云计算环境下的区域性高校实验教学资源共享

王 庆

（广西民族大学 网络与信息化管理中心，广西 南宁 530006）

近年来，云计算由于对海量数据存储、软硬件资源共享的广泛支持，在教育信息化领域受到了广泛关注。联想、英特尔和微软3家IT机构启动战略合作，宣布将携手共同开发云计算环境下的数字校园解决方案。教育部在《教育信息化十年发展规划（2011－2020年）》中提出了建立国家教育云服务模式的发展目标：充分整合现有资源，采用云计算技术，形成资源配置与服务的集约化发展途径，构建稳定可靠、低成本的国家教育云服务模式［1］。教育云能够对各种教学信息资源进行广泛而高效的重组、优化与共享，教育云服务模式是实现高校教育资源共享和知识协同创新的有效途径。因此，云计算的相关技术与服务模式将为解决区域性高校实验教学资源的开放共享、提高实验教学资源的投资效益带来全新的研究思路。

1 高校实验教学资源共享现状

1.1 基础性实验教学设备重复购置，大型精密仪器闲置严重

我国高校大型仪器设备的开放共享存在重复购置、功能开发不全、使用效率低下等问题［2］。对于基础实验教学设备（如计算机、语音设备、服务器等），各高校的购置量都比较大，而且由于这些设备更新升级快，重复购置和资源浪费比较严重。大型精密仪器设备等贵重资源，在各高校之间、同一个高校不同专业之间配置不平衡的现象也非常突出，资源匮乏与闲置、浪费同时存在。据统计，截至2009年，全国高校拥有教学、科研仪器设备价值近1 400亿元，然而有20%处于闲置状态，有的教学、科研仪器设备使用率不到25%［3］。这种购置成本昂贵、使用率低下的状况严重影响了高等教育的投资效益。

为了解决实验资源的区域分布不平衡，以及提高实验资源的利用率，教育部在“十五”期间开始建设“高等学校仪器设备和优质资源共享系统”国家高等教育公共服务体系。该系统已经形成了超过2 000台套大型科学仪器设备资源的共享规模［4］。然而，对于全国高等教育系统的实验教学资源共享而言还远远不够。比如，在广西，仅有广西大学的“龙门式三坐标测量机”、“原子吸收分光光度计”等52套大型仪器设备加入了该系统，而广西高校系统总共有10多家获得国家级实验教学示范中心建设的单位，包括桂林电子科技大学的电子电路实验教学中心、机电综合工程训练中心和通信实验教学中心，桂林工学院的基础地质实验教学中心和水污染控制实验教学中心，以及广西师范大学的物理学实验教学中心等，这些国家级实验教学示范中心的大型仪器设备，目前还没有能够在全区高校范围内得到广泛的共享和利用。

1.2 服务器利用率不均衡

有些教学软件只有少数专业使用，而且每个星期的使用频率也比较低（比如周课时为3～5个），按照传统的实验室资源配置方式，这些软件也需要单独配置服务器，即使在非教学时间，其他教学软件也不能使用这些服务器，造成服务器资源的极大浪费。而对于一些通用性比较强、使用的专业和学科都比较普遍的教学软件，由于学生同时在线的频率比较大，又很容易形成访问高峰，造成网络堵塞或服务器崩溃，影响了实验教学的顺利进行。

1.3 实验教学软件资源重复购买和重复安装

对于计算机文化基础课、大学英语等公共选修课，以及物理、化学、管理等专业基础课的实验教学，各高校所使用的软件资源有很大部分是重叠的，但是这些软件资源基本是由各高校自行购买。由于软件升级快，以及重复购买和更新升级的成本也是一笔不小的开支。此外，这些软件都会在每个学期根据课程安排重新安装（或克隆）一轮，造成极大的人力和物力浪费。

2 云计算在资源共享中的应用优势

云计算是指通过互联网的专门资源中心，以便于扩展、按需供给的方式让用户获得所需服务和工具的服务模式［5］。用户无需购置昂贵的服务器硬件以及系统软件，通过互联网接口就能获得云计算平台提供的数据存储、计算、软件应用等各种IT基础资源服务。云计算服务的目标是让用户以更低的成本共享更多、更好的资源，在资源开放共享中具有极大的应用优势。

2.1 资源共享范围延伸至硬件资源

云计算服务分为3类［5］：

（1）基础设施即服务（IaaS），通常被称为虚拟化——虚拟机、带宽和按需提供的不同容量的存储；

（2）平台即服务（PaaS），开发和交付应用程序的环境；

（3）软件即服务（SaaS），以满足客户以特定需求为导向的软件设计服务。

因此，云计算的服务模式打破了网络共享资源仅局限于软件资源的局面，拓宽到了硬件资源。服务器存储空间与计算能力、大型仪器设备等硬件资源都可以通过云计算模式共享给终端用户。这种技术优势为共享不同高校和地区的实验教学设备资源提供了可行的解决方案。

