基于云网络技术的外语语音实验室设计与建设

2018-06-05程小辉陈显军

实验技术与管理 2018年5期

程小辉, 戴飞, 陈显军

(1. 桂林理工大学信息科学与工程学院, 广西桂林 541004；2. 桂林旅游学院科技处, 广西桂林 541006)

传统语音实验室有着其管理上的众多不便。云计算等技术的不断发展,为解决外语语音实验室的建设和设计问题提供了新的思路和手段[1]。结合外语语音实验室的现状和作者的经验,本文提出了一种基于云网络设计的外语语音实验室建设方案和一种创新的实验室弧形布局设计方案。

1 外语语音实验室现状分析

外语语音实验室一般包含计算机、投影仪、功放机、电动升降幕布、音响、交换机、空调等设备。大多数高校外语语音实验室设置40～60个标准座位,尽量保证一个班的每位学生均可以独自使用一台计算机。

外语语音实验室的功能主要是训练学生外语的听、说、读、写能力。教师使用语音设备进行教学,能更好地引导学生学习。

实验室的学生计算机通常配备具有交互式教学、听说读写训练、个性化自学、无纸化考试、备课、课堂管理等功能的实训平台。该平台支持通用四级、六级、专八级口语考试,实行网络化资源共享,为学生提供丰富的学习素材,学生可进行自主协作式学习。

教师计算机一般安装Windows server操作系统,除了安装有学生计算机的软件外,还额外安装控制-监控软件,方便统一监控和管理学生计算机。实训系统的教师权限与学生权限不同,教师可以使用系统的听、说、读、写、译等辅助教学功能[2]进行教学。

在外语语音实验室建设初期,实验室的计算机会安装硬盘保护软件和还原软件,以应对病毒的攻击或人为的破坏。另外,实验室的计算机采用网络克隆技术,即在一台学生计算机上操作而对其他学生计算机进行网络同传[3],将软件传输到同一个实验室里的各台计算机,方便管理员进行机房的维护。

然而,传统的外语语音实验室存在4方面问题。

(1) 耗电量大。一个外语语音实验室通常配备不少于40台计算机,平均每台计算机的功率250 W,再加上空调等设备,实验室用电功率至少12.5 kW。

(2) 计算机使用率低。在正常教学情况下,计算机的硬件资源(CPU,内存,硬盘等)的使用率很低，仅为20%～30%,存在资源的浪费[4]。

(3) 建设成本高、设备生命周期短。传统语音实验室软硬件采购需要大量的资金,而计算机相关技术发展很快,硬件配置一般5年左右就需升级或者更换,资源浪费严重[5]。

(4) 管理工作量大。因为每台计算机都是独立的设备,不同课程的实验教学需要安装不同的软件。即使采用网络克隆技术进行网络同传,也要耗费很长的时间。另外,公用计算机容易感染计算机病毒,需要购买杀毒软件并进行定期查杀,操作系统和杀毒软件也要进行更新或升级[6]。

为使外语语音实验室既能满足教学的需要,又要减少语音实验室的建设成本、方便实验室管理,需要积极探讨新的外语语音实验室建设与设计方案[7]。

2 云网络技术简介

云网络技术是将云计算技术和桌面虚拟化技术相结合的技术。该技术涉及的技术和协议还有异步网络同步传输技术、以太网TCP/IP协议、虚拟桌面协议[8]。

2.1 云计算技术

维基百科把云技术定义为:一种基于互联网的计算方式,通过这种方式,共享的软硬件资源和信息可以按需求提供给计算机和其他设备。云计算提供3种服务方式:IaaS(infrastructure as a service,基础架构即服务)、PaaS(platform as a service,平台即服务)和SaaS(software as a service,软件即服务)[9-10]。

IaaS是云计算的基础。IaaS基于虚拟化技术为用户提供灵活、低成本的网络、计算、存储等软件和硬件基础设施资源,用户可以通过基础设施服务运行和部署软件。

PaaS是云计算应用开发、运行和管理环境,由厂商提供。用户在其平台的基础上定制和开发自己的应用程序,并通过服务器和互联网传递给其他客户,而不需要对计算、网络、存储等基础设施资源进行管理。

SaaS是一种软件服务模式,用户只需向SaaS服务商租用软件,不需要支付软件维护费用,通过互联网即可享受到相应的软件和维护服务。

2.2 桌面虚拟化技术

桌面虚拟化技术是一种将计算机的各种实体资源抽象后呈现出来的资源管理技术,它屏蔽了软硬件资源在底层架构的差异,运用虚拟化技术实现资源利用的最大化。通过在服务器设置,终端用户每次重启后自动连接服务器；而服务器运用虚拟技术可以虚拟出多个虚拟机,将虚拟机分配给请求连接的云终端。分配的每个虚拟机上的资源与数据是完全隔离的,云终端上分别运行独立的操作系统及应用,使用效果与普通计算机相同[11]。

3 基于云网络技术的外语语音实验室设计方案

3.1 实验室建设技术方案

基于云网络技术的外语语音实验室的服务器为高性能计算机主机,通过云桌面管理平台实现对计算机资源的统一管理。采用数据缓存的方法实现异步网络的同步传输,使语音信号数据实时传输且无错码,确保实现声音的高保真传输和学生端流畅的操作体验。主机通过虚拟化技术虚拟出多个虚拟机,每个云终端开机后自动连接计算机主机并对应其中一个虚拟机,独立享有一套操作系统。各个云终端之间是隔离的,但共享主机的资源。将常用的虚拟机及其软件环境导出为模板,当云终端需要某个软件时,在计算机主机直接安装软件,通过加载设置即可实现与之相连的云终端软件环境的同步。实验室平台架构见图1。

