云计算促进高等院校信息化建设跨越式发展研究

冯鸟东+崔亚强+余淇+王春艳+田建林+甘启宏

摘 要：随着信息技术的深入发展，传统信息化发展模式安全性不高、扩展难度大、硬件资源利用率低等方面的问题在高等院校中日益凸显，云计算的出现为解决此类问题提供了最佳途径。本文通过总结高等院校信息化建设过程中面临的挑战，指出高等院校在信息化建设过程中遇到的问题，结合云计算的特点，提出云计算支撑下的信息化校园构想，探索了如何通过云计算来促进高等院校信息化建设的跨越式发展。

关键词：云计算；虚拟化；桌面云；信息化

中图分类号：G434 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2016）15-0022-05

信息技术发展日新月异，信息化教学手段和方法层出不穷。新的教学手段与方法的出现给教育带来了革命性变化，这使信息技术在高等院校教学过程中的作用越来越重要，随之而来的是我国高校信息化基础设施架构存在的部分问题不断凸显，如果通过渐进式的发展模式来促进信息化教育发展，短期内很难彻底解决此类问题。为此，我们需要摆脱传统信息化架构模式和建设思想的束缚，站在时代和技术发展的前沿来思考该如何实现高等院校信息化建设的跨越式发展。所谓跨越式发展是指高等教育原处于边缘状态的国家，在发展高等教育的路径上不再采用传统的按部就班模式，而是以中心国家大学的学术标准规范自己现有的高校发展模式，从而实现对传统的跳跃。[1]本文认为高等院校信息化建设的跨越式发展是指，信息化基础设施的架构突破传统架构模式的限制，以IT行业最新的技术标准来重新构建其信息化教学环境，从而实现高等院校信息化建设的飞跃。近年来云计算以其稳定性、灵活性、安全性、低成本等方面的优点，受到各行业人士的好评，云计算的出现为高校信息化建设的跨越式发展带来了机遇。

一、高等院校信息化建设面临的挑战

由于信息技术在教育中的不断渗透，师生对信息技术的依赖性越来越明显，对信息化基础设施要求越来越高，要求多媒体教室更稳定、便捷，要求数字化资源更丰富、实用，要求信息化环境下的办公更灵活、快捷。

1.对多媒体教室的要求

（1）稳定性需求

目前高等院校中，教师对多媒体的利用率已经达到90%以上，因此为保证每节课的顺利开展，多媒体教室管理的首要任务是保证其稳定运行。

（2）安全性要求

多媒体计算机作为教室中的公共设施，用户群体非常广泛，这导致多媒体教室中的计算机极易感染病毒，不同人群的使用也极易造成交叉感染。

（3）个性化需求

随着教师信息技术水平的不断提高以及对多媒体教室应用的不断深入，他们对教室计算机的个性化需求变得越来越明显，例如，有的教师倾向于WindowsXP，有的倾向于Windows7，还有的倾向于Windows8，甚至有些教师需要使用Linux、Windows2008等服务器版的操作系统。

2.对网络学习环境和资源的要求

信息时代的数字化学习平台不再是单向地观看视频或下载资料，而是要为师生提供一个学习、交流、管理的综合性网络学习社区。

（1）学习者对数字化平台的要求

信息时代的数字化学习平台为学生提供自主的学习环境、交流互动的平台，使学生不仅能在信息化环境中学习课程知识、完成课程作业、交流互动，而且还可以进行拓展训练，拓宽学生的视野、增加知识面。

（2）教师对数字化平台的要求

信息时代的数字化学习平台需给教师提供备课、交流与评价的环境，教师在信息化环境中不仅可以备课、布置作业、组织考试，而且还可以和学生在线交流、互动与协作，同时还应提供检测教学效果的评价工具。

（3）数据分析对数字化学习平台的要求

信息时代的学习平台应该满足师生通过大数据进行分析、统计和反馈的需求，一方面可方便教师优化自己的教学设计和教学过程，另一方面可以使学生随时掌握自己的学习进度和学习效果。

3.对移动学习和移动办公的要求

随着移动终端的不断发展和教学组织形式的不断创新，师生对移动学习和移动办公的需求越来越强烈。

（1）教师之间交流协作的需求

高校教师无论是教学还是科研很多是以团队的形式进行，团队间的交流与合作非常频繁，因此，为教师提供便捷的交流渠道显得特别重要。

（2）教师移动办公的需求

高等院校的大多数教师都没有固定的办公地点，家、教室还有教师休息室都有可能成为他们的临时办公室，因此移动办公对他们来说是必不可少的。另外，很多高校都有多个校区，教师需要在不同的校区进行办公，实现移动办公更是迫在眉睫。