2.2 增长的存储能力和计算能力

“云应用”使用大规模的数据中心以及强劲的服务器来运行网络应用程序与网络服务［6］，并且服务器空间能够按需分配和弹性回收，因此数据中心有足够大的存储空间来存放资源，还能够很好地解决传统资源共享所遇到的过大访问量而导致服务器堵塞或崩溃等问题。同时，云计算还具备了分布式计算的高可扩展性，具备了非常高效的计算能力，有利于实现资源的共享数据挖掘、智能推送等服务功能。

2.3 增强的数据安全性能

云计算除了从技术手段上实现数据的安全性和高可用性外，云计算数据中心的数据保护与恢复能力、专业的设备维护团队等解决方案都能够为资源存储与共享服务提供更多的安全性保障，用户不必担心因个人疏忽或技术有限而造成数据丢失、硬件损坏或病毒破坏等数据安全问题。

2.4 统一的平台架构和访问接口

传统的资源共享平台由于独立开发或自行购买等原因，接口和运行环境往往无法兼容，形成了一个个资源孤岛，资源共享效率非常低，而云计算为所有终端用户提供统一的平台架构和访问接口，各个资源模块之间没有技术屏障，用户能够方便地访问到所有资源。

2.5 随时随地获取资源

资源存储在云端服务器，任何用户只需要使用能够连入互联网的设备就可以随时随地访问资源，而且用户使用资源的所有历史记录都存储在云计算服务平台，用户可以随时随地访问这些记录信息。

3 云计算环境下的区域性高校实验教学资源共享原则

3.1 开放共享原则

云计算服务以开放为基础，将众多分散的资源整合在一起，用户以简单的硬件设备就可以方便地共享这些资源。但是，云计算的开放共享并不意味着完全免费，有偿使用、有偿租用、互惠共享都是开放共享的不同方式。云计算环境下的区域性高校实验教学资源共享同样可以采用这些方式。尽管部分资源是有偿共享或有偿租用，但是区域性实验教学共享云服务模式能够让各高校降低直接购置这部分资源的成本，而所节约的成本就可以用于其他更多资源的租用共享，尤其是大型精密仪器设备和特殊性实验教学软件。

3.2 分布与统一原则

“云计算”对可分布部署具有良好的兼容性。云计算环境下的实验教学资源共享模式非常适合于“一区多校”、“一校多区”和“大学城”等区域性办学的需要。所谓分布与统一原则是指大型精密仪器设备和实验教学师资等资源可以根据归属分别部署在各高校或实验中心，而云计算数据中心则统一部署在区域内的某个地理位置，实验教学资源共享云服务平台统一规划、开发和管理。与此同时，组建区域性云教育服务规划与管理的相关机构，统一负责制定各高校实验教学资源的共享规范、资源管理条例，以及协调各方利益。

4 云计算环境下的区域性高校实验教学资源共享模式

云计算环境下的区域性高校实验教学资源共享体系，如图1所示。

4.1 建立区域性高校实验教学资源共享云服务中心

依托区域内各高校的实验教学资源，统一规划、建立区域性高校实验教学资源云服务中心。该中心是整个区域性教育云服务建设的一部分，它一方面集中资金购置高端服务器集群，另一方面整合各高校已有的服务器资源，从而将区域内高等教育系统的物理服务器数量控制在一定范围内，节约服务器的购置与维护成本并减少设备占地空间，实现节能环保的可持续发展目标。

相对而言，区域性教育云是区域内各高校的公共云，而各个区域性教育云将与国家教育云连接。区域性教育云以区域为单位负责对本区域资源应用进行接入管理与维护，负责接收国家“教育云”资源，并将国家教育云资源向校园云推送［7］。区域内的各高校通过统一接口连入区域性教育云服务中心，获取相关实验教学资源，并共享各自的特色资源。不同区域的高校则可以通过国家教育云相互连通并实现共享与交流。

图1 云计算环境下的区域性高校实验教学资源共享体系

从云服务的共享模式来看，尽管所有高校都可以通过国家教育云实现资源共享，然而从实现共享的客观条件来说，区域内的地理位置对于共享有形的实验教学资源非常有利，如大型精密仪器设备的共享，区域内的高校可以通过最短的物理距离实现资源的实地操作共享，节约交通经费和时间成本，此外，同一个区域内的高校在发展历史和发展规划方面具有较大的“地域相似性”，实验教学的配套资源相对会有比较大的重叠，进行区域内共享有利于减少资源的低成本重复建设，并有助于各高校的统一规划与集约式发展。

