惠向暉 魏秀然

河南農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與管理科學(xué)學(xué)院 河南 鄭州 450002

1 高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀分析

21世紀(jì)以來，人們進(jìn)入信息化時(shí)代，計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速發(fā)展。為了貼合時(shí)代發(fā)展，培育新時(shí)代互聯(lián)網(wǎng)人才，各高校紛紛開展計(jì)算機(jī)相關(guān)課程。作為一門實(shí)踐性較強(qiáng)的課程，計(jì)算機(jī)教學(xué)大多采用理論課程結(jié)合計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方式，意在培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力。新的時(shí)代背景下，國家大力發(fā)展計(jì)算機(jī)技術(shù)相關(guān)行業(yè)，通過技術(shù)驅(qū)動經(jīng)濟(jì)發(fā)展，計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)擔(dān)負(fù)著巨大的挑戰(zhàn)和社會責(zé)任[1]。目前傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要存在以下幾種問題。

1.1 實(shí)驗(yàn)室硬件成本過高

目前，絕大多數(shù)高校的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)采用固定機(jī)房，固定座位，固定電腦的基礎(chǔ)硬件設(shè)施。在計(jì)算機(jī)剛剛普及階段，這種教學(xué)模式還可以起到較好的教學(xué)效果，同時(shí)成本相對可以接受。這種模式下，學(xué)校需要設(shè)立專門的場地來建設(shè)機(jī)房，實(shí)驗(yàn)室所用桌椅、交換機(jī)路由器等設(shè)備需要不斷更新，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境維護(hù)成本隨著時(shí)間不斷增加。當(dāng)前社會計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展，軟硬件設(shè)備更新迭代速度不斷提升，機(jī)房教學(xué)專用電腦的更新速度明顯落后于時(shí)代發(fā)展。這導(dǎo)致教師的教學(xué)內(nèi)容不能做到前沿性和實(shí)時(shí)性，學(xué)生所學(xué)到的技術(shù)與社會需求嚴(yán)重脫節(jié)。此外，很多高校存在多個校區(qū)，不同校區(qū)之間距離相對較遠(yuǎn)。為了解決相關(guān)專業(yè)的課程需求，只能在多個校區(qū)分別設(shè)立計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)機(jī)房。這同樣會導(dǎo)致硬件成本的加倍增加，但實(shí)驗(yàn)室使用效率卻相對降低。對計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的電腦設(shè)備進(jìn)行定期更新無疑會加大高校的財(cái)政支出，對一些經(jīng)費(fèi)相對不足的高校造成了較大壓力。因此，如何在保證教學(xué)質(zhì)量的同時(shí)，將有限的經(jīng)費(fèi)資源發(fā)揮更大的作用成為當(dāng)前計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的難點(diǎn)。

1.2 計(jì)算機(jī)配套軟件存在問題

計(jì)算機(jī)作為一種教學(xué)工具，除了場地、硬件等成本，軟件也是必不可少的一環(huán)。針對不同專業(yè)，在開展計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)所用的軟件、開發(fā)環(huán)境等也不盡相同，如最基礎(chǔ)的操作系統(tǒng)Windows和辦公軟件office套件等。軟件和硬件都是實(shí)驗(yàn)教學(xué)開展的基礎(chǔ)條件，教學(xué)軟件的科學(xué)使用決定了教學(xué)效果的優(yōu)劣。當(dāng)前，我國對知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)越來越關(guān)注，軟件正版化成為計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的必經(jīng)之路。對正版化軟件的經(jīng)費(fèi)投入，有利于后續(xù)的維護(hù)升級管理，可以有效地降低法律風(fēng)險(xiǎn)，增強(qiáng)教學(xué)活動的穩(wěn)定性和安全性。因此，高校的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)還需要考慮盜版軟件的問題[2]。

