基于云计算的高校计算机实验教学系统设计研究

摘要：云计算技术的应用为高校计算机实验教学系统的改革和发展提供了新的思路。在分析计算机实验教学系统弊端及云计算对高校计算机实验教学系统建设的支持的基础上，该文设计了基于云计算的高校计算机实验教学系统，并对系统的功能和结构进行了说明，以期对未来的研究起到抛砖引玉的作用。

关键词：云计算；高校计算机实验；实验教学系统

中图分类号：TP308 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）02-0306-04

随着信息技术的飞速发展以及计算机在各领域的广泛应用，高等学校中各专业都与计算机建立了紧密的联系，在计算机实验室中培养和锻炼学生的专业综合能力成为了高校本科教学中不可或缺的重要组成部分。计算机实验室的建设也因此成为高校的重要工作。但到目前为止，高校计算机实验室的建设和管理方面都还存在诸多问题，如何充分应用新技术的发展成果，构建更为高效使用的计算机实验室及实验教学系统，值得我们深入研究。云计算时代的到来，为高校实验室建设和管理提供了新的思路。

1 高校实验室建设存在的问题[1]

目前，我国各高校计算机实验室建设已初见成效，在一定程度上改善了计算机实验的软硬件环境，也提升了计算机实验教学的效果。然而，通过分析西华师范大学实验中心计算机实验室的建设和管理，我们不难发现，高校计算机实验室建设中仍然存在以下几方面的不足。

首先，基础设施的建设和更新成本巨大且更新换代较慢[2]。计算机实验室在建设时需要投入大量的资金，很多情况下由于资金有限，计算机实验室的建设被搁置，影响实验教学的开展。由于计算机技术发展迅速，实验设备的更新换代比较快，导致一方面被淘汰的设备闲置造成很大的浪费，另一方面重新购入新的设备需要再次投入大量的资金，使得实验室的建设成本太高。

其次，实验数据存储受限。目前，高校的计算机实验室为了保护计算机的稳定性和安全性，一般都采取安装硬件保护卡或还原软件的办法对用户使用后的计算机软件系统进行还原，以保护计算机系统不受病毒的侵害或人为破坏。这虽然在一定程度上保护了计算机的安全性，但是，学生的实验数据却无法得到长时间的保存，打破了学生实验的连续性，很大程度上影响了学生实验的积极性和教师对实验的指导和评价。

第三，软件维护与更新困难。高校的计算机实验室要满足各计算机相关专业学生的实验需求，对实验环境要ab2f5e0152bd1a26b6dfd3f6802bdece求的多样性使得实验室对设备的维护和管理提出的巨大的挑战。通常来讲，实验室的每台学生机上都预安装了几个操作系统以适应不同科目对不同系统的需求，同一学生机上安装多个专业的实验软件，这往往导致软件冲突，系统反应缓慢。各专业开设的实验课需要不同的教学软件，随着信息化发展步伐的推进，这些软件版本更新很快，使用较短时间之后又需要更新到新的版本才能适应软件发展所带来的教学要求。尽管目前可以通过网络同传、增量拷贝等技术手段进行批处理，但学校实验设备一般都是分批招标购置，系统品牌型号不一，操作各异，也因此使得实验室软件维护与更新变得非常困难，往往不能满足教学要求。

基于以上问题，我们认为，有必要建立一个统一、高效、灵活的高校计算机实验共享平台，对实验室资源进行最大程度的整合。

2 云计算的概念及体系架构

2.1云计算的概念

目前关于云计算还没有统一的定义。Google认为，云计算就是以公开的标准和服务为基础，以互联网为中心，提供安全、快速、便捷的数据存储和网络计算服务，让互联网这片云成为每一个网民的数据中心和计算中心[3]。通常认为，云是指数据中心的硬件和系统软件，云计算系统是指终端用户应用软件通过网络获得云计算提供商提供各种服务的系统。云计算系统不仅能够向用户提供硬件服务，软件服务、数据资源服务，而且还能够向用户提供能够配置的平台服务。因此用户可以按需向计算平台提交自己的硬件配置、软件安装、数据访问需求[4]。实际上，云计算系统是分布式计算、并行处理和网格计算的进一步发展[5]，它是基于互联网的计算，能够向各种互联网应用提供硬件服务、基础架构服务、平台服务、软件服务、存储服务的系统。

2.2云计算服务的类型

目前与计算提供者提供的云计算服务可以分为三类，即基础设施即服务IaaS、平台即服务PaaS、软件即服务SaaS[6]。

1）IaaS——基础设施即服务[7]（Instructure as a Service）。IaaS在服务层次上是最底层服务，接近物理硬件资源，通过虚拟化的相关技术，为用户提供处理、存储、网络以及其他资源方面的服务，以方便用户能够部署操作系统和运行软件。当把由多台服务器集群组成的“云端”通过互联网提供给客户时，客户就可以通过诸如浏览器等程序界面使用“云端”的基础设施实现高速计算、海量存储等应用，但却无需对支持这一计算能力和存储能力的基础IT设施投入巨资进行建设，也无需了解服务器集群所在的位置以及是如何提供服务的，即所有的服务对于用户来讲都是透明的。