4.2 共享大型精密仪器设备资源

为了进一步推动高等学校实验教学改革，促进优质教学资源整合与共享，教育部从2005年开始启动国家级实验教学示范中心建设工作。大型仪器设备、精密仪器设备是每个实验示范中心的优质资源，提高这些资源的利用率，才能最大限度地发挥实验示范中心的核心价值和示范作用。

遵循分布与统一的共享原则，大型仪器设备可以分布在各归属高校实验室，在区域性高校实验教学资源共享云服务的SaaS应用层构建统一的共享系统。区域内各高校的大型精密仪器设备，特别是国家级实验教学示范中心的仪器设备都统一在该系统上进行共享登记，包括仪器设备的基本配置参数、所在实验室以及使用方式和联系信息等。区域内各高校师生都可以登录到该云平台查询相关仪器设备的信息，并通过提交申请来获得仪器设备的使用权限。为了保证大型精密仪器设备的规范管理和维护保养，还需要制定区域内大型仪器设备免费共享或有偿使用方面的管理办法。

4.3 共享实验教学软件资源

在区域性高校实验教学资源共享云服务的SaaS应用层部署实验教学软件资源池。对于区域内各高校的公共选修课程、基础类专业课程使用率较高的实验教学软件，可以统一购买，并集中安装在区域性云计算服务器集群上。软件的安装和升级由云服务中心的专业人员负责，区域内各高校的师生只需要使用账号和密码登录到云服务平台即可使用相应的教学软件，无需每个高校都重复配置服务器以及购买和安装这些教学软件，可以大大节约购置服务器和教学软件的成本，减轻了各高校反复安装实验教学软件的工作量。在区域性云计算服务器上统一安装和运行实验教学软件，还有利于提高这些软件资源对服务器的利用率，避免服务器在访问高峰时出现堵塞或崩溃，保证实验教学的顺利进行。对于一些特殊专业使用的教学软件或者个别高校自主研发的教学软件，可以采取高校自行配置，也可以租用该云计算平台的相关服务。

4.4 共享虚拟实验资源

云计算环境下的虚拟实验教学系统就是利用云计算平台，将本地或异地的不同实验用户与虚拟实验室联结起来，共享一个虚拟的实验空间，支持用户通过浏览器开展远程实验和本地实验，从而实现虚拟实验教学和管理的目的［8］。例如 Google的iLabCentral（http：／／www.ilabcentral.org／）就是基于云计算环境的虚拟实验室系统，该系统免费提供了7 000多个虚拟实验，涉及生物学、数学、化学和物理等科研领域。这些虚拟实验对于缺乏大型精密仪器设备的高校来说，是一种非常有效的实验教学资源。

区域性高校实验教学资源共享云服务中心可以通过集中购买或整合各高校已有的虚拟实验资源，部署在云服务平台上，师生通过账号密码获取相应的实验权限。这种开放性的虚拟实验资源不受时间和地点的限制，师生可以选择在课余时间、假期时间，根据自己的兴趣爱好进行实验，还可以重复多次实验，或者通过互联网进行小组实验和交流实验数据。云计算环境下的虚拟实验资源有利于促进实验教学从传统的封闭模式走向开放模式，对培养学生的创新能力和团队合作精神非常有帮助。

4.5 共享实验教学体系资源，搭建基于Web的实验教学系统

整合区域内各高校所有公共选修课、专业选修课的实验课教学讲义、实验案例、实验流程、仪器使用说明资料、实验分析报告等资源，在SaaS应用层建立实验教学体系资源库及其索引目录，那么师生就可以方便地查阅相关实验的详细信息，自主开展实验。

借助该资源库，实验教学系统为师生搭建了基于Web的实验教学环境。该系统能够创建基本的实验环境、自动评价学生的实验过程、分析学生的实验数据等。一方面，教师可以很方便地从虚拟实验系统、实验教学体系资源库等模块取得教学资源，构建网上实验教学环境，并管理学生的实验成果；另一方面，每一轮网上实验教学结束后，都会形成新的数据，这些数据作为再生资源补充到实验教学体系资源库，从而实现了实验教学资源的自我更新和生态循环。在高校构建基于云计算的资源节约型实验环境，积极推广云计算辅助教学，有利于基于云计算的实验教学改革模式的实践，对高校实验室建设、课程改革和创新实验教学模式具有重要的意义［9］。

4.6 共享实验教学师资，建立区域性实验教学云交流社区

在实验教学资源中，师资作为一种稀缺资源，由于受到地理位置和人事分配等各种客观条件的限制，难以在传统的实验教学过程中得以广泛共享。共享实验教学师资是建立区域性高校实验教学资源共享云服务的重要目标之一。利用云计算的大容量和实时处理等特点，对区域内各高校实验教学和科研领域的名师专家，可以将他们的实验演示、讲座、授课通过视频采集和处理，存储到实验教学云服务器中，区域内各高校的师生通过点播就可以随时聆听这些“名师课堂”。

