云计算在独立学院实验教学中的应用探析

谢爱娟，罗士平，陶宇炜，张宝玲， 周国平

(常州大学 a.怀德学院;b.石油化工学院；c.信息中心，江苏 常州 213164)

云计算在独立学院实验教学中的应用探析

谢爱娟a，b，罗士平b，陶宇炜c，张宝玲a， 周国平b

(常州大学 a.怀德学院;b.石油化工学院；c.信息中心，江苏 常州 213164)

云计算是一种崭新的分布式计算模式。利用云计算技术，可打破实验资源分布的不均衡化，进行统一管理，合理调度高校虚拟实验的软硬件资源。结合常州大学怀德学院基础化学实验教学，对独立学院的信息化建设、资源整合等问题进行了初步的探讨，构建了云计算环境下的基础化学实验教学环境、虚拟实验教学平台、实验管理模式等，并探讨了实验评价以及实验交流体系的主要内容，以期对提高独立学院的实验教学质量有所裨益。

云计算；独立学院；基础化学实验教学

作为民办高等教育的独立学院对我国高等教育的发展产生了积极影响。独立学院的人才培养目标是“高级应用型人才”。 “应用型”的内涵是实践动手能力， 强调学生在走向社会后能够马上动手操作，而这种能力的培养更多依赖于实验教学[1]。

基础化学实验是常州大学怀德学院一系学生的必修课。它起着理论教学不可替代的特殊作用，尤其体现在培养学生的实践能力、创新能力方面。传统的实验教学已表现出诸多不足与滞后， 迫切需要建立适应独立学院自身特点和培养要求的实验教学新体系。常州大学怀德学院是在老校区基础上成立的，面临实验设备陈旧、实验室资源不足、资金来源有限等问题，成为制约实验教学发展的障碍。

云计算的出现为这些问题的解决带来了新的技术实现，也为独立学院基础化学实验教学提供了新思路和新模式[2]。

1 构建校际间虚拟实验云的必要性分析

云计算(cloud computing) 是并行处理、分布式处理和网格计算的发展，也是一种新兴的共享基础架构的方法[3]。云计算的本质是在计算机网络的基础上，利用虚拟化技术和面向服务架构(SOA)，整合分布在网络上的大量服务器集群处理能力，为用户提供安全、可靠、便捷的各种应用数据服务，用户可以在任何时间、任何地点，用任何可以连接到网络的终端设备来访问这些服务[4-5]。

目前，高校内母体学校与独立学院，传统实验室和虚拟实验室，都有具独立性、分散性和重复建设的特点。且独立学院教育资源整体投入有限，教学实验资源存在短缺和不平衡的现象。常州大学怀德学院靖江校区刚成立不久，其实验教学资源更是不足，而本部基础化学实验中心的资源相对丰富。利用云计算技术优势可把高校间虚拟实验室零散的资源集中化管理，实现所有资源的统一调度、灵活移植和共享应用，打破实验教学资源的不均衡性。虚拟技术和云技术联合应用于高校实验系统建设，其最大的亮点在于将高校的各种传统实验资源通过互联网全部转移到“云”中，为实验教学配建丰富灵活的资源池，轻松实现不同高校、母体学校与独立学院间实验室软硬件资源的共享，最大程度降低资源重复建设现象，全面均衡高校的实验教学资源。它能从根本上改变传统实验教学的固有模式，给独立学院实验教学环节注入新的活力[6]。

