打造無圍墻的實驗室——云計算時代高校計算機服務(wù)平臺建設(shè)模式探討

李 寧，王鐵峰

（北京信息科技大學(xué)計算機學(xué)院，北京 100101）

多年來，高校計算機類實驗室的評價指標(biāo)與其他類型的實驗室?guī)谉o分別，例如，人均實驗面積、生均臺套數(shù)、萬元以上設(shè)備數(shù)和實驗室利用率等［1］。進入許多高校的計算機實驗室，特別是軟件類實驗室，幾乎是千篇一律，大多是由實驗桌、臺式計算機和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成的機房。在云計算時代的今天，這種計算機類實驗室的建設(shè)模式已經(jīng)顯得落后，更嚴(yán)重的是這種建設(shè)模式會帶來大量的資源浪費。然而，目前仍有大量的實驗室在按這種模式進行規(guī)劃和建設(shè)。本文將就這個問題與同行進行探討，以期共同謀劃適應(yīng)時代發(fā)展的高校計算機服務(wù)平臺建設(shè)模式。

1 高校計算機資源建設(shè)面臨的困惑

目前很多高校在計算機資源建設(shè)方面面臨諸多問題和困難。

（1）計算機資源建設(shè)不適應(yīng)教學(xué)改革的要求。為應(yīng)對經(jīng)濟全球化挑戰(zhàn)，提高我國工程教育人才培養(yǎng)質(zhì)量，面向工業(yè)界、面向世界、面向未來，很多高校提出了培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型人才的戰(zhàn)略目標(biāo)。教育部也于2010年啟動了“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”，強調(diào)注重學(xué)生的工程能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。今天各高校的計算機工程相關(guān)專業(yè)正在向這個目標(biāo)邁進，在計算機教學(xué)中更加注重實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，強調(diào)動手能力。由此帶來的顯著變化是，大量原來在教室授課的課程改為在實驗室授課。例如程序設(shè)計課程，原來課堂教學(xué)和機房上機是兩個環(huán)節(jié)，現(xiàn)在則改在實驗室進行，學(xué)生邊學(xué)邊練，考試采用機考。這類課程還有很多，使得實驗室利用率大幅增加。另外，隨著高等教育的普及、招生人數(shù)的增加、近百人一批次的實驗很常見，這使得實驗室面積也需要大幅增加。這些原因常造成計算機實驗室超負(fù)荷運行，實驗室管理人員不堪重負(fù)，難以有時間進行實驗室的維護。與此形成反差的是，一些大教室卻越來越空閑，利用率減低。

（2）學(xué)生個人計算機難以管理。據(jù)調(diào)查，計算機專業(yè)約85%以上的學(xué)生有自己的計算機。雖然大多數(shù)學(xué)生也在使用自己的計算機學(xué)習(xí)，但是這些計算機并未得到充分利用，一般在上課的時候，這些計算機是閑置的。更有相當(dāng)一部分自覺性差的學(xué)生不管在宿舍還是在教室都沉迷計算機游戲，影響了成績，帶壞了學(xué)風(fēng)，大多數(shù)學(xué)校的管理人員或任課教師都對此頭痛不已。很顯然，這些學(xué)生把原本用來學(xué)習(xí)的工具當(dāng)成了娛樂工具。

（3）科研用機與教學(xué)用機存在矛盾。大家很容易想到，在科研、研究生培養(yǎng)、本科教學(xué)中所用的計算機資源應(yīng)該能夠共享，但是這在現(xiàn)實中很難做到。對于幾十名學(xué)生、數(shù)門課程的實驗，必須保證所有軟件經(jīng)過精心的安裝調(diào)試。這些軟件需要有很好的兼容性，否則容易出現(xiàn)死機、藍屏、無法上網(wǎng)等問題，而這種問題一旦發(fā)生，將成為嚴(yán)重的教學(xué)事故，這也是實驗室管理人員最為擔(dān)心的。以科研用途為主的計算機，安裝、卸載或更新軟件是司空見慣的事情，因此也非常容易發(fā)生上述問題。雖然一些教學(xué)實驗室為計算機安裝了保護卡，但計算機重啟之后一切復(fù)原，也會給科研工作帶來很大不便。

（4）多校區(qū)計算機資源難以共享。北京地區(qū)的很多高校存在多個校區(qū)，一個學(xué)校有四、五個相距幾十公里的校區(qū)是很普遍的現(xiàn)象。由于地域分散的原因，校區(qū)之間無法充分共享計算機資源，導(dǎo)致在許多校區(qū)都要重復(fù)建設(shè)計算機實驗室。