很多应用程序，如文字处理、电子表格、数据库等都可以在互联网的环境中操作，这些应用程序所形成的文件数据都存储在区域性实验教学云服务器，师生可以随时随地进行交流和协作，构建虚拟项目组、虚拟实验团队等网络协作社团。区域内的国家实验教学示范中心、各高校实验室（中心）、科研项目组可以在云服务平台上搭建实验交流社区。实验教师、研究人员、学生通过这些云交流社区讨论、分享知识，并组建跨校、跨学科的合作团队和课题小组。

4.7 组建区域性高校云计算资源共享联合会

由于云计算服务器的购置、数据中心的建设规划、各高校资源共享的协调、相关资源共享管理办法的制定等工作是实现区域性高校实验教学资源共享的前提和保证。因此，有必要组建区域性高校云计算资源共享联合会（或协作委员会）之类的组织，以便统一规划、协调区域内各高校的实验教学资源共享。该组织负责落实云计算相关硬件设备的购置方案、协调区域内各高校（或实验中心）的利益、制定合理的资源共享云服务方案和协议，并出台相关的资源共享管理规范（面向资源提供者和资源使用者）。组织的主要成员应包括区域内高等教育管理部门、教育信息化管理部门、各高校教学资源管理部门、云计算技术与数据库提供商等机构和单位的负责人和相关技术人员。

区域性高校云计算资源共享联合会是一种由高等教育管理部门、高校以及互联网技术服务公司组成的联盟，这种联盟的组织与运营方式有利于区域内的高校，以集体的方式和互联网技术供应商建立合作与交易关系，从而改变以往每所高校需要单独与不同的市场供应商洽谈技术交易的局面，还会让高校在交易价格上占据一定的优势，有利于降低区域内高等教育系统的技术升级成本。区域内高校以集中的方式应用相关的互联网技术，还有利于减少学校之间网络数据接口的屏障，提高教育资源的校际共享程度，而大规模的用户反馈数据也将会提高互联网技术供应商升级、完善相关技术服务的有效性和时效性。

5 结束语

云计算环境下的区域性高校实验教学资源共享，可以为区域内的高校提供各种实验教学软件资源、硬件资源以及人力资源的广泛共享，并提供传统实验教学难以满足的多媒体实验教学信息、虚拟科学实验室、学习跟踪数据以及实验管理工具等资源和应用程序，推动高校开放式实验教学改革的发展。此外，云计算的大数据存储与管理以及服务器集群共享模式还将大大降低这些高校部署实验教学硬件环境的成本，提高高校实验教学资源的利用率和投资效益。

由于这些云计算服务只能通过互联网进行在线使用，因此大规模使用云计算实验教学资源的高校需要有足够的带宽，才能确保师生的顺利访问和使用。Google全球企业教育主任Tom Mills表示，想要改用云计算但负担不起基础设施改造的学区，可以将基础设施与软件成本方面节省的费用投资在网络线路上，未来的频宽需求只会逐渐增加，拖延的时间愈长，对孩子学习能力的限制就愈大［10］。例如Google的云计算虚拟实验室iLabCentral免费提供了超过7 000个虚拟实验，如果学校网络带宽足够的话，那么师生就可以非常顺畅地使用这些免费的实验资源。

（

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［1］教育部.关于印发《教育信息化十年发展规划（2011－2020年）》的通知［Z］.中华人民共和国教育部教技［2012］5号文件，2012.

［2］钱锋.推进高校实验设备资源共享［J］.教育与职业，2010（28）：22.

［3］张伟.高校实验仪器使用率低的原因与对策［J］.中国教育技术装备，2013（18）：34－35.

［4］高等学校仪器和优质资源共享系统［OL／DB］.htt：／／www.cers.edu.cn.

［5］约翰逊L，亚当斯贝克尔S，卡明斯 M，等.新媒体联盟地平线报告：2013基础教育版［M］.张铁道，白晓晶，季瑞芳，等译.奥斯汀，德克萨斯：新媒体联盟，2013.

［6］陈康，郑纬民.云计算：系统实例与研究现状［J］.软件学报，2009（5）：1337－1348.

［7］陈冬林，付敏，陈玲.基于混合云的高校实验教学平台建设模式研究［J］.实验技术与管理，2013，30（5）：63－66.

［8］鲁慧民，刘刚.云计算环境下理念的虚拟实验教学系统设计探讨［J］.实验技术与管理，2012，29（4）：334－337，344.

［9］林瑜华.云计算环境下高校实验教学模式的创新与实践［J］.实验室研究与探索，2011，30（8）：271－274.

［10］台北驻旧金山办事处教育组.学区改用云端服务提升效能及节省费用［DB／OL］.国际教育资讯专题全文资料库，http：／／182.18.30.134／down／html／？194027.html，2013－02.