信息化時代的教學(xué)環(huán)境建設(shè)

魯立軍， 高子萍

(北京聯(lián)合大學(xué) 教務(wù)處 現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)中心， 北京 100101)

信息化時代的教學(xué)環(huán)境建設(shè)

魯立軍， 高子萍

(北京聯(lián)合大學(xué) 教務(wù)處 現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)中心， 北京 100101)

近幾年，隨著云計算技術(shù)不斷進步，桌面虛擬化的應(yīng)用也逐漸受到教育行業(yè)特別是多媒體教學(xué)的青睞，通過實際的部署應(yīng)用，桌面虛擬化技術(shù)解決了多媒體教學(xué)系統(tǒng)管理中所遇到的諸多問題，既增強了計算機系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，又提高了應(yīng)用軟件的部署效能，極大緩解了管理人員繁重復(fù)雜的系統(tǒng)維護工作。

云計算； 桌面虛擬化； 多媒體教學(xué)； 涓流技術(shù)

1 云計算和桌面虛擬化

20世紀(jì)60年代，美國科學(xué)家約翰·麥卡錫首先提出了云計算概念。麥卡錫提出：“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”。目前，云計算被看作繼個人電腦和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)變革后的第三次信息技術(shù)革命。

1.1 云計算和桌面虛擬化的概念

云計算是基于互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的數(shù)據(jù)計算模式。通過網(wǎng)絡(luò)共享，向計算機終端和其他應(yīng)用設(shè)備提供可用的、可靠的、便捷的軟硬件資源，而這種個性化的資源配置，完全是按照用戶各自的需求提供的。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[1]。

桌面虛擬化技術(shù)是云計算系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一，是在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，按照用戶對使用環(huán)境和資源調(diào)用的不同而發(fā)展起來的，它是一種面向用戶終端的應(yīng)用技術(shù)，通過服務(wù)器和一系列軟硬件的支撐，將虛擬化的桌面和應(yīng)用集中推送到計算機用戶終端。桌面虛擬化技術(shù)可以使用戶在硬件環(huán)境不受限制的前提下，在任何時間、任何地點，使用自己專屬的桌面環(huán)境和系統(tǒng)資源[2]。這種利用虛擬化操作系統(tǒng)的技術(shù)，將以往分散的計算機管理模式改變?yōu)榧泄芾怼倪@個意義上講，桌面虛擬化也增強了系統(tǒng)維護的方便性和可靠性。

1.2 云計算的技術(shù)核心和技術(shù)特點

對云計算技術(shù)核心的表述主要是在系統(tǒng)構(gòu)架的屬性和系統(tǒng)設(shè)計理念等方面，是對系統(tǒng)框架內(nèi)軟硬件資源在云計算技術(shù)的層次結(jié)構(gòu)中所屬地位的說明。從云計算的技術(shù)核心角度來分，標(biāo)準(zhǔn)的云計算技術(shù)包含：物理屬性資源、虛擬化屬性資源、服務(wù)管理和服務(wù)接口4部分(見圖1)[3]。

圖1 云計算技術(shù)層次劃分

云計算有以下技術(shù)特點[4]。

(1) 高效的資源利用率。云計算是把數(shù)據(jù)的運算資源整合在一個公共端，終端通過共享資源的方式獲得應(yīng)用服務(wù)，最大限度地提升了資源利用效率。

(2) 降低硬件環(huán)境限制。虛擬化技術(shù)將原本相互關(guān)聯(lián)的軟硬件資源隔離開來，減少了對硬件環(huán)境的限制，從而降低對設(shè)備的依賴程度，提高終端操作的靈活性。

(3) 服務(wù)接口擴容性強。通過服務(wù)接口允許用戶添加擴展設(shè)備和進行數(shù)據(jù)遷移。

(4) 彈性的資源配給。在需求不均衡的狀態(tài)下，為用戶終端提供階段性服務(wù)，這種彈性的資源配置方式方便用戶得到任意共享資源。

1.3 桌面虛擬化技術(shù)

桌面虛擬化技術(shù)完全依賴于網(wǎng)絡(luò)，它采用網(wǎng)絡(luò)推送方式，將服務(wù)器中安裝的各種系統(tǒng)和應(yīng)用，按用戶的實際需求提供給終端用戶。所有終端計算機采用網(wǎng)絡(luò)啟動模式，開機后直接接收由服務(wù)器端推送的系統(tǒng)資源。因此可以看出，桌面虛擬化是云計算區(qū)別于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)計算模式的主要特征[5]。

