基于云计算的计算机教学实训平台设计与研究

吴 蕾，张进军（安徽警官职业学院 .信息管理系；.人事警务处，安徽 合肥 230031）

基于云计算的计算机教学实训平台设计与研究

吴 蕾a，张进军b
（安徽警官职业学院 a.信息管理系；b.人事警务处，安徽 合肥 230031）

云计算技术在网络技术中的应用改变了计算机实训教学的操作模式，针对当前计算机实训课程的教学现状，提出了运用云计算技术对当前计算机实训平台进行改进，开发出相应的计算机实训教学管理平台。通过对于计算机实训过程进行全程跟踪与管理，系统具备了课件的管理、资源的共享、试卷自动生成、在线测评等相关的功能，最后通过测试，发现系统的功能稳定，能够满足计算机实训教学的需求。

云计算；计算机教学；实训平台

0 引言

云计算技术是网络技术发展变革的产物，在当前的教学管理中，由于云计算技术的独特性，其日益得到广泛的运用。对于高校教学管理而言，云计算技术的运用既可以有效提高管理效率，实现教学的软件管理服务，对于提高学生的实践能力也有很好的促进作用。基于云计算的计算机教学实训平台的开发能够有利于对学生的实践活动进行管理，加速学生对所学知识与理论的理解，并能够在实训的过程中帮助学生将理论与实践结合起来，对于提高学生的竞争能力意义非凡。当前，从我国高校实训管理与教学的角度，设计与开发计算机教学实训平台［1］，既能够提高实践教学的效率，又能够极大地满足实训教学的需要。

1 云计算概念及实现机制

云计算是大规模的计算机处理技术，是基于互联网服务的增加、使用和交付模式，采用多种数字计算技术，通过动态扩展网络中传输的数据，以虚拟化资源的方式将信息进行传输，准确地说，云计算是现代计算机技术与网络技术两者发展中相互融合的产物。云计算主要采用并行运算（parallel computing）技术、数据分布式运算（distributed computing）技术和网格计算（grid computing）技术进行数据处理服务，是将信息虚拟化（virtualization）、效用计算（utility computing）等服务融合在一起的，将网络的基础设施作为服务IaaS（infrastructure as a service）、将平台作为服务Pans（platform as a service）和将软件作为服务SaaS（software as a service）的网络计算平台，形成大规模的数据计算技术。因此，根据云计算的服务类型，可以将云计算服务分为:Iaas、Pans、SaaS 3种类型的服务，具体的架构如图1所示。

图1 云计算的服务类型Fig.1 Cloud computing service type

2 云计算实训平台的架构分析

2.1 云计算的实训平台架构设计

通过对计算机教学平台的架构平台进行分析，结合云平台的实际特点，对计算机教学的实训平台进行统一的设计，以便于教学能够对学生的实际操作进行控制和管理，提高学生学习的积极性［2］。按照私有云平台的架构设计模式，采用云计算技术将所有计算机设备使用级联方式集中放置，通过中心服务器进行集中管理，使用者无需关心自己获取的服务来自哪个后台控制的设备，只需根据自己的需要进行使用就可以，管理者可以对所有设备进行管理，主要是通过系统架构的统一的管理平台进行管理，也可对每一个学生的学习状况进行查看，可以对某个学生给予特别的指导。通过对系统的架构进行分析，从而得到基于云计算的计算机实训平台的拓扑结构，如图2所示。

图2 基于云计算的计算机实训平台系统架构Fig.2 The framework of computer training pattern based on cloud computing

图2中系统的服务器SMC为实训平台管理平台服务器，采用双网卡的模式接入到网络中，既可以对系统的安全管理平台进行控制管理，也可以对系统的控制器设备进行管理与控制。在系统运行的过程中，需要将试验台注册到安全实训平台的管理系统上，这样通过服务器能够实现对系统控制器的管理。系统管理员通过服务器SMC对计算机实训平台上的课件进行同步的加载、运行与管理，课件是实训平台上的基本学习资源之一，管理员通过服务器的同步指令，从系统的服务器上将课件下载到控制器上，这样便于学生与教师进行使用。

