開放共享的實驗教研環境建設與應用研究

王　健, 王宏偉, 韓少鋒

(中央財經大學 教學技術服務中心, 北京　100081)

?

開放共享的實驗教研環境建設與應用研究

王健, 王宏偉, 韓少鋒

(中央財經大學 教學技術服務中心, 北京100081)

闡述了經濟與管理實驗教研環境開放共享的必要性,分析了目前高校教研環境開放共享的現狀和存在的不足。以中央財經大學國家級實驗教學示范中心自主研發的彩云教學平臺建設和應用為例,分享了利用虛擬化技術實現實驗教研環境開放共享的經驗,展示了虛擬化技術在實驗教研領域的優點以及教研環境開放與共享對促進學生學習的積極作用。

虛擬化技術； 開放共享； 實驗教研環境與資源

近年來,高等院校迎來了90后甚至更加年輕的學生群體,這個群體獲取信息的方式、學習模式和偏好都與過往代際有著顯著的差異[1],傳統獨立和封閉的教研環境已經不能完全滿足新生代學生的學習需求。如何利用虛擬化技術實現實驗教研環境的開放共享？實驗教研環境的開放共享會給學生學習帶來什么樣的影響？本文結合中央財經大學國家級實驗教學示范中心自主研發的彩云教學平臺的創新實踐進行研究。

1　開放共享的實驗教研環境建設的必要性

傳統的教學與研究環境包括教室、實驗室、圖書館等傳統的教學與研究實體空間和設施及其資源,通常,不同的實體空間承載不同的學習資源,服務不同的教學與研究活動,教師和學生需要根據不同的教學與研究任務在不同的實體空間轉換。隨著時代的變遷和高等教育對象的變化,傳統的教研環境的局限性開始凸現[2-3]。王健等(2015)以經濟管理實驗教學為例,闡述了學生代際變更對教研環境創新提出的新需求[1],主要表現在作為“數字原著民”,90后大學生對隨時隨地隨心安排教與學的需求變得更加強烈,不再滿足于在固定地點、固定時間用固定PC終端進行教與學,對能夠構建個性化的自主探究式學習環境的需求更加迫切[4-6]。根據對中央財經大學1 731名90后學生(包括本科生和研究生)的抽樣調查,90后學生對教研環境各主要要素的評價中,“學習資源隨時隨地可以獲取”的重要程度評價得分高居榜首,均值達到4.43分(5分為非常重要)。超過90%的學生認為學習資料隨時隨地可以獲取是重要的,其中,55%的學生認為非常重要,37%的學生認為比較重要(詳見圖1和圖2)。

圖1　90后學生對教研環境各要素重要程度的評價

圖2　學習資源隨時隨地可以獲取的重要程度

要實現90后學生最期待的“學習資源隨時隨地可以獲取”,隨時隨地開展個性化的自主探究式學習,需要傳統的教研環境從封閉和獨立走向開放和共享。對教研環境的開放共享可以有2個緯度的解讀,一個緯度是開放共享的內容,包括實體學習空間的開放共享和學習資源的開放共享,另一個緯度是開放共享的對象,包括對校內師生的開放共享和校際間及學校與業界機構間的開放共享。

縱觀高校近年來教研環境開放共享的現狀,從第一個緯度看,高校普遍開展的校園信息化正在使實體學習空間及其內部硬件設施(包括大型儀器)的全面開放和按需預約使用成為現實,在數字化學習資源的開放共享方面,已經較好地實現了數字化文獻和大部分非限定使用終端的數據庫資源,以及基于B/S架構的軟件系統共享,但對于限定在實驗室使用的數據資源以及非B/S架構的軟件,尤其是需要良好硬件支持的大型軟件開放共享方面進展較慢。此外,隨著大數據和云計算的發展,除了自然科學,社會科學領域也產生了對高性能計算的需求,對計算資源的開放共享需求與日俱增,但尚未引起充分的重視。從第二個緯度看,高校目前普遍的重點是針對校內師生的開放共享,而校際間以及學校與業界機構間的開放共享，從系統架構到實際應用都仍在探索之中[7]。

2　開放共享的實驗教研環境建設創新實踐

基于對高校實驗教研環境開放共享現狀的調研和需求分析,我校經濟與管理實驗教學中心在國家級實驗教學示范中心的基礎上,以自主研發的彩云教學平臺為依托,以開放與共享實驗教研資源為核心,以提高學生創新精神和實踐能力為宗旨,開始了實驗教研環境開放共享的創新實踐。