隨著虛擬化技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬化概念已經(jīng)延伸到IT技術(shù)的多個層面。目前，虛擬化技術(shù)主要包括：完全虛擬化、準(zhǔn)虛擬化、操作系統(tǒng)層虛擬化、硬件虛擬化和應(yīng)用虛擬化等[6]。

2 多媒體教學(xué)系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)和問題

北京聯(lián)合大學(xué)是一所北京市屬綜合性普通高等院校，具有工、理、管、文、經(jīng)、法、教、藝、農(nóng)、醫(yī)等10個學(xué)科門類，66個本科專業(yè)，全日制在校生近3萬人。學(xué)校下屬14個學(xué)院，分布在北京6個城區(qū)、12個校區(qū)，具有學(xué)科專業(yè)門類齊全、辦學(xué)規(guī)模大、辦學(xué)地點分散的特點。多年來，多媒體教學(xué)系統(tǒng)一直是支撐本校教學(xué)活動的重要環(huán)節(jié)，僅以校本部北四環(huán)校區(qū)為例，每學(xué)年設(shè)備使用率一直保持在90%以上(見表1)。多媒體教學(xué)系統(tǒng)要保證安全無故障運行，滿足不同專業(yè)任課教師授課的需要，電教管理人員的管理和系統(tǒng)維護工作很繁重。

表1 2009—2012學(xué)年北四環(huán)校區(qū)多媒體教室的使用率

注：(1) 此利用率統(tǒng)計方法參考實驗室使用率計算方法，自行制定； (2) 使用率=(多媒體教室實際使用課時數(shù)/(每周課時數(shù)×教學(xué)周×多媒體教室數(shù)))×100%；每周課時數(shù)為36，每學(xué)期按教學(xué)20周計，多媒體教室數(shù)為130間； (3) 非教學(xué)課時包括：第二課堂、成人教育、學(xué)生課外活動及各類臨時性設(shè)備使用。

2.1 多媒體教學(xué)系統(tǒng)的服務(wù)和支持問題

在我校多媒體教學(xué)系統(tǒng)中，教室端計算機軟硬件維護維修的工作量是最大的。由于多媒體教室數(shù)量多達130間，且計算機操作人員水平參差不齊，給管理工作帶來了不小的難度。圖2為筆者根據(jù)日常工作統(tǒng)計得到的不同多媒體設(shè)備維修工作量所占比例。

圖2 教室多媒體設(shè)備維修比例

2.2 現(xiàn)有技術(shù)管理計算機系統(tǒng)效率低下問題

近年來，我校通過改善辦學(xué)條件，不斷提升教育教學(xué)品質(zhì)，多次購置了現(xiàn)代化教學(xué)設(shè)備。隨著多媒體教學(xué)計算機數(shù)量的不斷增多，現(xiàn)有的針對計算機系統(tǒng)管理的解決方案顯得越來越不適用，而且效率較低。例如，在引進桌面虛擬化技術(shù)之前，為保證計算機系統(tǒng)不被外來病毒和間諜軟件入侵，常用的方法是安裝保護卡。但是，各種保護卡都或多或少地存在與計算機硬件不兼容的問題，加之有些保護卡質(zhì)量不佳(例如保護卡的金手指與主板插槽接觸不良)，影響了計算機的正常使用。為解決此類問題，筆者嘗試用聯(lián)想EDU軟件系統(tǒng)(即“軟保護”)替換了硬件保護卡。雖然此類EDU系統(tǒng)可極大改善之前由硬件保護卡帶來的諸多計算機啟動問題，但其本身的不穩(wěn)定性更是致命的。