2 云计算环境下的虚拟实验教学环境的构建

2.1 基于云计算的实验教学环境设计

为了满足云计算环境下独立学院实验教学的要求，需要规划设计一个合理的云服务实验教学环境平台。以基础化学实验室为例，不同的实验对实验室配置、环境设施都有不同的要求，如果所有的实验室都采用统一的实验设备势必造成资源浪费，设备利用率低下。如722分光光度计一学年只使用一次，仪器常常因为久置后潮湿使数据产生波动而无法测量，而怀德学院前两年才逐渐更新该仪器，台套数较少，很难满足学生人手一套的实验要求。这种单一的且易出现故障的实验室设置使得学生不能有效地进行实验，严重影响独立学院的实验教学效果。随着越来越多的化学工作站应用到实验教学中，计算机软件逐渐成为数据处理的重要手段。而目前母体学校和独立学院以及各高校之间大多各自为战，没有构成健全完整的实验体系。在这种情况下，如何让独立学院的学生熟练使用工作站软件是目前实验教学面临的一个新难题。云计算环境下这些问题都可以得到更好的解决，一方面，云计算对硬件资源、操作平台的虚拟化可以为实验提供不同类型的VM(virtual manufacturing)； 另一方面，云计算的软件即服务(SaaS)，云服务提供的软件租赁费用低廉，有的甚至是免费的，使学校不再花费大量资金购买商业软件。基于云计算的实验教学环境主要由云服务实验教学环境平台、云服务终端设备组成，其模型如图1所示。

图1 基于云计算的实验教学环境模型

2.2 基于云计算的虚拟实验教学平台构建

近年来，怀德学院一系各专业每班有将近40名学生，而原有的基础化学实验设备台套数一般只能满足30名学生使用，尤其是物理化学实验，仪器众多，常常不能保证每名学生能够独立完成一项实验，只能多人一组或轮流做，严重影响学生的基本操作能力，同时也浪费教师和学生的时间，实验效果差、效率低。云计算通过共享开发资源和远程桌面共享的方式，可以实现“每位师生都有一个属于自己的实验室——虚拟实验室”的设想。基于云计算的虚拟实验教学平台设计主要包括高校虚拟实验资源云，母体学校和独立学院私有云等资源。利用云计算技术和云服务可以在虚拟实验室中为学生提供虚拟实验学习平台、资源共享平台和安全可靠、海量资源的数据存储中心等，并可搭建多媒体教室、网络(互联网和校园网等)、母体学校基础化学实验教学示范中心、独立学院基础化学实验室相结合的虚拟教学平台(如图2所示)，提高实验教学质量。学生通过瘦客户端用鼠标或键盘向虚拟实验教学平台发出请求，然后，输入实验资源的要求，数据中心根据实际应用需求，从云存储空间和服务器上智能地部署所需要的实验资源，用户即可登录指定的桌面操作系统或应用服务进行实验操作。云端上的虚拟实验室能够跨越时间和空间以及实验条件的限制，为学生创造虚拟课堂及互动的在线实验课程。

图2 基于云计算的虚拟实验教学平台的整体架构

例如，燃烧热的测定是一个相对比较复杂的实验，由于实验仪器多、点火失败率高，需要用不同的模拟演示来详细说明各个实验操作过程、注意事项及两个关键的步骤(即氧弹中样品煤的安装和煤燃烧热的测量)。针对本实验可以分别构建两个虚拟实验室，即氧弹实验室和量热实验室，其中氧弹实验室主要用于指导用户熟悉压片、装氧弹和充气等操作，后者默认的初始状态是氧弹已经充气完成，用户只需完成点火和量热计的操作即可获得所需热值[7]。通过这种云端虚拟实验室，学生能够直观地了解实验步骤、仪器使用方法及整个实验过程，降低实际实验中的失败率，减少仪器的损耗。同时通过虚拟实验室还可以把有机化学实验中复杂的、有毒的实验步骤加以强调或警示，避免可能发生的危险后果，提高实验的安全性。

2.3 基于云计算的基础化学实验管理平台

实验管理是实验室一项重要而又繁重的工作，加强和完善实验管理是保障实验教学高效有序进行的基础。基于云计算的实验教学管理平台既能够帮助实验管理人员减少在实验安排方面烦琐的人工操作，又能够减轻在学生实验过程中监控方面的巨大工作压力。该平台可充分利用云计算技术优势，实现实验室规范化、科学化、高效化的管理。通过系统的应用促进对外实验交流与实验资源共享，加强师生联系，促进实验管理与教学的相互融合，从而更好地为教师和学生服务[8]。