1.3 計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)設(shè)備利用率相對較低

目前的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程安排大多是單次課程占用2-3節(jié)，課程教學(xué)內(nèi)容往往并非獨(dú)立展開。教師需要在上機(jī)實(shí)驗(yàn)前先進(jìn)行理論、操作步驟的講解和演示，這往往需要花費(fèi)1-2節(jié)的時(shí)間，留給學(xué)生實(shí)際操作的時(shí)間十分有限。這種教學(xué)模式下導(dǎo)致學(xué)生往往出現(xiàn)單次實(shí)驗(yàn)完成不了就要下課的場景，學(xué)生實(shí)際學(xué)習(xí)到的內(nèi)容大打折扣。這種情形多次發(fā)生會對學(xué)生的積極性造成極大的打擊，同時(shí)也會降低學(xué)生的自主學(xué)習(xí)意識和學(xué)習(xí)效率。這種模式暴露了計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中教學(xué)環(huán)境和基礎(chǔ)設(shè)施管理上的不足，缺乏更加專業(yè)的分配方式，以面對計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境的復(fù)雜性和綜合性。

2 云計(jì)算及其特點(diǎn)

云計(jì)算技術(shù)作為一種新興的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)并沒有統(tǒng)一的定義，它融合了存儲技術(shù)、分布式計(jì)算技術(shù)、并行計(jì)算技術(shù)等，可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行高效、快速的計(jì)算和處理。云計(jì)算依托于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，可以對用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)的、實(shí)時(shí)的處理，它對用戶客戶端設(shè)備性能要求較低，但需要滿足連接互聯(lián)網(wǎng)。它的應(yīng)用場景主要表現(xiàn)為，用戶客戶端只進(jìn)行數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)上傳和下載，數(shù)據(jù)的計(jì)算和處理部分放在云端集中處理。這為降低客戶端軟硬件成本提供了新的解決方案。同時(shí)，云計(jì)算具有實(shí)時(shí)性和虛擬性，將其與計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合可以有效改善目前的教學(xué)方式和教學(xué)環(huán)境。云計(jì)算主要有以下特點(diǎn)[3]。

2.1 實(shí)時(shí)性

云計(jì)算終端分為服務(wù)器端和客戶端，兩者通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)傳輸。目前網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)基站建設(shè)不斷完善，光纖通信、5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)為云計(jì)算的通信提供了極端的時(shí)延。用戶在客戶端的操作控制數(shù)據(jù)得以在極短時(shí)間內(nèi)上傳到服務(wù)器，依托于服務(wù)器端強(qiáng)大的計(jì)算能力，數(shù)據(jù)可以在極短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行計(jì)算和處理，隨后下行傳輸給客戶端。這種極快的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和強(qiáng)大的算力使得用戶的實(shí)時(shí)操作得以實(shí)現(xiàn)。

2.2 用戶客戶端配置要求較低

云計(jì)算依托于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將本地的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫朔?wù)器進(jìn)行計(jì)算。本地客戶端只需要滿足連接互聯(lián)網(wǎng)，不需要過多考慮電腦硬件的配置。用戶的各種請求響應(yīng)都是通過云端服務(wù)器進(jìn)行處理，客戶端只需要完成對數(shù)據(jù)的解讀和展示即可。

2.3 高效性

通常情況下，用戶客戶端不進(jìn)行或者只進(jìn)行極小的數(shù)據(jù)處理，多數(shù)的數(shù)據(jù)處理在云端服務(wù)器中完成。高效的云端服務(wù)器通常由多個服務(wù)器共同組成，其中主要包括計(jì)算部分服務(wù)器，存儲部分和軟件處理部分。軟件處理部分作為全局協(xié)作處理單元，用來控制數(shù)據(jù)的統(tǒng)籌處理和任務(wù)分配，作用類似于通用計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)。計(jì)算部分服務(wù)器主要包含大量計(jì)算單元，數(shù)據(jù)傳輸過來后，通過大量并行計(jì)算迅速得到處理結(jié)果[4]。