2）PaaS——平台即服务[8]（Plantform as a Service）。PaaS是构建在IaaS之上的服务，用户通过云服务提供的软件工具和开发语言，部署自己需要的软件运行环境和配置。用户不必控制底层的网络、存储、操作系统等技术问题，底层服务对用户是透明的。PaaS把开发环境作为一种服务提供给客户，它包括应用设计、应用开发、应用测试和应用托管。在这种服务模式下，客户不需要购买软件开发需要的硬件设施，也不无需自己搭建软件开发的环境。

3）SaaS——软件即服务（Software as a Service）。SaaS是最上面一层，是前两层服务所开发的软件应用，它不需要用户将软件产品安装在自己的电脑或服务器上，而是以简单客户端的方式调用该层提供的服务。用户可以根据自己的实际需求，通过网络向云服务提供商定制所需的应用软件服务，按服务时间的长短付费。

2.3云计算的体系架构[9]

根据云计算的服务类型，从功能的角度出发，云计算系统的体系结构可以用图1表示：

图1 云计算系统的体系结构[10]

3 云计算对计算机实验教学系统的支持

1）降低实验室建设中的软硬件投入成本。云计算系统对用户端的硬件设备要求很低，只要用户拥有一台可以上网的终端设备、一个浏览器，以及一个能够接入Internet的接口，就可以接入到“云端”，像使用本地计算机的资源一样使用云计算系统提供的各种软硬件资源，且功能更强大，应用范围更广泛。各种资源都由“云”来提供，终端用户只需支付少量的使用费用即可使用“云”端的软硬件资源，这就降低了实验室建设中对各种软硬件资源的投入成本，也无需对终端设备和各种软件进行不停的更新换代，这将极大地降低各高校在计算机实验室建设中的投入成本。

2）实现实验数据的海量存储和自由访问。云计算系统能为用户提供海量的存储空间，这为计算机实验教学过程中学生的实验数据提供了存储空间，无论是实验的中间结果还是最终结果，学生都可以将实验数据永久存储在“云端”，方便学生在下次实验时继续上次未完成的实验，或者在实验室以外的其他入网终端设备上随时查看或继续实验，有利于学生对实验过程及结果的总结和评价，也有利于实验教师对学生的实验进行指导及评价。利用“云”的海量存储空间及数据的自由访问优势，能改变以往为了保护计算机而安装保护卡或还原软件而导致的学生实验数据无法在实验室中长期存储的问题，这将极大提高学生实验的积极性和有效性。

3）减轻实验室软硬件维护与更新的压力[11]。由于云计算提供基础设施、平台及软件三个方面的服务，基础设施的维护由云端提供，软件的更新也由云端提供，因而使得基于云计算的计算机实验室无须再对硬件进行维护和对软件进行无休止的更新，从而减轻实验室软硬件维护及更新的压力。

4）实现实验教学资源的共享[12]。将云计算应用于计算机实验室，可以将计算机实验信息资源存储在云上，这样更有利于实现实验教学资源的共享。

4 基于云计算的高校实验教学系统的功能设计[13]

4.1分层管理并提供软件支持

整个系统分两部分管理，在云端有一个专业的团队来管理。系统是否有效运行将由这个团队决定。在用户端有一个管理入口，其管理者主要针对实验科目或实验过程进行管理，这个部分的管理主要是保证学习者的学习质量。

用户端基本上是裸机，没有任何应用软件，云端提供了所有实验需要的软件，当用户需要某个应用软件时，不必下载即可使用。这降低了实验室建设的技术要求，也省去了很多诸如安装、下载、升级软件之类的麻烦，能使实验进行得更顺利，提高实验的效果。系统还能为每个实验科目分配所需的操作系统，并且统一由“云”端进行维护，避免了在每台计算上安装多个操作系统，也不用担心系统被病毒攻击导致整个实验设备瘫痪。

4.2提供动态的存储空间

实验者能将自己所有的实验数据——无论是中间结果还是最终结果存储到云端，随时存储随时使用，不用担心存储空间是否够用，空间的容量是可以无限扩大的，再也不用买最大的存储卡，更不用担心数据丢失。

4.3提供动态的数据服务[14]

系统将具有提供大规模数据分享、管理、挖掘、搜索、分析等智能化服务，能完成对实验内容进行动态内容修改和格式转换，根据用户端设备的支持能力将相同的信息描述转换为终端设备所能支持的信息发布形式、

4.4提供广泛的实验资源

每一个学科的实验内容均存放在云端，能通过分享，使实验内容更丰富，进而满足各类实验者的实验需求，提供可选择的实验教学内容，避免学生实验内容的缺乏而在实验过程中感觉无事可做，同时也能为实验教师提供更丰富的实验教学内容，并实现多个学科实验内容的整合。

