云計(jì)算實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)與創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)

金永霞, 丁海軍， 孫 寧

(河海大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院， 江蘇 常州 213022)

云計(jì)算實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)與創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)

金永霞, 丁海軍， 孫 寧

(河海大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院， 江蘇 常州 213022)

為滿(mǎn)足計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)以及創(chuàng)新實(shí)踐訓(xùn)練對(duì)多樣化實(shí)驗(yàn)環(huán)境的需求，提出了云計(jì)算實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)規(guī)劃，開(kāi)發(fā)基于OpenStack的云計(jì)算實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，提供共享資源，并按需分配實(shí)驗(yàn)資源。以云計(jì)算實(shí)驗(yàn)室為依托，構(gòu)建創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)體系；通過(guò)強(qiáng)化創(chuàng)新項(xiàng)目訓(xùn)練，采用開(kāi)放自主的實(shí)驗(yàn)形式，建立創(chuàng)新實(shí)踐激勵(lì)機(jī)制等措施，提高學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)。

云計(jì)算實(shí)驗(yàn)室； 創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)； 實(shí)驗(yàn)室建設(shè)； 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

1 云計(jì)算實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的意義

目前高校的教育教學(xué)更加注重學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的培養(yǎng)，實(shí)踐教學(xué)對(duì)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)發(fā)揮著重要作用,是培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、綜合素質(zhì)和實(shí)踐能力的主要途徑和有效手段[1]。云計(jì)算技術(shù)作為一種具有虛擬化、高擴(kuò)展性和按需服務(wù)特性的新型計(jì)算模式，為高校計(jì)算機(jī)資源的建設(shè)和教育教學(xué)模式的改革提供了新的解決方案。近年來(lái)國(guó)內(nèi)很多高校圍繞基于云計(jì)算的應(yīng)用展開(kāi)研究，在云計(jì)算教學(xué)資源建設(shè)[2-3]、云實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)[4]、云計(jì)算輔助教學(xué)[5]等方面進(jìn)行了有益的探索和實(shí)踐，推動(dòng)了高校教育教學(xué)的創(chuàng)新與發(fā)展。構(gòu)建基于云計(jì)算的實(shí)踐教學(xué)環(huán)境，是對(duì)高校實(shí)驗(yàn)資源進(jìn)行有效管理的現(xiàn)實(shí)需要，同時(shí)也為實(shí)踐教學(xué)模式的改革和學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)提供平臺(tái)支持。

2 云計(jì)算實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的主要內(nèi)容

我校物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院把人才培養(yǎng)定位在高素質(zhì)復(fù)合型、創(chuàng)新型高級(jí)工程技術(shù)人才的高度, 為保持實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的先進(jìn)性,學(xué)院與云計(jì)算企業(yè)合作共建云計(jì)算實(shí)驗(yàn)室，在硬件、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、教學(xué)資源等方面進(jìn)行建設(shè)。在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方案的設(shè)計(jì)中，就考慮到將先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念和技術(shù)引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,為實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)以及學(xué)科競(jìng)賽訓(xùn)練等提供環(huán)境支持。

2.1 云計(jì)算實(shí)驗(yàn)室總體結(jié)構(gòu)

云計(jì)算實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)目標(biāo)是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、存儲(chǔ)虛擬化整合計(jì)算資源，提供多層次、多種類(lèi)的實(shí)驗(yàn)資源支持，使用戶(hù)可以隨時(shí)隨地在云客戶(hù)端獲取和定制自己所需的應(yīng)用環(huán)境。實(shí)驗(yàn)室采用資源集中部署、平臺(tái)集中管理、封閉實(shí)驗(yàn)環(huán)境和開(kāi)放實(shí)驗(yàn)環(huán)境相結(jié)合的部署方式，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 云計(jì)算實(shí)驗(yàn)室總體結(jié)構(gòu)圖