（3）学生对移动学习的需求

移动终端的迅速发展和碎片化学习理念的深入人心使移动学习越来越受大学生的青睐，这要求高等院校不仅要有优质的教育资源，而且还需提供适合移动学习的工具。

二、高校信息化建设现状

高等院校信息化环境的建设包括基础设施建设、软件平台建设、管理等各个方面，本文主要从多媒体教室的建设与管理、网络学习平台的建设，以及相关教学方法的探索方面进行一系列的探讨。

1.多媒体教室应用现状

多媒体教室是高等院校信息化建设中最基础、最核心的部分。目前主要存在以下方面的问题。

（1）更新换代快

据调查传统PC机的使用周期一般只有3～5年，而软件更新、升级的周期更短。由于目前多媒体教室都是分散管理，每一次更新意味着对所有的教室都要进行一次更改，这给教师授课和教室管理都带来了不便。

（2）安全性差

传统多媒体教室的电脑采用系统还原的方法来防止病毒感染，这给需要临时安装某些特殊软件的教师带来了不便，并且还原系统一般只保护系统盘，其余盘符同样存在感染病毒的可能性。

（3）管理难度大

在综合性高校里，每间多媒体教室可能有不同学科的教师上课，他们对软件的需求并不相同；另外由于多媒体教室计算机都做了系统还原保护，教师无法自行安装软件。这使有特殊软件需求的教师，必须在上课之前和多媒体教室管理人员进行联系安装相应的软件，给教师和管理人员都带来了不便。

2.教师办公环境和学生的移动学习

高校教师使用的办公电脑是常见的台式电脑，这些电脑普遍存在这样一些问题：

（1）PC电脑维护更新、管理困难

传统学校办公环境都是采用独立的PC机，很多教师对计算机知识了解较少，对计算机维护和更新存在一定的困难。此外，很多教师对病毒的防护意识较为薄弱，因此他们的电脑很容易感染计算机病毒。

（2）难以实现移动办公

很多高校都有几个校区，要想实现多个校区间的移动办公，目前教师只能通过U盘或硬盘拷贝本机数据进行。

（3）学生的移动学习存在障碍

大学生移动学习的实现大多是通过移动终端自身的操作系统来实现的，无法实现“操作系统”层面的“移动”，因此，还是存在很多不方便。

3.网络学习环境的建设情况

国内大部分高校都是通过购买或自主建设的方式建立自己的网络学习平台，目前网络平台应用还处于推广与初步应用阶段，它们普遍存在这样一些问题：

（1）并发处理的能力较弱

如果一段时间内同时访问量过大，容易出现大数据量并发问题，可能会导致整个系统的瘫痪，并且，当访问量达到一定程度的时候平台访问的速度会大大降低。

（2）统计分析能力较少

目前很多高校都在使用网络学习平台，但只有少数学校对使用网络学习平台所产生的教学效果进行大数据的分析。并且，如果仅凭单独的物理服务器根本无法实现对海量学习数据的分析、处理。

（3）平台应用方式单一

传统网络学习平台应用方式单一，主要表现在如下方面：首先，传统学习平台的使用主要是资源的浏览与下载，例如，下载授课PPT和视频，只有部分教师设计了少量的互动；其次，大部分平台都没有移动APP，因此移动学习和碎片化学习的支持相对较少；第三，由于传统网络学习平台的局限性较大，教师难以构建个性化的学习环境。

4.服务器的建设与管理

采用传统模式架构的服务器，因为架构本身的局限，使它在扩展性、灵活性、安全性等方面存在不可避免的缺陷：

（1）扩展性差

目前很多高校的数字化学习平台都安装在固定的物理服务器上，随着系统的不断升级，数字化学习平台对硬件的要求不断增强，服务器将面临着必须扩展的问题。传统服务器的扩展只能通过更换硬件的方式来实现，这种方式不但会造成应用的中断，而且施工周期较长。

（2）资源利用率不高

服务器资源的利用率低主要表现在如下方面：

首先，由于部分服务器上只装一个系统，并且这些系统大都集中在某一时间段内使用，除此之外的闲置时间造成了资源的严重浪费。

其次，对于访问负载较高的应用系统，传统的架构是通过负载均衡让多台服务器并行工作，这种架构虽然可以应对高峰时段的访问，但是在闲时部分服务器就会“空”运行，这也在一定程度上造成资源的浪费。

第三，对于安全性要求较高的系统，通常将该系统安装在两台独立的物理服务器上，采用“热备”的方式，让两台服务器相互备份，此方法硬件投资较大，价格较贵。

（3）灾难应急机制脆弱

由于传统应用系统基本都运行在单一服务器上，如果这台机器出现意外宕机，则导致整个系统无法正常运行。

（4）管理难度增大

随着服务器数量的持续增加，管理难度自然随之增加，造成应用非计划宕机时间、次数增多；其次，系统灾难恢复和数据备份方案变得越来越复杂；服务器安装配置越来越复杂、缓慢，系统环境的安全保障工作同样变得越来越复杂。

