基于混合云的高校實驗教學平臺建設模式研究

陳冬林，付 敏，陳 玲

（武漢理工大學電子商務與智能服務中心，湖北武漢 430070）

云計算是繼水、電、氣和通信之后的第5 效用（utility）［1］，用戶不需要購買軟件及硬件，只需通過互聯網即可隨時獲取“云”中的資源，按需請求資源、按實際用量付費。云計算的這種特性克服了企業軟硬件投資、IT 技術缺乏等問題，可以有效提升企業的信息化水平［2］。云計算在商業應用方面也取得了一定成功，例如Google、IBM 和Microsoft等IT 巨頭紛紛推出PaaS（Platform as a Service）服務，作為其新的利潤增長點，全世界有60多萬企業使用Salesforce的客戶關系管理SaaS（Software as a Service）。

云計算按照提供主體可以分為公共云和私有云。公共云主要是提供通用性的云服務，具有強大的可拓展性；私有云主要是企業或組織建立起的專用云服務，適合部署企業或組織的核心業務，以及存儲敏感數據；混合云則是將公共云和私有云結合起來的一種方式，旨在取兩者之長，既增強可拓展性也保證核心業務及數據的安全性。

2008年，上海師范大學黎加厚教授首次提出了“云計算輔助教學（CCAI）”及“云計算輔助教育（CCBE）”的概念［3］，把云計算技術引入到教育教學中。云計算與教育的結合，將成為未來教育的發展趨勢。

云計算的實驗教學模式突破了傳統實驗教學受到的時間和空間的限制，使學生可以根據自己的實際情況，在任何時間、任何地點選擇實驗、進行實驗操作。國內外大學都開始重視基于云計算的實驗教學研究:IBM于2007年在卡內基美隆、麻省理工、斯坦福、加州大學柏克萊分校等院校建設了基于云計算的實驗教學平臺，為教師和學生提供了易于擴展的高性能的資源使用平臺；Eucalyptus（elastic utility computing architecture for linking your programs to useful systems）是由美國加利福尼亞大學開發的一個開源的軟件基礎架構［4］，用于在Cluster上實施云計算，旨在為學術研究團體提供一個云計算系統的實驗研究平臺［5］。國內基于云計算的實驗教學工作也開始起步:繼“Google101”計劃之后，Google先后與中國臺灣大學、臺灣交通大學以及清華大學開展了云計算項目研究，在現有的計算資源上構建私有云計算實驗環境；湖南省也提出了“基于云計算的資源共建共享型職教網絡服務體系”。

實驗教學作為高校教學過程中不可或缺的組成部分，在培養學生實際操作能力和創新精神方面發揮著至關重要的作用，然而目前國內的很多高校實驗教學環節存在著諸多問題，如實驗教學資源分布不均、更新慢、利用率低、資源共享不足、管理模式落后等，這使得高校的實驗教學成為薄弱環節，不利于人才的培養［6］。因此，如何高效利用、整合現有的實驗教學資源，減少教學的成本，提高教學質量，是目前國內各高校面臨的難題［7］。

1 基于混合云的高校實驗教學體系設計

基于混合云的高校實驗教學體系從IaaS（Infrustructure as a Service）、PaaS和SaaS3個層次上分別采用第三方公共云、混合云和高校私有云多角色共同建設模式，有效地實現了產學研相結合、校際合作、校內整合的實驗教學資源建設與資源共享需求。基于混合云的高校實驗教學體系如圖1所示。

圖1 基于混合云的高校實驗教學體系

1.1 IaaS實驗資源服務

IaaS實驗資源服務是指基于各高校實驗教學硬件部署云服務。高校可以通過虛擬技術將自身的硬件資源池化，建立學校私有云，各私有云之間可實現資源共享［8］。此外，還可以考慮租用公共云IaaS服務提供商（如亞馬遜、惠普、微軟等）提供的基礎設施服務，按照實際所需租用服務器、存儲器、帶寬等，大大降低購置成本。將高校私有云與第三方公共云結合，搭建基于混合云的高校實驗教學平臺可以更好地服務于高校學生。高校私有云可以部署高校核心服務、存儲核心數據，公共IaaS服務的高可拓展性可以解決單個高校教學資源相對不足的問題［9］。

1.2 PaaS實驗平臺服務

PaaS實驗平臺服務是指中間件作為Platform 進行虛擬化，提供虛擬化的服務［10］。用戶既可以租用平臺上的中間件服務，也可以在配置好實驗環境的虛擬平臺上（如force.com）進行二次開發［11］，避免了在計算機開發設計類的實驗中安裝實驗工具、配置環境變量等一些冗雜的工作。在PaaS 實驗平臺上，既包括縱向的各種中間件虛擬平臺，如BPM 虛擬平臺、ESB虛擬平臺和WAS 應用虛擬平臺，還包括一些橫向公用功能，如中間件虛擬資源的動態調配，中間件虛擬環境的快速映像打包、部署、更新等。它是對應用平臺進行抽象、把應用平臺中間件進行虛擬化后，作為一個資源池進行管理分配，形成共享平臺或是應用平臺資源池。