實(shí)驗(yàn)室硬件資源由高性能服務(wù)器、存儲(chǔ)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)及其他硬件設(shè)備組成，采用IBM X360服務(wù)器(64 GB內(nèi)存、1 TB硬盤(pán)、24核CPU、2個(gè)千兆網(wǎng)卡)構(gòu)成物理服務(wù)器集群，包括一個(gè)控制節(jié)點(diǎn)，一個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)和多個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)以太網(wǎng)交換機(jī)鏈接，通過(guò)使用虛擬化技術(shù)使服務(wù)器以及存儲(chǔ)設(shè)備等物理資源形成統(tǒng)一的虛擬資源池。采用開(kāi)源的云計(jì)算解決方案構(gòu)建云資源管理平臺(tái)，對(duì)實(shí)驗(yàn)資源和實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行統(tǒng)一管理，提供用戶(hù)認(rèn)證、鏡像模板管理、虛擬機(jī)實(shí)例管理、存儲(chǔ)空間服務(wù)等。云資源管理平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)有效的教學(xué)管理、資源配置和實(shí)驗(yàn)部署，還可以實(shí)現(xiàn)硬件資源的擴(kuò)展和軟件資源的升級(jí)與更新，以及在虛擬化資源之上提供新型的定制應(yīng)用環(huán)境，如各類(lèi)應(yīng)用軟件、云平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)應(yīng)用環(huán)境以及云桌面系統(tǒng)等。云計(jì)算實(shí)驗(yàn)室提供2種實(shí)驗(yàn)環(huán)境：一是將實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通過(guò)交換機(jī)鏈接到機(jī)房終端，形成集中管理的實(shí)驗(yàn)環(huán)境；二是通過(guò)路由器鏈接到校園網(wǎng)或廣域網(wǎng)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)開(kāi)放的在線(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)室，用戶(hù)可以進(jìn)行遠(yuǎn)程操作和實(shí)驗(yàn)。在云環(huán)境下的用戶(hù)只需在客戶(hù)端根據(jù)需要提出實(shí)驗(yàn)請(qǐng)求，云資源管理平臺(tái)便可以以虛擬機(jī)的方式提供實(shí)驗(yàn)資源，并在云端運(yùn)行軟件、處理并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境相比，云計(jì)算實(shí)驗(yàn)室提供虛擬化資源池以及多種層次的實(shí)驗(yàn)資源支撐，能夠根據(jù)需求合理分配、使用和回收實(shí)驗(yàn)資源，實(shí)現(xiàn)對(duì)資源的最大化利用和最優(yōu)化管理。云計(jì)算本身具有高性能、高可用性和易用等特點(diǎn)，基于云計(jì)算技術(shù)構(gòu)建的云資源管理平臺(tái)提供統(tǒng)一化多維度的管理功能，能夠保證平臺(tái)管理的可靠性和安全性。

2.2 云計(jì)算實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建

云計(jì)算實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是為教學(xué)、科研以及創(chuàng)新實(shí)踐訓(xùn)練提供實(shí)驗(yàn)環(huán)境和展示服務(wù)的系統(tǒng)，要求能根據(jù)用戶(hù)的需求快速創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)環(huán)境，并對(duì)實(shí)驗(yàn)資源的分配和使用情況進(jìn)行有效的管理和監(jiān)控。實(shí)驗(yàn)室基于“IBM OpenStack Solution for System X”云平臺(tái)解決方案構(gòu)建基于OpenStack的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)[6]，提供資源共享、按需分配的彈性計(jì)算服務(wù)。在云平臺(tái)中部署了用于系統(tǒng)資源監(jiān)控和云環(huán)境配置的管理工具，以及滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)需求的應(yīng)用服務(wù)，包括虛擬桌面、大數(shù)據(jù)處理環(huán)境、云應(yīng)用開(kāi)發(fā)支撐系統(tǒng)等。云計(jì)算實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的架構(gòu)如圖2所示，包括基礎(chǔ)設(shè)施層、系統(tǒng)服務(wù)層、應(yīng)用服務(wù)層、用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)層。

圖2 云計(jì)算實(shí)驗(yàn)平臺(tái)架構(gòu)圖

(1) 基礎(chǔ)設(shè)施層為云平臺(tái)提供硬件支持，包括網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算和存儲(chǔ)設(shè)備等，通過(guò)使用虛擬化技術(shù)KVM使物理設(shè)施資源形成統(tǒng)一的虛擬資源池。

(2) 系統(tǒng)服務(wù)層提供對(duì)云平臺(tái)的資源管理、服務(wù)配置、實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能。通過(guò)部署OpenStack的核心服務(wù)組件，包括存儲(chǔ)服務(wù)(Glance，Cinder)、計(jì)算服務(wù)(Nova)、認(rèn)證服務(wù)(Keystone)以及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)(Neutron)等提供對(duì)云資源的管理；配置開(kāi)源的網(wǎng)絡(luò)資源監(jiān)控工具Ganglia和 Nagios，對(duì)云平臺(tái)的主機(jī)運(yùn)行狀況、服務(wù)狀態(tài)以及性能進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；設(shè)置自動(dòng)化配置管理工具，對(duì)OpenStack的服務(wù)進(jìn)行組織和安裝，實(shí)現(xiàn)云環(huán)境的快速配置。

