智慧實驗云建設(shè)實踐

許正強(qiáng)

（廣東軒轅網(wǎng)絡(luò)科技股份有限公司）

智慧實驗云建設(shè)實踐

許正強(qiáng)

（廣東軒轅網(wǎng)絡(luò)科技股份有限公司）

針對傳統(tǒng)計算機(jī)實踐教學(xué)模式存在的實驗室維護(hù)繁瑣、管理效率低下、使用時空受限等缺點，從信息化建設(shè)的角度出發(fā)，探討智慧實驗云的建設(shè)實踐過程，為高校打造高水平的實驗室教學(xué)管理平臺。分析智慧實驗云的特色與優(yōu)勢，有效解決校園師生用戶與實驗室資源的供需問題，從而促進(jìn)實驗室信息化管理的轉(zhuǎn)型和升級。

實驗云；實踐；教學(xué)模式

0 引言

計算機(jī)實踐教學(xué)是高校特別是工科院校培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)鞏固理論知識，掌握科學(xué)方法，發(fā)現(xiàn)、分析、解決問題能力的重要環(huán)節(jié)。在數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化時代，傳統(tǒng)的實驗室教學(xué)方式的弊端正逐步顯現(xiàn)而面臨巨大的挑戰(zhàn)（圖1），主要表現(xiàn)為：實驗室機(jī)房維護(hù)工作繁瑣，管理分散，效率低下；機(jī)房設(shè)備重復(fù)投入，升級成本大；實踐環(huán)節(jié)需要配置各種軟硬件環(huán)境，實驗準(zhǔn)備過程繁瑣；無法及時準(zhǔn)確掌控學(xué)生學(xué)習(xí)過程與效果，難以對教學(xué)過程與質(zhì)量進(jìn)行量化準(zhǔn)確評價；系統(tǒng)易中病毒，數(shù)據(jù)安全得不到保障；不能滿足個性化的服務(wù)與管理需求；師生使用實驗室時空受限等[1]。

圖1 傳統(tǒng)實驗室面臨的挑戰(zhàn)

國家“十三五”規(guī)劃對教育信息化提出了新的要求，高校教學(xué)改革、課程改革、教學(xué)和管理模式創(chuàng)新勢在必行；實踐教學(xué)也必將向個性化、精細(xì)化、科學(xué)化的方向邁進(jìn)，實現(xiàn)人人皆學(xué)、處處能學(xué)、時時可學(xué)。國家《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020）》提出“建立國家教育云服務(wù)模式”，采用云計算技術(shù)，形成資源配置與服務(wù)的集約化發(fā)展途徑。規(guī)劃強(qiáng)調(diào)教育技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)力的作用，建設(shè)培養(yǎng)學(xué)生終身學(xué)習(xí)能力和平臺[2]。

云計算技術(shù)的快速發(fā)展，為解決上述實踐教學(xué)問題，將有限的實驗設(shè)備資源進(jìn)行最大化的、科學(xué)合理的分配利用提供了行之有效的途徑[3-4]。基于云計算技術(shù)搭建的實踐教學(xué)平臺可以將相應(yīng)的教育信息化資源虛擬化成龐大的云資源庫，以云資源庫為基礎(chǔ)向教師、學(xué)生提供泛在的教學(xué)服務(wù)。具體來說，云平臺根據(jù)教學(xué)需求對資源進(jìn)行組合，形成不同規(guī)格的虛擬機(jī)，最終以服務(wù)的方式為學(xué)生、教師提供遠(yuǎn)程虛擬實驗室，為實踐教學(xué)提供靈活、便利的技術(shù)支持[5]。虛擬實驗室可為全程互動的工程實踐教育提供全新的教學(xué)仿真環(huán)境，具有實驗環(huán)境開放、多元化、成本低廉等優(yōu)點[6]。

本文將以筆者承擔(dān)的智慧實驗云建設(shè)項目為依托，研究和實踐以云計算平臺為支撐的高校智慧實驗云建設(shè)，以課程資源化、管理智能化、教學(xué)靈活化為思路，構(gòu)建開放性實踐教學(xué)云服務(wù)，提升軟硬件資源利用率，優(yōu)化實驗室使用效益。該智慧實驗云平臺已經(jīng)成功應(yīng)用到某職業(yè)技術(shù)學(xué)院及某大學(xué)，從實踐上為云環(huán)境下高校實驗教學(xué)的實施提供了成功案例。

1 建設(shè)內(nèi)容

智慧實驗云平臺基于新一代的虛擬化和云計算技術(shù)，構(gòu)建虛擬仿真的實驗環(huán)境，模擬真實項目的實戰(zhàn)過程，達(dá)到專業(yè)教學(xué)與人才培養(yǎng)的雙重發(fā)展，即“真實項目的實戰(zhàn)就是教學(xué)，教學(xué)都是在真實項目的演練中完成”的效果，為高校打造高水平的實驗室教學(xué)管理平臺，提升學(xué)校的整體教學(xué)能力與人才培養(yǎng)質(zhì)量。