2.4 服務(wù)可靈活定制

云計(jì)算服務(wù)器提供的服務(wù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出單個用戶需求，這決定了用戶可根據(jù)自己需求購買云計(jì)算服務(wù)范圍。針對不同的使用場景和使用習(xí)慣，用戶可以自定義購買云端服務(wù)器相應(yīng)的服務(wù)和資源。隨著用戶自身需求的增加，用戶還可以隨時(shí)提出加購需求。傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)服務(wù)如果用戶需求增加，則往往需要重新購買硬件設(shè)備。云計(jì)算的靈活定制服務(wù)，可以極大地降低因需求改變產(chǎn)生的硬件迭代成本。同時(shí)，軟件服務(wù)也是云計(jì)算的一大特點(diǎn)。云計(jì)算服務(wù)可以提供市面上絕大多數(shù)操作系統(tǒng)選項(xiàng)，同時(shí)提供各種相關(guān)軟件。針對不同的用戶需求，云計(jì)算服務(wù)可以在服務(wù)器端預(yù)設(shè)不同的軟件配置，為用戶實(shí)時(shí)訪問提供了解決方案。

3 云計(jì)算實(shí)驗(yàn)室建設(shè)技術(shù)方案

高校云計(jì)算實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的建設(shè)是信息化教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，良好的平臺可以有效改善計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中硬件更新迭代的資金問題，教學(xué)軟件正版化問題，實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源分配問題以及教學(xué)質(zhì)量等問題。云計(jì)算實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺依托于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將實(shí)際教學(xué)場景虛擬化，擺脫了傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的軟硬件束縛，充分發(fā)揮了靈活性的特點(diǎn)，可以有效降低服務(wù)成本。將高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動與云計(jì)算服務(wù)相結(jié)合，可以有效梳理教學(xué)活動，優(yōu)化教學(xué)課程體系，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性?；谠朴?jì)算的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案可以從平臺建設(shè)和課程建設(shè)兩個方面進(jìn)行[5]。

教學(xué)平臺建設(shè)包含硬件建設(shè)和軟件建設(shè)，終端分為本地客戶端和服務(wù)器端。云計(jì)算服務(wù)器端架構(gòu)可采用分布式存儲方式，系統(tǒng)處理架構(gòu)可分為底層控制層、外部接口層和軟件應(yīng)用層。其中，底層控制層是系統(tǒng)架構(gòu)的基礎(chǔ)，用來控制、分配各部分功能，為系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行提供基礎(chǔ)保障。本層可采用Linux系統(tǒng)統(tǒng)一控制管理多個服務(wù)器，對硬件設(shè)備協(xié)同管理。

服務(wù)器端的存儲技術(shù)保證中間計(jì)算數(shù)據(jù)和用戶存儲數(shù)據(jù)的安全性，是服務(wù)器端搭建中的重要一環(huán)。云計(jì)算的存儲技術(shù)較為特殊，不僅僅需要提供數(shù)據(jù)暫存功能，還需要進(jìn)行訪問控制、基礎(chǔ)管理等功能。首先，訪問控制功能用來驗(yàn)證數(shù)據(jù)來源的合理性，區(qū)別出正常數(shù)據(jù)和惡意攻擊數(shù)據(jù)。在云計(jì)算服務(wù)中，每個用戶都有自己特定的標(biāo)識，這種標(biāo)識在整個系統(tǒng)中可以用來記錄數(shù)據(jù)的來源。系統(tǒng)對存儲數(shù)據(jù)進(jìn)行訪存時(shí)，首先需要通過驗(yàn)證授權(quán)，驗(yàn)證正確后方可進(jìn)行數(shù)據(jù)的后續(xù)處理。存儲技術(shù)的基礎(chǔ)管理功能用來統(tǒng)一協(xié)同存儲功能的分配，它是存儲系統(tǒng)中的核心一環(huán)。它用來統(tǒng)一系統(tǒng)內(nèi)部的硬件存儲單元，對存儲單元進(jìn)行分區(qū)標(biāo)識。針對系統(tǒng)的不同存儲響應(yīng)，分配不同的存儲功能，有效地提高了多個硬件設(shè)備間的協(xié)同處理，提升系統(tǒng)存儲速度。存儲功能是云計(jì)算存儲技術(shù)的基礎(chǔ)功能，它可以保障數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。通常來說，這與所采用的存儲硬件單元的性能相關(guān)，好的設(shè)備可以提供快速的讀取響應(yīng)，減少數(shù)據(jù)處理延遲，但成本也會相對較高。此外，對于用戶存儲的個人數(shù)據(jù)，還需要提供相應(yīng)的備份，避免因?yàn)?zāi)害產(chǎn)生的數(shù)據(jù)丟失問題。備份所使用的硬件存儲單元可采用讀寫速度相對一般的設(shè)備，減少成本支出。服務(wù)器端存儲技術(shù)的搭建需要協(xié)調(diào)性能和費(fèi)用支出之間的矛盾。