基于云计算的实验室管理系统的主要任务有后台管理、云计算管理、虚拟实验管理等三个方面，其基本业务流程如图3所示。整个管理平台分两部分：(1)在云端有专业团队负责平台有效运行，提供实验需要的软件支持及虚拟仪器；(2)在用户端设有管理入口，主要针对实验项目、实验内容或实验过程进行管理，教师和学生是这部分的主体，目的是保证实验教学的质量。各类用户登录系统时，先进行身份验证，验证成功之后方可进入平台，而后根据操作要求选择合适的操作，也可直接退出系统[8]。

图3 基于云计算的实验室管理流程图

2.4 基于云计算的实验评价和实验交流平台

云计算中的实验交流平台不仅是师生交流互动的平台，还是学生提交实验报告、展示实验成果以及分享实验经验的空间。在云端学生之间可对实验问题展开讨论，交流分享实验方法、实验技能，促进互相协作的科研创新精神，并且可利用“他山之

石”栏目借鉴母体学校及其他高校的先进方法，提高实验层次。教师也可参与实验论坛，进行网上辅导和在线答疑，给予学生实验评价与总结，及时反馈实验教学效果，实现师生之间的互动交流，形成相互促进、相互协作的良好实验环境。

3 结束语

云计算带来了强大的功能和技术， 但在独立学院中的应用还处于起步阶段，仍存在一些问题有待探讨和解决。这些问题包括数据泄漏等安全问题、云计算产品和服务价格的成本问题、如何追踪分析云计算服务应用的控制流和数据流等技术问题。但云计算作为一种集虚拟化技术、网络技术、智能计算技术为一体的新兴计算服务模式，为高校实验教学工作的改革提供了机会和技术实现。 研究和探索云计算环境下的独立学院基础化学实验教学对高校创新和改革实验教学，提高教学质量具有深远意义。

[1]王伟.独立学院实验教学创新之路[J].实验技术与管理， 2010， 27 (3):142-144.

[2]尚蕾.云计算环境下的开放实验教学研究[J].福建电脑， 2012(5):37-69.

[3]Brian Blake M. Service-oriented computing and cloud computing[J].Challenges and Opportunities，2010 (11):14.

[4] David S Linthicum.Cloud computing and SOA convergence in your enterprise: a step-by-step guide[M]. Boston:Addison-Wesley Professional，2009.

[5] 廖宏建， 杨玉宝， 唐连章，等. 基于云计算的动漫渲染实验平台研究与实现[J]. 实验室研究与探索， 2012， 31(7): 68-71.

[6] 高云霞，高景刚.基于云计算的高校虚拟实验教学研究[J].制造业自动化， 2013，35(3):87-90，95.

[7] 王海勇.物理化学网络虚拟实验室的构建方法研究[D].大连：大连理工大学， 2006.

[8] 舒家赋.高校实验教学管理平台的设计与实现[D].昆明：云南大学，2011.

Application of Cloud Computing in Experiment Teaching of Independent College

XIE Aijuana, b, LUO Shipingb, TAO Yuweic, ZHANG Baolinga, ZHOU Guopingb

(a. Huaide College; b. School of Petrochemical Engineering; c. Information Center, Changzhou University, Changzhou 213164, China)

Cloud computing is a new distributed computing model. Cloud computing technology can break unequalization of experimental resources, which can be unified management so that the software and hardware resources of virtual experiment of colleges and universities can be reasonable scheduled. Combined with the basic chemical experiment teaching of Huaide College, this paper preliminarily discussed some problems of the informatization construction, the resource integration and so on, built some models such as basic chemical experiment teaching environment, virtual experiment teaching platform, experimental management under the cloud computing environment and probed the main contents of experiment evaluation and communication system. The aim is to help high quality construction of experimental teaching of independent college.

cloud computing; independent college; basic chemical experiment teaching

2014-10-05；修改日期: 2015-04-20

常州大学怀德学院教育教学研究基金资助项目(2013HDJY05)；常州大学教育教学研究基金资助项目(GJY2014075，GJY2013039)。

谢爱娟(1968-)，女，硕士，实验师，主要从事基础化学实验教学与研究工作。

G642.0；TP301

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.04.039