(3) 應(yīng)用服務(wù)層通過(guò)對(duì)鏡像、云主機(jī)、云存儲(chǔ)等資源的開(kāi)發(fā)和管理，為用戶(hù)提供不同需求的應(yīng)用服務(wù)。通過(guò)部署大數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺(tái)Hadoop，提供分布式數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)環(huán)境；采用VDI(virtual desktop structure，虛擬桌面架構(gòu))模式構(gòu)建桌面云系統(tǒng)，便于用戶(hù)自主創(chuàng)建和管理虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境；針對(duì)不同的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)要求，配置多種實(shí)驗(yàn)環(huán)境的鏡像模板；按照創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目的訓(xùn)練要求部署虛擬服務(wù)器和軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，構(gòu)建相應(yīng)的創(chuàng)新實(shí)踐訓(xùn)練平臺(tái)。

(4) 用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)層提供云平臺(tái)的訪(fǎng)問(wèn)接口，用戶(hù)可以通過(guò)瀏覽器、桌面云客戶(hù)端的方式登錄云實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，申請(qǐng)?jiān)瀑Y源并定制個(gè)性化實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

云平臺(tái)可以按照不同的需求提供不同資源類(lèi)型的虛擬主機(jī)，云平臺(tái)下的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境具有快速部署、易于備份和恢復(fù)的優(yōu)點(diǎn)。用戶(hù)能夠通過(guò)云平臺(tái)提供的虛擬機(jī)快照功能實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的備份，并基于該快照重新啟動(dòng)虛擬機(jī)，將數(shù)據(jù)恢復(fù)到某個(gè)可用的時(shí)間點(diǎn)狀態(tài)[7]。

2.3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)

(1) 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)資源建設(shè)。實(shí)驗(yàn)室圍繞“云計(jì)算與大數(shù)據(jù)技術(shù)”“移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”“物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用”3個(gè)重點(diǎn)課程群，設(shè)計(jì)相應(yīng)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，并在云實(shí)驗(yàn)平臺(tái)配置包括主流操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)、軟件開(kāi)發(fā)語(yǔ)言環(huán)境、分布式數(shù)據(jù)處理以及移動(dòng)應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)等在內(nèi)的多種實(shí)驗(yàn)資源，滿(mǎn)足相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)需要。學(xué)生可以隨時(shí)通過(guò)校園網(wǎng)登錄實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，自主創(chuàng)建和管理虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，提高了實(shí)驗(yàn)過(guò)程的連續(xù)性。

(2) 拓展訓(xùn)練平臺(tái)建設(shè)。隨著學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)及各類(lèi)學(xué)科競(jìng)賽的開(kāi)展，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)資源的需求表現(xiàn)出多樣化、多層次的特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)室與企業(yè)單位合作，結(jié)合不同專(zhuān)業(yè)的實(shí)踐要求和行業(yè)工程背景，在云環(huán)境下構(gòu)建能夠提供專(zhuān)業(yè)實(shí)訓(xùn)環(huán)境的拓展訓(xùn)練平臺(tái)，如大數(shù)據(jù)項(xiàng)目實(shí)踐平臺(tái)、云計(jì)算應(yīng)用訓(xùn)練平臺(tái)、移動(dòng)流媒體應(yīng)用開(kāi)發(fā)平臺(tái)等，學(xué)生通過(guò)此類(lèi)平臺(tái)可以申請(qǐng)并獲得專(zhuān)業(yè)實(shí)踐訓(xùn)練所需的軟硬件資源，提升學(xué)生的動(dòng)手能力和項(xiàng)目操作能力。大數(shù)據(jù)項(xiàng)目實(shí)踐平臺(tái)提供分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理環(huán)境，用戶(hù)可以在云環(huán)境下快速創(chuàng)建一個(gè)虛擬機(jī)集群，并利用高性能的集群節(jié)點(diǎn)執(zhí)行分布式應(yīng)用程序，完成大數(shù)據(jù)處理任務(wù)；云計(jì)算應(yīng)用訓(xùn)練平臺(tái)提供了IaaS、PaaS云平臺(tái)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)環(huán)境，涵蓋目前廣泛采用的主流開(kāi)發(fā)語(yǔ)言和數(shù)據(jù)庫(kù)支持，學(xué)生可以通過(guò)模擬實(shí)現(xiàn)行業(yè)云應(yīng)用案例，訓(xùn)練云計(jì)算實(shí)戰(zhàn)能力；移動(dòng)流媒體應(yīng)用開(kāi)發(fā)平臺(tái)提供移動(dòng)視頻直播系統(tǒng)的服務(wù)端環(huán)境和流媒體軟件開(kāi)發(fā)包，學(xué)生可以基于該平臺(tái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)基于云環(huán)境的實(shí)時(shí)移動(dòng)視頻應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。