5 基于云计算的高校计算机实验系统的结构设计

基于云计算的计算机实验系统由客户端、基于校园网的通信网络、基于三层架构的网络平台和云计算平台构成，如图2所示。

图2 基于云计算的高校计算机实验系统结构图

5.1 客户端

实验室现有的计算机终端构成了基于云计算的实验系统客户端。计算机终端主要用于呈现系统内容给用户，是用户与系统交互的媒介。在该系统中，终端用户主要包括三类：学习者、实验指导教师和管理者。针对不同的用户，系统将提供不同的用户界面和功能。

5.2 基于校园网的通信网络

各类用户使用计算机终端通过校园网与网络平台进行通信。在必要的时候可以通过校园网接入Internet。

5.3 基于三层架构的网络平台

该平台是系统的一个支架，不承载任何具体数据内容，但是它是整个系统的基础。它的作用主要是识别用户需要什么样的服务，然后通过接口调用云计算平台提供的相关服务。表示层是用户和系统交互的界面，负责和用户的会话处理。业务逻辑层负责处理表示层的应用请求，对其进行业务处理的逻辑判断。如果通过分析和处理后发现业务需要进一步交由数据库访问层处理，那么业务逻辑层就会调用数据库访问层提供的服务，将业务交由数据库访问层进行处理。数据库访问层接收来自业务逻辑层的业务处理，通过进一步分析与处理，将业务过程通过接口程序递交给云计算平台。当业务不需要递交给数据库访问层进行处理时，业务逻辑层可以直接通过接口程序将业务递交给云计算平台，由云计算平台进行处理。

在表现层中我们设计了四个模块，分别是：

1）管理模块：管理模块对用户基本信息进行管理。完成用户注册并对用户的权限进行设置与管理。本系统有三种用户类型：学生、实验指导教师和实验室系统管理人员。

2）实验模块：实验模块是最主要的模块，它为学习者提供一个自主实验和管理实验过程及数据的场所，而且支持实验指导教师对实验过程的跟踪。

3）存储模块：该模块提供虚拟硬盘功能，支持实验者随时随地地使用自己的实验数据进行实验，并可以将自己的实验数据与他人进行分享。

4）应用软件模块：用户找到自己所需要的软件点击就可以直接使用。

5.4 云计算平台

云计算平台是系统的核心部分，也是整个系统功能最终执行模块。用户需要的服务通过接口与云计算平台连接，全部交由云计算平台处理，处理完毕再由接口将数据依次传回给用户。它包括数据存储、计算和管理三大模块。在实验室建设中，可以恰当选择云计算提供商提供上述三种服务。

6 结束语

云计算技术的出现，为计算机的应用带来了新的变革。在高等学校建设基于云计算的计算机实验教学系统，能降低实验教学设备的更新投入，解决实验室管理难题，为教师和学生提供无限的存储空间和计算能力。基于云计算的高校计算机实验教学系统能有效整合教学资源，提高资源利用率，为高校实验室建设提供参考，同时也拓宽了云计算技术的应用领域。

参考文献：

[1] 孟庆伟，刘婷.基于云计算的计算机实验室建设模型研究[J].智能计算机与应用，2011（12）：72-74.

[2] 张碧霞，邬家伟.云环境下的虚拟计算机实验室——基于本体的资源配置研究[J].计算机与现代化，2012（3）：131-135.

[3] 万利平，陈燕.云计算在教育信息化中的应用研究[J].中国教育信息化，2009（9）：74-77.

[4] 张建勋，古志民，郑超.云计算研究进展综述[J].计算机应用研究，2010（2）：429-433.

[5] 陈全，邓倩妮.云计算及其关键技术[J].计算机应用，2009（9）：2562-2567

[6] 李乔，郑啸.云计算研究现状综述[J].计算机科学，2011（4）：32-37.

[7] 赵广才，张雪萍.云计算技术分析及其展望[J].电子设计工程，2011（22）：4-7.

[8] 李莉，廖剑伟，欧灵.云计算初探[J].计算机应用研究，2010（12）：4419-4413.

[9] 李芳芳.云计算现状综述[J].电脑知识与技术，2011（4）：790-792.

[10] 虞慧群，范贵生.云计算技术的应用及发展趋势综述[J].微型电脑应用，2011（10）：1-3.

[11] 杨龙云.云计算对教育的影响[J].中国教育技术装备，2011（3）：115-116.

[12] 王健.运用云计算实现高效教学资源共享[J].数字技术与应用，2011（11）：198-199.

[13] 黄成云，左明章，荣先海.基于云计算的移动学习系统设计[J].现代教育技术，2010（8）：102-105.

[14] 马俊臣.云计算环境下的网络教学资源库建设[J].中国教育信息化，2010（9）：17-19.