基于云计算的计算机实验教学平台建设

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(黑龙江中医药大学 医学信息工程学院, 哈尔滨 150040)

0 引言

随着“互联网+”计划的提出，教育信息化受到了前所未有的关注，并且已经被纳入到国家发展战略的层面，高校计算机辅助教学也已经成为培养创新型人才和高素质人才战略的一个重要组成部分。高校计算机实验室承担着全校计算机相关专业的课程实验任务、非计算机专业的计算机公共基础课的实验任务和计算机类的考试和科研任务，而目前大多数高校计算机实验室的建设仍然采用每台计算机独自享用资源的模式，这样就会导致后期软硬件购买成本高、系统管理维护困难、系统容易受病毒攻击等问题。而云计算技术作为一种新型的具有虚拟化和高扩展性的计算模式，为高校的资源建设和教育教学改革提供了思路[1-2]。近年来国内外很多高校围绕云计算的应用展开了研究，在云计算辅助教学、云计算资源建设等方面进行了有益的实践和探索，推动了高校教育教学的发展和创新[3-5]。构建基于云计算的计算机实验教学平台，可以有效整合教学资源，使每台计算机通过互联网获得所需的软硬件资源，包括网络资源、服务器资源、存储资源、应用软件资源等，用户可以根据自身实际需要，通过功能扩展的方式获得云计算实验教学平台中的各种IT服务，从而提高资源利用率，降低实验室软硬件购买和维护成本，为学生实践创新能力的培养和学校实践教学模式的改革提供支持。

1 高校计算机实验室现状分析

1.1 实验室建设规模有限

随着教育信息化的迅速发展，高校计算机实验室的建设规模也在逐年扩大，计算机性能不断提高。但高校的逐年扩招和无纸化考试的日益盛行使得现有计算机实验室的规模仍然不能满足目前计算机教学实践、各类网络考试任务和教师科研任务的需求，部分高校的计算机实验室几乎没有空闲时间，学生很难利用业余时间进行实践练习。

1.2 建设资金相对匮乏

计算机实验室的软硬件环境是提高实验教学质量的关键，而目前大多数高校计算机实验室的建设仍然采用每台计算机独享资源的模式，改善实验室环境时需要在每台计算机上都进行软硬件的更新，需要承担高昂的软硬件升级和维护的成本。

1.3 资源利用率偏低

由于学生的专业和研究方向不同，所需要的实验室软硬件环境也是不同的，一般的高校会为某一类专业或研究领域的学生配备专业实验室，以提高教学质量，但会导致这些专业实验室的资源无法为其他教师和学生服务，使得实验室资源利用率偏低。

1.4 日常维护工作量大

现有的计算机独享资源模式使得实验室管理者往往会在一台机器即母机上安装大量软件，然后通过网络克隆的方式分发到每一台学生机器上，以尽可能多的满足学生的需要，但是太多的软件使得计算机系统不堪重负，每次网络克隆的时间需要5小时左右，并且一旦软件需求临时发生变化，就需要重新进行网络克隆，耗费大量的时间、人力和物力。

1.5 无法提供个性化服务

目前大部分实验室机器都安装了还原卡，实验完成重启机器后机器会还原到初始状态，有效地防范了病毒的入侵，但却导致教学资料和实验数据无法保存，影响了学习的连续性。另外，由于学生的学习程度不同，他们可能需要不同的实验室环境，而独享资源模式使得每个学生的实验室环境都是相同的，无法为学生提供个性化的服务，不利于学生的自主学习能力和创新能力的培养。

2 基于云计算的计算机实验教学平台的构建

2.1 云平台的架构

云计算是基于互联网的相关服务的增加、使用和交付模式，通过互联网来提供动态易扩展的而且经常是虚拟化的资源[6]。基于云计算的计算机实验教学平台分为4个层次，分别是云基础设施硬件层、资源虚拟化平台层、虚拟实验平台层和云终端接入层，如图1所示。