中心提出了“實驗室即服務”的理念,化實驗室為無形,使實驗室教研資源成為像電和網絡一樣可以讓師生觸手可及的無形資源。中心利用互聯網、虛擬化、云計算技術自主研發了包含教學服務云、科研服務云和基礎管理服務云在內的中央財經大學彩云教學平臺(技術架構見圖3),該平臺整合了實驗教學云桌面、科研云桌面、金融數據終端、各類實驗教學軟件、實驗室管理系統、通信系統等應用,突破傳統實驗室的時間和空間限制,實現了高度靈活的實驗教研資源的開放與共享[8-10]。

圖3　彩云教學平臺技術架構

具體來說,在虛擬實驗環境、軟件資源、數據資源、計算資源和存儲空間5個方面實現了資源的開放與共享。

2.1實驗環境開放與共享

基于虛擬化技術的彩云教學平臺具備5個特性,可以實現在網絡支持下,任何人在任何地點、任何時間的使用:

(1) 跨地域性。通過虛擬實驗環境的方式將實驗環境通過網絡的方式共享,全校師生都可以通過網絡來獲取自己擁有授權的實驗環境,打破了傳統PC將實驗環境固定在實驗室的場地限制。

(2) 跨時間性。通過虛擬實驗環境的方式可允許用戶7×24 h使用實驗軟件和數據,打破了傳統學生實驗只能在上課時間到實驗室應用相關教學軟件和數據的時間限制。

(3) 多終端訪問。用戶可通過手機、平板以及PC等終端來訪問虛擬實驗環境,解決了由于終端配置過低不能開展實驗的問題。

(4) 唯一性。用戶在任何時間、任何地點都可對同一個虛擬實驗環境進行訪問,可持續進行操作和運算,比如在學校沒有完成的實驗,回家之后可在原實驗任務上繼續進行。

(5) 零客戶端維護。虛擬化的系統架構替換了傳統的PC,將硬件事故率直降為零,維護管理人員通過管理中心的模板、快照、任務調度等功能提高工作效率,實現遠程處理終端問題。

2.2軟件資源開放與共享

傳統軟件部署需要在所有計算機上進行安裝并購買足夠的License軟件，License成本以及人工安裝的成本都非常高,彩云教學平臺則可以實現軟件授權在課程內和課題組內的共享。

(1) 軟件授權資源在課程內共享。通過軟件集中授權及云桌面的方式,只要在教學桌面模板中完成軟件部署,發布共享桌面即可,無須重復部署。

(2) 課題組內軟件共享。傳統科研或課題組是多人多臺計算機,不僅每臺計算機均需部署軟件,也很難實現課題組內的資料共享。通過建立科研云共享桌面,只需部署一臺服務器一套軟件,通過授權即可在課題組內共享此桌面,工作時相互間并不影響,節約軟件成本的同時提升資料的共享與協作效率[11]。

2.3數據資源開放與共享

經管實驗教學中,一些有限的數據終端使用受限于使用環境(如需要實驗室或高配置的硬件等),過去無法全天候開放給全校師生使用。彩云教學平臺通過池化技術及時間序列技術,將數據終端的申請、使用完全網絡化,同時可以根據需求提供給任何系統下的用戶,可達到如下效果:

(1) 降低成本,避免院系之間的重復購買。

(2) 提升資源利用率。通過對數據資源的共享,可允許用戶7×24 h訪問數據資源。

2.4計算資源開放與共享

彩云教學平臺通過對計算資源的整合和虛擬化,構建了統一的計算資源池,可以實現:

(1) 計算資源統配通用即取即用。用戶通過在線申請的方式申請資源,彩云教學平臺即時從計算資源池中統一調配資源分配給用戶,用戶申請周期結束后,彩云教學平臺對資源動態回收,無需人工干預。資源使用期間,如果用戶離線或無操作,對計算資源池基本無損耗,保障資源的高利用率。

(2) 高性能計算資源的開放與共享,校內外學生都可使用。彩云教學平臺通過將高性能計算資源云化,實現了高性能計算資源的共享,所有用戶都可通過云桌面的方式使用高性能計算資源,突破了傳統高性能運算在固定使用地點和時效性方面的限制[12-13]。

2.5存儲空間開放與共享

彩云教學平臺對存儲空間的保障主要包括通過磁盤虛擬化保證系統空間和通過NAS保證文件空間2種方式:

(1) 磁盤虛擬化保證系統空間。通過磁盤虛擬化的方式可提升磁盤空間的使用率,按照傳統存儲磁盤分配方式,給某一應用系統或服務器分配磁盤之后,空間即標記為占用。通過池化方式實現的存儲磁盤供給,存儲空間的利用率取決于2個卷實現的空間占用,不受預分配的限制,節省大量磁盤空間,提升存儲系統的利用率。