2.2 控制器的配置

控制器在系统中也称为沙盒，控制器是保证能够对学生进行实训的重要条件，在具体的配置过程中，主要有以下两种方法。

2.2.1 利用控制器（沙盒）的Console口进行配置 在系统的每个控制器上都有Console接口，能对系统进行配置。在正确地接入控制台之后，可以通过命令行方式配置控制器的相关通讯接口［3］，通过CFG接口的IP地址等基本配置来完成相关的通过配置。具体的配置方式如下:

set smc 192.168.1.253:9600

set intcfg eth0 192.168.1.1

Set DNS 255.255.255.0

这样的配置是必需的配置，再设置好系统的通讯配置方式，可以进行正常的通讯。配置后控制器（沙盒）设备使用eth0接口的方式，对系统的数据进行注册到系统服务器上，在配置完成后，可以通过show efg命令对系统服务器SMC的配置进行查看，也可采用int eth0命令来查看系统的接口配置地区等相关的情况。

2.2.2 利用控制器的配置网口（CFG）进行配置 一般情况下，在控制器的设备中都具有CFG接口，它具有默认配置地址1.1.1.1，这个配置是系统自带的，不允许更改。但是在系统中，在端口212可以采用1.1.1.2地址进行远程连接，即将学生机或者教师机的IP地址设置为1.1.1.2，进行数据通讯，通过采用交叉线连接控制器设备的CFG接口，就可以实现系统内部的通讯。

2.3 实训平台的构成

基于云计算的计算机教学实训平台的构建，通过将云计算、分布式软件设计、计算机硬件、智能移动技术等进行有机结合，设计实现面向计算机、智能手机、移动终端的软件能力实训平台。在具体组成方面，客户端、程序运行系统和平台管理系统是3个主要构成内容。能有效地实现学生计算机学习的实现平台，它支持在客户端上使用C/C++/JAVA/FORTRAN/VB等常用的高级程序设计语言来编写和进行程序调试，对学生进行实践操作的训练，并对学生的学习进行实时的控制与管理。而且实训平台具有在线自动测试与反馈、学习资源的共享、学习者之间的在线交流与讨论、教师的实时指导等相关的功能，为学生对计算机的学习与训练提供支持服务，对学生的学习具有实时的指导。

3 基于云计算软件实训系统总体方案

3.1 实训系统设计目标

1）教学实训平台的基础功能。满足计算机专业的学生的教学与实践需求，不仅能够完成计算机课程教学的一对多的教学模式，同时还能够完成计算机实践、实训学习任务。

2）实现虚拟化的计算机教学实训专业功能。云计算平台的重点功能是系统的虚拟化操作，因此采用云平台开发实训平台的重要功能是能够满足计算机等相关课程的专业实现功能［4］。

3）基于集群的计算机教学实训专业功能。通过采用云计算与大数据技术建立计算机专业课程的集群教学环境［5］，满足相关课程的实践、实训的要求。

4）支持720个云终端桌面。满足大规模的计算机专业课程的实践、实训操作，提高系统的使用效率。

5）支持主流分布式存储系统的规划。根据系统开发的需求，对实训平台进行设计、搭建、使用调试，并能够正常地对系统进行维护与管理。

3.2 实训系统设计原则

3.2.1 一体化原则 基于云计算的计算机实践、实训系统的功能，要求能够集广播教学、虚拟化实验、计算机程序的调试、高性能计算等多种功能于一体的实践、实训系统，能够对不同的学习者给予不同的帮助与实验教学［6］，为不同的学生提供个性化的学习指导。

3.2.2 高密度原则 系统在具体开发中，通过运用高密度的服务器建设硬件集群，既要满足教学的需要，也要实现实训的功能，同时还要能够保证系统的扩展功能，满足不同教学的需要。

3.2.3 多平台原则 在功能上，对于一套云计算的硬件平台，需要搭建多个云计算大数据软件系统，通过设计多类型的云计算，赋予实训系统多平台、多功能操作的功能。

3.3 设计思路

为了有效地对计算机实训平台进行设计，在一套云计算的平台上实现计算机专业教学、实训等多种功能目标。系统的开发主要采取云终端+高密度集群的设计思路，开发出具备教学管理、实训、跨平台使用等多种功能，使用KVM将集群资源进行虚拟化，便于构建大规模的实践、实训集群系统。

