普通高校計算機實驗室的構成與改造

馮裕忠，馮 將

（1.電子科技大學成都學院，四川成都 611731；2.四川省教育廳，四川成都 610010）

在信息社會的今天，人們對計算機技術的依賴和應用已經達到了一個新的高點。計算機技術的應用推動了諸如多核處理器、虛擬化、分布式存儲、寬帶互聯網絡、智能通信技術、自動化管理、云計算、嵌入式等技術的快速發展。如今，絕大多數高校都開設了計算機專業課程。怎樣辦好這個專業、怎樣開設計算機課堂授課和實驗教學，讓學生既能掌握堅實的專業理論知識，又能有較強的專業動手能力，以適應社會的需求和發展，這對普通高校的計算機課堂教學和實驗教學都提出了更高的要求，也是值得深思和探討的話題［1－2］。

1 普通高校計算機教學實驗設備的狀況

在普通理工科高校的計算機教學中，計算機課堂理論教學是較為完整的，但有不少學校的計算機實驗教學則比較單一。這些實驗室的構建基本上經過單機→局域網→校園網絡→Internet這樣一個過程，用于實驗教學的計算機設備則只是完成一般單機硬件、軟件實驗操作。當學校剛組建計算機實驗室時，只是若干計算機單獨完成相對簡單的計算機實驗課程；當學校進一步發展，就將若干實驗室的計算機組成局域網來滿足教學的軟硬件和網絡等實驗。

例如某普通高校現有教學用計算機約4 000臺，平時僅用于計算機的相關教學實驗和一般的科研工作。通過測算，這些計算機的功能僅發揮了30%左右，而維護和改造的費用大約要占總投資的70%左右，造成較大的浪費。另外，在承擔科研項目和一些教學任務時，又因這些計算機是傳統架構、單機處理能力不夠強而無法滿足需要。

擺在學校面前的問題是：怎樣把現有的計算機設備加以改造，融入諸如嵌入式、云計算平臺等先進的應用環境，不用投入更多的資金便可以使計算機設備既能滿足教學的需求，也能滿足科研的需求［3－5］。

筆者認為，大學的計算機教學體系要有科學而完整的教學大綱和培養方案，加強實驗教學。

（1）加強該專業的理論基礎教學，建立起“理論課＋實驗課＋項目制”的學分構成體系，做到大一以理論課為主，實驗課學分占約15%；大二理論課占約60%，實驗課占約30%，項目制學分占約10%；大三理論課占約45%，實驗課占約45%，項目制學分占約10%；大四可加強專業選修課（諸如PHP、.NET、Java）和項目實驗（開發）課程的比例，使學生的專業理論知識通過實驗（實踐）得到驗證。學生可以用扎實的專業基礎知識和較強的動手能力滿足社會的需求；

（2）在計算機實驗教學方面投入更多的精力。普通高校在構建和改造計算機實驗室時，應該分檔次建設計算機實驗室來適應計算機實驗教學的需要。這些實驗室的信息管理應該是相通的，便于設備的使用和資源的管理［6－7］。

（3）加強對實驗教師的培養、加強對學生的實驗指導。學校的業務管理部門可以通過實驗室管理平臺對各實驗室進行實時監控，了解各級實驗室的情況，使實驗設備運行在最佳狀態。

2 計算機實驗室的構成

圖1給出了計算機實驗室的主要構成，包括計算機硬件和基本操作實驗室、網絡實驗室、軟件實驗室、云計算實驗平臺和實驗管理平臺［8－9］。

圖1 計算機實驗室架構示意

2.1 計算機硬件和基本操作實驗室

計算機硬件和基本操作實驗室主要適合于計算機專業大一學生的計算機硬件實驗和非計算機專業學生的計算機應用操作實驗。該實驗室擁有若干低檔次的PC單機、數字電路綜合實驗平臺（包括完成電路實驗的實驗板、常用的元器件、儀器、儀表和工具等）和計算機硬件拆裝工具等。PC機安裝有Windows操作系統和Office等應用軟件。學生可以利用這些實驗設備完成“數字邏輯”、“計算機導論”、“計算機組成原理”、“微機接口與匯編語言”等課程的硬件實驗。此實驗室也可以完成零部件測試實驗和PC 機拆裝實驗。通過實驗，讓學生熟悉計算機的硬件組成、計算機系統的基本組成和日常應用計算機的基本操作，為學生后續學習計算機操作系統、編程語言等知識打下堅實的基礎。

這種實驗室可以與電工、通信和微電子等專業合用。通過實驗，讓學生認識“不了解硬件就不能編寫程序”和“不懂硬件就編不出好的軟件”的道理，從思想上重視計算機硬件的學習。

2.2 網絡實驗室

網絡實驗室應該具備局域網的基本架構和完成網絡通信的基本功能。在此實驗室中，應該具有多形式、多功能、數字化和網絡化的實驗環境，可以驗證網絡原理、網絡通信等教材上的相關內容，可以進行網絡拓撲構建、路由選擇、協議的安裝和相關參數的配置等（見圖2）。可以配備一定數量的線材，讓學生掌握網線的制做、簡單的硬件故障排除等基本技能。通過網絡實驗，使學生全面了解網絡的整體架構、掌握網絡的運行環境和條件以及常見故障的處理等［10］。

