基于云平臺的計算機實驗室體系的構(gòu)建

廖明習(xí)，饒文碧，袁景凌，熊盛武，王云華

（武漢理工大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北武漢430070）

0 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的計算機實驗教學(xué)暴露出諸多問題[1-2]，例如軟硬件資源管理方式落后、實驗時間地點固定以及學(xué)生實踐能力明顯不足。云平臺作為一種靈活的資源提供方式，利用虛擬化技術(shù)構(gòu)建虛擬資源池，并通過互聯(lián)網(wǎng)共享資源，能夠有效地提高教學(xué)資源的利用率。

1 實驗教學(xué)云服務(wù)平臺

以云計算和虛擬化技術(shù)為支撐，構(gòu)建完整的實驗教學(xué)私有云平臺[3-6]，實現(xiàn)基礎(chǔ)架構(gòu)層（IaaS）、平臺服務(wù)層（PaaS）以及軟件服務(wù)層（SaaS），平臺按需提供服務(wù)，可以安裝在網(wǎng)絡(luò)的任何位置。該云平臺作為六個綜合實驗平臺的基礎(chǔ)，突破了時間與空間的限制，實現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實相結(jié)合和實驗資源的共享。此外，建設(shè)基于云計算的“虛擬實驗室”體系，通過虛擬實驗室，讓學(xué)生和老師擺脫物理實驗室的時間、場地限制，形成不受時間、地點、設(shè)備限制的全時段開放虛擬實驗環(huán)境。通過計算機實驗云教育系統(tǒng)為虛擬實驗提供在線課程資源、自動記錄學(xué)生實驗過程并進行大數(shù)據(jù)分析，從而對學(xué)生實驗實踐環(huán)節(jié)全過程進行動態(tài)跟蹤與管理。云平臺能夠為實驗教學(xué)、實驗中心管理、實驗中心輻射提供強有力的支持。云平臺的技術(shù)架構(gòu)如圖1所示。

建設(shè)云計算數(shù)據(jù)中心。為虛擬化實驗環(huán)境、并行處理系統(tǒng)及云計算平臺提供服務(wù)管理平臺和存儲系統(tǒng)，管理各種不同類型的資源，支持各種虛擬技術(shù)的異構(gòu)系統(tǒng)管理，支持計算資源和存儲資源及運行支撐環(huán)境的自助管理，存儲各種類型的公有和私有的OS版本Image文件。

建設(shè)學(xué)生個人虛擬化實驗環(huán)境系統(tǒng)。學(xué)生可以隨時隨地使用任何可聯(lián)網(wǎng)的智能設(shè)備，包括智能移動終端、筆記本電腦、臺式機等；可以訪問實驗中心，連接到自己的虛擬實驗機；可以隨課程進度和自身情況完成各類實驗，并將信息存儲到云計算數(shù)據(jù)中心。系統(tǒng)可智能記錄學(xué)生的實驗進度、使用時長、點擊課件次數(shù)、瀏覽順序等參數(shù)，提示并督促學(xué)生學(xué)習(xí)，培養(yǎng)其基本的實驗技能和良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣，同時也為教師改進教學(xué)、監(jiān)督學(xué)生學(xué)習(xí)提供參考依據(jù)。

建設(shè)海量數(shù)據(jù)并行處理系統(tǒng)。建設(shè)MapReduce并行計算技術(shù)的大規(guī)模海量數(shù)據(jù)并行處理等系統(tǒng)，可應(yīng)用于計算機領(lǐng)域的搜索引擎、文本挖掘、媒體處理以及材料、交通運輸、車輛、經(jīng)濟等諸多學(xué)科領(lǐng)域的大規(guī)模海量數(shù)據(jù)處理，為學(xué)生學(xué)習(xí)大數(shù)據(jù)處理提供支撐。

圖1 實驗教學(xué)云平臺的技術(shù)架構(gòu)

2 計算機實驗室體系構(gòu)建

圍繞計算機學(xué)科的科學(xué)創(chuàng)新能力、工程創(chuàng)新能力、領(lǐng)域融合應(yīng)用創(chuàng)新能力的培養(yǎng)目標(biāo)，結(jié)合通識、基礎(chǔ)、創(chuàng)新等不同層面實驗教學(xué)需求，依托高?，F(xiàn)有的專業(yè)實驗室以及校內(nèi)外實訓(xùn)實習(xí)基地，構(gòu)建綜合實驗教學(xué)平臺和技術(shù)功能強大、實驗環(huán)境規(guī)范、開放程度高、覆蓋全校、并可輻射到校外的實驗教學(xué)云服務(wù)平臺。云服務(wù)平臺能夠靈活、快速地搭建實驗實訓(xùn)教學(xué)環(huán)境，提供大規(guī)模、開放式實驗空間，滿足學(xué)生自主化學(xué)習(xí)需要。六個綜合實驗平臺分別是通識通修課程實驗平臺、系統(tǒng)與軟硬件基礎(chǔ)教學(xué)實驗平臺、復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)教學(xué)實驗平臺、虛擬仿真實驗平臺、科技創(chuàng)新實驗實訓(xùn)平臺、工程創(chuàng)新實驗實訓(xùn)平臺。實驗室體系結(jié)構(gòu)見圖2。

