普通高校计算机实验室的构成与改造

2013-12-23冯裕忠

实验技术与管理 2013年4期

冯裕忠，冯将

（1.电子科技大学成都学院，四川成都 611731；2.四川省教育厅，四川成都 610010）

在信息社会的今天，人们对计算机技术的依赖和应用已经达到了一个新的高点。计算机技术的应用推动了诸如多核处理器、虚拟化、分布式存储、宽带互联网络、智能通信技术、自动化管理、云计算、嵌入式等技术的快速发展。如今，绝大多数高校都开设了计算机专业课程。怎样办好这个专业、怎样开设计算机课堂授课和实验教学，让学生既能掌握坚实的专业理论知识，又能有较强的专业动手能力，以适应社会的需求和发展，这对普通高校的计算机课堂教学和实验教学都提出了更高的要求，也是值得深思和探讨的话题［1－2］。

1 普通高校计算机教学实验设备的状况

在普通理工科高校的计算机教学中，计算机课堂理论教学是较为完整的，但有不少学校的计算机实验教学则比较单一。这些实验室的构建基本上经过单机→局域网→校园网络→Internet这样一个过程，用于实验教学的计算机设备则只是完成一般单机硬件、软件实验操作。当学校刚组建计算机实验室时，只是若干计算机单独完成相对简单的计算机实验课程；当学校进一步发展，就将若干实验室的计算机组成局域网来满足教学的软硬件和网络等实验。

例如某普通高校现有教学用计算机约4 000台，平时仅用于计算机的相关教学实验和一般的科研工作。通过测算，这些计算机的功能仅发挥了30%左右，而维护和改造的费用大约要占总投资的70%左右，造成较大的浪费。另外，在承担科研项目和一些教学任务时，又因这些计算机是传统架构、单机处理能力不够强而无法满足需要。

摆在学校面前的问题是：怎样把现有的计算机设备加以改造，融入诸如嵌入式、云计算平台等先进的应用环境，不用投入更多的资金便可以使计算机设备既能满足教学的需求，也能满足科研的需求［3－5］。

笔者认为，大学的计算机教学体系要有科学而完整的教学大纲和培养方案，加强实验教学。

（1）加强该专业的理论基础教学，建立起“理论课＋实验课＋项目制”的学分构成体系，做到大一以理论课为主，实验课学分占约15%；大二理论课占约60%，实验课占约30%，项目制学分占约10%；大三理论课占约45%，实验课占约45%，项目制学分占约10%；大四可加强专业选修课（诸如PHP、.NET、Java）和项目实验（开发）课程的比例，使学生的专业理论知识通过实验（实践）得到验证。学生可以用扎实的专业基础知识和较强的动手能力满足社会的需求；

（2）在计算机实验教学方面投入更多的精力。普通高校在构建和改造计算机实验室时，应该分档次建设计算机实验室来适应计算机实验教学的需要。这些实验室的信息管理应该是相通的，便于设备的使用和资源的管理［6－7］。

（3）加强对实验教师的培养、加强对学生的实验指导。学校的业务管理部门可以通过实验室管理平台对各实验室进行实时监控，了解各级实验室的情况，使实验设备运行在最佳状态。

2 计算机实验室的构成

图1给出了计算机实验室的主要构成，包括计算机硬件和基本操作实验室、网络实验室、软件实验室、云计算实验平台和实验管理平台［8－9］。

图1 计算机实验室架构示意

2.1 计算机硬件和基本操作实验室

计算机硬件和基本操作实验室主要适合于计算机专业大一学生的计算机硬件实验和非计算机专业学生的计算机应用操作实验。该实验室拥有若干低档次的PC单机、数字电路综合实验平台（包括完成电路实验的实验板、常用的元器件、仪器、仪表和工具等）和计算机硬件拆装工具等。PC机安装有Windows操作系统和Office等应用软件。学生可以利用这些实验设备完成“数字逻辑”、“计算机导论”、“计算机组成原理”、“微机接口与汇编语言”等课程的硬件实验。此实验室也可以完成零部件测试实验和PC 机拆装实验。通过实验，让学生熟悉计算机的硬件组成、计算机系统的基本组成和日常应用计算机的基本操作，为学生后续学习计算机操作系统、编程语言等知识打下坚实的基础。