圖2 網絡實驗示意圖

2.3 軟件實驗室

軟件實驗室的主機應該是較高配置的PC 機或服務器，具有局域網功能，安裝Windows、Unix（Linux）雙操作系統，是支持多語言環境的實驗平臺，提供.NET、JavaEE 應用程序開發環境和SQL Server、Oracle等常用數據庫應用環境，學生可以在此完成C＋＋、C＃、Java等計算機語言的編程實驗，也可以進行系統底層BIOS、Kernel分析、防火墻等數字加密軟件的研究與開發。這個實驗室除了完成學校的計算機實驗教學外，還應該具有軟件創新、科研的應用環境。

學校利用這個實驗平臺，成功地實現了全校計算機基礎操作類課程的機考，改變了過去計算機基礎課程的紙試卷量大、成績評定時間較長、試卷重復性等弊病。現在已經建立了較完整的計算機基礎知識題庫，庫中有10多套試題，任課教師可以根據需要任意構建試卷，實現了現場考試、現場評卷［11－12］。

2.4 云計算實驗平臺

云計算是一項較新的計算機綜合應用技術，是在分布式處理（distributed computing）、并行處理（parallel computing）和網格計算（grid computing）的基礎上發展起來的，它可以按照需要部署計算資源，用戶通過終端遠程連接來獲取存儲、計算、數據庫等計算資源，而用戶只需按使用的資源付費。

在計算機應用中，實現學校的云計算就是把學校原來的計算機教學實驗服務器通過相應的虛擬化軟件處理后接入具有云計算功能的服務器資源池（見圖3），這個服務器資源池也稱為“服務器集群”或“云”，各實驗室用戶終端通過網線、借助瀏覽器就可以很方便地訪問某一物理服務器“云”。

圖3 云計算實驗室的架構示意圖

云計算在資源分布上包括“云”和“云終端”。“云”包括互聯網或大型服務器集群，它由分布的互聯網設施（網絡設備、服務器、存儲設備、安全設備和通信設備等）和應用軟件、數據等構成。“云終端”則是用戶的PC機、手機、車載電子設備等，只需一個功能完備的瀏覽器并安裝一個簡單的操作系統，通過網絡接入“云”，就可以隨心地使用“云”的計算資源。

由于云計算所提供的服務不同，通常把云計算構建分為云計算基礎子系統、云計算平臺服務子系統、云計算軟件服務子系統、云計算API子系統和互動平臺子系統。

（1）云計算基礎子系統。這類云計算采用新興的共享基礎構建方法，提供底層的技術平臺以及核心的云服務，它可以將巨大的系統池連接在一起以提供各種IT 服務。這種云計算服務結構支撐起整個互聯網的虛擬中心，能夠將內存、I／O 設備、存儲和計算能力集中起來，成為一個虛擬的資源池，為整個網絡提供服務。此類架構可以完成科研和研究生上機操作。通常，云計算實驗平臺應該具有如圖4所示的功能。

（2）云計算服務子系統。這類云計算通常稱為平臺即服務PaaS（platform as a service），它為用戶提供開發環境。用戶可以使用供應商的基礎構建來開發自己的應用程序，然后通過網絡從供應商的服務器上傳給程序用戶。

（3）云計算軟件服務子系統。這類云計算通常稱為軟件即服務SaaS（software as a service）。SaaS是隨著互聯網技術的發展和應用軟件的成熟而興起的一種完全創新的軟件應用模式。它通過瀏覽器把程序傳送給用戶。從用戶的角度，這樣可省去在服務器、軟件方面的若干費用；從供應商的角度看，只需要維持一程序就能滿足用戶需求，可減少維護成本。

圖4 云計算實驗平臺具有的功能示意圖

（4）云計算API子系統。這類服務供應商提供API（application programming interface），讓開發者能夠開發更多基于互聯網的應用，幫助開發商拓展云計算的功能和服務，而不是只提供成熟的應用軟件。它是面向服務的體系結構（service－oriented architecture，SOA），是一個組件模型。它將應用程序的不同功能單元（稱為服務）通過這些服務之間定義良好的接口和契約聯系起來。

（5）互動平臺子系統。為用戶與提供服務的商家之間的互動提供一個平臺，雙方利用這個平臺完成網絡計算服務、網絡存儲服務等。在教學中，師生可以通過此平臺進行實驗教學、答疑、作業的提交和批改。

為節省費用，在搭建云計算平臺實驗室時，可以根據情況選擇某一種類型的云計算平臺構建，在原來已有的PC機的基礎上，增加相應的服務器、網絡設施等就可以搭建云計算平臺，再安裝相關軟件，就可以讓師生通過訪問、學習，達到計算機實驗教學的目的。

2.5 實驗管理平臺

該部分主要是從技術維護和行政管理的角度，使學校的教務、設備管理等部門實時了解各計算機實驗室的使用情況、設備狀態，并為各計算機實驗設備使用者提供設置登錄UID、防火墻、系統的維護等服務；建立各類管理上的規章制度，讓設備處于最佳的狀態，提高資源的利用率［13］。

3 結束語

隨著信息技術的高速發展和應用，特別是物聯網、云計算等新一代IT 技術的發展和應用，對開發和應用型人才的業務能力提出了更新、更高的要求，高校的計算機實驗教學對于培養學生的動手能力就顯得比以往更為重要。學校要把扎實的專業基礎知識與先進的應用技術教給學生，讓他們通過計算機專業的實驗教學，進一步把計算機系統的理論與實際應用緊密結合起來，夯實理論基礎，增強實際動手能力。

有不少學校把4年的大學教育劃為“3＋1”培養方案，即學生用3年時間完成所需要理論知識的學習，用1年的時間進行各種實習實訓，以“能力為重”。這樣做的目的就是為社會培養有系統理論基礎和工程實踐能力、具備可持續發展和創新精神的應用型科技人才和技術領軍型人才。

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