（5）教學(xué)面積緊張。很多高校校舍緊張，但是由于單個機位面積是固定的，一個計算機實驗室必然要占據(jù)相當(dāng)?shù)拿娣e。經(jīng)調(diào)研，目前全國高校的計算機學(xué)院生均實驗室面積為1.93 m2，這樣一個1 500人左右的計算機學(xué)院就要近3 000m2的實驗室面積，這在很多高校特別是北京地區(qū)的高校是很難保障的。

（6）設(shè)備快速淘汰帶來高昂的開支。相比之下，單臺的計算機設(shè)備并不昂貴，但是由于數(shù)量太大，加上4～6年的淘汰周期，擁有一個先進的計算機實驗室代價不菲。據(jù)調(diào)研，目前全國高校的計算機學(xué)院生均計算機臺數(shù)為0.72臺，這樣一個1 500人左右的計算機學(xué)院就要1 000多臺計算機。按3 000元／臺計算，每年需投入設(shè)備更新經(jīng)費約60萬元。我們能否盡量延長這些設(shè)備的使用年限，并將許許多多空閑的計算機資源利用起來呢？這也許是建設(shè)節(jié)約型社會必須解決的問題。

上述這些問題具有相當(dāng)?shù)钠毡樾浴Ｎ覀冃老驳乜吹皆朴嬎銥榻鉀Q這些問題帶來一片曙光。

2 移動學(xué)習(xí)呼喚無圍墻的實驗室

改變計算機服務(wù)平臺建設(shè)的模式不僅是為了解決上述問題，更是現(xiàn)代教學(xué)理念和教學(xué)手段的內(nèi)在需要。

今天，移動學(xué)習(xí)因其移動性、普適性和泛在性等特點，成為高校教育信息化未來發(fā)展的主要方向，在高校的信息化建設(shè)中受到關(guān)注［2－4］。移動學(xué)習(xí)是繼數(shù)字化學(xué)習(xí)后出現(xiàn)的又一新學(xué)習(xí)模式。它是指一種在移動計算設(shè)備幫助下，能夠在任何時間、任何地點進行的學(xué)習(xí)。移動學(xué)習(xí)所使用的移動計算設(shè)備能夠有效地呈現(xiàn)學(xué)習(xí)內(nèi)容并且提供教師與學(xué)習(xí)者之間的雙向交流。移動學(xué)習(xí)在數(shù)字化學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，通過有效結(jié)合移動計算技術(shù)帶給學(xué)習(xí)者隨時隨地學(xué)習(xí)的全新感受。如何充分有效地使用無線技術(shù)和移動計算設(shè)備來輔助教學(xué)和學(xué)習(xí)是移動學(xué)習(xí)的關(guān)鍵。

移動學(xué)習(xí)被認(rèn)為是一種未來的學(xué)習(xí)模式，或者說是未來學(xué)習(xí)不可缺少的一種學(xué)習(xí)模式。它有以下內(nèi)涵：

（1）移動學(xué)習(xí)是在數(shù)字化學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是數(shù)字化學(xué)習(xí)的擴展。移動學(xué)習(xí)并不是什么新鮮事物，因為在傳統(tǒng)學(xué)習(xí)中，印刷課本很早就是一種移動學(xué)習(xí)的工具了。但是當(dāng)代的教育把很多學(xué)習(xí)工具固定在實驗室，并不適應(yīng)人們的學(xué)習(xí)習(xí)慣。移動學(xué)習(xí)正是人性化學(xué)習(xí)方式的回歸。我們希望將來學(xué)習(xí)者不再被限制在計算機桌前，而是可以自由自在、隨時隨地進行不同目的、不同方式的學(xué)習(xí)。學(xué)習(xí)環(huán)境是移動的，教師和學(xué)生都是可以移動的。

（2）移動學(xué)習(xí)有強烈的數(shù)字化學(xué)習(xí)的特征。移動學(xué)習(xí)實現(xiàn)的技術(shù)基礎(chǔ)是移動計算技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，即移動互聯(lián)技術(shù)；實現(xiàn)的工具是小型化的移動計算設(shè)備，例如平板計算機或智能手機等。文獻［3］對移動學(xué)習(xí)的特點作了很好的概括：①以無線網(wǎng)絡(luò)為環(huán)境支持；②以移動通信設(shè)備為工具支持；③以數(shù)字化學(xué)習(xí)資源為內(nèi)容支持；④跨越場合、跨越情境、隨時隨地的學(xué)習(xí)方式。