(3) 課程教材資源建設(shè)。實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用先進(jìn)的“互聯(lián)網(wǎng)+”教育理念和模式，對(duì)云計(jì)算技術(shù)應(yīng)用類(lèi)課程和專(zhuān)業(yè)綜合實(shí)踐類(lèi)課程進(jìn)行在線(xiàn)開(kāi)放課程的開(kāi)發(fā)建設(shè)，整合包含視頻、PPT課件、文字等多種媒體形式的實(shí)驗(yàn)素材，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)資源共享，方便學(xué)生隨時(shí)進(jìn)行在線(xiàn)學(xué)習(xí)活動(dòng)。以學(xué)生就業(yè)和社會(huì)實(shí)際需求為導(dǎo)向，針對(duì)云計(jì)算應(yīng)用產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、算法設(shè)計(jì)與程序?qū)崿F(xiàn)、數(shù)據(jù)庫(kù)等實(shí)際案例，編著出版了多本實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教材[8-9]，并根據(jù)需要和教學(xué)實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)男抻喓蛢?yōu)化，通過(guò)設(shè)計(jì)具體案例引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立自主完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

3 云計(jì)算實(shí)驗(yàn)室教學(xué)實(shí)踐

云計(jì)算實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)了計(jì)算機(jī)軟件類(lèi)大部分實(shí)踐教學(xué)任務(wù)，如課程實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等，提供多種課內(nèi)實(shí)驗(yàn)和課外拓展訓(xùn)練實(shí)踐環(huán)境，涵蓋了公共基礎(chǔ)實(shí)踐、學(xué)科專(zhuān)業(yè)實(shí)踐、拓展創(chuàng)新實(shí)踐環(huán)節(jié)，建立了以“基礎(chǔ)-應(yīng)用-創(chuàng)新”為主線(xiàn)的多層次遞進(jìn)式的實(shí)踐教學(xué)課程體系[10]。公共基礎(chǔ)實(shí)踐主要通過(guò)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)來(lái)培養(yǎng)學(xué)生的基本實(shí)踐能力。學(xué)科專(zhuān)業(yè)實(shí)踐以培養(yǎng)學(xué)生的專(zhuān)業(yè)素質(zhì)和初步的科研能力為目的，通過(guò)研究型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目來(lái)強(qiáng)化綜合應(yīng)用訓(xùn)練，結(jié)合企業(yè)案例開(kāi)展學(xué)科專(zhuān)業(yè)實(shí)踐能力培訓(xùn)；拓展創(chuàng)新實(shí)踐通過(guò)提供創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練平臺(tái)和學(xué)科競(jìng)賽訓(xùn)練平臺(tái)，支持學(xué)生開(kāi)展自主創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)，著重培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)術(shù)品格和創(chuàng)新素質(zhì)。

