智慧云实验室平台的设计与应用研究

杨洁

关键词：智慧云；实验管理；云计算

0引言

随着高校学生对实验环节的重视和移动学习的到来，信息技术实验的需求越来越多。信息技术领域进行实验需要大量的硬件资源，传统的线下实验室的方式越来越难以满足高校师生对信息技术实验的需求。基于智慧云计算技术的虚拟实验能够借助虚拟现实技术、移动通信技术以及多媒体技术等构建全新的实验环节，借助虚拟化技术管理各种硬件资源，实现资源的按需分配，比传统的真实线下实验方式具有成本低、时空限制小等优势。

1云计算和高校实验的融合

传统的计算机实验过程中，往往会受到服务器、计算资源、存储资源等各种物理资源的制约，而且会存在诸如多用户共享问题、跨平台兼容性问题等[1]。在云计算技术出现之前，只能通过增加硬件资源的方式解决上述问题。

云计算技术为智慧云实验室提供了技术支撑，利用大量的廉价硬件设备组成一种动态的、可扩展的资源池，实现计算、存储资源的按需分配。云存储是智慧云实验室的核心技术之一，将其引入高校实验管理后，学生能够在云实验室中运行耗时较长的实验程序，并在云实验室中存放相关的实验数据，而不用担心存储资源不足的问题。云实验室中强大的计算能力可以助力高复杂度的数据分析和挖掘程序，提高数据分析的效率，这是线下普通双核服务器难以满足的。

2智慧云实验室设计

智慧云实验室用于高校实验使用时，面临的主要需求包括[2]：1）开放实验室。高校中信息科技领域的实验通常会进行长时间的压测及运行，因此需要满足不同人员在任何时间、任何地点都可以访问，即智慧云实验室要具备一定的开放性。2）交互实验室。信息技术领域各学科的实验都离不开人的参与，这样才能实现更智能的程序或产品，因此智慧云实验室需要和用户进行交互。3）资源的动态分配。不同实验对资源的需求不同，计算型实验需要的CPU资源较多，而在线事务处理型实验对内存的需要较高，大数据、数据分析等实验又需要较多的存储资源，而且对资源的需求并不是实验开始就要全部分配的，因此可以根据实验的进度安排需要的资源，提高云平台资源的利用率。

2.1系统架构设计

本研究设计了一个包含应用层、平台层和资源层三层结构的智慧云实验平台：应用服务层：该层直接针对高校师生用户，主要服务于教师、学生以及系统管理员等不同角色[3]；平台层：这是整个智慧实验室平台的核心，负责实现云实验室的主要功能；资源层：该层将云端的物理资源整合，为智慧云实验室平台的用户提供按需分配的计算、存储、服务器等资源。整体的智慧云实验室平台架构设计如图1所示。

资源层是智慧云实验室平台的基础，主要包括计算资源、存储资源、集群资源以及服务器等。资源层对各种资源进行统一、规范的管理，根据需要及时为用户提供所需的资源，并提供相应的接口，方便对资源进行扩展及升级。资源层中的各种资源按照管理模式可以分为物理资源和虚拟资源两类。物理资源可以作为一个整体分配给对性能要求较高的实验环境，多适用于在线事务处理、数据分析等场景；虚拟资源是CPU、内存、存储等虚拟化后的虚拟资源，可以根据实际需要按需分配，以提高资源的利用率。

平台层主要对资源层的各类资源进行调度，为不同的实验任务分配各类资源并进行统一管理，包括实验任务管理、资源管理及资源调度等[4]。另外，还为用户提供管理及交互接口，方便用户通过接口实现对实验任务的管理和调度。

2.2功能模块设计

智慧云实验室平台的功能模块主要包括系统管理、课程管理、实验管理以及资源管理。

系统管理模块主要完成智慧实验室平台的后台管理，包括用户、院系、权限等。其他功能模块都是建立在系统管理基础上的。智慧云实验室平台的账号分为不同的角色，管理员账号是在智慧云实验室平台运行前就建好的，院系相对固定，一般由管理员直接写入数据库，普通用户没有权限操作。系统管理模块中的角色管理功能可以新建、修改、删除角色，并对角色的权限进行设置，比如实验、课程是否对角色显示，以及角色是否拥有对实验、课程的修改权限等；权限可以细化到控制用户的每个操作及对每个页面的访问[5]，从而提高了智慧云实验平台的安全性。