本文提出的無圍墻的實驗室正是移動學(xué)習(xí)的延伸，也相當(dāng)于一種“移動實驗”。顯然，無圍墻的實驗室可以有效地利用學(xué)習(xí)資源，延長學(xué)生的學(xué)習(xí)時間，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。通過移動設(shè)備進行實驗、完成作業(yè)或者開展科技實踐活動將不再受場地和時間的限制，可以充分利用課余時間，在潛移默化中提高學(xué)生的動手能力和學(xué)習(xí)興趣。應(yīng)該看到，在學(xué)生使用他們手中的計算機用于學(xué)習(xí)的同時，也相應(yīng)地減少了他們用計算機玩游戲的時間，有助于學(xué)風(fēng)的改善。

值得慶幸的是這樣無圍墻的實驗室在今天的云計算時代已經(jīng)呼之欲出，云計算恰好滿足了移動學(xué)習(xí)的需要［5－6］。

3 云計算與虛擬化對移動學(xué)習(xí)的支撐作用

云計算與虛擬化為移動學(xué)習(xí)提供了很好的技術(shù)支撐，可以解決困擾我們的許多問題。

早在上世紀(jì)60 年代，麥卡錫就提出了這樣的理念，即把計算能力作為一種像水和電一樣的公用事業(yè)提供給用戶，這便是云計算思想的端倪。80年代計算技術(shù)從主機模式演變?yōu)榭蛻舳耍?wù)器的模式，帶來了軟件業(yè)的一次重要變革。隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，90年代客戶端－服務(wù)器模式進一步演變?yōu)闉g覽器－服務(wù)器的n層模式，使人們深刻地接受了軟件即服務(wù)的思想，云計算作為一種新興的資源使用和交付模式逐漸為學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界所認(rèn)知，它是分布式計算、并行計算、效用計算、網(wǎng)絡(luò)存儲、虛擬化、負(fù)載均衡等傳統(tǒng)計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展融合的產(chǎn)物。

3.1 云計算具有以下幾個主要特征

（1）網(wǎng)絡(luò)化［7］。計算資源是分布式的，但用戶不需關(guān)心計算資源到底在哪里。

（2）可以動態(tài)配置資源。能夠根據(jù)消費者需求的變化動態(tài)增加或釋放不同的物理和虛擬資源，而且這些資源的分配是自助方式的，用戶無需同提供商打交道就可自動獲得計算資源。

（3）資源統(tǒng)一使用。云計算采用的資源池，可以將不同類型的計算機和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進行統(tǒng)一配置和管理，用戶無需關(guān)心設(shè)備的細(xì)節(jié)，而方便地得到他們所需的各種性能的虛擬化設(shè)備。這些資源池中的物理設(shè)備可以隨時不斷地調(diào)整和更換。

（4）高可用性。可以在各種物理平臺上虛擬出不同配置的操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件，虛擬設(shè)備之間不會相互干擾，可以很容易地在不同的硬件設(shè)備間遷移。通過各種冗余和備份機制保證服務(wù)的可持續(xù)性、安全性、高效性和靈活性。

（5）服務(wù)可計量。在向用戶提供服務(wù)的過程中，通過計量的方法來自動控制和優(yōu)化資源配置。資源的使用可被監(jiān)測和控制，可以觀察到性能的瓶頸，有針對性地逐步增加物理資源。

3.2 虛擬化是實現(xiàn)云計算的一種方式，與云計算技術(shù)密不可分

虛擬化是指計算機軟件在虛擬的平臺上而不是真實的平臺上運行。虛擬化技術(shù)可以擴大硬件的容量，簡化軟件的重新配置過程。CPU 的虛擬化技術(shù)可以單CPU 模擬多CPU 并行，允許一個平臺同時運行多個操作系統(tǒng)，并且應(yīng)用程序都可以在相互獨立的空間內(nèi)運行而互不影響，從而顯著提高計算機的使用效率。此外，按照瘦客戶端方式，用戶可以通過各種便攜式設(shè)備（如筆記本計算機、平板計算機甚至智能手機）來訪問虛擬機，客戶端不需要具備很強的計算能力，因此不需要頻繁更新設(shè)備。