1.1 平臺建設(shè)原則

（1）可靠性：系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，保障正常運(yùn)行是智慧實驗云具有實用性的前提。

（2）擴(kuò)展性：智慧實驗云具備充分、靈活的適應(yīng)能力、可擴(kuò)展能力和升級能力。

（3）易用性：平臺建設(shè)便于各種日常維護(hù)工作，能夠方便地進(jìn)行軟件的重新配置、升級。

（4）安全性：平臺具備較強(qiáng)的遠(yuǎn)程訪問控制手段和防護(hù)措施，避免被外部不法人員攻擊。

1.2 智慧實驗云平臺架構(gòu)

智慧實驗云平臺采用超融合模式集中部署，提供虛擬資源池，通過云資源管理模塊實現(xiàn)底層計算、存儲與網(wǎng)絡(luò)資源的動態(tài)調(diào)度（圖2），通過集中化的實驗教學(xué)模塊實現(xiàn)對實訓(xùn)資源、教學(xué)及實驗環(huán)境進(jìn)行統(tǒng)一管理，具有很高的自適應(yīng)性和擴(kuò)展空間。

圖2 云化之路

圖3 平臺整體架構(gòu)

平臺整體架構(gòu)如圖3所示。

智慧云平臺采用多層次體系架構(gòu)。支撐硬件層是智慧實驗云服務(wù)的核心支撐層，包括采用了服務(wù)器、存儲設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，聯(lián)同云平臺層構(gòu)建的云計算服務(wù)基礎(chǔ)架構(gòu)。虛擬化軟件實現(xiàn)對底層的服務(wù)器硬件、存儲資源和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的虛擬化，然后通過系統(tǒng)智慧引擎（圖4），將計算資源、存儲資源、網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行調(diào)度、聚合，構(gòu)建新一代的資源中心，所有資源整合后在邏輯上以單一整體（虛擬機(jī)）的形式呈現(xiàn)，提供給應(yīng)用層。這些資源根據(jù)需要進(jìn)行動態(tài)擴(kuò)展和配置，應(yīng)用層各系統(tǒng)業(yè)務(wù)按需使用資源。

圖4 系統(tǒng)智慧引擎

1.3 智慧教育云平臺特色

（1）無縫終端接入

系統(tǒng)使用HTML5技術(shù)訪問教學(xué)桌面，所有實驗資源包及實驗環(huán)境均部署于云端，無需安裝任何客戶端和插件，即可在PC或移動終端自適應(yīng)適配，使得教學(xué)場所不受機(jī)房、網(wǎng)絡(luò)等硬件條件限制，極大的方便了教學(xué)活動的展開；實驗資源能夠在各個時間點使用，真正做到時時、處處可學(xué)。用戶使用PC或各種移動終端的Web瀏覽器聯(lián)網(wǎng)接入平臺教學(xué)管理門戶，通過統(tǒng)一身份認(rèn)證、訪問控制等安全策略控制后，即可使用云平臺各種虛擬云資源及云實訓(xùn)課程資源進(jìn)行學(xué)習(xí)和演練。

（2）資源智能預(yù)檢

為了最大程度保障實驗教學(xué)秩序，系統(tǒng)具備課前對系統(tǒng)軟硬件健康狀態(tài)及網(wǎng)絡(luò)連接性的課前智能預(yù)檢、預(yù)知和預(yù)防功能，從被動的故障事后處理向事前預(yù)防模式轉(zhuǎn)換，確保系統(tǒng)各項功能的有效性，保證課堂實驗教學(xué)正常、有序開展。

圖5 資源智能預(yù)檢示意圖

（3）智能排課

實現(xiàn)對學(xué)校教師、教室、班級，及課程的智能化信息管理，為用戶提供及時準(zhǔn)確的課程信息、快捷的課程查詢手段，能根據(jù)班級信息、教師信息、課程信息、資源需求信息快速的生成課表，并支持進(jìn)行手工調(diào)課。

圖6 智能排課示意圖

（4）無縫課程模板管理

將各種資源按照不同的使用規(guī)格，按需為用戶提供定制的課程資源模板，支持復(fù)雜類型的實驗課程，并提供眾多的實驗案例；系統(tǒng)提供模板的創(chuàng)建、修改、刪除等管理功能，教師、學(xué)生可以方便的生成課程模板、學(xué)習(xí)模板。

（5）資源靈活化配置與共享

系統(tǒng)提供統(tǒng)一預(yù)約平臺，使用者直接通過預(yù)約平臺一站式完成教學(xué)資源的申請使用過程。管理者只需完成流程審批過程，后臺過程由虛擬化管理平臺自動完成，無需干預(yù)（圖8）。借助云平臺，按需分配與調(diào)度計算資源，實現(xiàn)資源的靈活分配與共享。