这种实验室可以与电工、通信和微电子等专业合用。通过实验，让学生认识“不了解硬件就不能编写程序”和“不懂硬件就编不出好的软件”的道理，从思想上重视计算机硬件的学习。

2.2 网络实验室

网络实验室应该具备局域网的基本架构和完成网络通信的基本功能。在此实验室中，应该具有多形式、多功能、数字化和网络化的实验环境，可以验证网络原理、网络通信等教材上的相关内容，可以进行网络拓扑构建、路由选择、协议的安装和相关参数的配置等（见图2）。可以配备一定数量的线材，让学生掌握网线的制做、简单的硬件故障排除等基本技能。通过网络实验，使学生全面了解网络的整体架构、掌握网络的运行环境和条件以及常见故障的处理等［10］。

图2 网络实验示意图

2.3 软件实验室

软件实验室的主机应该是较高配置的PC 机或服务器，具有局域网功能，安装Windows、Unix（Linux）双操作系统，是支持多语言环境的实验平台，提供.NET、JavaEE 应用程序开发环境和SQL Server、Oracle等常用数据库应用环境，学生可以在此完成C＋＋、C＃、Java等计算机语言的编程实验，也可以进行系统底层BIOS、Kernel分析、防火墙等数字加密软件的研究与开发。这个实验室除了完成学校的计算机实验教学外，还应该具有软件创新、科研的应用环境。

学校利用这个实验平台，成功地实现了全校计算机基础操作类课程的机考，改变了过去计算机基础课程的纸试卷量大、成绩评定时间较长、试卷重复性等弊病。现在已经建立了较完整的计算机基础知识题库，库中有10多套试题，任课教师可以根据需要任意构建试卷，实现了现场考试、现场评卷［11－12］。

2.4 云计算实验平台

云计算是一项较新的计算机综合应用技术，是在分布式处理（distributed computing）、并行处理（parallel computing）和网格计算（grid computing）的基础上发展起来的，它可以按照需要部署计算资源，用户通过终端远程连接来获取存储、计算、数据库等计算资源，而用户只需按使用的资源付费。

在计算机应用中，实现学校的云计算就是把学校原来的计算机教学实验服务器通过相应的虚拟化软件处理后接入具有云计算功能的服务器资源池（见图3），这个服务器资源池也称为“服务器集群”或“云”，各实验室用户终端通过网线、借助浏览器就可以很方便地访问某一物理服务器“云”。

图3 云计算实验室的架构示意图

云计算在资源分布上包括“云”和“云终端”。“云”包括互联网或大型服务器集群，它由分布的互联网设施（网络设备、服务器、存储设备、安全设备和通信设备等）和应用软件、数据等构成。“云终端”则是用户的PC机、手机、车载电子设备等，只需一个功能完备的浏览器并安装一个简单的操作系统，通过网络接入“云”，就可以随心地使用“云”的计算资源。

由于云计算所提供的服务不同，通常把云计算构建分为云计算基础子系统、云计算平台服务子系统、云计算软件服务子系统、云计算API子系统和互动平台子系统。

（1）云计算基础子系统。这类云计算采用新兴的共享基础构建方法，提供底层的技术平台以及核心的云服务，它可以将巨大的系统池连接在一起以提供各种IT 服务。这种云计算服务结构支撑起整个互联网的虚拟中心，能够将内存、I／O 设备、存储和计算能力集中起来，成为一个虚拟的资源池，为整个网络提供服务。此类架构可以完成科研和研究生上机操作。通常，云计算实验平台应该具有如图4所示的功能。