(2) NAS存儲保證文件空間。用戶文件對存儲的需求通過NAS來保障,通過與AD的集成,NAS存儲會為每個用戶提供一個數據空間,該數據空間通過組策略的方式在用戶登錄系統的時候掛載為系統的磁盤,盤符為Z盤。通過NAS存儲共享文件空間的方式，既保障了用戶在不同設備不同桌面間的數據傳輸,同時也為用戶數據提供了更為安全的保障。

盡管虛擬化技術在企業中的應用已較為成熟[12],但在高等教育教學和科研中的應用還不是十分廣泛,主要難點在于教學云桌面存在多周期性、多樣化和個性化的需求,并且對專業軟件虛擬化的要求也很高。我校教學技術服務中心的技術團隊進行了深入的需求調研和高強度的技術研發,攻克了云桌面整合、虛擬化存儲整合、全流程自定義、自動化部署等難題,整合了教學、科研、數據終端及實驗軟件應用等各個方面的使用需求,實現了實驗教研資源的申請受理、審批、部署、發放和回收全部自動化。教師和學生可以通過彩云教學平臺實現教研資源的在線申請,在網絡可達的條件下以云桌面為載體隨時隨地使用教研資源。在實驗教學上,同一門實驗課的學生可以通過中心分配的預裝該實驗課所需軟件和數據的云桌面實現教研資源共享,而且學生不限于本校,支持多校際合作教學。在科研上,通過彩云教學平臺為科研課題組配置科研共享服務器,共享軟件、數據、科研文檔以及計算資源,可以靈活地開展跨校、跨業界、跨國的科研合作。

基于虛擬化技術實現高度靈活的教研環境開放共享,還為高校實驗教研環境建設探索出一條新路,改變目前各家高校均全面建設教研資源的局面,各高校可將重點放在建設本校優勢學科的優勢教研資源,通過開放共享的方式實現高校間實驗教研資源的優勢互補,使各高校節約整體建設成本的同時,又能使用到最好的教研資源。

3　實驗教研環境開放共享應用效果分析

從2014年秋季學期開始,在實驗課教學中啟用彩云教學平臺,為師生提供開放共享的教研環境,師生可以在網絡可達的條件下隨時隨地開設實驗課并使用實驗室的所有教研資源,滿足跨學科的綜合型實驗和研究型創新實驗的需要,為培養新生代財經人才提供了個性化自主學習的環境。

3.1應用概況

2014—2015年,連續3個學期有31門課程通過彩云教學平臺進行實驗教學,為學校1 926名學生提供了開放共享的教研環境支撐(見表1)。

表1　使用彩云教學平臺教學的實驗課程表

數據顯示,在開放共享的教研環境下,實驗軟件及數據資源的利用率大幅提升,尤其顯示學生在晚上(傳統實驗室非開放時間段)的使用率非常高,教研資源的價值得到充分體現。

特別需要指出的是,通過彩云教學平臺能夠實現在傳統實驗室環境下無法實現的開放共享,滿足高層次的實驗教學對海量真實數據、高性能計算資源以及交叉學科實驗環境的需求。

實驗課“大數據分布式計算”即是受益于教研環境開放共享的典型案例。該課程是我校聯合北京大學等5所高校建立的大數據分析碩士培養協同創新平臺中的一門核心實驗課,由于跨校際開課,同時實驗數據量巨大,受限于計算能力和存儲空間,在傳統的教研環境下難以開展真實的大數據分析實驗。如今,彩云教學平為該實驗課提供了高性能計算環境和海量數據的存儲空間,實驗教師要求學生利用云桌面接入高性能計算平臺進行數據挖掘,并完成課程作業。同時,平臺靈活的開放共享特性，使得來自5所學校的學生能夠方便地在自己的學校通過云桌面使用我校的高性能計算資源。

此外,我校還有部分教師在彩云教學平臺高性能計算資源的支持下開展高頻交易的研究和數據挖掘與商務智能領域的科研工作,以及統計與數學學院4支學生團隊利用彩云教學平臺的高性能計算資源參加360金融數據分析大賽和阿里巴巴天池大數據競賽。彩云教學平臺共為上述科研活動提供了5臺高性能計算節點(每臺2顆8核CPU128G內存)、4臺分布式文件存儲節點、完整的統計和計算軟件及開發環境,通過部署分布式計算任務排隊以及資源分配系統將主要計算任務集中在周末和夜晚,充分利用資源又不與教學沖突,用戶可以依照計算需求請求計算資源,8個月完成超過9萬h CPU計算量。