2.3 教學(xué)軟件運行環(huán)境的多樣化問題

操作系統(tǒng)是支持計算機使用的最重要的軟件[7]。北京聯(lián)合大學(xué)具有學(xué)科種類繁多、專業(yè)類型多的特點，下屬各學(xué)院任課教師在自己專業(yè)課的講解過程中需要用到不同的軟件，而軟件的運行環(huán)境也各不相同。有些運行環(huán)境是我們熟知的32位Windows XP，有些軟件則需要在32位或64位的Windows 7或Linux下運行。在一臺計算機上實現(xiàn)多個操作系統(tǒng)安裝并不困難，但會帶來計算機系統(tǒng)維護的困難。因為多操作系統(tǒng)安裝一般比較脆弱，一旦系統(tǒng)崩潰，很難通過鏡像的方法備份還原，并且計算機的穩(wěn)定性也很難保證。而一臺運行不穩(wěn)定的教學(xué)計算機，對于多媒體管理者來說無異于一枚定時炸彈。

2.4 教學(xué)用計算機的軟件安裝及系統(tǒng)更新問題

教室端計算機的軟件安裝和系統(tǒng)實時升級是一項比較繁瑣的工作。面對100多臺分散且型號不同的教室多媒體電腦，要在第一時間完成所有的應(yīng)用安裝，且保持計算機系統(tǒng)的同步，的確是件費時費力的工作。由于課時較多、多媒體教室的使用率高，有些計劃內(nèi)的系統(tǒng)維護工作必須加班才能完成；又由于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境復(fù)雜，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)同傳基本不可能，只能一臺一臺電腦單獨進行操作。例如卡巴斯基Key文件更新這樣的操作，有時都要持續(xù)半個月的時間才能完成，這樣的工作效率是無法滿足現(xiàn)代教學(xué)系統(tǒng)管理需要的。為保證教師正常授課，需要通過技術(shù)手段實現(xiàn)后臺的軟件安裝和系統(tǒng)更新，在不被打擾的情況下完成所有的應(yīng)用部署，既提高管理人員的工作效率，又能降低系統(tǒng)運營成本。

3 桌面虛擬化在多媒體教學(xué)系統(tǒng)中的實現(xiàn)

多媒體教學(xué)系統(tǒng)的資金投入是巨大的，應(yīng)當(dāng)在教學(xué)中得到充分利用；長期使用的教學(xué)用計算機，更需要一種高可靠性、高穩(wěn)定性、簡單靈活的管理技術(shù)[8]。

3.1 桌面虛擬化的方案設(shè)計

2013年，我校新建綜合實訓(xùn)樓順利竣工。新綜合實訓(xùn)樓內(nèi)設(shè)41間多媒體教室，有完善的基礎(chǔ)配套設(shè)施。為配合多媒體教學(xué)系統(tǒng)桌面虛擬化方案的順利實施，避免數(shù)據(jù)中心向云計算發(fā)展時的帶寬瓶頸，樓內(nèi)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)升級為萬兆主干網(wǎng)絡(luò)，千兆到桌面，采用6A類網(wǎng)線互聯(lián)。

我校多媒體教學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用桌面虛擬化技術(shù)的設(shè)計目標(biāo)是：要在保證桌面運行速度、運行效能、軟硬件兼容性以及用戶體驗感和操作習(xí)慣沒有任何改變的前提下，實現(xiàn)對教學(xué)用計算機管理效率的有效提升，同時簡化系統(tǒng)應(yīng)用的部署環(huán)節(jié)，提高系統(tǒng)應(yīng)用的靈活性，增強對數(shù)據(jù)的保護能力，提高資源利用率[9]。

3.2 桌面虛擬化的實現(xiàn)目標(biāo)

我校綜合實訓(xùn)樓多媒體教學(xué)系統(tǒng)在桌面虛擬化項目實施后，根據(jù)方案設(shè)計，要求最大限度地改善目前教學(xué)用計算機管理中的問題，并能夠達到以下目標(biāo)：

(1) 簡化多媒體教學(xué)系統(tǒng)中教室端計算機的管理，提高桌面虛擬化系統(tǒng)應(yīng)用的部署效率，實現(xiàn)操作系統(tǒng)與終端硬件的無關(guān)性[10]，最終實現(xiàn)跨網(wǎng)段計算機的統(tǒng)一管理；

(2) 對教室端計算機操作系統(tǒng)進行統(tǒng)一管理和維護，通過應(yīng)用桌面虛擬化系統(tǒng)平臺，依托本地計算機資源，為多媒體教室計算機提供高性能、個性化的桌面服務(wù)，既減少管理人員的工作量和管理難度，又能為師生安裝需要的應(yīng)用軟件提供方便[11]；