圖7 無縫課程模板管理示意圖

圖8 智能實驗云教學(xué)資源預(yù)約使用流程

2 智能實驗云優(yōu)勢小結(jié)

（1）自由實驗

針對高校教學(xué)偏理論脫離實際、課后練習(xí)缺乏的痛點，實現(xiàn)理論知識與實際工作結(jié)合的綜合實驗實訓(xùn)課程，讓學(xué)生隨時隨地的實驗學(xué)習(xí)。

（2）創(chuàng)新實驗室

針對高校傳統(tǒng)教學(xué)模式單一局限的痛點，實現(xiàn)無設(shè)備實驗云模式，支持自帶終端自適應(yīng)接入，支持慕課、微課、翻轉(zhuǎn)課堂等新教學(xué)模式。

（3）便捷的維護(hù)性

針對傳統(tǒng)實驗室桌面維護(hù)、軟件更新帶來大量管理工作的痛點，實現(xiàn)Web門戶統(tǒng)一智能管理、更新與維護(hù)；便捷課程模版生成；課表自動發(fā)布資源。

（4）極高的穩(wěn)定性

針對傳統(tǒng)桌面實驗系統(tǒng)軟件過多導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定、收費軟件使用限制的痛點，實現(xiàn)多桌面環(huán)境智能匹配課程，資源自動發(fā)布回收打破固定機(jī)房限制。

3 結(jié)語

課程實驗建設(shè)是高校教學(xué)內(nèi)容的重要組成部分，但傳統(tǒng)計算機(jī)實驗方式具有管理和使用效率低下、資源浪費嚴(yán)重等問題。本文敘述了智慧實驗云平臺的建設(shè)實踐過程，平臺具有管理效率高、使用方便、功能易擴(kuò)展并且節(jié)約實驗環(huán)境的維護(hù)成本等特點，能夠有效解決校園師生用戶與實驗室資源的供需問題，因此具有良好的應(yīng)用和發(fā)展前景。該平臺目前已經(jīng)在某職業(yè)技術(shù)學(xué)院及某大學(xué)實施應(yīng)用，成功幫助高校深化實驗教學(xué)改革，推動云計算技術(shù)在高校實驗教學(xué)中的應(yīng)用，提升人才培養(yǎng)質(zhì)量。一些可直接預(yù)見的推廣場景包括：智慧校園云、智慧課堂、智慧機(jī)房、流動圖書館、智慧就業(yè)等，都可以將計算、存儲以及數(shù)據(jù)資源作為服務(wù)，通過網(wǎng)絡(luò)提供給教師和學(xué)生，促進(jìn)校園內(nèi)的各種形式的創(chuàng)新。

[1]曾明星,王曉波,周清平,郭鑫.基于云計算的軟件工程專業(yè)校企合作實訓(xùn)平臺構(gòu)建研究[J].現(xiàn)代教育技術(shù),2013(1):107-112.

[2]計世資訊.中國教育行業(yè)云計算應(yīng)用白皮書[EB/OL],2015-09-03.http://www.ccwresearch.com.cn/white_book_detail.htm?id=17.

[3]汪萃萃,黃志芳,趙呈領(lǐng).云計算在教育中的應(yīng)用[J].中國教育技術(shù)裝備,2009(24):9-11.

[4]袁磊,程美,劉丹等.我國云計算教育應(yīng)用的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育研究,2011(6):42-46.PHam

[5]陸洪毅,唐玉華,肖儂.計機(jī)硬件綜合“實驗云”[J].計算機(jī)教育,2014(5):36-38.

[6]黃汝維,陳寧江,何佩聰,劉曉東.基于按需云服務(wù)的計算機(jī)工程教育虛擬實驗室建設(shè)實踐[J].電子技術(shù)與軟件工程,2016(8): 166-167.

Practice of Smart ExperimentCloud Construction

XU Zheng-qiang

（Guangdong Xuanyuan Network&Technology Co.Ltd.，Guangzhou 510663）

Aiming at the drawback,including maintenance complex,inefficientmanagement,spatial-temporal restriction,of traditional computer practical teachingmode,discusses the experimental process of the construction practice of smartexperiment cloud so as to build a sophisticated laboratorymanagement platform.The features and advantages of smart experiment cloud effectively solve the contradiction between the lab user and laboratory resources,so as to promote the transition and upgrade of experimentalmanagement system.

Experiment Cloud;Practice;Teaching Mode

1007-1423（2017）03-0057-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.03.015

許正強(qiáng)（1979-），男，廣東廣州人，碩士研究生，高級工程師，研究方向為云計算、互聯(lián)網(wǎng)+、教育技術(shù)

2016-11-10

2017-01-12

廣東省科技計劃項目（No.2016B010124008）