三、云计算与虚拟化

美国国家技术和标准研究院（NIST）将“云计算”定义为：“是一个提供便捷的可通过网络访问一个可定制的计算资源（计算资源包括网络、服务器、存储、应用和服务）共享池能力的模式；这些资源能够快速部署，并只需要很少的管理工作和与服务供应商很少的交互”。[2]通过对云计算概念的分析，结合笔者对云平台的实践操作，发现云计算支持下的数据中心较传统IT的架构具有以下方面的进步：

1.提高服务器利用率

云计算的基础架构是虚拟化技术，通过虚拟化技术将传统的物理服务器、存储等做成虚拟化集群，我们的应用系统则运行在虚拟化集群中所创建的虚拟服务器中。在这种架构模式中物理服务器只充当了底层的运算和存储功能，因此，一台物理服务器的硬件资源可能充当着多台虚拟服务器的计算资源，这样提高了物理服务器的利用率，从而降低了服务器的硬件成本；这种架构的另一个特点是当系统访问量较小的时候，部分物理机会自动转换成休眠状态，以达到节能的目的。

2.提高服务器管理的灵活性

通过虚拟化技术和集群管理技术，可以实现对所有服务器的统一管理，这种管理方式提高了应用系统的灵活性，主要表现在以下几个方面：首先，在云平台上面可以快速部署虚拟服务器，技术人员可以在几分钟内完成虚拟服务器的安装、部署；其次，虚拟服务器的扩容也是分钟级别，只要资源池中的资源充足，我们可以在几分钟内实现虚拟服务器的扩容；第三，数据迁移，在云平台中可以实现对虚拟机数据的迅速迁移，在硬件服务器出现意外宕机的时候，虚拟服务器可以实现自动迁移。

3.增强用户访问的便捷性

云平台的便捷性体现在管理和应用两个层面：从管理层面来说，我们可以通过专门的管理门户来实现对云平台的统一管理，可以在有互联网的任何地方管理整个系统；从应用的角度来说，使用者可以在有互联网的任何地方登录并使用自己的桌面云，这为移动办公、远程办公提供了极为便利的条件。通过云存储、桌面云等应用，教师可以随时随地获取一切可获取的教学资源，充分利用云计算提供的软件、存储、安全等要素构建个性化的教学环境，支持教师的有效教学。[3]

4.提高用户数据的安全性

就像火车的安全级别高于小轿车的安全级别一样，实现集群管理数据中心的安全级别远高于单台服务器的安全级别，这主要表现在如下方面：首先，云端存储的设备都是企业级存储，并且，大多数磁盘都做了Raid，都有热备盘，其安全性远大于个人电脑存储；其次，在虚拟化环境中，当个别物理服务器出现故障的时候，虚拟服务器会自动漂移到其它物理服务器，因此，不会影响整个系统的稳定运行；第三，因为操作是在远程服务器端进行，而远端的机房里面都有UPS供电系统，所以即使本地机出现突然断电的情况，也不会造成用户数据的丢失；第四，远程服务器的防火墙等专门的防病毒、防攻击设施配置远高于个人电脑，数据安全性大大提高。

四、云计算支撑下的信息化校园构想

云计算的出现为信息化校园建设提供了一种新思路，它打破传统资源的提供模式、服务器的架构方式和办公电脑的使用模式，通过提供服务的方式，为全校师生提供信息化教与学的环境。这种转变给教师的教学、学生的学习和教辅人员的管理都带来了全新的变革：

1.通过桌面云让教师把多媒体教室里的计算机“带回家”

桌面云支持下的多媒体教室不再需要单独的台式电脑，而用一个节能、静音的瘦终端来代替，教师通过一个桌面云账号登录到服务器端的桌面上来完成授课工作，这种改变具有如下方面的优势：