3.1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)置和實(shí)施

實(shí)驗(yàn)室根據(jù)不同課程的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)要求，在云平臺(tái)中配置了多種鏡像模板，用戶(hù)可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要?jiǎng)?chuàng)建不同的桌面虛擬機(jī)并搭建個(gè)性化的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。依托云計(jì)算實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，物聯(lián)網(wǎng)工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)等專(zhuān)業(yè)本科開(kāi)設(shè)了云計(jì)算技術(shù)應(yīng)用、移動(dòng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)、專(zhuān)業(yè)綜合應(yīng)用等實(shí)踐課程，將云計(jì)算理論、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和實(shí)際的應(yīng)用案例相結(jié)合，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)課程的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。在實(shí)驗(yàn)類(lèi)型上增加綜合性、研究性實(shí)驗(yàn)的比例，強(qiáng)化學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力，通過(guò)系統(tǒng)的云計(jì)算實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練，培養(yǎng)適合企業(yè)需要的專(zhuān)業(yè)性云計(jì)算人才。云計(jì)算實(shí)驗(yàn)室部分綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)置如表1所示。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)始終以學(xué)生為本，從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、教學(xué)方法和管理手段等方面的設(shè)計(jì)上突出學(xué)生的主體作用，注重發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性和創(chuàng)造性。學(xué)生除了按已有的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)驗(yàn)外，還可以自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，教師引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題，并對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)提出的建議給予反饋[11]，對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)、改進(jìn)和創(chuàng)新。以云計(jì)算技術(shù)應(yīng)用課程為例，課程設(shè)置的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包括基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和綜合應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)形式采用“封閉實(shí)驗(yàn)+開(kāi)放實(shí)驗(yàn)”模式，通過(guò)理論和實(shí)踐相結(jié)合，幫助學(xué)生對(duì)云計(jì)算理論建立完整的知識(shí)體系，培養(yǎng)對(duì)云計(jì)算環(huán)境的認(rèn)知、分析、設(shè)計(jì)和運(yùn)用能力。基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)采用機(jī)房集中實(shí)驗(yàn)的方式，按照課程教學(xué)的進(jìn)度實(shí)時(shí)安排實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，內(nèi)容涵蓋云平臺(tái)的搭建、云平臺(tái)基本操作、虛擬化技術(shù)、云資源管理以及分布式計(jì)算等關(guān)鍵技術(shù)，使學(xué)生掌握基本的云平臺(tái)實(shí)踐技能。綜合應(yīng)用實(shí)驗(yàn)采用開(kāi)放實(shí)驗(yàn)形式，學(xué)生以小組形式進(jìn)行提高學(xué)習(xí)，結(jié)合行業(yè)云應(yīng)用案例進(jìn)行云計(jì)算應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可以是IaaS/PaaS平臺(tái)的搭建配置和應(yīng)用開(kāi)發(fā)，或者設(shè)計(jì)一套從底層到應(yīng)用的云計(jì)算解決方案，要求學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)實(shí)施、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析討論等環(huán)節(jié)，訓(xùn)練學(xué)生的思維能力和綜合實(shí)踐能力。

表1 云計(jì)算實(shí)驗(yàn)室部分綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

云計(jì)算實(shí)驗(yàn)室也為學(xué)生參加學(xué)科競(jìng)賽提供了基礎(chǔ)條件和訓(xùn)練平臺(tái)，參賽學(xué)生根據(jù)賽事的歷年試題和自身的實(shí)際情況進(jìn)行系統(tǒng)的培訓(xùn)，培訓(xùn)內(nèi)容分為基本訓(xùn)練項(xiàng)目和專(zhuān)題訓(xùn)練項(xiàng)目。基本訓(xùn)練的目的是鞏固學(xué)生的基礎(chǔ)理論知識(shí)和基本的實(shí)踐技能，如公共云平臺(tái)配置、數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)、算法實(shí)現(xiàn)等基礎(chǔ)訓(xùn)練，由歷屆參賽的高年級(jí)學(xué)生集中指導(dǎo)低年級(jí)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)練習(xí)并傳授經(jīng)驗(yàn)，提高學(xué)習(xí)效率；專(zhuān)題訓(xùn)練是由指導(dǎo)教師組織相應(yīng)的專(zhuān)題培訓(xùn)，如移動(dòng)終端應(yīng)用開(kāi)發(fā)、云計(jì)算數(shù)據(jù)處理機(jī)制、交互式App、虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用等，并指導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)和測(cè)試，同時(shí)對(duì)學(xué)生的科技思想與科研方法進(jìn)行系統(tǒng)的訓(xùn)練和培養(yǎng)，以提高競(jìng)賽作品的質(zhì)量。近年來(lái)學(xué)生在省部級(jí)以上學(xué)科競(jìng)賽如“中軟杯”“藍(lán)橋杯”軟件設(shè)計(jì)大賽、全國(guó)高校云計(jì)算應(yīng)用創(chuàng)新大賽中都有突出表現(xiàn)，獲得多項(xiàng)獎(jiǎng)項(xiàng)。

3.2 創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)的實(shí)現(xiàn)

