云計算在網絡工程實驗教學中的應用

劉旋

摘要：隨著大數據、物聯網等新興技術的迅猛發展，應運而生的云計算給應用型本科院校的教學改革帶來了新的方向。針對目前網絡工程專業實驗教學中設備技術滯后、實驗內容創新性不足和課程編排脫節等問題，將云計算技術融入實驗室建設與教學設計中，構建基于云計算平臺的實驗管理、協作、設計教學模式，在大數據時代的新起點上實現網絡工程專業實驗教學的改革與創新。

關鍵詞：云計算;網絡工程;教學改革

中圖分類號：TP391? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）25-0187-02

1 前言

大數據時代的到來，使得大學生能夠通過云課堂、慕課等網絡教育資源輕松獲取和學習專業知識，在新型教學模式產生的同時，也給傳統以教室、機房為中心的計算機實驗教學帶來了巨大的挑戰。自教育部于2014年提出了地方本科高校向應用型本科轉型發展后，網絡工程作為計算機學科中實踐和應用性較強的工程類專業，更需要培養具有較強專業技能和符合“新工科”素質的信息應用人才[1]。目前，由于地方本科院校資金不足，專業實驗設備、技術和環境陳舊，使得網絡工程專業的教學內容和水平相比現有技術嚴重滯后，出現了教學和市場脫節的現象，難以滿足大數據時代下對該專業人才的技術需求[2]。

云計算作為一種分布式資源利用方法，能夠為使用者提供跨越地域與時間的高效計算能力和服務，從根本上解決在高校實驗環境、設備、規模不足，資金短缺等問題[3]。因此，構建基于云計算的實驗教學和管理模式，用低廉的價格換取海量的計算資源服務，增強網絡工程專業的實驗教學能力，是提升大學生創新創業能力、地方本科院校向應用型大學轉型發展的突破點。

2 存在的問題

網絡工程專業旨在培養具有計算機網絡、通信技術基礎知識，掌握校園網、企業網、大型ISP等多種網絡拓撲的設計、配置與調試技術的綜合人才[2]。隨著大數據時代的到來，網絡設備、用戶和數據井噴式的增長，以往的網絡協議、拓撲結構、實驗軟硬件已經難以處理大數據所帶來的網絡問題，導致諸多地方本科院校產學脫節，主要存在以下問題：

2.1 實驗設施方面

（1）綜合實驗室較少。雖然辦學規模不斷擴大，但地方院校受制于經費，難以擴建設備齊全的網絡工程實驗室[3]。主要包括：構建實驗室的工程量龐大、耗資多、建設周期長，而地方本科院校的實驗室大多只用于科研與教學，所以難以承擔價格昂貴的計算設備，雖然逐步、階段性建設能夠減輕院校的財政負擔，但是網絡技術的發展瞬息萬變，等待意味著落后，使得教學發展事倍功半。

（2）實驗室設備與技術滯后。分布式計算集群、云計算網絡、5G網絡等新技術層出不窮，但地方院校的網絡工程教學依舊采用思科模擬軟件、普通PC機路由器進行教學，大多數實驗也都停留在虛擬環境模擬和理論教學上，并未真操實練，導致學習積極性不高。

（3）虛擬技術尚未完善。目前，地方高校多采用虛擬仿真軟件（虛擬實驗室EVE-NG、思科模擬器CPT、網絡模擬器gns3）模擬真實網絡設備進行實驗，但虛擬軟件受控于PC機顯示操作，網絡設備的實際環境、細節與操作問題無法顯示，與真實的網絡布線、拓撲設計的大相徑庭，導致學生的創新、動手能力受到較大限制。

2.2 實驗教學方面

（1）部分專業實驗學時較少，且無法在實驗室完成，例如：網絡集群部署、網絡綜合布線調研、無線網絡信號勘測等，需要到企業機房、現場進行實驗。

（2）路由交換、網絡安全等實驗項目缺乏設計性和創新性，網絡技術推陳出新，老師與學生沒有轉變依賴教材的“教與學”思維模式，在等待新技術教材出版的過程中，該技術可能已經淘汰，導致實驗教學始終無法跟上網絡技術更新的步伐。

3 云計算模式的優勢

針對網絡工程實驗教學所面臨的問題，需要依賴以“互聯網+”、云計算和大數據為主的新一代信息技術，將傳統教學模式與在線課堂教學模式融合。

3.1 云計算的概念

云是基于互聯網的一種抽象比喻，表示大規模、虛擬化的互聯網基礎設施資源集合，是新興的計算與存儲模式。云計算通過分布式計算、并行計算與虛擬化技術，將分布在各地的互聯網資源整合并共享服務。因此，高校能夠通過低廉的價格從云計算服務商中獲得大規模、高性能的計算資源[3]。