图1 计算机实验教学云平台架构

通过该云平台，可以构建云数据中心，支持海量实验资源的存储和管理，实现资源整合和资源共享，教师和学生可以不受时间和地域限制随时随地通过智能终端设备接入云平台，获取云平台的IaaS(基础设施即服务)、PaaS(平台即服务)和SaaS(软件即服务)。

云基础设施硬件层：包括高性能服务器集群、光纤交换机等网络设备、高可用数据存储设备，各设备通过网络互连。

资源虚拟化平台层：利用虚拟化技术将计算资源、网络资源和存储资源池化，将物理上的硬件资源映射为逻辑资源，屏蔽物理资源的多样性和复杂性，通过云计算管理软件CloudStack实现资源的统一管理，使计算资源、网络资源和存储资源协同工作，可以按需动态分配和扩展资源。

虚拟实验平台层：该层统一管理虚拟化资源池，用户通过统一身份认证后，可以通过申请虚拟主机的方式申请虚拟化后的资源，快速部署个人实验环境，包括操作系统、应用软件、管理工具等，把传统的机房迁移到云端，也可以在自己的虚拟机上存储个人实验数据和教学资料，有效实现教学资源共享和师生互动。

云终端接入层：用户可以随时随地借助个人电脑、手机、平板电脑等智能终端设备通过B/S模式登录云终端，获得云平台的计算、网络和存储等服务。

2.2 云平台的实施

由于计算机实验教学云平台主要面向学校的教师和学生，所以该平台部署为私有云模式，平台硬件拓扑，如图2所示。

图2 计算机实验教学云平台硬件拓扑

云平台的主存储采用FC-SAN的集中存储架构，通过光纤通道连接到服务器集群上，为计算节点以共享的方式提供存储资源。由于虚拟机文件都存储在后端的SAN存储阵列中，当云平台中的任意一台虚拟机出现单点故障时，都可实现业务不间断地迁移到另一台虚拟机当中，有力地保障了云数据的高可用性。云计算服务器共有5台，构成5节点服务器集群，为平台提供基础硬件资源，包括CPU、内存等，并由云管理服务器统一管理和调度。整套网络分为3个网段，分别是存储网络、管理网络和公共网络。其中公共网络用于用户通过智能终端设备接入到云平台中。

在云基础设施硬件层部署完成后，资源虚拟化平台用于将计算、网络、存储等资源进行虚拟化管理，实现资源自动化管理和按需分配。当用户在线提交虚拟机申请后，云管理系统会根据用户申请的资源特点以快照或镜像的方式分配虚拟机。同时资源虚拟化平台会监控和管理云中的计算、网络、存储等资源的运行性能，自动生成监控和管理日志，并以图表的形式展现给管理员，便于管理员合理配置资源，提高资源利用率。

在虚拟实验平台层，管理员可以统一调配资源，为不同的课程创建和部署不同的虚拟实验资源池，普通用户也可以根据自身需求申请虚拟机资源，快速配置个性化的实验环境。通过虚拟化技术，可以方便地实现虚拟机的创建、启用和销毁。

2.3 云平台的优点

相较于传统独享资源的模式，基于云计算的计算机实验教学平台有如下优点：

(1)教师或学生不再受时间和地域的限制，可以随时随地通过PC机、平板电脑或智能手机通过B/S模式登录云终端，申请和配置个人实验环境开展教学实践和科学研究，有效解决了实验室规模有限的问题。

(2)云平台模式是在服务器端部署全部资源，客户端只需基本的接入设备即可，当需要更新设备和升级软件时，只需要更新和升级服务器端的软硬件，降低了基础设置购置成本和维护管理成本。

