基于校企聯合的實驗室云教學平臺建設方案

趙曉娟 趙欽

國務院在“全面落實立德樹人根本任務”中強調，要支持本科生和研究生提前進入企業開展創新活動，引導學生創新創業。然而隨著企業對高等人才創新意識與應用能力的需求的提高，當前計算機實驗室的硬件服務器資源及網絡環境已難以支撐多種試驗系統的教學活動要求。云計算技術以其資源利用率高且按需分配的特點，已受到國家教育部、司法部及軍隊的高度重視。同時，由于云計算技術具有數據集中存儲、安全可控、管理集中統一、可用性高、可擴展性好、負載均衡等多種優點，已在各行各業中得到廣泛應用 。將云計算機技術應用與高校實驗室教學當中，以虛擬云桌面提到當前獨立的操作系統，可以為高校實驗教學提供更加便捷高效的實驗教學管理。通過校企合作培養模式，建立校內外實訓基地，在課程過程中，可以由企業高級技術人員及專業教師對學生進行多重指導，進而提升高校的整體實驗教學質量。

一、云平臺與桌面虛擬化技術

云平臺在本質上為借助云計算技術為計算機提供硬件與軟件資源的服務平臺。云平臺在教育領域的應用通常表現為通過校園網對校內計算機軟件資源進行統一管理的平臺。其在為用戶提供計算、數據傳輸和存儲服務的同時，也可通過網絡向用戶供給所需求的云端硬件與軟件資源。桌面虛擬化技術則為通過云端服務器對網絡覆蓋范圍內的設備資源進行集中管控和分配調度的系統架構。基于該系統架構，用戶可從服務器端獲取所需的存儲空間、軟件系統和虛擬內存，并在終端顯示設備進行輸出。將云平臺技術與桌面虛擬化技術相結合并應用于高校計算機實驗教學，可以將實驗數據的存儲和處理在服務器端進行而僅將運算結果反饋給學生終端，并根據各學生終端的實際需求對資源進行實時動態分配，從而為計算機實驗室提供更加完善便捷的教學管理服務。

二、傳統高校多媒體實驗室現狀與問題

本校區目前擁有計算機實驗室3間，學生終端數量近200臺。然而對終端設備的管理仍采用為每個終端安裝多個操作系統，并利用教學管理軟件來保護硬盤讀寫的模式。當前的管理模式在信息化教學實踐中存在以下問題。

1.實驗室建設成本高。隨著科技水平的快速發展，實驗教學軟件對硬件設備的配置要求逐步提升，大量終端設備的集中更新換代導致高校計算機實驗室建設投入巨幅上漲。另外，由于計算機實驗室往往需同時服務于多學科的信息化實驗教學，多種教學軟件的特異化需求也為終端硬件設備提出了更高的要求。同時，由于部分設備間存在性能差異，因此往往需要投入大量的成本用于計算機實驗室的維護管理與設備維修。

2.維護管理難度大。由于本校計算機實驗室需同時承擔土木工程、機械設計、軟件工程等多個學科的實驗內容和不同的教學任務，不同實驗教學目的與教學內容對計算機應用環境的需求存在差異，導致每臺終端設備需同時部署多款實驗教學軟件。基于當前對計算機實驗室所采用的管理模式，各終端設備中普遍多個操作系統共存，在影響計算機運行速度的同時，多個系統間的不穩定因素也極大地增加了實驗室管理人員的工作難度。由于本校現設有三個計算機實驗室，因各實驗室建設時間不同，終端設備間硬件異構十分嚴重，各實驗室中學生終端相對獨立，計算機出現故障的情形也各不相同，差異化嚴重的維修調試工作在給實驗室的運維管理帶來不便的同時，也使得排課及統一維護需耗費較多的時間和精力。此外，為保護學生終端設備硬盤，其計算機每次啟動都會進行系統地還原，由此導致教學系統和實驗軟件的安裝及更新都需先在母系統上安裝后，再以網絡同傳的方式對其余計算機進行統一部署。然而由于實驗室中各計算機的硬件配置和同傳管理軟件版本并不完全一致，這就導致了不同型號的計算機需要分批部署，逐臺安裝，嚴重影響了實驗室管理工作的進行。

3.數據安全性差。學生在上機操作過程中，由于學生網絡安全意識不強，終端設備的數據和系統安全性面臨著各類威脅，學生所攜帶的移動存儲設備也為網絡病毒的入侵提供了途徑。此外，還原系統的存在使得學生在課堂實驗中所取得的實驗數據不能存儲在所操作的計算機中，導致課程教學的延續性受到影響，而反復多次的硬盤擦寫操作也使得設備的使用壽命大大降低，為教學數據的丟失埋下隱患。

三、建設方案

1.在硬件配置方面。基于企業對綜合創新型人才的迫切需求，結合本校現有多媒體實驗室實際特點，本文設計了基于桌面虛擬化技術的虛擬云實驗教學平臺建設方案，在硬件配置方面主要包含以下模塊：①服務器：基于本校現有多媒體實驗室規模及設備資源，依據各計算機實驗室教學活動規模，購置部門級服務器一臺作為主節點運行虛擬云平臺系統，現有兩臺高性能服務器作為從屬節點提供運算空間及硬件支持。服務器部署于本校服務器機房內，其中云主機搭載著云平臺軟件及教學管理軟件，而服務器整體承擔所有學生的課業及相關信息，實現對實驗室內所有學生終端的綜合管控。②云終端：云終端通過校內局域網與教師端及服務器端進行連接，從而獲取虛擬桌面操作系統，而終端本地操作系統不對學生授權開放。由于計算機實驗室實驗教學內容不同，因此本方案分批次分別購置瘦客戶機作為學生終端顯示設備。

2.在系統建設方面。本方案采用OpenStack虛擬云平臺系統，依據本校計算機實驗室現有網絡環境、硬件設備及應用架構搭建虛擬云試驗教學平臺，從而避免在構建過程中的大范圍系統改造，降低系統的復雜度和建設成本。該系統主要包括以下模塊。①系統環境布置模塊。實驗教學系統的環境即實驗教學應用程序所需的運行平臺。系統環境布置模塊用于對不同實驗教學軟件所需的特定運行環境進行搭建。同時依據實驗教學科目和內容對所搭建的運行環境進行統一管理。②實驗教學管理模塊。實驗教學的管理模塊用于對包括實驗大綱、課時安排、教學任務、過程監控等內容的管理。在每學期開學前，管理人員可通過該模塊對本學期所需在各計算機實驗室進行的實驗教學活動的課時安排、排課情況、實驗內容等信息進行管理，并為教師提供特定實驗教學任務的預約窗口。在網絡環境搭建方面，服務器與實驗室云終端之間通過網絡平臺、交換機、路由器組建局域網，為了滿足實驗教學要求采用千兆網組建教學網絡。

四、結語

校企聯合已成為高校辦學育人的重要模式之一，本文就高校實驗室云平臺的建設展開相應的研究，從技術應用、當前多媒體實驗室現狀及虛擬化教學云平臺建設流程等多方面展開研究內容的論述，仔細分析在實際應用中存在的問題并基于本校多媒體實驗室實際情況提出虛擬化云桌面的建設方案，與校外企業聯合共建創新創業實驗室，由企業進行部分硬件或軟件的贈送，搭建與企業、教師、學生科研項目溝通和互動平臺，為學生提供進一步的實驗環境和創新創業模擬環境，切實提升高校實驗教學的整體質量。[基金項目：西安理工大學教育教學改革研究項目，課題編號xjy1858。]

（作者單位：西安理工大學）