3.2 云計算在實驗教學中的優勢

（1）規模大、可靠性高

云計算服務提供方一般擁有大量服務器，例如騰訊、阿里巴巴等大型互聯網企業的“云計算”代表數十萬臺服務器，能給予高校實驗室強大的計算與存儲能力。此外，云計算采用數據多副本容錯、計算節點同構可互換等方法為學校用戶提供了安全可靠的服務，降低了人為誤操作引起的損害。

（2）成本低、擴展性高

云計算資源通常由大量的廉價計算機節點構成，其共享式的資源管理使得高校無需購買價格高昂的設備，便可隨時隨地使用云計算的資源與服務，節省了購買設備、搭建實驗室以及維護管理的成本。

（3）高效的虛擬化服務

云計算利用虛擬化技術使用戶可以通過多種終端設備獲取應用服務，且數據資源存儲在云服務器中心，用戶操作不受時間、空間限制。不僅能夠滿足高校大型科研項目的實驗環境，而且能夠支持不間斷的訪問服務[4]。

4 云計算在實驗教學中的應用

4.1 實驗設施方面

（1）利用云計算獲取實驗教學資源

實驗環境方面：通過購買云計算服務商的基礎設施即服務（IaaS），從而獲得完善的計算機基礎設施（服務器、企業級路由器、企業級交換機等），然后基于在線資源安裝相應實驗軟件，為網絡工程專業提供實驗管理平臺。通過Telnet遠程登錄云計算服務器，利用虛擬化技術，使師生在通過本地設備便可操作真實的網絡集群。

實驗安全方面：傳統實驗課的實驗內容均存儲在本地，為了防止計算機出現故障導致數據丟失，需要經常進行備份和整理，轉移與訪問過程較復雜。采用云存儲技術保存實驗教學內容，通過HDFS分布式文件系統存儲，能夠保證數據的安全性，節約存儲空間，支持隨時隨地訪問和下載實驗資源。

（2）結合云計算搭建分布式網絡實驗室

設計一種基于云計算的分布式網絡工程實驗平臺建設方案，該實驗室平臺主要包括：基礎設施區，由網絡設備（路由器、交換機、防火墻）組成，為云計算服務器穩定、安全的連接提供保障;本地實驗區，線下實驗教學機房;對外實驗區，支持外部網絡遠程登錄分布式的實驗室，可通過任意智能設備登錄到云計算虛擬機進行實驗;綜合管理區域，該區域負責管理并維護上述區域的設備、實驗教學內容。具體部署分布如圖1所示。

4.2 實驗教學方面

（1）制定云計算網絡工程實驗計劃

縮減部分網絡工程專業基礎課程量和學時，引進大數據與云計算相關專業教師，制定云計算網絡工程師實驗計劃。實驗目標：培養能在互聯網信息產業從事網絡通信、云計算、分布式等工作的高級應用型人才;實驗方向：網絡工程、云計算技術方向;實驗課程內容，如圖2課程體系分布所示。

（2）結合云計算提供網絡課程平臺

云課堂、慕課等新興網絡課程模式的產生為廣大師生提供不受時間、地點限制的教學服務[5]。云計算中心能夠為在線實驗課堂提供龐大且穩定的實驗環境和數據，以及更安全、更高效的網絡服務。通過O2O雙模式教學，使學生與老師都能夠通過云課堂在外地、課余時間，學習感興趣的實驗課程，再結合本地課堂鞏固實驗項目，進而提升課堂效率。

5 總結

網絡工程作為未來互聯網發展的關鍵方向與專業，通過結合云計算技術，改進實驗室教學與管理水平，構建新型的實驗平臺和教學體系，能夠更好地服務高校進行人才培養。如何進一步改革網絡工程專業的課堂教學模式，是未來研究的重點，也是地方本科高校向應用型本科轉型的著力點。

參考文獻：

[1] 夏建國，趙軍.新工科建設背景下地方高校工程教育改革發展芻議[J].高等工程教育研究，2017（3）：15-19.

[2] 劉行兵，徐長通，劉春紅.網絡工程專業網絡實驗室建設思考與探索[J].中國教育信息化，2010（6）：55-56.

[3] 張睿.基于云計算的高校教學改革與應用[J].高教學刊， 2016（11）：158-159.

[4] 陳慧芬，盧慶武.云計算在高校機房管理中的應用[J].實驗室研究與探索，2013，32（7）.

[5] 崔勇，宋健，繆蔥蔥.移動云計算研究進展與趨勢[J].計算機學報， 2017，40（2）：273-295.

【通聯編輯：代影】