基于云计算的虚拟实验室在中外合作办学中的应用探索?

高波涌 陆慧娟 卫伟

摘要：针对目前高校中外合作办学计算机专业实践教学中普遍存在的一些问题，笔者分析了云计算及在高校计算机专业课程中云计算辅助教学的关键技术，提出利用云计算搭建虚拟实验室进行实践教学改革的方法及步骤，对提高学生学习的质量和效率有借鉴意义。

关键词：云计算；虚拟实验室；中外合作办学；计算机专业

中图分类号：G434 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2016）08-0100-03

高等教育国际化是近几十年来全球高等教育发展的一个重要趋势。高校中外合作办学是我国高校引进国外优质教育资源的重要渠道以及教育国际化程度的重要标志，现已成为我国教育事业的重要组成部分。[1]近年来，随着高校的不断发展，中外合作办学的招生规模和专业在进一步扩大。在2011年，中国计量学院与新西兰奥克兰理工大学的计算机科学与技术中外合作办学项目获得教育部批准。项目明确：在中外合作办学中引进贴近专业发展前沿的国外教学内容，实时跟踪计算机新技术，重视国际视野、外语交流能力以及市场对接等方面能力的培养，以适应经济社会发展的需求。

实践教学存在的主要问题

随着笔者所在学校中外合作办学的开展和不断深入[2]，实验环境不配套的问题越来越突出。在中外合作办学的计算机专业培养中，做实验是实践教学中非常重要的一个培养环节，学生只有多做实验，才能真正理解和掌握该学科的理论知识，才能迅速掌握新的技术，才能获得一定的实验能力，并初步具有处理实际问题的能力。就笔者所在学校目前实验教学的运用来看，主要存在以下问题：

①现有的实验室存在对软硬件要求高、资源重复建设、系统扩充能力弱、可配置性差等难题。中外合作办学的计算机专业安排的实验中所使用的软件非常新，而正版软件价格不菲，要满足教学需求，可能需要大量资金的投入。但这些巨额投资的回报率却比较低，也很难跟上信息化的发展步伐，大部分学生对机房并不满意。这无疑对在校生使用计算机辅助学习产生了负面的影响。

②维护问题多。学校计算机的数量多，而且每台计算机中都有大量不同的应用软件，这些软件在一个系统内部常有冲突和不兼容的情况发生。经常要进行电脑硬件和系统软件的维护，这对系统管理员来说是一个不可负担之重。

③现有的实验室受时间、空间的限制，阻碍了学习者的自主学习，造成了学习效率的低下。

云计算及云计算辅助教学

云计算是一种资源交付和使用模式，指通过网络获得应用所需的资源，包括硬件、平台和软件，是一种新型的商业计算模型。[3]其基本原理是通过分布在不同地理位置的计算机组成具有强大计算能力的超级虚拟计算机，利用高速网络互联能力，将数据处理的过程从个人计算机或服务器迁移到互联网上的计算机群中。这些分布式计算机统一由一个大型的数据管理中心来负责资源的负载均衡、资源分配、软件安全部署以及安全控制。

云计算被看成网格计算与虚拟化技术的融合，利用了超强的网格分布式的计算处理能力，将IT资源构筑成一个资源群，同时加上存储虚拟化技术以及服务器虚拟化技术，以便用户可以实时调配和监控资源。因此，客户端再也不需要安装复杂的应用软件，通过网络链接的形式与远程的各种数据存储器和服务器进行数据的交互，从而直接获取远程的各项服务和数据，有效地实现了网络资源的整合。

国外在开展云计算研究应用的过程中，充分利用其优点向各个行业进行渗透，其中也包括教育领域。美国北卡罗莱纳州立大学（NCSU）与IBM合作创建了虚拟计算实验室，利用IBM提供的刀片服务器和实验室PC机，通过云计算的相关技术，为教师和学生提供了易于扩充的高性能的资源平台。另外，有国外社团通过“捐赠”的方式组建了一个叫Seattle的免费教学科研平台，由学校实验室现有可用的计算机资源组成云计算平台，通过便携式客户端来实现对资源的访问。在以上实践中，云计算可以通过公共云服务平台提供完善的网络教学功能和运行环境，在更大的范围内（如面向全球），为更多的人和各级各类教育提供网络教学服务。学校和教师利用云计算技术提供的信息技术社会化服务，节省了经费、人力和服务器设备等成本投入；教师信息技术培训的成本和门槛更低，学校教育信息化的管理更方便，安全性更高。

在2008年底的中国教育技术协会年会上，上海师范大学黎加厚教授首次提出“云计算辅助教学”（CCAI）及“云计算辅助教育”（CCBE）的概念，其含义是指学校和教师使用“云计算”提供的服务辅助教育教学[4]；在应用上，主要是使用Google云计算平台提供的相关云服务功能，如Google文档、Google协作平台、Google论坛等，暂未考虑到学校实验室资源的利用问题，未开展虚拟实验室方面的研究和实践。