系统管理员会审核教师提交的实验资源申请，如果申请的资源在规定的时间内能够满足，系统管理员就标记为实验审核通过，否则标记为审核不通过。系统会自动判断当前资源池中的资源是否满足要求，如果不满足会向系统管理员展示实验资源准备界面。

课程管理模块对课程信息、课程评价、课程笔记以及相关的课程资源进行管理。课程信息页面主要展示课程的名称、描述、实验大纲、主要目的等基本信息。此外，该模块还可以动态记录用户在访问课程下相关实验的行为，如启动云虚机、记录课程笔记、访问课程学习资源等。这些动态信息对所有用户可见，方便学生了解学习流程、汲取他人的经验。课程模块中的资源包括普通文本、图片、实验视频、PPT教材等，并以列表的方式在相关课程后进行展示，方便学生在学习课程时直接点击对应实验资源即可观看。课程管理模块仅对系统管理员以及课程设计角色的用户开放。这些用户可以设计新的课程、对已有的课程进行修改、编辑课程相关的实验等。实验室管理模块的功能设计如图3所示。

实验管理是智慧云实验室平台的核心功能模块，主要功能包括新建实验、编辑实验、修改实验说明指导书、实验评价、资源展示以及实验管理等[6]。实验说明指导书是进行实验的大纲，实验需要根据指导书完成，因此在新建实验前需要先编写指导书，对实验目的、环境、步骤、实验的资源需求以及实验报告等进行说明。用户可以对实验进行评价，以便实验设计者根据评价进行修改，以提高高校实验管理的效果。用户在做实验过程中可以记录下实验环节中需要注意的问题和知识点，系统会以笔记的格式展示在页面内；如果在实验过程中遇到问题，还可以通过提问的方式发起线上讨论，实验教师及其他学生都可以进行回答，优秀的问题及解答会显示在问答界面。

资源管理对智慧云实验平台的资源进行分析、划分。对于物理资源可以直接分配给用户使用，也可以先进行虚拟化后再分配。为提高资源使用效率需要有专门的资源调度，对实验执行及需要的资源进行匹配映射，并完成资源的全生命周期管理[7]。实验用的虚拟机是实验管理的基础，需要管理员根据需要的CPU、内存以及磁盘资源在云平台上创建，启动虚拟机后用户可以定制需要安装的各种应用软件，在实验完毕后关闭并注销虚拟机即可释放占用的CPU、内存、磁盘等各种资源，真正实现按需分配。

3智慧云实验室实现

通过登录界面可以登录到智慧云实验室平台，登录界面除了提供基本的登录功能外，为了提高安全性及使用的方便性，还额外提供了短信登录和人脸登录。

功能系统登录功能在实现时需要考虑登录的便利性和安全性：便利性是指用户输入较少内容即可快速登录，安全性是指防止网络爬虫等的攻击。另外，为了验证登录功能是否满足设计要求，可以进行角色登录访问测试，在登录过程中输入代表不同角色的用户名及结果，检验不同角色用户是否可以进入对应的系统功能界面。

登录后点击“实验管理”标签，会自动跳转到全部实验列表界面，可以从此页面中选择感兴趣的实验，阅读其实验指导书，学习相关的资源；如果实验列表中没有相关实验则可以新建实验，新建的实验会自动出现在实验列表中，用户可以对其进行修改或删除操作。

学生可以在实验管理界面中单击“点击查询”查看实验。如果想要进行实验，可以进行实验预约。预约通过后，学生可以在连接的实验机中打开所需的实验软件进行操作。实验完成后，学生须上传实验数据、报告及相关程序。若实验未完成，学生可保存实验数据及程序。

为测试预约功能的可用性，须设计相应的功能测试用例。如表1所示。

由功能测试结果可以看出，智慧云实验室平台实验管理的功能满足设计需求。对于已完成和未完成的实验，该平台均能提供有效管理。实验完成后，学生可以上传实验数据、报告及相关程序；对于未完成的实验，则可保存实验数据及程序，方便后续继续进行实验[8]。

4总结

智慧云实验室提供的实验平台为高校师生创造了一个便利、智能的实验环境。在充分利用云平台的计算、存储资源基础上，可以有效融合操作系统、数据库、编程语言等信息技术学科，对提高高校实验管理水平具有重要的现实意义。