(3) 充分利用教室端計算機本地硬盤，解決目前一些虛擬化產(chǎn)品對網(wǎng)絡(luò)及后臺服務(wù)器依賴過高的問題，在特殊情況(如斷網(wǎng))下，前端計算機可以獨立運行，并實現(xiàn)向前端PC推送多操作系統(tǒng)的能力[12]；

(4) 在不重新批量安裝操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件的前提下，批量升級操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件，同時安裝新的應(yīng)用程序；

(5) 系統(tǒng)兼容性強，能夠完全兼容Windows 32位/64位全系列操作系統(tǒng)、Linux 32位/64位全系列操作系統(tǒng)，以滿足未來教學(xué)的需求。

4 多媒體教學(xué)系統(tǒng)桌面虛擬化方案的實施

4.1 系統(tǒng)概述

系統(tǒng)采用先進的且負(fù)載均衡的桌面虛擬化技術(shù)，配有雙機熱備功能的dawnstor服務(wù)器管理端，通過2臺專用服務(wù)器實現(xiàn)數(shù)據(jù)備份，確保當(dāng)一臺服務(wù)器出現(xiàn)故障時，在不需要人工干預(yù)的情況下，自動由另一臺服務(wù)器持續(xù)提供服務(wù)，該雙機熱備系統(tǒng)解決了在主服務(wù)器故障時服務(wù)不中斷的問題，從而不會影響正常教學(xué)的使用。

所有多媒體教室分別位于東、西兩棟配樓內(nèi)，它們的IP地址分屬于兩個VLAN：東棟配樓(A區(qū))IP地址歸屬于VLAN 3，西棟配樓(B區(qū))IP地址歸屬于VLAN 2，服務(wù)器IP地址歸屬于西棟配樓(B區(qū))VLAN 2(見圖3)

圖3 多媒體教學(xué)系統(tǒng)桌面虛擬化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

4.2 系統(tǒng)應(yīng)用描述

目前，桌面虛擬化系統(tǒng)中部署有2個操作系統(tǒng)鏡像，分別是Windows XP和Windows 7，其中Windows XP系統(tǒng)鏡像大小40 GB，Windows 7系統(tǒng)鏡像大小50 GB(教室端計算機采用統(tǒng)一品牌和型號的聯(lián)想商用電腦)。專用服務(wù)器根據(jù)軟件設(shè)定的多個操作系統(tǒng)，在教室機硬盤上創(chuàng)建相應(yīng)的緩存，并采用涓流技術(shù)在后臺進行數(shù)據(jù)傳輸，保持服務(wù)器與教室機數(shù)據(jù)同步。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸完畢且網(wǎng)絡(luò)中斷后，由于教室端計算機硬盤數(shù)據(jù)和服務(wù)器鏡像數(shù)據(jù)是一致的，因此通過高速緩存定位就可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和本地系統(tǒng)的切換。

系統(tǒng)部署情況如下：

(1) A區(qū)2間教室(A201、A207)使用短焦投影機和電子白板，分別裝有Windows XP/7雙操作系統(tǒng)，以及電子白板驅(qū)動；

(2) B區(qū)有3間教室(B401、B406、B409)為錄播教室，其中B401、B406安裝大洋錄播系統(tǒng)，B409安裝翰博爾錄播系統(tǒng)，這3間教室分別裝有Windows 7操作系統(tǒng)和錄播系統(tǒng)軟件；

(3) 其余36間教室的多媒體設(shè)備構(gòu)成相同，都裝有Windows XP/7雙操作系統(tǒng)，并且都裝有本地系統(tǒng)備份。

4.3 系統(tǒng)技術(shù)描述

在綜合實訓(xùn)樓多媒體教學(xué)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集中管控平臺架構(gòu)中，把所有教室端的桌面應(yīng)用交給服務(wù)器控制。服務(wù)器將桌面配置文件存放在特定的文件格式緩存中；管理員按照課程要求進行桌面環(huán)境的推送。該系統(tǒng)構(gòu)架可容納多個操作系統(tǒng)，并形成多個軟節(jié)點，管理員可以根據(jù)教師授課內(nèi)容，指定其相應(yīng)的操作節(jié)點，電腦啟動后會自動進入指定的應(yīng)用環(huán)境。如果系統(tǒng)出現(xiàn)任何問題，同樣可以在極短的時間內(nèi)，通過對軟節(jié)點操作，將系統(tǒng)恢復(fù)到初始狀態(tài)。