2.1 通識通修課程實驗平臺

依托高校專業(yè)在各行業(yè)形成的特色優(yōu)勢，進行計算機基礎(chǔ)實驗教學(xué)改革，探索面向交叉領(lǐng)域特色的分層教學(xué)模式與體系，按需組織教學(xué)內(nèi)容，因材施教。建設(shè)服務(wù)于全校各專業(yè)的計算機基礎(chǔ)實驗教學(xué)平臺，包括計算機公共基礎(chǔ)實驗教學(xué)和計算機學(xué)科各個專業(yè)方向共性課程實驗教學(xué)。在現(xiàn)有的通識教學(xué)實驗室的基礎(chǔ)上，建設(shè)同步實時教學(xué)平臺、開放式學(xué)習(xí)、練習(xí)與測試平臺，在云平臺上部署計算機基礎(chǔ)學(xué)測系統(tǒng)，供學(xué)生隨時隨地學(xué)習(xí)、訓(xùn)練，支持面向全校的計算機基礎(chǔ)課程的教學(xué)改革。

2.2 系統(tǒng)與軟硬件基礎(chǔ)教學(xué)實驗平臺

面向按計算機學(xué)科專業(yè)大類培養(yǎng)的學(xué)生，構(gòu)建計算機系統(tǒng)與軟硬件基礎(chǔ)教學(xué)實驗平臺，內(nèi)容包括計算機學(xué)科各個專業(yè)方向共性的、具有明顯學(xué)科特點的專業(yè)實驗內(nèi)容，以驗證性和設(shè)計性實驗為主要手段，以部分綜合性實驗為補充，開設(shè)可以覆蓋計算機理論、系統(tǒng)（涵蓋軟、硬件和計算系統(tǒng)）和基礎(chǔ)實踐能力訓(xùn)練的實驗課程。通過自制或引進建設(shè)一批專業(yè)基礎(chǔ)實驗教學(xué)軟件，涵蓋所有驗證性實驗、部分設(shè)計性實驗和綜合性實驗。培養(yǎng)計算機專業(yè)學(xué)生本應(yīng)具備的專業(yè)基礎(chǔ)性實踐能力，為學(xué)生的科研創(chuàng)新能力和工程創(chuàng)新能力培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。

2.3 復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)教學(xué)實驗平臺

面向復(fù)雜問題的求解和工程創(chuàng)新能力是計算機類學(xué)科人才能力競爭的核心價值所在，具體表現(xiàn)為復(fù)雜計算系統(tǒng)的認(rèn)知、構(gòu)思、設(shè)計、開發(fā)與運行能力，從全局高度以計算機專業(yè)知識去認(rèn)識問題、分析問題和解決問題，并實現(xiàn)系統(tǒng)的構(gòu)建、優(yōu)化、運維。

圖2 實驗室體系結(jié)構(gòu)

為有效開展對學(xué)生上述能力的培養(yǎng)，建設(shè)計算機軟硬件貫通（計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)）實驗室、軟件工程綜合實驗實訓(xùn)室、物聯(lián)網(wǎng)工程綜合實驗實訓(xùn)室、智能家居/車聯(lián)網(wǎng)實訓(xùn)室、云計算實驗室和大數(shù)據(jù)綜合處理實驗平臺。以實驗項目的技術(shù)遞進和邏輯關(guān)聯(lián)為主線，打破理論課程的內(nèi)容橫向劃分的慣例，優(yōu)化實驗項目設(shè)置，專門設(shè)置計算機軟硬件協(xié)同設(shè)計實踐、大型軟件工程項目實訓(xùn)、物聯(lián)網(wǎng)工程綜合實訓(xùn)和大數(shù)據(jù)綜合處理四個綜合實驗課程，旨在解剖其中的細(xì)節(jié)，訓(xùn)練學(xué)生對復(fù)雜計算系統(tǒng)的構(gòu)思、架構(gòu)、設(shè)計和運維能力。

