基于云计算的计算机实践教学平台构建研究

陈可新

（福州职业技术学院信息技术工程系 福建省福州市 350108）

对于需要使用学校计算机实验室设备及软件开展实践教学的师生，开展线上教学存在的一个较大的问题就是因为电脑性能、平台适配、软件或数据缺乏等因素，在学生个人电脑上搭建部分课程的实践环境不能完全满足课程实践教学要求，导致部分计算机相关课程教学实践环节难以完成或者完成的效率较低。计算机实践教学环境因在线教学的实施面临重要挑战，如何为学生在线学习提供良好的计算机实践教学环境已成为在线教学实施过程中各院校计算机实践教学环境建设的重大课题。

1 院校计算机实践环境建设的问题

当前各院校计算机实践教学环境建设过程中存在硬件投入不断增加、设备资源利用率低、实验室信息化管理水平不高等问题，以下分别简要说明。

1.1 实践环境硬件设备疲于升级

随着当前计算机领域软硬件技术不断发展，特别是近几年新一代信息技术的广泛应用，各院校计算机专业课程根据相关专业岗位技能需求持续更新。随着专业课程体系的更新升级，为满足计算机相关课程实践教学要求，课程实践教学对实践设备及软件也提出更新升级要求。同时，随着我国各行业信息化程度不断提升，院校中不仅计算机相关专业需要使用计算机实践操作环境，其它许多专业，如：财会、金融、电商甚至物流、汽车等专业，在课程教学的部分环节都需要使用计算机作为专业实践教学的环境，高等院校计算机实验室的使用需求和频率不断提升，部分计算机实验室数量不太充足的院校有时无法完全满足这些专业课程的计算机实践教学要求。新的计算机实验室建设需求以及对原有实验室设备的更新给部分高等院校的实验室建设经费投入造成较大压力，对于部分经费不太充足的高校，如何在有限的经费条件下更好的利用原有实验室的设备资源成为这些院校计算机实践教学环境建设的重要因素。

1.2 计算机实践设备资源利用率低

当前，院校计算机实验室出于安全及管理的因素，一般仅限于在课堂教学期间对学生开放使用，学生课后自主学习因缺乏实践环境导致学习效果受到影响，实践环境的缺乏以及繁琐的配置操作也一定程度上降低了学生的学习积极性和学习效率。

1.3 实践场所信息化管理水平需要提高

图1：基于云计算的计算机实践教学平台总体架构

目前高等院校的计算机实验室日常管理中，很多还采用手工方式进行管理和登记，这不仅让使用实验室的师生觉得繁琐、低效，对于实训场所管理而言，效果也是差强人意，不利于及时汇总统计实践资源运行使用数据。当然，也有部分院校实验室管理部门意识到上述问题，引入实验室信息管理系统，一定程度上可以帮助管理人员了解实验室使用基本情况，但是对于实验室中实践资源的精细化管理仍然存在缺陷，实验室的硬软件资源无法充分整合利用。同时，在实践设备出现故障时，可能无法及时发现并进行调整维护，如果无法在设备出现故障时及时处理，将严重影响相关课程实践教学的开展[1]。此外，部分计算机实验室的设备型号和性能不同，也加大了日常实践设备维护管理的难度。

2 基于云计算的计算机实践教学平台构建

针对上面提到的当前院校计算机教学中实验室使用和管理中存在的诸多缺问题，通过构建一个基于云计算的计算机实践教学平台（以下简称实践教学云平台），可以较好的解决上述院校中计算机实验室使用和管理中存在的相关问题。

2.1 云计算技术简介

2.1.1 云计算技术及其特点

云计算描述了一种基于网络的新IT 服务的增加、使用和交付模式，通常涉及通过互联网来提供动态易扩展而且经常是虚拟化的资源。通过搭建云计算平台，系统可以把计算资源、存储资源、网络资源及软件资源按需提供给需要的用户或设备。云计算是继个人计算机和互联网出现以来的第三次IT 领域的重大变革，在IT 系统部署中采用云计算方式不仅降低了系统的运营成本，还将让人们的生活变得更加便捷。在院校计算机实验室的使用和管理中应用云计算技术，将在降低实验室建设成本的同时，极大提升实训设备及软件资源的利用率。

云计算作为一种新的互联网服务方式，按其服务模式划分，主要可以分为：基础设施即服务（Infrastructure as a Service，IaaS）、平台即服务（Platform as a Service，PaaS）和软件即服务（Software as a Service，SaaS）。IaaS 基础设施及服务主要指系统为用户提供IT 系统运行所需的计算、存储、网络等资源，并根据用户对资源的实际使用量或占用量进行计费的一种服务模式。PaaS 平台及服务主要指系统为用户提供基本的操作系统平台或用户软件开发及运行所需的开发、运行和测试环境等。SaaS 软件及服务主要指将用户所需要的的应用系统部署在云平台，用户通过网络可以随时的访问并获得相关软件系统的功能[2]。

