基于云计算的计算机实验教学方案研究

2021-12-23惠向晖魏秀然

科学与信息化 2021年22期

惠向晖魏秀然

河南农业大学信息与管理科学学院河南郑州 450002

1 高校计算机实验教学现状分析

21世纪以来，人们进入信息化时代，计算机与网络技术飞速发展。为了贴合时代发展，培育新时代互联网人才，各高校纷纷开展计算机相关课程。作为一门实践性较强的课程，计算机教学大多采用理论课程结合计算机实验教学的方式，意在培养学生的应用能力和创新能力。新的时代背景下，国家大力发展计算机技术相关行业，通过技术驱动经济发展，计算机实验教学担负着巨大的挑战和社会责任[1]。目前传统的计算机实验教学主要存在以下几种问题。

1.1 实验室硬件成本过高

目前，绝大多数高校的计算机实验室教学采用固定机房，固定座位，固定电脑的基础硬件设施。在计算机刚刚普及阶段，这种教学模式还可以起到较好的教学效果，同时成本相对可以接受。这种模式下，学校需要设立专门的场地来建设机房，实验室所用桌椅、交换机路由器等设备需要不断更新，实验室环境维护成本随着时间不断增加。当前社会计算机技术不断发展，软硬件设备更新迭代速度不断提升，机房教学专用电脑的更新速度明显落后于时代发展。这导致教师的教学内容不能做到前沿性和实时性，学生所学到的技术与社会需求严重脱节。此外，很多高校存在多个校区，不同校区之间距离相对较远。为了解决相关专业的课程需求，只能在多个校区分别设立计算机实验教学机房。这同样会导致硬件成本的加倍增加，但实验室使用效率却相对降低。对计算机实验室的电脑设备进行定期更新无疑会加大高校的财政支出，对一些经费相对不足的高校造成了较大压力。因此，如何在保证教学质量的同时，将有限的经费资源发挥更大的作用成为当前计算机实验教学的难点。

1.2 计算机配套软件存在问题

计算机作为一种教学工具，除了场地、硬件等成本，软件也是必不可少的一环。针对不同专业，在开展计算机实验教学时所用的软件、开发环境等也不尽相同，如最基础的操作系统Windows和办公软件office套件等。软件和硬件都是实验教学开展的基础条件，教学软件的科学使用决定了教学效果的优劣。当前，我国对知识产权保护越来越关注，软件正版化成为计算机实验教学的必经之路。对正版化软件的经费投入，有利于后续的维护升级管理，可以有效地降低法律风险，增强教学活动的稳定性和安全性。因此，高校的计算机实验教学建设还需要考虑盗版软件的问题[2]。

1.3 计算机实验设备利用率相对较低

目前的计算机实验教学课程安排大多是单次课程占用2-3节，课程教学内容往往并非独立展开。教师需要在上机实验前先进行理论、操作步骤的讲解和演示，这往往需要花费1-2节的时间，留给学生实际操作的时间十分有限。这种教学模式下导致学生往往出现单次实验完成不了就要下课的场景，学生实际学习到的内容大打折扣。这种情形多次发生会对学生的积极性造成极大的打击，同时也会降低学生的自主学习意识和学习效率。这种模式暴露了计算机实验教学中教学环境和基础设施管理上的不足，缺乏更加专业的分配方式，以面对计算机实验教学环境的复杂性和综合性。

2 云计算及其特点

云计算技术作为一种新兴的计算机网络技术并没有统一的定义，它融合了存储技术、分布式计算技术、并行计算技术等，可以对数据进行高效、快速的计算和处理。云计算依托于网络技术的发展，可以对用户数据进行动态的、实时的处理，它对用户客户端设备性能要求较低，但需要满足连接互联网。它的应用场景主要表现为，用户客户端只进行数据的网络上传和下载，数据的计算和处理部分放在云端集中处理。这为降低客户端软硬件成本提供了新的解决方案。同时，云计算具有实时性和虚拟性，将其与计算机实验教学相结合可以有效改善目前的教学方式和教学环境。云计算主要有以下特点[3]。

2.1 实时性

云计算终端分为服务器端和客户端，两者通过互联网进行通信和数据传输。目前网络技术飞速发展，网络基站建设不断完善，光纤通信、5G网络建设为云计算的通信提供了极端的时延。用户在客户端的操作控制数据得以在极短时间内上传到服务器，依托于服务器端强大的计算能力，数据可以在极短时间内进行计算和处理，随后下行传输给客户端。这种极快的网络技术和强大的算力使得用户的实时操作得以实现。

2.2 用户客户端配置要求较低

云计算依托于网络技术，将本地的数据传输到云端服务器进行计算。本地客户端只需要满足连接互联网，不需要过多考虑电脑硬件的配置。用户的各种请求响应都是通过云端服务器进行处理，客户端只需要完成对数据的解读和展示即可。

2.3 高效性

通常情况下，用户客户端不进行或者只进行极小的数据处理，多数的数据处理在云端服务器中完成。高效的云端服务器通常由多个服务器共同组成，其中主要包括计算部分服务器，存储部分和软件处理部分。软件处理部分作为全局协作处理单元，用来控制数据的统筹处理和任务分配，作用类似于通用计算机操作系统。计算部分服务器主要包含大量计算单元，数据传输过来后，通过大量并行计算迅速得到处理结果[4]。