信息化時(shí)代下，云計(jì)算服務(wù)器端的數(shù)據(jù)管理技術(shù)需要滿足科學(xué)性、高效性和安全性。面向高校的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)是海量的，高效的數(shù)據(jù)管理技術(shù)有助于教學(xué)活動的開展。對數(shù)據(jù)進(jìn)行不同的分類，可以有效地進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、研究和整合，從而進(jìn)一步得出教學(xué)活動的特點(diǎn)?；谶@種實(shí)際需求，構(gòu)建的數(shù)據(jù)庫需要包含以下幾種教學(xué)活動特征：學(xué)生基本信息、教師基本信息、學(xué)生課表、教師課表、實(shí)驗(yàn)課程信息、簽到信息等[6-9]。

教學(xué)平臺的軟件建設(shè)可以分為學(xué)生、教師后臺戶端和專業(yè)軟件，分別提供不同的功能。針對學(xué)生客戶端，提供登錄認(rèn)證功能，允許學(xué)生在不同設(shè)備間登錄保持?jǐn)?shù)據(jù)同步。將學(xué)生學(xué)號作為授權(quán)標(biāo)識，通過密碼控制訪問權(quán)限，這樣可以發(fā)揮云計(jì)算平臺的靈活性特點(diǎn)，使學(xué)生擺脫了傳統(tǒng)固定機(jī)房做實(shí)驗(yàn)的束縛。通過個人電腦遠(yuǎn)程進(jìn)行訪問，降低了學(xué)校硬件更新的成本，方便靈活管理。學(xué)生客戶端還應(yīng)該提供記錄功能和查詢功能。學(xué)生的個人信息，上課記錄和實(shí)驗(yàn)報(bào)告等作業(yè)無須在本地進(jìn)行存儲，而是在云計(jì)算服務(wù)器端統(tǒng)一進(jìn)行電子備份。此外，學(xué)生的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)課程信息，包括課表，實(shí)驗(yàn)要求，實(shí)驗(yàn)步驟等電子文檔信息根據(jù)學(xué)生學(xué)號進(jìn)行綁定，預(yù)先存儲在服務(wù)器端。學(xué)生在上課前，可以提前查看信息，做好實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)，提高學(xué)習(xí)效率。同時(shí)，學(xué)生還可以在各種終端根據(jù)自身需求搜索不同的教學(xué)資源，進(jìn)行獨(dú)立自主學(xué)習(xí)。對于教師客戶端，應(yīng)該提供認(rèn)證功能、管理功能和監(jiān)視功能。以老師的教工號作為授權(quán)標(biāo)識，通過密碼控制訪問權(quán)限。教師端允許老師上傳授課信息，實(shí)驗(yàn)資料，批改實(shí)驗(yàn)報(bào)告，分享資料和成績評定等功能，方便教師異地靈活辦公。

基于云計(jì)算的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺具有虛擬化、靈活性特點(diǎn)，使得教學(xué)活動得以擺脫時(shí)間、空間的限制。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式應(yīng)該隨著技術(shù)的發(fā)展而不斷創(chuàng)新，教師應(yīng)該針對平臺制定新的授課管理方案，利用平臺功能對學(xué)生做好監(jiān)督工作，提高授課效率。同時(shí)，學(xué)校對相關(guān)專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程的時(shí)間安排應(yīng)該進(jìn)一步優(yōu)化，發(fā)揮平臺特點(diǎn)，對授課時(shí)間進(jìn)行集中安排[10]。

4 結(jié)束語

21世紀(jì)以來，信息化時(shí)代推動了各種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，云計(jì)算因其實(shí)時(shí)性、靈活性、高效性等特點(diǎn)逐漸開始在教育行業(yè)發(fā)揮積極作用。針對目前高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，將云計(jì)算技術(shù)與計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，提出了新的技術(shù)方案，可以有效地降低高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本，提升教學(xué)質(zhì)量，改善學(xué)生學(xué)習(xí)氛圍。