實(shí)驗(yàn)室在教學(xué)實(shí)踐中遵循學(xué)生創(chuàng)新素質(zhì)培養(yǎng)的基本規(guī)律，對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)進(jìn)行不斷地改革和探索，融入創(chuàng)新培養(yǎng)的基本理念和教學(xué)要素[12]，在內(nèi)容設(shè)置上體現(xiàn)啟發(fā)性、過(guò)程管理中體現(xiàn)能動(dòng)性和參與性、考核方法上注重提升學(xué)生的積極性，還專(zhuān)門(mén)針對(duì)創(chuàng)新訓(xùn)練制定培訓(xùn)大綱和培訓(xùn)項(xiàng)目，開(kāi)放實(shí)驗(yàn)資源，盡可能多地激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和科研潛力。

(1) 根據(jù)年級(jí)知識(shí)基礎(chǔ)與特點(diǎn)，制定針對(duì)性的創(chuàng)新實(shí)踐培訓(xùn)計(jì)劃和培訓(xùn)大綱。創(chuàng)新實(shí)踐培訓(xùn)計(jì)劃充分考慮到不同年級(jí)的學(xué)生知識(shí)層次和實(shí)踐能力的不同，按照循序漸進(jìn)的培養(yǎng)規(guī)律制定訓(xùn)練目標(biāo)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的潛力和積極性。對(duì)于低年級(jí)學(xué)生主要是開(kāi)展課外拓展實(shí)踐和各級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃，或者參加數(shù)學(xué)建模、電子設(shè)計(jì)等基礎(chǔ)課程的競(jìng)賽，并派專(zhuān)業(yè)教師進(jìn)行指導(dǎo)，以項(xiàng)目訓(xùn)練的形式鍛煉學(xué)生的實(shí)踐技能；對(duì)于高年級(jí)學(xué)生，為他們參加國(guó)際、國(guó)內(nèi)高端學(xué)科競(jìng)賽，或者參與教師團(tuán)隊(duì)的科研項(xiàng)目提供指導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以學(xué)科競(jìng)賽和科研活動(dòng)帶動(dòng)創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

(2) 產(chǎn)學(xué)合作共建創(chuàng)新實(shí)踐訓(xùn)練項(xiàng)目。實(shí)驗(yàn)室與云計(jì)算領(lǐng)域知名企業(yè)合作，通過(guò)教師培訓(xùn)以及企業(yè)提供共享資源和數(shù)據(jù)的方式共建實(shí)踐訓(xùn)練項(xiàng)目。結(jié)合企業(yè)的技術(shù)背景和成熟平臺(tái)，通過(guò)設(shè)計(jì)和發(fā)布具有企業(yè)工程背景的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，以學(xué)生申請(qǐng)立項(xiàng)的形式，支持學(xué)生進(jìn)行開(kāi)放式的實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練。學(xué)生結(jié)合行業(yè)應(yīng)用案例，在云環(huán)境下開(kāi)展各類(lèi)綜合實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新項(xiàng)目，自主完成創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)方法的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)環(huán)境的準(zhǔn)備、實(shí)施、數(shù)據(jù)處理與分析，充分鍛煉學(xué)生的工程實(shí)踐能力及適應(yīng)力，為走向工作崗位做好提前演練。

(3) 開(kāi)放的實(shí)驗(yàn)形式。開(kāi)放型實(shí)驗(yàn)為學(xué)生從事創(chuàng)新實(shí)踐提供時(shí)間、空間和資源的便利，打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方式下學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)的弊端，更能適應(yīng)新時(shí)期提高學(xué)生綜合素質(zhì)、培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新人才的需要[13]。實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放共享的云實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為學(xué)生提供了主動(dòng)學(xué)習(xí)的新型實(shí)驗(yàn)環(huán)境，實(shí)驗(yàn)所需的軟硬件資源可以遠(yuǎn)程登錄到云實(shí)驗(yàn)平臺(tái)申請(qǐng)分配，并通過(guò)虛擬桌面的方式獲取。學(xué)生只要獲得云平臺(tái)使用權(quán)限，在校園網(wǎng)中可以隨時(shí)隨地登錄自己的賬戶(hù)空間，創(chuàng)建所需的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，完成科研項(xiàng)目或創(chuàng)新訓(xùn)練，課余時(shí)間也可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)練習(xí)操作。借助在線(xiàn)開(kāi)放課程和云實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生在線(xiàn)進(jìn)行預(yù)習(xí)、討論、實(shí)驗(yàn)作品提交以及實(shí)驗(yàn)拓展環(huán)節(jié)，教師在云平臺(tái)管理和驗(yàn)證學(xué)生提交的實(shí)驗(yàn)作業(yè)，在線(xiàn)完成評(píng)定工作。