3.4 评测系统的软件处理流程

在系统开发的过程中，考虑到实训主要体现在学生对实践技能的操作方面，因此，确定本系统的核心业务流程就是计算机专业课程的在线提交和评测为系统的核心功能，在学习者提交用户信息、题目信息、竞赛信息和源程序后，系统就能够根据学生的实际情况进行测评，实现对学生的实践操作的训练。具体的在线测评系统的数据流程见图3。

图3 系统的在线测试数据流程Fig.3 Online testing data flow of system

在线评测系统是系统开发的主要功能，是在系统的服务器端采用相关的程序语言进行开发，在服务器中实现自动编译C/C++/JAVA/Pasxcxl/VB等编程语言所编写的源程序，进而能够有效地完成系统的运行工作。系统能够根据实训的自动测试脚本运行编译后的用户程序，分析学生在实训过程中出现的相关问题［7］。在实训的过程中，学生在学生机进行操作，并将相关的信息输送到系统的服务器中，如果程序出现超过时间限量、内存限量和输出数据限量的情况，系统会自动立即执行相关的程序，并及时判断出用户程序是否发生了编译错误，在具体的操作过程中是否能够出现相关的错误，并根据错误的类型给予相应的提示，达到对学生进行实训的效果与目的。

3.5 系统实现的关键技术分析

3.5.1 云共享体系的编程模式 基于云计算机的计算机实训教学平台的设计主要采用的是B/S与C/S混合架构的模式，采用J2EE架构编程，使用三层MVC设计模式，能够有效地减轻系统服务器的压力，提高系统的使用效果。在操作中，学生通过学生机浏览器，向系统发出实训操作请求，同时将该请求发送给系统的Action Servlet处理，系统处理结束，向系统的中央处理器发送该请求。中央处理器根据相应请求的内容，进一步判断并决定向相应的注册服务器发出请求，保证相应的服务在该服务器中能够完成、处理。然后在服务器的环境中，发出需求解决问题的指令，在访问系统底层的DataStore和Memcache应用服务器之后，寻找并筛选可解决学生机请求的信息资源。所有的应用服务器提出相应的数据之后，系统对数据汇总并格式化处理，并将获得的数据结果返给前台的Action Servlet的客户端，然后通过学生机端的JSP页面视图，将相关的结果反馈给相应的学习者。

3.5.2 WEB相关技术 在系统开发与设计的过程中，要求每个运行的程序都需要在安全的运行工作环境下工作，从而有效保证程序的运行安全。系统的开发主要采用的是Java标准技术来架构，在学生机端，学习者可以直接调用相关的程序，实现自己的学习。由于采用APP的相关技术，系统的移植性比较好，对于一些小的Java程序，只需一点改变就可以在系统进行使用，能够满足不同系统开发的需求，同样地根据系统开发的需求，主要采用了Struts2、Spring2、JDO、JavaScript、CSS等开发技术，以满足系统开发的需求。

4 基于云计算的计算机实训教学系统的实现

4.1 云平台实训环境的搭建

在计算机实训操作环节，为了满足大规模学生实训的要求，云操作平台环境需要设置6个节点。具体而言，通过在Vmware Workstation中配置6台工作的虚拟机，对系统的管理实现实时操控的目的，每台虚拟机应配置1个节点，并与服务器进行连通。其中，需要设置1个节点为主节点或名字节点（Namenode），与系统的主服务器进行连通，其余5个节点为系统的子节点或数据节点（DateNode），在具体的配置过程中，需要将这几个节点都配置相应的IP地址分配和主机，具体的配置如表1所示。

表1 系统节点的IP与主机的配置Tab.1 System node IP and configuration of host

基于云计算的计算机实训平台的搭建过程是一个比较复杂的过程，在该过程的配置中，需要建立系统的SSH无密码登录密码，并在系统的每个节点上生成密钥对，实现对系统的管理，然后将系统生成的密钥对分别复制到系统的其他6个节点上，保证系统能够有效地进行工作［8］。