（1）轻松实现教师的移动办公

利用桌面云，教师只需要拥有自己的账号，即可实现无论教师在哪个地方都能远程访问自己的工作计算机中的实验数据、办公文件等资料；

（2）满足教师对多媒体电脑的个性化需求

如果教师需要大型计算，教师还可以申请超级计算机来实现对复杂实验数据的计算；此外，如果教师对自己电脑的操作系统有特殊需求，他还可以申请自己所需要的操作系统；

（3）加快了校内网对校内资源的访问速度

因为虚拟服务器中的学习平台和优质学习资源与虚拟桌面同属于一个集群，所以通过虚拟桌面来访问虚拟服务器中的学习资源，相当于内网间的访问，访问速度会大大提升；

（4）节能环保，并且数据安全性更好

瘦终端的功率远低于传统台式电脑，一般台式机的功率为0.35kw而瘦终端的功率仅为0.07kw。

2.云计算促进学习者的移动学习

云计算的支持让移动学习变得更为便捷，学生可以通过自带设备，登录到自己的桌面云，随时随地访问自己的云端电脑，从而实现了“操作系统”层面的移动。另外，随着云计算的不断发展，“云课堂”出现了。在云课堂中学习者的授课不再受时间和地点限制，他可以随时随地通过移动终端进入云课堂进行学习。此外，有了云计算的支持，碎片化学习也变得非常便捷。

3.通过云计算让数字化学习平台变得更强大

云计算的基础是虚拟化，云计算支持下的数字化学习平台都是在虚拟服务器上运行的，这种架构方式的改变给数字化学习平台带来了如下转变：

（1）可以轻松应对高访问量的冲击

在云计算支撑的学习平台中，当一段时间内同时访问量过大的时候，系统会自动调用数据中心的计算资源来应对，而当访问量较小的时候，系统也可以自动休眠部分计算资源。

（2）可实现对学习行为的大数据分析

有人将大数据与云计算的关系比做一枚硬币的正反面，来说明云计算和大数据的密不可分。就学习分析而言，对利用网络学习平台学习过程中所产生的大量数据不可能用单台的计算机进行处理，而必须依托云计算来实现。

（3）可轻松实现数字化学习平台的扩展

随着信息化教育的不断深入，数字化学习平台必然要面临扩展的问题。传统架构模式服务器的扩展一般是采用更换硬件的方式来实现，这样不但造成了硬件资源的浪费，而且有可能造成应用系统长时间中断。而在云平台中，对服务器的扩容是分钟级别的，这样既节省硬件成本，也把对应用系统的影响降到了最低。

4.通过云计算让服务器的管理更为“随心所欲”

（1）通过统一管理平台随时随地轻松管理云端数据中心

云平台的架构不再需要去机房维护相应的应用系统，只需要通过统一的管理入口就可以实现对整个数据中心的监控和管理。以华为的云平台为例：管理人员通过IP或域名登录FusionManager就可以实现对集群内硬件服务器的运行情况，存储、CPU、内存等的使用情况，虚拟服务器的运行情况等进行监控和管理；通过登录FusionAccess则可以实现对所有虚拟桌面的创建、发放、管理与监控。

（2）通过云计算让服务器变得更高效、更灵活

云端的服务器都是以集群形式存在，这样不但提高能效、减少占地面积、而且也可以降低功耗。此外，使用云计算技术可以提升服务器CPU的利用率，一般来说通过虚拟化技术可以将服务器的利用率提升30%～40%，据悉谷歌数据中心甚至可以将利用率提升50%。[4]

（3）通过虚拟化使服务器的安全级别更高

首先，通过集群管理，提高了硬件服务器故障的抵御能力；其次，统一的安全策略，更容易防范与检测病毒入侵；第三，虚拟化服务器的部署更容易实现灾难恢复。

5.云计算支持下的校园信息化环境架构模型图

依据上述论点分析，构建如图1所示云计算支持下的高等院校信息化架构模型：

五、结束语

云计算给信息技术带来了革命性的变革，当今我国高等院校处在信息化建设的关键时期，通过云计算来促进信息化建设成为高等院校的必然选择。本文正是根据云计算的特点并结合高等院校在信息化建设过程中遇到的问题，探讨了如何利用云计算来促进高等院校信息化建设的跨越式发展，并构建了云计算支持下的高等院校信息化环境建设模式。随着本研究深入，笔者发现云计算给高等院校信息化建设带来前所未有的机遇的同时也面临着诸多亟待解决的问题，比如：老服务器数据迁移的问题；IT资源从分散管理到集中管理的变革问题，各部门的协调、配合问题。虽然面临很多问题，但青山遮不住，毕竟东流去，云计算的发展是大势所趋，相信它将会给高等院校的信息化建设带来美好的未来！

参考文献：

[1]陈建群.高校跨越式发展目标与实现策略研究[D]长沙：中南大学，2004：6-7.

[2]PeterMell，TimothyGrance.The NIST Definition of Cloud Computing[J].NIST，2011（9）：2-3.

[3]霍丽荣，于淼，高义栋.云计算支持的群体协作学习环境研究[J].中国信息技术教育，2010（5）：77-80.

[4]虚拟化、云计算帮助提高数据中心使用率[DB/OL]. http：//www.ciotimes.com/bigdata/83130.html.

（编辑：王天鹏）