图1 实验室平台架构

基于云网络技术的语音实验室由云桌面管理平台、计算机主机、网络连接设备、云终端4部分组成。通过教师桌面管理平台可以实现监控学生屏幕、对学生机一键开/关机、一键发送资料等功能。实验室的主要网络设备有云终端、云同步交换机、千兆ATM交换机、千兆ATM网卡等,所有网络设备都采用网线连接,用户端口用于连接云终端。在本方案中,8个云终端共享一台计算机主机,每个终端只需要接上键盘、鼠标和显示器,单线到桌面。在保证语音设备性能的情况下,单线到桌面可以最大化精简实验室的布线。语音实验室硬件拓扑结构如图2所示。

图2 云网络实验室拓扑结构

基于云网络技术的外语语音实验室除拥有普通实验室的功能外,采用了同步以太网交换传输解决方案,连接设备模块采用了同步以太网交换机。该交换机嵌入了专门的音视频高保真技术,实现了音视频信号的同步传输。加之系统可快速、灵活切换,使云网络教室可以实现不同的教学场景应用,真正实现了一室多用。实验室可以在教师机上安装各种英语培训软件或者针对旅游英语特色的导游软件等,可以充分利用实验室的功能,为学生提供良好的实验环境,从而更有利于专业教学。

另外,本实验室技术方案还包含一套备用救援机制,即当云网络中某一台主机因故障而无法为各云终端提供服务时,备用主机经过设置可以进行救援,确保整个实验室的正常运行。

在正常情况下,备用主机处于待机状态；而一旦有某台主机发生故障,通过简单设置即可快速完成救援过程,从而保证实验室的所有计算机正常工作。

3.2 云网络语音实验室布局设计方案

在传统的语音实验室,计算机大多被布置为线形，分两侧依次排列。虽然此种布局使计算机排列紧凑,整体上节约了空间,也便于施工布线,但是却给师生的交流带来了不便,而且上课时任课教师存在一些视线盲区,很难观察到每一位学生,无法一一对每位学生进行面对面指导和交流。在此传统实验室布局下,不利于调动学生学习积极性。为此,在实验室设计方案中根据外语口语交流的特点,提出了一种新的计算机弧形布局方式。

计算机弧形布局如图3所示。每个弧形桌子可以坐5名学生,这5名学生为一个小组,上课时小组内后进行讨论、分享、交流。这种弧形布局设计方式,便于师生分组交流。学生无论是普通练习还是口语交流,教师站在弧形缺口处可以非常方便地进行指导和交流。

图3 实验室弧形布局设计方案

4 语音实验室设计建设方案的优缺点分析

云网络语音实验室采用桌面虚拟化和云计算技术,实现了多用户共享一台计算机主机资源,每个用户只需要接上一台简单的云终端,就可以获得独立PC机上的用户体验。基于云网络技术的外语语音实验室不仅减少了初始投入成本和能耗,而且可以减少计算机维护时间和成本,是优化教育培训机构和公共场所等计算环境,使用文字处理、视频播放、互联网、电子邮件、简单应用的最好解决方案之一[12]。基于云网络技术的外语语音实验室既有很多优点,也存在某些缺点和不足。

4.1 基于云网络技术的外语语音实验室的优点

(1) 建设成本低。基于云网络技术的外语语音实验室采用的云终端技术实现了多用户共享一台主机,可以节约计算机和软件的购置成本。学校在构建普通实验室时,不必为每个座位配置计算机主机,只需配置少量的计算机主机,同时在每个座位配置一个云终端,就可以完成同等座位实验室的功能,大大地降低了实验室建设前期软硬件购置成本。

(2) 整体功耗低。云终端的耗电量大约7 W左右,远小于PC的耗电量(250 W)。以一个实验室计算,云终端系统的耗电量只有普通实验室的15%左右,而且云终端的发热量很小,还可节省空调电费,有利于实现节能减排、低碳环保的目标。

(3) 管理成本低。基于云网络技术的外语语音实验室的管理维护工作主要是在计算机主机上进行的,终端也不需要专门维护。由于实验室只有少量计算机主机,维护工作十分简单,一个管理员可以轻松管理多个云网络实验室,管理成本比普通的PC机实验室低很多。

(4) 设备使用效率高。该实验室不但可以满足正常的多媒体教学,还可以使计算机主机或服务器的空闲资源被更多的终端利用,大大提升了设备的使用效率,减少了资源的闲置浪费。

4.2 基于云网络技术的外语语音实验室的缺点

(1) 安装某些特定软件存在不便。该实验室采用云网络技术,实现了多用户共享一台计算机主机的资源,且每个用户都可以获得独立的Windows桌面体验。但是如果该实验室要用来安装特定的竞赛软件,例如全国英语口语比赛软件,此时便不能很好地满足要求,因为该软件需要每台计算机拥有一个实际的网卡,以便进行每位学生的比赛数据采集,即要每台计算机拥有实际主机才可以进行该软件安装。

(2) 该技术方案可能存在教学隐患。若该实验室的计算机主机发生故障,与之相连的8台计算机均会受到影响,此时需要管理人员进行备用救援的设置。如果同时出现几台计算机主机无法工作的情况,即使启用备用救援机制,也只能救援部分计算机,这会对教学工作产生影响。

可见,采用基于云网络技术的外语语音实验室解决了传统外语实验室的功耗大、计算机使用率低、设备使用周期短、管理成本高等问题,虽然该方案也有其缺点,但缺点主要是不能满足一些特殊要求,总体上该方案的优点远大于其缺点。