云计算在网络工程实验教学中的应用

刘旋

摘要：随着大数据、物联网等新兴技术的迅猛发展，应运而生的云计算给应用型本科院校的教学改革带来了新的方向。针对目前网络工程专业实验教学中设备技术滞后、实验内容创新性不足和课程编排脱节等问题，将云计算技术融入实验室建设与教学设计中，构建基于云计算平台的实验管理、协作、设计教学模式，在大数据时代的新起点上实现网络工程专业实验教学的改革与创新。

关键词：云计算;网络工程;教学改革

中图分类号：TP391        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）25-0187-02

1 前言

大数据时代的到来，使得大学生能够通过云课堂、慕课等网络教育资源轻松获取和学习专业知识，在新型教学模式产生的同时，也给传统以教室、机房为中心的计算机实验教学带来了巨大的挑战。自教育部于2014年提出了地方本科高校向应用型本科转型发展后，网络工程作为计算机学科中实践和应用性较强的工程类专业，更需要培养具有较强专业技能和符合“新工科”素质的信息应用人才[1]。目前，由于地方本科院校资金不足，专业实验设备、技术和环境陈旧，使得网络工程专业的教学内容和水平相比现有技术严重滞后，出现了教学和市场脱节的现象，难以满足大数据时代下对该专业人才的技术需求[2]。

云计算作为一种分布式资源利用方法，能够为使用者提供跨越地域与时间的高效计算能力和服务，从根本上解决在高校实验环境、设备、规模不足，资金短缺等问题[3]。因此，构建基于云计算的实验教学和管理模式，用低廉的价格换取海量的计算资源服务，增强网络工程专业的实验教学能力，是提升大学生创新创业能力、地方本科院校向应用型大学转型发展的突破点。

2 存在的问题

网络工程专业旨在培养具有计算机网络、通信技术基础知识，掌握校园网、企业网、大型ISP等多种网络拓扑的设计、配置与调试技术的综合人才[2]。随着大数据时代的到来，网络设备、用户和数据井喷式的增长，以往的网络协议、拓扑结构、实验软硬件已经难以处理大数据所带来的网络问题，导致诸多地方本科院校产学脱节，主要存在以下问题：

2.1 实验设施方面

（1）综合实验室较少。虽然办学规模不断扩大，但地方院校受制于经费，难以扩建设备齐全的网络工程实验室[3]。主要包括：构建实验室的工程量庞大、耗资多、建设周期长，而地方本科院校的实验室大多只用于科研与教学，所以难以承担价格昂贵的计算设备，虽然逐步、阶段性建设能够减轻院校的财政负担，但是网络技术的发展瞬息万变，等待意味着落后，使得教学发展事倍功半。

（2）实验室设备与技术滞后。分布式计算集群、云计算网络、5G网络等新技术层出不穷，但地方院校的网络工程教学依旧采用思科模拟软件、普通PC机路由器进行教学，大多数实验也都停留在虚拟环境模拟和理论教学上，并未真操实练，导致学习积极性不高。

（3）虚拟技术尚未完善。目前，地方高校多采用虚拟仿真软件（虚拟实验室EVE-NG、思科模拟器CPT、网络模拟器gns3）模拟真实网络设备进行实验，但虚拟软件受控于PC机显示操作，网络设备的实际环境、细节与操作问题无法显示，与真实的网络布线、拓扑设计的大相径庭，导致学生的创新、动手能力受到较大限制。

2.2 实验教学方面

（1）部分专业实验学时较少，且无法在实验室完成，例如：网络集群部署、网络综合布线调研、无线网络信号勘测等，需要到企业机房、现场进行实验。

（2）路由交换、网络安全等实验项目缺乏设计性和创新性，网络技术推陈出新，老师与学生没有转变依赖教材的“教与学”思维模式，在等待新技术教材出版的过程中，该技术可能已經淘汰，导致实验教学始终无法跟上网络技术更新的步伐。

3 云计算模式的优势

针对网络工程实验教学所面临的问题，需要依赖以“互联网+”、云计算和大数据为主的新一代信息技术，将传统教学模式与在线课堂教学模式融合。

3.1 云计算的概念

云是基于互联网的一种抽象比喻，表示大规模、虚拟化的互联网基础设施资源集合，是新兴的计算与存储模式。云计算通过分布式计算、并行计算与虚拟化技术，将分布在各地的互联网资源整合并共享服务。因此，高校能够通过低廉的价格从云计算服务商中获得大规模、高性能的计算资源[3]。