在中外合作办学研究方面，中国知识资源总库（CNKI）[5]中有987项核心期刊文献，近一半的学者从微观的视角对中外合作办学进行研究，“教学”在中外合作办学的微观层面研究中占比为31.2%，但鲜有实践教学改革方面的文献，且未见在中外合作办学中利用云计算开展虚拟实验室研究的文献。

基于云计算的虚拟实验室应用探索

笔者认为，上述中外合作办学实验实践教学存在的问题可以通过基于云计算的虚拟实验室来解决，给用户提供了一个基于Web的分配、使用、保存和还原实验环境的云平台。学生可以通过个人电脑、智能手机客户端访问虚拟实验室来进行实验。这样可以凸显学生在教学活动中的主体地位，使他们不受地域、时间的限制，随时随地访问所需要的资源，同时还可以让学习者根据自己的知识结构来安排实验计划和实验进度，实现传统教育无法做到的“个性化教育”。基于云计算的教育系统不再需求高性能的服务器，普通的服务器组成云服务器即可提供高性能的服务，节约了硬件投资，提高了服务器的资源利用率。另外，也不必购买软件，只需租用软件，并按使用时间付费，这样为实验室建设节省了大量的资金。在云端，提供了最为可靠安全的数据存储中心，我们可以不用再花费大量的时间来管理数据。对基于云计算的虚拟实验室展开研究，为中外合作办学的实践教学变革提供了一条新的思路。

1.建设或选择符合实际需求的云平台

为了能够让云端教育更快更好地服务于现代教育事业，实现教育的信息化，学校应当以能够发挥最大效益的思想为指导，合理建设或选择符合实际需求的云平台。笔者提出的整个架构如下页图所示。

2.建设虚拟实验室

利用虚拟化技术建立虚拟实验室。虚拟化技术是云计算、云存储服务得以实现的关键技术之一，是云计算最主要的特征。虚拟化技术实现了软件和硬件的分离，用户不需要考虑后台硬件的实现，只需要在虚拟层运行自己的软件，这样就可以减少服务器的负载，可以更好地利用高校实验室资源，并且还可以使用前沿正版软件。

3.开展个性化网络实验实践环境的研究

云计算能让学生方便、快速地构建自己的实践学习环境。依靠云计算，学生可以自由地选择自己的实验时间和实验进度，不同的学生可以选择不同的实践内容和实践工具来创建不同的实验环境。同时云计算智能的数据处理技术、快捷的数据检索、人性化的服务等特点，也会有效地提高学生的实践学习效率。

4.合理使用开源软件

云计算的发展为开源软件的推广提供了非常好的机会。云计算的软件即服务（SaaS）与开源软件提倡的软件免费等观点不谋而合，而且开源软件的可扩展性和灵活性也完全符合云计算的发展趋势。将开源软件纳入到实验教学中是一个非常好的尝试，这也将是我国教育信息化的一个重大转变。

5.探索实验室建设和管理新方式

云计算以用户为中心，让数据和服务围绕着个人，通过云计算平台强大的计算能力，我们可以轻松地获取所需的数据，不必再为面对大量的数据而不知所措。

整个系统，由云计算管理平台统一管理，系统有自动监控平台，可以实施监控系统的性能和运行状态。整个系统的物理机器是一个完整的整体，如果一台有故障，上面运行的虚拟网络实验室的虚拟机器会自动切换到其他的物理机器。

系统支持电脑、手机、掌上设备等客户端，用户可以在任何时候、任何地点使用任何上网设备登录虚拟网络实验室云的Web门户来完成实验。而且系统会自动平衡资源使用，所有的应用会平均分配到所有的物理机器上，这样就可以充分使用系统资源。

结语

相比普通的计算机专业，中外合作办学计算机专业进行针对实践教学的改革势在必行。利用云计算平台优势，搭建虚拟实验室，以学生为中心，提供个性化服务是提升行业教育层次、学生学习效率和兴趣的需要。

参考文献：

[1]陆根书，康卉，闫妮.中外合作办学：现状、问题与发展对策[J].高等工程教育研究，2013（4）：75-80.

[2]陆慧娟，高波涌，何灵敏.中新合作办学计算机专业课程体系研究[J].计算机教育，2014（6）：17-19.

[3]蒋永生，彭俊杰，张武.云计算及云计算实施标准：综述与探索[J].上海大学学报（自然科学版），2013，19（1）：5-13.

[4]黎加厚.云计算辅助教学[M].上海：上海教育出版社，2010.

[5]http：//www.cnki.net/[OL].2015.

作者简介：高波涌，男，副教授，研究方向为多媒体信息检索等；陆慧娟，女，教授，研究方向为数据挖掘、模式识别、生物信息学等；卫伟，男，副教授，研究方向为云计算等。

基金项目：全国教育信息技术研究“十二五”规划2014年度重点课题（146221930），中国计量学院校立教改项目（HEX2014009，2015年度HEX012），中国计量学院2014年度校级本科教学团队建设项目（量院[2014]93号：15）。