（2）云计算服务子系统。这类云计算通常称为平台即服务PaaS（platform as a service），它为用户提供开发环境。用户可以使用供应商的基础构建来开发自己的应用程序，然后通过网络从供应商的服务器上传给程序用户。

（3）云计算软件服务子系统。这类云计算通常称为软件即服务SaaS（software as a service）。SaaS是随着互联网技术的发展和应用软件的成熟而兴起的一种完全创新的软件应用模式。它通过浏览器把程序传送给用户。从用户的角度，这样可省去在服务器、软件方面的若干费用；从供应商的角度看，只需要维持一程序就能满足用户需求，可减少维护成本。

图4 云计算实验平台具有的功能示意图

（4）云计算API子系统。这类服务供应商提供API（application programming interface），让开发者能够开发更多基于互联网的应用，帮助开发商拓展云计算的功能和服务，而不是只提供成熟的应用软件。它是面向服务的体系结构（service－oriented architecture，SOA），是一个组件模型。它将应用程序的不同功能单元（称为服务）通过这些服务之间定义良好的接口和契约联系起来。

（5）互动平台子系统。为用户与提供服务的商家之间的互动提供一个平台，双方利用这个平台完成网络计算服务、网络存储服务等。在教学中，师生可以通过此平台进行实验教学、答疑、作业的提交和批改。

为节省费用，在搭建云计算平台实验室时，可以根据情况选择某一种类型的云计算平台构建，在原来已有的PC机的基础上，增加相应的服务器、网络设施等就可以搭建云计算平台，再安装相关软件，就可以让师生通过访问、学习，达到计算机实验教学的目的。

2.5 实验管理平台

该部分主要是从技术维护和行政管理的角度，使学校的教务、设备管理等部门实时了解各计算机实验室的使用情况、设备状态，并为各计算机实验设备使用者提供设置登录UID、防火墙、系统的维护等服务；建立各类管理上的规章制度，让设备处于最佳的状态，提高资源的利用率［13］。

3 结束语

随着信息技术的高速发展和应用，特别是物联网、云计算等新一代IT 技术的发展和应用，对开发和应用型人才的业务能力提出了更新、更高的要求，高校的计算机实验教学对于培养学生的动手能力就显得比以往更为重要。学校要把扎实的专业基础知识与先进的应用技术教给学生，让他们通过计算机专业的实验教学，进一步把计算机系统的理论与实际应用紧密结合起来，夯实理论基础，增强实际动手能力。

有不少学校把4年的大学教育划为“3＋1”培养方案，即学生用3年时间完成所需要理论知识的学习，用1年的时间进行各种实习实训，以“能力为重”。这样做的目的就是为社会培养有系统理论基础和工程实践能力、具备可持续发展和创新精神的应用型科技人才和技术领军型人才。

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［1］罗正祥.基于应用型人才培养的独立学院实验室建设实践与体会［J］.实验技术与管理，2011，28（7）：1－4.

［2］罗国玮，兰瑞乐.基于云计算的高校科研实验平台架构研究［J］.实验技术与管理，2012，29（4）：115－117，131.

［3］冯裕忠.冯将.UNIX／AIX 操作系统基础教程［M］.北京：清华大学出版社，2011.

［4］冯裕忠，卫朝霞，周舸，等.计算机导论［M］.北京：清华大学出版社，2011.

［5］冯裕忠.计算机硬件课程教学改革探讨［J］.电子科技大学成都学院学报，2012（1）：50－53.

［6］徐晓风，施长君，陶亚兵，等.国家级艺术实验教学示范中心建设的探索与实践［J］.实验技术与管理，2011，28（7）：7－9，31.

［7］许德武，叶荣华.以AOA 为例的大学计算机实验教学改革［J］.实验技术与管理，2012，29（4）：24－26.

［8］张波，张红霞，徐超毅.MIS一体化教学模式研究与实践［J］.实验技术与管理，2012，29（4）：97－100.

［9］冯裕忠，方智，周舸.计算机操作系统［M］.北京：清华大学出版社，2010.