1.3 SaaS實驗軟件服務

SaaS實驗軟件服務是指在混合云實驗室建設模式下，先由各高校按照某種規則提供自身的優質教學資源，然后再由云服務端進行整合后部署在服務端［12］。云服務端以Web Services方式向各高校用戶提供訪問接口，方便用戶獲取實驗資源。這種方式適用于高校專業性的實驗軟件，比如企業經營模擬系統、商務智能、銀行業務模擬系統等。某高校購買此類軟件資源部署到云環境的服務端供其他各高校共享，可以從中收取服務費。對于通用性的軟件服務，比如客戶關系管理CRM、企業資源計劃ERP、企業財務管理等可以租用在線的SaaS 服務，比如Salesforce 的CRM 軟件、金蝶公司旗下的友商網的在線進銷存系統、偉庫網的在線合同管理、在線記賬等服務，只需通過瀏覽器就可以享受此類服務，按照即用即付（payas－you－go）的方式付費即可［13］。

2 基于混合云的全國高校教育云平臺建設模式

“教育云”平臺建設模式如圖2所示。

圖2 “教育云”平臺建設模式

2.1 建設模式組成部分

基于混合云的全國高校“教育云”平臺建設模式主要包括以下3個部分:

（1）國家“教育云（公共云）”。以國家為單位負責對全國的資源引入、共享、管理與維護，是國家“教育云”體系的樞紐，國家“教育云”實現統一規范、統一戰線、同一空間、統一運營。國家“教育云”平臺的建設主要包括以下幾部分內容:①基礎設施建設:確定平臺覆蓋的范圍和支撐的能力；②平臺承建商選取:確定平臺建設方案；③中央電教館提供公益資源:平臺承建商負責引入；④整合內容提供商、設備制造商、業務服務商、應用開發商、平臺及系統集成商等教育產業鏈各環節優勢資源。

國家“教育云”平臺是全國各省市教育資源的匯聚，為用戶提供統一的門戶及平臺。它為各省提供教育資源的注冊和發現；支持各省應用的接入和呈現的管理；支持各省份的資源和應用在該平臺上的互遇。該平臺為開發者提供教育資源的目錄、搜索和基于教育資源的開發。

（2）區域“教育云（公共云）”。以區域為單位負責對本區域資源／應用進行接入管理與維護，負責接收國家“教育云”資源，并將國家數字教育資源向校園云推送。區域“教育云”平臺的建設模式主要包括以下幾部分內容:①建設覆蓋區域內、分布合理、開放開源的基礎云環境；②平臺承建商選取，確定平臺建設方案；③從國家“教育云”平臺引入資源和服務；④整合區域內內容提供商、設備制造商、業務服務商、應用開發商、平臺及系統集成商等教育產業鏈各環節的優勢資源。

區域“教育云”平臺主要負責教學活動的開展，保障教學活動正常進行。作為國家“教育云”虛擬平臺，區域“教育云”平臺應該從國家“教育云”同步教學資源，提供各省優質教育資源，并最終匯聚到中央。

（3）校園“教育云（私有云）”。該部分“教育云”以校園為單位，主要目的在于構建校園內部教學環境，負責接收區域云資源，并通過區域云接收國家優質資源，實現數字化教學。校園“教育云”平臺的建設主要包括以下幾部分內容:①網絡接入:即將校園網絡接入互聯網專線；②校園內網絡建設:使校園網覆蓋每個班級；③硬件環境實施:校園教育云的硬件環境主要包括電子白板、投影儀、錄像設備、服務器等配套設施的部署；④軟件環境部署:校園教育云的軟件環境部署主要指校園云軟件的部署。

建設校園“教育云”平臺的主要目的在于構建校園內部教學環境，同時負責接收區域云資源，并通過區域云接收國家優質資源，從而使得各高校實現數字化教學。

（4）國家云、區域云和校園云之間的交互。①國家“教育云”作為全國區域云的樞紐提供各省市教育資源的匯聚，為各個省份的資源和應用互聯互通提供平臺支撐；②區域云平臺通過與國家“教育云”的借口，從國家“教育云”同步教學資源，同時提供本區域的優質教育資源匯聚到國家“教育云”，并通過國家“教育云”將資源提供給其他區域；③校園“教育云”為區域“教育云”的資源提供了落地的平臺，并通過區域云接收或推動優質資源到國家“教育云”實現教育資源共建共享。

2.2 建設模式運營

為保證“教育云”平臺能夠持續穩定的發展，匯聚更多優質資源和服務，從而產生如下運行模式:

（1）多級購買模式:由政府購買基本資源和服務包，免費提供給教師和學生使用；教師和學生根據自身的需求，另行購買資源和服務。

（2）資源推送模式:通過用戶行為分析推薦教育資源，形成深度營銷。

（3）積分激勵模式:提供基于教育資源的共享互動，通過上傳激勵與積分（虛擬貨幣）兌換機制鼓勵用戶進行上傳分享，讓用戶不僅成為知識的獲取方，也成為資源的提供方，從而實現學習資源的良好運作。

（4）共建模式:吸引機構入駐，實現資源共建共享；通過市場機制促進教育良性發展。

3 結束語

將高校私有云與公共云結合建立基于混合云的高校實驗教學平臺，實現高校之間實驗教學平臺共建與資源共享，既節省了開支，又突破了傳統實驗教學時間與空間的限制，這種模式對教育領域，尤其是實驗教學領域具有深遠的影響。高校應充分發揮云計算在教育領域的優勢，努力探索開發更多的云計算教學應用，進一步在更大范圍內、更好地提高實驗教學效果。

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