虛擬化有很多分類［8］。從高校計算機資源使用的角度，我們可以采用以下的虛擬化類型：

（1）平臺虛擬化。即針對服務(wù)器和操作系統(tǒng)的虛擬化，主要包括服務(wù)器虛擬化和桌面虛擬化。虛擬化的操作系統(tǒng)可以是32 位或64 位的Windows、Linux或Android操作系統(tǒng)。這一類虛擬化很適合各種軟件實驗。學(xué)生可以任意啟動一種安裝有所需實驗環(huán)境的虛擬機進行實驗。實驗員可以按不同的軟件類別或?qū)嶒烆悇e配置不同的虛擬機，并避免軟件的沖突。

（2）資源虛擬化。指虛擬機所使用的資源（如存儲設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備）的虛擬化。這一類虛擬化適合教學(xué)服務(wù)資源的建設(shè)，例如建設(shè)存放教學(xué)視頻或課件的服務(wù)器，以及學(xué)生作業(yè)上傳和自動考試系統(tǒng)等。

（3）應(yīng)用軟件（表示層）虛擬化。指將應(yīng)用軟件從操作系統(tǒng)中分離出來，使應(yīng)用程序的運行不依賴于特定的操作系統(tǒng)。這一類虛擬化適合建立高校的信息基礎(chǔ)設(shè)施，例如網(wǎng)站、辦公自動化系統(tǒng)、郵件服務(wù)和即時通信系統(tǒng)等。

3.3 云計算和虛擬化技術(shù)的優(yōu)勢

云計算和虛擬化技術(shù)對于解決我們面臨的問題有非常好的針對性，其優(yōu)勢可以概括如下：

（1）增加資源。可以充分利用學(xué)生手中的筆記本計算機來學(xué)習(xí)。學(xué)校只需要為沒有計算機的少數(shù)學(xué)生配發(fā)計算機，就可做到人人隨時有計算機可用。

（2）提高空間利用率。可以使用大教室和自習(xí)教室作為實驗室，有效解決實驗室場地不足的問題。

（3）提高資源利用率。服務(wù)器的計算資源可以多人共享，按需分配，不再有閑置的設(shè)備。此外，不同性能的服務(wù)器可以組成不同計算能力的資源池，延長使用壽命。

（4）減少軟件的購買成本。可以采用租用的形式獲得一些軟件的授權(quán)，節(jié)省購買軟件的開支。

（5）減少實驗室管理的負(fù)擔(dān)。云計算可以降低軟件的安裝和維護成本，不再需要為各種實驗更換每臺計算機的操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件。

（6）提高安全性。用戶不必管理和維護基礎(chǔ)設(shè)施的硬件資源。軟件運行在云中，文檔數(shù)據(jù)也存儲在云中。通過專業(yè)化的管理和災(zāi)備保護措施，可以大幅降低病毒入侵，甚至不可抗拒的自然災(zāi)害造成的破壞和數(shù)據(jù)丟失，確保信息安全。

4 面向未來的實踐與規(guī)劃

今天云計算已經(jīng)在國內(nèi)外教育行業(yè)得到應(yīng)用。筆者于2012年考察了英國的安格利亞魯斯金大學(xué)（Anglia Ruskin University，UK）。該大學(xué)也有多個校區(qū)，兩個主要的校區(qū)分布在劍橋（Cambridge）和切爾姆斯福特（Chelmsford）。計算機相關(guān)的專業(yè)兩個校區(qū)都有，通過校園網(wǎng)和虛擬化可以共享兩個校區(qū)的計算資源。在網(wǎng)絡(luò)原理實驗室中，通過虛擬機與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備相接，學(xué)生可以在虛擬機上改變網(wǎng)絡(luò)的配置，而不需要實際去插拔網(wǎng)線，這種實驗不但實驗室中可以做，在任何有網(wǎng)絡(luò)的地方都可以做。國內(nèi)清華大學(xué)和北京工業(yè)大學(xué)等高校在科研和教學(xué)中采用云計算平臺，取得了很好的效果［9］。以北京工業(yè)大學(xué)為例，通過建設(shè)云計算平臺將原來屬于各個院系和專業(yè)的計算資源進行集中化和智能化管理，同時創(chuàng)新教學(xué)模式，例如采用虛擬化技術(shù)開設(shè)并行計算課程，開展學(xué)科競賽，還借助云計算平臺進行科技成果轉(zhuǎn)化，提供對外服務(wù)等。