3.2應用效果調查

基于虛擬化技術的教研環境開放共享受到了師生的普遍歡迎,尤其對95后為主的新生代大學生,充足且方便獲取的教研資源大大激發了其主動探索的創新精神。在2014—2015學年的2個學期期末,對使用彩云教學平臺學習的學生進行了問卷調查。調查結果顯示,對彩云教學平臺帶來的好處得到肯定最多的3個方面，分別是突破時空限制、預裝應用軟件、可使用不易用到的數據終端(見圖4)。對于學習的影響,學生反饋非常正面,超過70%的學生認為開放共享的教研環境讓學習更加便利、課程接收的信息量更多、能督促學習、有助于培養探索鉆研精神、提高動手分析問題和解決問題的能力、專業技能有所提高(見圖5)。95%的學生均表示愿意繼續使用彩云教學平臺,其中56%表示非常愿意。

圖4　彩云教學平臺給學生帶來的好處

圖5　開放共享的實驗教研環境對學生學習的影響

4　結語

虛擬化和云計算技術以及智能終端設備在教育領域的廣泛應用,使教育信息化進入了一個嶄新的發展階段。我校基于虛擬化技術自主研發的彩云教學平臺,整合實驗室各類資源,為師生提供開放共享的教研環境、推動實驗教學創新,對教師教學和新生代大學生學習產生了積極影響。

References)

[1] 王健,楊如冰,白學清,等.經濟與管理實驗教研環境創新初探[J].實驗技術與管理,2015,32(11):18-21,27.

[2] 張虹波,李玉順.教育資源共享環境及共享機制建設發展現狀研究[J].中國電化教育,2009(11):68-73.

[3] 胡小勇.教育信息化進程中區域性優質資源共建共享:理論框架與個案研究[J].電化教育研究,2010(3):48-53.

[4] 張寶君.90后大學生教育管理探微[J].學校黨建與思想教育,2009(3):75-76.

[5] 于家明.“90后”青年群體特點及教育對策探析[J].中國青年研究,2010(1):56-58.

[6] 王肇飛,彭家龍,王丹.“90 后”大學生思想特點及教育對策研究[J].甘肅科技,2009,25(16):152-154.

[7] 嚴繼昌.探討教育資源共享機制[J].中國遠程教育,2003(20):64-64.

[8] 楊華,王和,高福兵.基于服務器虛擬化技術構建教學實踐平臺[J].四川兵工學報,2010,31(9):108-110.

[9] 李宏儒.虛擬化技術在計算機實驗教學中的應用[J].實驗技術與管理，2010,27(5):90-92.

[10] 劉旭.虛擬化技術在高校數據中心建設應用的研究[J].中國教育信息化:高教職教,2010(6):33-34.

[11] 韓少鋒,白學清.淺析高校經管類實驗室軟件部署模式的發展階段與趨勢[J]. 計算機光盤軟件與應用,2014,17(7):73-74.

[12] 殷康.云計算概念、模型和關鍵技術[J].中興通訊技術,2010(4):18-23.

[13] 李國杰,程學旗.大數據研究:未來科技及經濟社會發展的重大戰略領域:大數據的研究現狀與科學思考[J].中國科學院院刊,2012,27(6):647-657.

Research on construction and application of opening and sharing experimental teaching and research environment

Wang Jian, Wang Hongwei, Han Shaofeng

(Education Technology Service Center, Central University of Finance and Economics, Beijing 100081, China)

This paper discusses the necessity of the opening and sharing of experimental teaching and research environment of Economics and Management,and analyzes the current situation and shortcomings of the opening and sharing of this environment in colleges and universities. Taking Caiyun teaching platform independently developed by National Experimental Teaching Demonstration Center at Central University of Finance and Economics as an example, this paper shows the experience about the sharing of experimental teaching and research environment by using virtual technology, and demonstrates the advantages of using virtual technology in experimental teaching and research field. The opening and sharing of experimental teaching and research environment play a positive role in promoting students’ learning.

virtualization technology; opening and sharing; experimental teaching and research environment and resource

10.16791/j.cnki.sjg.2016.10.057

2016-05-16

2014年度北京高等學校教育教學改革立項項目“新生代財經人才培養的教研環境研究——理念、技術和服務變革”(2014-ms078)；中央財經大學教育教學改革基金2014年度重點資助項目“現代教育技術在高校經管實驗教學中的應用研究”(201409)

王健(1961—),女,山東冠縣,本科,副教授,中央財經大學教學技術服務中心主任,研究方向為高等教育與教學技術、調查與統計分析.E-mail：wangjian@cufe.edu.cn

G642.0

A

1002-4956(2016)10-0227-05