2.4 服务可灵活定制

云计算服务器提供的服务远远超出单个用户需求，这决定了用户可根据自己需求购买云计算服务范围。针对不同的使用场景和使用习惯，用户可以自定义购买云端服务器相应的服务和资源。随着用户自身需求的增加，用户还可以随时提出加购需求。传统的计算机服务如果用户需求增加，则往往需要重新购买硬件设备。云计算的灵活定制服务，可以极大地降低因需求改变产生的硬件迭代成本。同时，软件服务也是云计算的一大特点。云计算服务可以提供市面上绝大多数操作系统选项，同时提供各种相关软件。针对不同的用户需求，云计算服务可以在服务器端预设不同的软件配置，为用户实时访问提供了解决方案。

3 云计算实验室建设技术方案

高校云计算实验教学平台的建设是信息化教学的重要环节，良好的平台可以有效改善计算机实验教学中硬件更新迭代的资金问题，教学软件正版化问题，实验教学资源分配问题以及教学质量等问题。云计算实验教学平台依托于网络技术，将实际教学场景虚拟化，摆脱了传统计算机实验教学的软硬件束缚，充分发挥了灵活性的特点，可以有效降低服务成本。将高校计算机实验教学活动与云计算服务相结合，可以有效梳理教学活动，优化教学课程体系，提高学生学习的主动性。基于云计算的计算机实验教学方案可以从平台建设和课程建设两个方面进行[5]。

教学平台建设包含硬件建设和软件建设，终端分为本地客户端和服务器端。云计算服务器端架构可采用分布式存储方式，系统处理架构可分为底层控制层、外部接口层和软件应用层。其中，底层控制层是系统架构的基础，用来控制、分配各部分功能，为系统稳定运行提供基础保障。本层可采用Linux系统统一控制管理多个服务器，对硬件设备协同管理。

服务器端的存储技术保证中间计算数据和用户存储数据的安全性，是服务器端搭建中的重要一环。云计算的存储技术较为特殊，不仅仅需要提供数据暂存功能，还需要进行访问控制、基础管理等功能。首先，访问控制功能用来验证数据来源的合理性，区别出正常数据和恶意攻击数据。在云计算服务中，每个用户都有自己特定的标识，这种标识在整个系统中可以用来记录数据的来源。系统对存储数据进行访存时，首先需要通过验证授权，验证正确后方可进行数据的后续处理。存储技术的基础管理功能用来统一协同存储功能的分配，它是存储系统中的核心一环。它用来统一系统内部的硬件存储单元，对存储单元进行分区标识。针对系统的不同存储响应，分配不同的存储功能，有效地提高了多个硬件设备间的协同处理，提升系统存储速度。存储功能是云计算存储技术的基础功能，它可以保障数据的稳定性。通常来说，这与所采用的存储硬件单元的性能相关，好的设备可以提供快速的读取响应，减少数据处理延迟，但成本也会相对较高。此外，对于用户存储的个人数据，还需要提供相应的备份，避免因灾害产生的数据丢失问题。备份所使用的硬件存储单元可采用读写速度相对一般的设备，减少成本支出。服务器端存储技术的搭建需要协调性能和费用支出之间的矛盾。

信息化时代下，云计算服务器端的数据管理技术需要满足科学性、高效性和安全性。面向高校的计算机实验教学平台所产生的数据是海量的，高效的数据管理技术有助于教学活动的开展。对数据进行不同的分类，可以有效地进行数据分析、研究和整合，从而进一步得出教学活动的特点。基于这种实际需求，构建的数据库需要包含以下几种教学活动特征：学生基本信息、教师基本信息、学生课表、教师课表、实验课程信息、签到信息等[6-9]。

教学平台的软件建设可以分为学生、教师后台户端和专业软件，分别提供不同的功能。针对学生客户端，提供登录认证功能，允许学生在不同设备间登录保持数据同步。将学生学号作为授权标识，通过密码控制访问权限，这样可以发挥云计算平台的灵活性特点，使学生摆脱了传统固定机房做实验的束缚。通过个人电脑远程进行访问，降低了学校硬件更新的成本，方便灵活管理。学生客户端还应该提供记录功能和查询功能。学生的个人信息，上课记录和实验报告等作业无须在本地进行存储，而是在云计算服务器端统一进行电子备份。此外，学生的计算机实验课程信息，包括课表，实验要求，实验步骤等电子文档信息根据学生学号进行绑定，预先存储在服务器端。学生在上课前，可以提前查看信息，做好实验预习，提高学习效率。同时，学生还可以在各种终端根据自身需求搜索不同的教学资源，进行独立自主学习。对于教师客户端，应该提供认证功能、管理功能和监视功能。以老师的教工号作为授权标识，通过密码控制访问权限。教师端允许老师上传授课信息，实验资料，批改实验报告，分享资料和成绩评定等功能，方便教师异地灵活办公。

基于云计算的计算机实验教学平台具有虚拟化、灵活性特点，使得教学活动得以摆脱时间、空间的限制。传统的实验教学方式应该随着技术的发展而不断创新，教师应该针对平台制定新的授课管理方案，利用平台功能对学生做好监督工作，提高授课效率。同时，学校对相关专业实验课程的时间安排应该进一步优化，发挥平台特点，对授课时间进行集中安排[10]。