3.2 云计算在实验教学中的优势

（1）规模大、可靠性高

云计算服务提供方一般拥有大量服务器，例如腾讯、阿里巴巴等大型互联网企业的“云计算”代表数十万台服务器，能给予高校实验室强大的计算与存储能力。此外，云计算采用数据多副本容错、计算节点同构可互换等方法为学校用户提供了安全可靠的服务，降低了人为误操作引起的损害。

（2）成本低、扩展性高

云计算资源通常由大量的廉价计算机节点构成，其共享式的资源管理使得高校无需购买价格高昂的设备，便可随时随地使用云计算的资源与服务，节省了购买设备、搭建实验室以及维护管理的成本。

（3）高效的虚拟化服务

云计算利用虚拟化技术使用户可以通过多种终端设备获取应用服务，且数据资源存储在云服务器中心，用户操作不受时间、空间限制。不仅能够满足高校大型科研项目的实验环境，而且能够支持不间断的访问服务[4]。

4 云计算在实验教学中的应用

4.1 实验设施方面

（1）利用云计算获取实验教学资源

实验环境方面：通过购买云计算服务商的基础设施即服务（IaaS），从而获得完善的计算机基础设施（服务器、企业级路由器、企业级交换机等），然后基于在线资源安装相应实验软件，为网络工程专业提供实验管理平台。通过Telnet远程登录云计算服务器，利用虚拟化技术，使师生在通过本地设备便可操作真实的网络集群。

实验安全方面：传统实验课的实验内容均存储在本地，为了防止计算机出现故障导致数据丢失，需要经常进行备份和整理，转移与访问过程较复杂。采用云存储技术保存实验教学内容，通过HDFS分布式文件系统存储，能够保证数据的安全性，节约存储空间，支持随时随地访问和下载实验资源。

（2）结合云计算搭建分布式网络实验室

设计一种基于云计算的分布式网络工程实验平台建设方案，该实验室平台主要包括：基础设施区，由网络设备（路由器、交换机、防火墙）组成，为云计算服务器稳定、安全的连接提供保障;本地实验区，线下实验教学机房;对外实验区，支持外部网络远程登录分布式的实验室，可通过任意智能设备登录到云计算虚拟机进行实验;综合管理区域，该区域负责管理并维护上述区域的设备、实验教学内容。具体部署分布如图1所示。

4.2 实验教学方面

（1）制定云计算网络工程实验计划

缩减部分网络工程专业基础课程量和学时，引进大数据与云计算相关专业教师，制定云计算网络工程师实验计划。实验目标：培养能在互联网信息产业从事网络通信、云计算、分布式等工作的高级应用型人才;实验方向：网络工程、云计算技术方向;实验课程内容，如图2课程体系分布所示。

（2）结合云计算提供网络课程平台

云课堂、慕课等新兴网络课程模式的产生为广大师生提供不受时间、地点限制的教学服务[5]。云计算中心能够为在线实验课堂提供庞大且稳定的实验环境和数据，以及更安全、更高效的网络服务。通过O2O双模式教学，使学生与老师都能够通过云课堂在外地、课余时间，学习感兴趣的实验课程，再结合本地课堂巩固实验项目，进而提升课堂效率。

5 总结

网络工程作为未来互联网发展的关键方向与专业，通过结合云计算技术，改进实验室教学与管理水平，构建新型的实验平台和教学体系，能够更好地服务高校进行人才培养。如何进一步改革网络工程专业的课堂教学模式，是未来研究的重点，也是地方本科高校向应用型本科转型的着力点。

参考文献：

[1] 夏建国，赵军.新工科建设背景下地方高校工程教育改革发展刍议[J].高等工程教育研究，2017（3）：15-19.

[2] 刘行兵，徐长通，刘春红.网络工程专业网络实验室建设思考与探索[J].中国教育信息化，2010（6）：55-56.

[3] 张睿.基于云计算的高校教学改革与应用[J].高教学刊， 2016（11）：158-159.

[4] 陈慧芬，卢庆武.云计算在高校机房管理中的应用[J].实验室研究与探索，2013，32（7）.

[5] 崔勇，宋健，缪葱葱.移动云计算研究进展与趋势[J].计算机学报， 2017，40（2）：273-295.

【通联编輯：代影】