的過程中基礎(chǔ)投入與運營維護成本在不斷提高。軟硬件的升級換代，一方面給高校帶來財政負(fù)擔(dān)，另一方面又造成了很大的浪費。云計算及其虛擬化技術(shù)為高校計算機課程的實踐教學(xué)帶來了新的建設(shè)思路?；谠朴嬎愕奶摂M化實驗環(huán)境具有節(jié)省資源、易于擴充、維護簡單等優(yōu)勢。本文從基于云計算的虛擬實驗環(huán)境的構(gòu)建方式、整體架構(gòu)、資源配備及信息管理幾個方面進行闡述，對資源配備中門戶站點的建設(shè)思路提出了自己的觀點。

1 構(gòu)建方式

基于云計算構(gòu)建實驗教學(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、軟件各種服務(wù)（即IaaS、PaaS、SaaS）。在這種方式下，從軟硬件平臺的租借到實驗資源的上載部署與更新都可以采取有償?shù)谌降男问綄崿F(xiàn)。高校重點關(guān)注實踐課程教學(xué)內(nèi)容的組織與更新，定期通過門戶站點對教學(xué)資料進行本地化歸檔。

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

第二種方式是高校在自己目前的實驗設(shè)施基礎(chǔ)上擴充后搭建教學(xué)私有云，從硬件、軟件兩個方面進行自主建設(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)建提供了強有力的保障，構(gòu)建輕量的私有云用于實現(xiàn)虛擬實驗環(huán)境已是高校實驗室建設(shè)的一種趨勢。由于高校在實驗室長期的建設(shè)投入中積累了豐富的資源，在服務(wù)器、計算機終端、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、多媒體設(shè)備等方面已有較好的基礎(chǔ)；還包括大量的實驗保障設(shè)施，從實驗室房屋及配套設(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)了較成熟的管理運維團隊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驗室提供了充足的條件。

這種方式最大的優(yōu)點是對現(xiàn)有的管理不會造成較大的沖擊，同時云計算虛擬技術(shù)也使得老舊的計算機設(shè)備能夠被再利用。另外，整個平臺搭建完成后可以實現(xiàn)多種用途，如學(xué)生實驗，教師科研，校園管理等。本文將著重以這種方式來展開討論。

2 整體架構(gòu)

基于云計算構(gòu)建實驗教學(xué)環(huán)境的整體架構(gòu)如圖1所示：

在云平臺將所有資源進行虛擬化向用戶（教師或?qū)W生）公布，用戶無論是在真實實驗室的客戶端，還是在寢室的筆記本或臺式機，都能通過校園網(wǎng)或外網(wǎng)向平臺申請服務(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驗環(huán)境。當(dāng)實驗開始后，所有的實驗數(shù)據(jù)及過程會記載至平臺中個人文件夾并在實驗完成提交后打包存儲。用戶可以隨時下載生成實驗報告。除利用平臺完成實驗外，用戶還可以將心得體會在用戶門戶網(wǎng)站進行分享或者參與討論。而平臺管理員可以通過管理員門戶進行資源維護與流程控制。

基于私有云的虛擬實驗教學(xué)環(huán)境在邏輯上分三個部分：

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，對應(yīng)實驗內(nèi)容的虛擬實驗環(huán)境以及為用戶分配的存儲空間及計算能力等。

門戶網(wǎng)站：包括用戶進行知識共享的用戶門戶站點及管理員進行資源維護的管理員門戶站點。

在實現(xiàn)的技術(shù)上，有三個關(guān)鍵點：

虛擬化服務(wù)器：服務(wù)器虛擬化是將多個虛擬機運行在單個服務(wù)器上，并且對硬件資源進行抽象。服務(wù)器虛擬化技術(shù)保證了虛擬機運行的獨立性，實現(xiàn)了信息的安全與共享。

虛擬化桌面：桌面虛擬化是將計算機的終端系統(tǒng)進行虛擬化，用戶使用終端設(shè)備便可隨 時隨地通過網(wǎng)絡(luò)訪問個人的桌面系統(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行環(huán)境和可執(zhí)行文件，將應(yīng)用對底層系統(tǒng)和硬件的依賴抽象出來。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（如動態(tài)鏈接等），簡化了應(yīng)用程序的部署升級，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，無需處理每臺設(shè)備的不兼容情況。