2.4 虛擬仿真實驗平臺

針對網(wǎng)絡(luò)工程、網(wǎng)絡(luò)安全、系統(tǒng)設(shè)計教學(xué)中存在的不可逆操作實施難的問題，進行環(huán)境模擬、原型虛擬、程序模擬，建設(shè)實驗教學(xué)虛擬仿真輔助平臺，使學(xué)生對已學(xué)的理論知識進一步深化，加深體會并增強實踐能力。根據(jù)高校的行業(yè)領(lǐng)域特色，在計算機基礎(chǔ)應(yīng)用能力教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，針對計算機應(yīng)用于其他學(xué)科的復(fù)雜問題，如建設(shè)面向材料、交通、車輛等領(lǐng)域交叉應(yīng)用的計算機應(yīng)用虛擬仿真實驗云，設(shè)置不同的實驗內(nèi)容，并支持跨學(xué)科、跨領(lǐng)域畢業(yè)設(shè)計，提升學(xué)生領(lǐng)域交叉計算機應(yīng)用能力。

2.5 科技創(chuàng)新實驗實訓(xùn)平臺

鼓勵教師結(jié)合科研成果進行實驗教學(xué)內(nèi)容改革、軟硬件設(shè)備或資源的研制，將深層次的科研課題融入實驗教學(xué)并轉(zhuǎn)換為容易被學(xué)生所接受的實驗課題，通過設(shè)計教學(xué)案例融入實驗教學(xué)、進行項目驅(qū)動式的實驗教學(xué)、聯(lián)系實際科研項目的畢業(yè)設(shè)計選題等方式，使學(xué)生在動手實踐的過程中培養(yǎng)科技創(chuàng)新能力。建設(shè)本科生個性化課程及創(chuàng)新項目實踐平臺、教師科研實驗室等。

以第二課堂為保證，以科技創(chuàng)新基地和導(dǎo)師科研實驗室為支撐，以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新素質(zhì)為目的，以鍛煉創(chuàng)新和工程能力為重點，有組織、有計劃地分專業(yè)、分年級、分層次開展大學(xué)生課外科技活動，做到點面結(jié)合，全面提高。結(jié)合學(xué)校的科研優(yōu)勢，每年組織學(xué)生進行大學(xué)生科技創(chuàng)新訓(xùn)練項目，成立一系列計算機科技創(chuàng)新活動小組，大大提升了學(xué)生從事科研創(chuàng)新的興趣和能力。同時，在云平臺中部署眾創(chuàng)平臺，為師生提供系統(tǒng)的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)服務(wù)，實現(xiàn)創(chuàng)新與創(chuàng)業(yè)相結(jié)合、線上與線下相結(jié)合，提供良好的網(wǎng)絡(luò)空間、社交空間和資源共享空間。

2.6 工程創(chuàng)新實驗實訓(xùn)平臺

工程創(chuàng)新能力培養(yǎng)實驗實訓(xùn)秉承“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”理念，遵循理論教學(xué)與實踐教學(xué)一體化設(shè)計的原則，建立實驗、實訓(xùn)、實習(xí)循序漸進的工程能力訓(xùn)練課程體系。研究從培養(yǎng)方案的制定、教材的編寫到理論教學(xué)與實踐教學(xué)等各個教學(xué)環(huán)節(jié)，以及學(xué)校與企業(yè)有機結(jié)合、相互滲透的合作組織模式；建立理論教學(xué)、實驗教學(xué)、科學(xué)研究、工程實踐相互滲透的多維度的新型教學(xué)組織模式，構(gòu)建教學(xué)—科研、學(xué)?！髽I(yè)雙結(jié)合的實踐教育平臺；積極引進優(yōu)質(zhì)企業(yè)資源，引進實訓(xùn)環(huán)境和實訓(xùn)項目，推動校外企業(yè)實習(xí)計劃，進一步深化卓越工程師計劃的人才培養(yǎng)，合作建設(shè)企業(yè)先進技術(shù)實驗實訓(xùn)平臺。

3 基于云平臺的計算機實驗室體系的優(yōu)勢

3.1 有助于提高學(xué)校的實驗實訓(xùn)教學(xué)質(zhì)量，改善教學(xué)環(huán)境

目前各個學(xué)校普遍存在教學(xué)實驗儀器陳舊的問題，學(xué)校實驗實訓(xùn)室設(shè)備更新不及時,相對落后的實驗實訓(xùn)設(shè)備滿足不了現(xiàn)代學(xué)科內(nèi)容的更新和發(fā)展。云平臺基礎(chǔ)設(shè)施的維護以及軟件的更新都是由云端提供，實驗室只需要配置云終端，通過虛擬化、自動化等云計算技術(shù)，智能、動態(tài)地調(diào)配計算、存儲等各種資源，不但能夠充分利用教育資源，具有更高的靈活性，而且不再受傳統(tǒng)設(shè)備模式的限制，從而節(jié)約大量的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資，有利于改善辦學(xué)條件和提高教學(xué)水平。