(3)云平台利用虚拟化技术实现了资源整合，用户可以按需申请和快速部署各类资源，不需再单独设置针对某一专业或领域的专业实验室，提高了资源利用率。

(4)实验室管理员只需几分钟的时间就可以把实验环境发布到任何一台PC机上，客户端不再需要安装实验所需的实验环境，客户端维护工作几乎为零，有效减少了日常维护工作。

(5)云平台可以提供个性化服务，用户可以在虚拟机上存储个人实验数据和教学资料，实现资源共享和师生互动，保证教学和科研工作的连续性，有利于学生自主学习能力的培养。

3 应用案例

3.1 计算机类实验教学

目前可在云平台上应用的实验教学案例主要有两类，一类是全校计算机应用基础课程的实验教学，另一类是医学信息工程学院的专业课实验教学。

以计算机应用基础课程为例，计算机应用基础是面向全校本科生的公共基础课，每学期授课人数达1200人左右，实验环境要求Window7操作系统和Visual Basic 6.0编程软件。在传统的实验教学模式下，学生上机实践机会少，教师也不能够及时有效地跟踪学生实验过程。而使用基于云计算的计算机实验教学平台可以有效地解决这个问题。云平台中的用户主要分为三类：管理员用户、教师用户和学生用户。管理员的权限主要是系统设置、实验调度管理、用户管理和查询统计。教师的权限主要是课程设置、课程考核管理、课程成绩管理、实验设置、实验情况查询和实验问答管理。学生的权限主要是选择课程、实验操作、课程考试和个人信息修改。

实验开始之前，管理员需要设置教师和学生的权限，然后教师通过个人账号登录云平台，设置课程实验内容，配置计算机应用基础课程所需的Window7 和Visual Basic 6.0的实验环境模板，根据选课学生的人数创建相应的实验虚拟机。实验环境搭建成功之后，学生通过个人账号登录云平台选择相应课程，获得教师为自己搭建的实验虚拟机登录IP地址和动态登录密码，学生可以远程登录虚拟机进行编程实验，可以进行Visual Basic 6.0的窗体设计和代码设计。在实验过程中，教师可以随时监督学生的实验情况，师生之间、生生之间可以互动交流。实验结束后，学生可通过云平台提交实验作业，教师可以在线批改作业和管理成绩，并释放虚拟机资源。

云平台模式为每个学生创建了单独的虚拟实验空间，在实验过程中不同的学生所做的实验操作是相互独立、互不干扰的。学生不再局限于物理实验室，可以随时随地访问个人账号下的虚拟实验教学桌面开展教学实践，提高了学生动手实践能力，教师也能够实时掌握学生的实验进度，根据学生反馈调整教学进度，提高了教学质量。

此外，医学信息工程学院的专业课实验教学需要大量软件，包括C语言程序设计课程的VC6.0、Java程序设计课程的JDK1.8、数据库系统原理课程的Oracle Database 10g、医学多媒体技术课程的Photoshop和MATLAB等。云平台模式是把所有软件资源集中部署在服务器端，不再需要把所有软件都安装到每台学生机器上，学生只需要基础设施接入云端申请资源，有效提高了资源利用率，减少了实验室管理和维护的工作量。

3.2 开放实验室预约

教师和学生可以登录云平台进行虚拟实验室预约申请，填写实验起止时间、实验项目名称、所需实验资源等，管理员根据预约申请进行审核，按需分配云平台虚拟实验空间账号，教师和学生可以登录云平台开展教学实践、科学项目研究和ACM等竞赛培训，满足学生自主学习的需要，提高学校整体的科研能力和团队创新能力。

4 总结

在教育信息化迅猛发展的背景下，云计算技术在教育教学领域得到了日益广泛的应用，拓展出了一个崭新的教学空间，构建高效、先进的实验室教学平台已经成为教育信息化的发展趋势。本文针对高校计算机实验室存在的问题，提出了基于云计算的计算机实验教学平台，并对其进行建设和应用。该平台可以实现教学资源整合和共享，提供服务于创新实践体系和课程教学的实验资源，用户可通过互联网按需获得云端的计算、网络和存储服务，随时随地通过智能设备接入云端并快速部署实验环境，有效地解决了实验室规模有限和个性化服务问题，提高了资源利用率，有助于培养学生的创新能力和实践能力，同时对推进课程改革、高校实验室建设和创新实验教学模式也具有深远的意义。