3 資源建設(shè)

在云計算應(yīng)用的實驗教學(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，在任意時間、任意地點通過瀏覽器訪問實驗教學(xué)云資源，來完成各種課程學(xué)習(xí)或在線遠(yuǎn)程實驗操作。而在構(gòu)建基于云的實驗教學(xué)環(huán)境時，無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，實驗教學(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)往往是實驗教學(xué)的先行部分，為了滿足學(xué)生在實驗之前對相關(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)資料要有針對性，要突出重點，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)生實驗前準(zhǔn)備及實驗后總結(jié)提高的重要保證。

3.2實驗教學(xué)指導(dǎo)類資源

實驗教學(xué)指導(dǎo)類資源主要包括實驗指導(dǎo)手冊、每個實驗所要達(dá)到的教學(xué)目標(biāo)及考核指標(biāo)等。由于虛擬實驗環(huán)境的無差異性，每個學(xué)生都在穩(wěn)定的實驗環(huán)境中進行操作。對學(xué)生的實驗技能的考核相對容易。

3.3輔助類資源

搭建共享社區(qū)平臺，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驗環(huán)境中，應(yīng)對所有資源進行有效的組織，讓用戶有層次地進行相關(guān)資料的調(diào)取查閱。可以實現(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)遵循漸進式學(xué)習(xí)的原則：

第1階段：學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識。

第2階段：訓(xùn)練掌握相關(guān)技能。

第3階段：協(xié)作和知識共享。

三個階段的內(nèi)容除理論教學(xué)類資源的配置上要有一定層次外，實驗類資源要有側(cè)重點，并互相銜接。第1階段主要針對基本概念提供驗證式實驗任務(wù)，第2階段要組織一些難度漸進的綜合類實驗，第3階段提供成果展示平臺，并定期進行優(yōu)秀實驗成果的評選，以促進整個教學(xué)活動的深入。

4 信息管理

基于云計算的虛擬實驗教學(xué)的管理要分為兩個部分：系統(tǒng)管理部分及實驗信息檔案管理部分。

系統(tǒng)管理部分將用來管理和維護創(chuàng)建的虛擬實驗環(huán)境，并合理分配實驗資源，將一個或多個云服務(wù)器整合為多個虛擬計算機集群系統(tǒng)。

教學(xué)檔案管理則相對復(fù)雜。早期的實驗環(huán)境由于其固有的組織形式造成了每堂實驗、每門課程、每個實驗室等各元素相互之間的獨立性，在教學(xué)檔案的留存、學(xué)生實驗信息的采集等都存在很大的困難。而虛擬實驗室能很好地解決實驗各方信息采集與管理，且為教學(xué)實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，及時地發(fā)現(xiàn)實驗中的薄弱環(huán)節(jié)，從而作出調(diào)整；又可以對學(xué)生整體水平作出客觀的評價，從而有針對性地進行下一步的教學(xué)實施。

實驗教學(xué)信息總體上包括：學(xué)生實驗報告、教師授課計劃、學(xué)生實驗成績及考勤，學(xué)生操作環(huán)節(jié)的記載，學(xué)生個人檔案信息，學(xué)生最終實驗課程的成績評定以及教師教學(xué)效果的評定信息等。這些信息由于是實時采集，能全面客觀反映實驗教學(xué)的真實狀態(tài)，是教師進行教學(xué)改進與提高的最好的研究資源。

實驗教學(xué)信息的存儲和管理依托的是云計算平臺，云平臺除了最基本的虛擬實驗環(huán)境的配置開發(fā)外，還應(yīng)具有可靠的實時信息采集及存儲管理系統(tǒng)?；谠频奶摂M實驗室不是簡單的實驗環(huán)境的虛擬化，更要提供實驗教學(xué)過程的全程管理。

5 結(jié)束語

高?；谠茦?gòu)建計算機類課程的虛擬實驗環(huán)境，是實驗室發(fā)展的一個方向。依托云平臺還可以開發(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)記錄的個人空間，用于各類資源管理的后臺門戶等。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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