3.2 免受實驗室空間和時間的限制，推動學(xué)生自主式學(xué)習(xí)

實驗教學(xué)云平臺接入基于網(wǎng)絡(luò)的各種智能節(jié)點，包括智能開關(guān)、燈光、安防系統(tǒng)、門禁、監(jiān)控等，通過網(wǎng)關(guān)進行數(shù)據(jù)匯集并傳輸給云平臺管理系統(tǒng)，從而實現(xiàn)對開放實驗室的智能化、遠(yuǎn)程化在線管理和監(jiān)控，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的實驗課程、實驗項目的365×24開放模式，支持實驗室全天候開放。

借助實驗教學(xué)中心的虛擬化實驗環(huán)境,學(xué)生可隨時隨地使用任何可聯(lián)網(wǎng)的智能設(shè)備訪問實驗中心，連接到自己的虛擬桌面，登錄到相應(yīng)實驗課程，根據(jù)課程進度和自身情況，在線完成各類實驗，學(xué)生得到了更好的服務(wù)，有助于學(xué)生的自主學(xué)習(xí)。

3.3 有效整合實驗教學(xué)資源

根據(jù)自身特點在不斷完善實驗教學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施的基礎(chǔ)上，結(jié)合通識、基礎(chǔ)、創(chuàng)新等不同層面實驗教學(xué)需求，采用云計算技術(shù)構(gòu)建實驗教學(xué)資源庫，分類構(gòu)建了六大綜合實驗平臺，實現(xiàn)對實驗室資源的有效整合，便于在更大范圍實現(xiàn)實驗教學(xué)資源的開放共享。

各種實驗數(shù)據(jù)上傳并保存到云端服務(wù)器中，將學(xué)生、教師、設(shè)備和實驗課程的各種信息進行鏈接和整合，改變以往的粗放管理模式，極大提高了實驗教學(xué)的管理效率。學(xué)生的實驗過程或結(jié)果可實時上傳保存到云端服務(wù)器上，在所保存的實驗測量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，學(xué)生可在課內(nèi)或課下隨時隨地完成實驗報告，教師可隨時隨地評閱實驗報告，并可以公正地評定學(xué)生的實驗效果和成績，從而激發(fā)學(xué)生的參與感，滿足學(xué)生的公平感，提高學(xué)生實驗的積極性。

3.4 構(gòu)建能力評估體系，提升人才培養(yǎng)質(zhì)量

依托云平臺整合各類資源，建立學(xué)生實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)的個人實驗室，對學(xué)生的實驗/實訓(xùn)/競賽/創(chuàng)新活動等進行記錄和軌跡跟蹤，并跟蹤統(tǒng)計學(xué)生的培養(yǎng)過程及就業(yè)創(chuàng)業(yè)導(dǎo)向，構(gòu)建學(xué)生個性化需求—實踐項目（培養(yǎng)層次）—能力達成度—就業(yè)創(chuàng)業(yè)能力等信息反饋和持續(xù)改進機制，最終促進學(xué)生實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)，提升人才培養(yǎng)質(zhì)量。

4 結(jié)語

武漢理工大學(xué)依托目前現(xiàn)有的專業(yè)實驗室和校內(nèi)外實習(xí)基地，構(gòu)建了實驗教學(xué)云平臺和六個綜合實驗教學(xué)平臺。2016年12月，武漢理工大學(xué)計算機實驗教學(xué)中心成功獲批湖北省實驗教學(xué)示范中心。加大實驗改革力度，進一步集聚學(xué)科優(yōu)勢，整合校、院計算機實驗教學(xué)資源，擴大實驗室功能，與科研、工程實踐、技術(shù)創(chuàng)新相結(jié)合，融入科技創(chuàng)新和實驗教學(xué)的改革成果，不斷更新實驗教學(xué)內(nèi)容，深化實驗教學(xué)改革，取得了明顯的教學(xué)效果。目前，武漢理工大學(xué)逐步形成分層次、分類別、分階段、分方向的計算機實驗室體系，改革了學(xué)習(xí)模式、豐富了學(xué)習(xí)內(nèi)容，提升了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

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