3.3 創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)的激勵(lì)機(jī)制

創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)注重對(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng)，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的難度較大，對(duì)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力也有較高的要求。為了保障創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)的質(zhì)量，提升學(xué)生參與創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)的積極性，實(shí)驗(yàn)室制定了創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)的管理制度，建立了相應(yīng)的激勵(lì)和評(píng)價(jià)機(jī)制。實(shí)驗(yàn)室制定并發(fā)布開(kāi)放創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生可以申請(qǐng)實(shí)驗(yàn)立項(xiàng)，也可以自帶項(xiàng)目，以團(tuán)隊(duì)形式開(kāi)展實(shí)驗(yàn)活動(dòng)。實(shí)驗(yàn)室為學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)資源并配備輔導(dǎo)教師，建立創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)過(guò)程管理手冊(cè)，記錄包括課題背景、研究目的及意義、實(shí)驗(yàn)中期檢查報(bào)告、實(shí)驗(yàn)結(jié)題報(bào)告及總結(jié)等在內(nèi)的過(guò)程管理信息。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)完成后可以獲得素質(zhì)拓展的必修學(xué)分，在獎(jiǎng)學(xué)金評(píng)定和免試研究生推薦方面也會(huì)獲得加分，優(yōu)秀的實(shí)驗(yàn)作品還可以參加各類(lèi)科技競(jìng)賽，以提升學(xué)生的榮譽(yù)感和成就感來(lái)激發(fā)學(xué)生的參與熱情，吸引更多學(xué)生開(kāi)展創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)，逐步在學(xué)生中間形成創(chuàng)新風(fēng)氣。

4 結(jié)語(yǔ)

把云計(jì)算的技術(shù)和方法運(yùn)用到高校教學(xué)和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中，可以充分利用、整合高校優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)、信息資源，更好地為師生服務(wù)。云計(jì)算實(shí)驗(yàn)室具有開(kāi)放共享的資源優(yōu)勢(shì)，提供服務(wù)于課程教學(xué)和創(chuàng)新實(shí)踐體系的實(shí)驗(yàn)資源，在創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容以及教學(xué)方法的支持下，滿(mǎn)足了學(xué)生自主研學(xué)和創(chuàng)新實(shí)踐的要求，提高了本科生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力。為了更好地滿(mǎn)足教學(xué)實(shí)踐的多樣化服務(wù)需求，實(shí)驗(yàn)室未來(lái)將繼續(xù)加強(qiáng)與企業(yè)合作，進(jìn)一步強(qiáng)化創(chuàng)新實(shí)踐能力的訓(xùn)練和實(shí)踐教學(xué)的過(guò)程管理，使創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)達(dá)到更理想的效果。

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Construction of cloud computing laboratory and innovative practical teaching

Jin Yongxia，Ding Haijun，Sun Ning

(College of Internet of Things Engineering, Hohai University, Changzhou 213022, China)

In order to meet the requirements of diversified experimental environment for the computer experimental teaching and innovative practical training, the construction plan for the cloud computing laboratory is proposed. A cloud computing platform based on OpenStack is developed, which can provide the sharing resources and allocate the experimental resources on demand. On the basis of the cloud computing laboratory, the innovative practical teaching system is established. By strengthening the training of innovative projects, adopting the open and independent experimental mode, establishing the incentive mechanism for innovative practice, etc., the students’ practical ability and innovative awareness are improved.

cloud computing laboratory; innovative practical teaching; laboratory construction; experimental platform

10.16791/j.cnki.sjg.2017.06.056

2016-12-14

江蘇高校品牌專(zhuān)業(yè)建設(shè)工程資助項(xiàng)目(PPZY2015B141)；河海大學(xué)2015年度創(chuàng)新性教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(河海教務(wù)[2015] 60號(hào))

金永霞(1973—)，女，寧夏平羅，碩士，實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)樵朴?jì)算實(shí)踐與應(yīng)用.

E-mail：jinyx@hhu.edu.cn

G644

A

1002-4956(2017)06-0223-05