虛擬桌面系統(tǒng)一般依托網(wǎng)絡(luò)運行。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中斷時，系統(tǒng)通過熱切換技術(shù)自動調(diào)用教室機本地硬盤緩存區(qū)的加密數(shù)據(jù)，依托本地硬盤繼續(xù)支持計算機的使用，而不會影響教師正常授課。

4.4 系統(tǒng)運行效果

北京聯(lián)合大學(xué)綜合實訓(xùn)樓多媒體教學(xué)系統(tǒng)桌面虛擬化項目于2013年10月完成，工程歷時3個月。通過一個學(xué)期的實際運行，初步實現(xiàn)了該系統(tǒng)的既定設(shè)計目標(biāo)。從實際使用看，該系統(tǒng)的運行效果比較令人滿意(見表2)。

表2 過去和現(xiàn)在系統(tǒng)維護狀態(tài)對比

(1) 保護計算機穩(wěn)定運行。DawnStor桌面虛擬化系統(tǒng)為教師機提供了一個安全穩(wěn)定的運行平臺，通過底層還原技術(shù)可以在瞬間解決由病毒、誤操作、文件碎片等造成的藍屏、死機、系統(tǒng)運行緩慢等問題。

(2) 保證計算機性能。DawnStor桌面虛擬化系統(tǒng)擁有本地高速緩存機制，桌面所使用的數(shù)據(jù)全部緩存在教師機本地硬盤，本地的I/O讀寫保證了計算機性能，更避免了對網(wǎng)絡(luò)帶寬的大量占用。目前，我校綜合實訓(xùn)樓多媒體教室用機所使用的系統(tǒng)鏡像，均可在1 min以內(nèi)完成啟動。

(3) 減少工作量。DawnStor桌面虛擬化系統(tǒng)對所有多媒體教師機集中化管理，統(tǒng)一制作操作環(huán)境、統(tǒng)一部署，在不影響其他客戶機使用的前提下完成系統(tǒng)快照維護，管理人員只需要在辦公室即可完成所有軟件及系統(tǒng)的維護任務(wù)。

(4) 提升了計算機系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。通過2臺專用服務(wù)器雙機熱備的方式，保障計算機系統(tǒng)安全運行，加之配合本地、網(wǎng)絡(luò)雙系統(tǒng)模式，最大限度地保障了教學(xué)工作的正常進行。

5 結(jié)束語

通過北京聯(lián)合大學(xué)多媒體教學(xué)系統(tǒng)桌面虛擬化項目的實施，真切地感受到桌面虛擬化平臺的價值體現(xiàn)、動態(tài)監(jiān)測帶來管理效率的提高。當(dāng)今，中國的教育信息化已經(jīng)進入一個高速發(fā)展的階段，云計算的蓬勃發(fā)展，帶動了桌面虛擬化技術(shù)的不斷完善。以教育信息化擴大優(yōu)質(zhì)資源覆蓋面，加快促進信息技術(shù)和教育教學(xué)的深度融合，是現(xiàn)代教育技術(shù)工作者今后工作的重要任務(wù)。

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Construction of teaching environment in informationization age

Lu Lijun, Gao Ziping

(Modern Educational Technology Center, Educational Administration Department,Beijing Union University, Beijing 100101, China)

In recent years, with the cloud computing technology continuously to progress, the desktop virtualization is gradually used by the education industry, especially the favor of the multimedia teaching, through the actual deployment of applications, the desktop virtualization technology solves many problems encountered in the school multimedia teaching management system, which can not only enhance the stability of the operation of the computer system, but also improve the application software deployment effectiveness, greatly easing the management personnels’ heavy and complex system maintenance work.

cloud computing; desktop virtualization; multimedia teaching; trickle technology

2015- 03- 13 修改日期：2015- 04- 07

魯立軍(1975—)，男，北京，碩士，工程師，北京聯(lián)合大學(xué)現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)中心副主任，研究方向為現(xiàn)代教育技術(shù).

E-mail：macllj1@163.com

G642.4；TP391.9

B

1002-4956(2015)9- 0128- 04