2.1.2 OpenStack 简介

OpenStack 是近年来在公共云、私有云及混合云领域广泛使用、功能强大的开源云计算平台。OpenStack 旨在通过一种易于实施、可大规模扩展且提供强大功能的方式，为各种不同类型的云计算基础平台构建提供解决方案[3]。作为最具代表性的IaaS 开源云计算平台之一，当前已有超过100 家企业组织（包括国内华为、中兴、浪潮等多家知名IT 企业），以及超过1000 名开发者加入OpenStack社区项目开发。

OpenStack 平台由一系列相互关联的组件构成，它将计算、存储、网络等功能设计成各个服务组件，彼此之间通过松散耦合的方式组合在一起，为云计算基础架构平台的搭建提供一套完整的管理方法和工具。OpenStack 平台的核心组件服务包括：Keystone、

Glance、Nova、Neutron、Horizon、Cinder、Swift、Trove、Heat、Centimeter 等10 个核心项目，这些组件分别实现云平台的身份认证、镜像管理、资源分配、网络管理、管理接口、块存储、对象存储、数据库管理、资源编排、计费监控等功能。

2.2 基于云计算的计算机实践教学平台设计

基于云计算的计算机实践教学平台设计时，首先基于实践环境中的服务器硬件部署云计算基础架构平台，如：可以基于开源云平台软件Openstack 或其它成熟的云计算平台软件，为计算机课程实践教学提供计算及存储资源分配的基础平台，并通过对云平台提供的API 接口进行二次开发，为高校师生个性化的计算机实践云资源分配提供个性化服务，以下以OpenStack 为例简要说明云计算平台部署及API 接口的开发方法。

2.2.1 云计算基础架构平台构建思路

OpenStack 是一个分布式系统，在平台部署时，可以将不同的服务组件进行分布式部署，这样极大地提高了系统部署的灵活性、伸缩性和高可用性。同时用户在使用OpenStack 搭建部署云计算平台时，可根据需要自主选用需要的组件，而不需要安装所有的组件。

2.2.2 基于云计算的计算机实践教学平台架构设计

基于云计算的院校计算机实践教学平台的总体架构包含三个层次，包括：物理设备及软件资源层、云计算资源管理层和实践教学云平台应用层，平台总体架构如图1 所示。

（1）物理设备及软件资源层。本层次包含校园教学云平台运行所需服务器集群、大容量存储设备、高速网络设备以及开展相关课程实践教学所需的软件及数据资源，该层将为为校园教学云平台的运行提供计算、存储、网络、软件（含数据）等资源支撑。

（2）云计算资源管理层。本层次通过在实验室服务器集群等硬件设备上部署OpenStack 云计算平台，实现实验室硬软件及存储资源的虚拟化及池化管理，为用户访问云平台上各项资源提供接口，同时为上层用户提供API 编程接口服务实现平台上计算、存储等资源分配管理的二次开发。

（3）实践教学云平台应用层。本层次为校园用户的云实践资源分配使用提供使用和管理界面，允许用户通过校园网或互联网，以多种方式访问校园教学云平台，管理和使用课程教学所需的云实践资源。应用系统主要包括应用系统用户注册和登录管理模块、教学云平台管理员用户的系统运维管理模块、教师用户的云实践资源管理模块以及学生用户的操作使用模块等。

2.3 基于云计算的计算机实践教学平台开发

作为一个基于Web 的云平台应用系统，计算机实践教学云平台的用户注册登录及系统运维管理等模块的开发与常规的Web 应用系统并无太大的差别。以下以平台云主机实例创建为例说明云平台应用系统的开发方法。

2.3.1 云平台用户身份验证

OpenStack 为用户提供功能强大的API 编程接口，只要在应用程序开发中导入程序所需API 接口的相关功能模块，如用户在云平台的身份认证需要导入Openstack 的Keystone 相关模块，并调用Keystone 认证模块的API 接口实现身份认证，代码如下所示：

2.3.2 创建云平台主机实例

云平台主机实例是用户获得平台实践资源的关键，用户通过系统身份认证后，可以根据其平台权限及需要创建云主机实例。云主机创建成功后，用户可登录云主机实例完成课程的相关实践操作，用户创建云主机实例的基本流程如图2 所示。

系统调用API 接口获取实例创建所需资源的代码如下，此处以cirros 镜像为例。

系统调用API 接口方法创建实例，以及获取并更新实例创建状态的代码如下：

执行上述代码将可以在系统界面中看到云主机实例创建后的状态信息，如实例创建成功，用户可以通过连接工具登录到云主机实例，在云主机执行相关操作就如同在本地计算机中完成操作一样。相对于学生自行配置课程实践环境存在的硬件软件等诸多问题，通过云平台可快速获得课程实践环境及相关资源，极大提升计算机课程实践教学的效率。

3 结语

当前，各高等院校信息化管理不断推进，智慧校园建设也方兴未艾，基于云计算的高校计算机云实践教学服务平台的应用，以其更低的建设成本、更高的实验室设备利用率、更灵活的实践资源访问方式、以及更完备的课程实践教学数据支撑，必将与当前社会生活各领域中云计算技术的广泛应用一样，成为未来高校计算机实践教学环境建设的主流方向。云计算正以其不受时间、空间限制的使用便利性，和高度可伸缩的弹性机制为高校师生提供高效的计算机实践教学资源服务，也为高校实验室信息化和智能化建设提升提供了强有力的支持。