將云計算技術(shù)運用于高校計算機實踐平臺建設(shè)，需要建設(shè)相應(yīng)的配套設(shè)施，例如建設(shè)高速的無線網(wǎng)絡(luò)，培訓(xùn)實驗員讓他們掌握先進的技術(shù)等。但是更重要的是需要改變?nèi)藗兊挠^念。這方面仍然存在諸多的問題，例如，需要改變以實驗面積、生均臺套數(shù)、萬元以上設(shè)備數(shù)等落后的實驗室評價指標(biāo)體系，代之以新的更為客觀的評價體系。各類計算機類的實踐平臺建設(shè)經(jīng)費（特別是專項經(jīng)費）應(yīng)該向云計算傾斜，鼓勵購置云計算平臺適用的服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)存儲設(shè)備，根據(jù)需求分步擴容。減少軟件類實驗室的臺式機保有量，逐步擴大移動設(shè)備的規(guī)模。改變機房形式的軟件類實驗室的功能，將其建設(shè)成為學(xué)生互動交流的空間。

一個面向未來的高校計算機資源建設(shè)方案，應(yīng)該以虛擬化為核心的云計算平臺為基礎(chǔ)，將已有的計算資源整合起來，按照不同階段的需要，分步購置云服務(wù)器和云存儲設(shè)備，滿足三類主要的云服務(wù)，即：實踐教學(xué)服務(wù)、科研服務(wù)和信息化服務(wù)。參見圖1。

在實踐教學(xué)服務(wù)方面，首先需要選擇適合的課程開展平臺虛擬化的應(yīng)用試點，從語言類課程入手逐步向操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫等計算機核心主干課程的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)延伸，進而輻射到所有的課程，同時通過資源虛擬化共享各類教學(xué)資源。為配合移動學(xué)習(xí)，應(yīng)將移動設(shè)備普及到每個計算機專業(yè)的學(xué)生，實現(xiàn)無圍墻的實驗室的目標(biāo)。在科研服務(wù)方面，也應(yīng)提倡集中購置各類平臺、工具軟件和應(yīng)用資源，通過平臺虛擬化和資源虛擬化使全體教師共享。在信息化服務(wù)方面，通過應(yīng)用軟件虛擬化改造網(wǎng)站等信息化設(shè)施，用少量的硬件資源建立起覆蓋學(xué)院、系部中心、課題組、課程團隊乃至個人的立體化信息發(fā)布和利用的網(wǎng)絡(luò)。

圖1 計算機服務(wù)平臺規(guī)劃圖

作為北京市重點發(fā)展的、以信息技術(shù)為主要特色的北京信息科技大學(xué)，在北京市教委和學(xué)校各部門的支持下，經(jīng)過努力，計算機實驗教學(xué)中心在2008年被批準(zhǔn)為北京市計算機實驗教學(xué)示范中心。在新的發(fā)展階段，我們確立了以云計算技術(shù)為支撐的全新的計算機服務(wù)平臺建設(shè)規(guī)劃，將用最短的時間使云計算平臺為全體師生的教學(xué)和科研提供最優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

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［1］教育部高教司.普通高等學(xué)校本科教學(xué)工作水平評估方案（試行）［EB／OL］. （2004－08）. http：／／wenku.baidu.com／view／1756dacb05087632311212e3.html.

［2］C.O’Malley，G.Vavoula.Guidelines for learning／teaching／tutoring in a mobile environment.MOBIlearn［EB／OL］.（2003－10）.http：／／www.mobilearn.org／download／results／guidelines.pdf.

［3］鄭凱，許駿.高校移動學(xué)習(xí)體系的構(gòu)建與發(fā)展研究［J］.中國電化教育，2011（9）：20－24.

［4］葉成林，徐福蔭，許駿.移動學(xué)習(xí)研究綜述［J］.電化教育研究，2004（3）：12－19.

［5］孫劍華.未來計算在“云端”：淺談云計算和移動學(xué)習(xí)［J］.現(xiàn)代教育技術(shù)，2009，19（8）：60－63.

［6］黃成云，左明章，榮先海.基于云計算的移動學(xué)習(xí)系統(tǒng)設(shè)計［J］.現(xiàn)代教育技術(shù)，2010，20（8）：102－105.

［7］P.Mell，T.Grance.The NIST Definition of Cloud Computing［EB／OL］.（2011－09）.http：／／csrc.nist.gov／publications／nistpubs／800－145／SP800－145.pdf.

［8］馬博峰.VMware，Citrix和Microsoft虛擬化技術(shù)詳解與應(yīng)用實踐［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2012.

［9］杜近之.智慧的云計算［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2010.