4.2 实训效果的提交业务实现

学生在完成实训操作的相关内容之后，可以进入提交管理页面，选择并点击相应的实训任务提交列表选项，提交自身的实训任务。状态结果方面，如果提交状态显示完成，表示用户的实训项目已经提交完成［9］，在提交信息完成后，学生可以根据自己的需要，一方面可以生成试卷，测量自身的学习效果，另一方面，在点击之后可以浏览试卷内容。如果提交状态显示未完成，学生就不可能完成后续的相关操作。

4.3 软件评测业务的实现

依据软件系统测试相应规范，本系统在实际测试环节，主要通过黑盒测试方法，具体采用基于云计算的计算机实训平台的B/S、C/S的混合模式，在系统的客户端通过浏览器发送源程序给评测服务器，分析服务器在工作过程中的稳定性、安全性、容错性等相关性能的测试，并将测试的相关数据进行分析［10］。通过对系统的实训操作功能、试卷的生成功能、评测功能、学生与教师的登录功能、广播功能、虚拟化的实验功能、程序调试功能、课件的上传与下载的功能等相关的功能进行测试，发现系统的运行稳定，能够满足系统工作的要求。

5 云计算的计算机实训平台系统性能及结果分析

基于云计算的计算机实训实验平台的设计与实现，通过对系统的功能测试分析可以看出，系统的稳定性较好，在系统出现死循环并提交的情况下，系统的上传时间（load average）在3～4 s之间，服务的CPU使用率低于87%，系统的运行效果良好，而且系统的运行无内存限制，可限制输出数据量至1字节，保证了计算机实训系统运行正常，能满足计算机实训操作的要求。

6 结语

基于云计算的计算机实训系统平台的开发，是借助云计算与Java Web开发技术，通过将两者相结合，并将系统应用到教学资源共享体系中，以满足学生实训的要求，不仅充分发挥了云计算的技术特点，也解决了现有的计算机实训操作系统存在的问题，提高了计算机实训教学效果，有利于提高学生的实践操作能力。

（References）

［1］ 黄传河，黄建中，吴黎兵.计算机专业实践教学体系与方法设计［J］.计算机教育，2012（22）:87-91.

［2］ 傅杰，余环，吴黎兵.信息安全专业人才培养模式及其实践教学改革［J］.科技情报开发与经济，2013（21）:73-76.

［3］ 王洋，王钦.沙盒安全技术的发展研究［J］.软件导刊，2012（21）:75-79.

［4］ 林闯，苏文博，孟坤，等.云计算安全:架构、机制与模型评价［J］.计算机学报，2013（9）:1765-1784.

［5］ 张怀南，杨成.我国云计算教育应用的研究综述［J］.中国远程教育，2013（1）:20-26，95.

［6］ 李凤巧.云计算技术在现代远程教育中的应用［J］.电子技术与软件工程，2014（20）:33-34.

［7］ 石少敏.基于云计算的虚拟桌面平台在教学中的研究［J］.电子测试，2014（19）:38-40.

［8］ 姜蕴莉.基于云计算的高职院校计算机专业实训改革研究［J］.现代工业经济和信息化，2014（20）:97-98，101.

［9］ 刘亚琦.云计算技术在高职高专教育中的应用［J］.北京政法职业学院学报，2012（3）:123-128.

［10］李贺华.基于云计算机系统的实训平台研究与实现［J］.实验技术与管理，2015（3）:157-160.

（责任编辑:范建凤）

Research and Design of Computer Teaching Training Platform Based on Cloud Computing

WU Leia，ZHANG Jinjunb
（a.Information Management Department；b.HR and Security Management Department，Anhui Vocational College of Police Officers，Hefei 230031，Anhui，China）

The application of cloud computing technology in the network technology has changed the operation of computer training teaching pattern.Considering on the situation of computer training course，this paper put forward the operation cloud computing technology to improve the current computer training platform，and developed the corresponding computer training teaching management platform.Based on tracking and managing the computer training process，the system had the functions of the courseware management，the sharing of resources，the automatic generation of papers，the on-line assessment and so on.With the test，it is found that the function of the system is stable and can meet the needs of the computer training teaching.

cloud computing；computer teaching；training platform

TP315

A

1673-0143（2015）05-0414-06

10.16389/j.cnki.cn42-1737/n.2015.05.007

2015-06-17

吴 蕾（1980—），女，讲师，研究方向：计算机教育。