应用云计算构建高校计算机课程实验教学环境

董尚燕

摘要：利用云计算虚拟技术构建计算机课程实验环境须重视技术应用及资源管理两个方面。云计算技术为虚拟实验环境提供了广阔的构建平台，而资源的建设与管理为教学研究和发展提供最全面和真实的挖掘材料。有别于传统实验教学，在这种新型实验环境的基础上可以很容易地延伸出富有成效的知识共享与教学研究资源。该文一方面阐述了应用云计算实现虚拟实验环境的技术路线，另一方面讨论了共享社区、资源建设、教学档案收集与挖掘等基于云计算环境的运作模式。

关键词：云计算；虚拟实验环境；共享社区；资源管理

中图分类号：TP311.13 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）32-0104-03

Application of Cloud Computing to Build the Experimental Environment of Computer Course in Colleges

DONG Shang-yan

（School of Computer Engineering， Jingchu University of Technology， Jingmen 448000， China）

Abstract： The experiment environment based on cloud computing should pay more attention to two aspects of technology application and resource management. Cloud computing technology provides a broad platform for the virtual experiment environment， and the construction and management of resources provide the most comprehensive and authentic materials for teaching research and development. Different from the traditional experimental teaching， it is easy to extend the knowledge sharing and teaching research on the basis of this experimental environment. This paper expounds the technical route of the experiment environment based on cloud computing， on the other hand， discusses the sharing community， resources construction， teaching archives collection and mining based on cloud computing environment.

Key words： cloud computing； Virtual experiment environment； Shared community； resource management

信息技术的发展使得软件更新速度在加快，对硬件要求越来越高。高校计算机类实验室在跟随时代发展的过程中基础投入与运营维护成本在不断提高。软硬件的升级换代，一方面给高校带来财政负担，另一方面又造成了很大的浪费。云计算及其虚拟化技术为高校计算机课程的实践教学带来了新的建设思路。基于云计算的虚拟化实验环境具有节省资源、易于扩充、维护简单等优势。本文从基于云计算的虚拟实验环境的构建方式、整体架构、资源配备及信息管理几个方面进行阐述，对资源配备中门户站点的建设思路提出了自己的观点。

1 构建方式

基于云计算构建实验教学环境有两种方式：

第一种方式采用从公有云租借的方式。目前有很多商业化的公有云，提供了基础设施、平台、软件各种服务（即IaaS、PaaS、SaaS）。在这种方式下，从软硬件平台的租借到实验资源的上载部署与更新都可以采取有偿第三方的形式实现。高校重点关注实践课程教学内容的组织与更新，定期通过门户站点对教学资料进行本地化归档。

这种方式初期投入较少，内容更新及时，根据学校的实际情况有较灵活的操作性。由于云计算按需支付的运维方式，可能对大量或长期占用云资源的研究实验有一定的限制。

第二种方式是高校在自己目前的实验设施基础上扩充后搭建教学私有云，从硬件、软件两个方面进行自主建设，目前已有一些高校开始试行。当前丰富的开源产品为私有云的构建提供了强有力的保障，构建轻量的私有云用于实现虚拟实验环境已是高校实验室建设的一种趋势。由于高校在实验室长期的建设投入中积累了丰富的资源，在服务器、计算机终端、网络设备、多媒体设备等方面已有较好的基础；还包括大量的实验保障设施，从实验室房屋及配套设施（如电源、空调、桌椅等）等方面也有较大的保有量；也培养了较成熟的管理运维团队以及丰富的软件资源及大量的不同种类及形式的教学档案等，这些都为高校搭建基于私有云的虚拟实验室提供了充足的条件。

这种方式最大的优点是对现有的管理不会造成较大的冲击，同时云计算虚拟技术也使得老旧的计算机设备能够被再利用。另外，整个平台搭建完成后可以实现多种用途，如学生实验，教师科研，校园管理等。本文将着重以这种方式来展开讨论。

2 整体架构

基于云计算构建实验教学环境的整体架构如图1所示：

在云平台将所有资源进行虚拟化向用户（教师或学生）公布，用户无论是在真实实验室的客户端，还是在寝室的笔记本或台式机，都能通过校园网或外网向平台申请服务，以定制的方式访问其发布的各种资源，如虚拟桌面，虚拟应用软件及各种服务器资源等，以虚拟的方式快速形成实验环境。当实验开始后，所有的实验数据及过程会记载至平台中个人文件夹并在实验完成提交后打包存储。用户可以随时下载生成实验报告。除利用平台完成实验外，用户还可以将心得體会在用户门户网站进行分享或者参与讨论。而平台管理员可以通过管理员门户进行资源维护与流程控制。

基于私有云的虚拟实验教学环境在逻辑上分三个部分：

基础设施： 基础设施包括所有的硬件设备，如服务器、存储设备、终端、网络设备、多媒体设备，辅助设备等。另外基础设施上还应配备相应的操作系统及管理软件。

教学资源：包括适应各类课程教学的虚拟桌面，对应实验内容的虚拟实验环境以及为用户分配的存储空间及计算能力等。

门户网站：包括用户进行知识共享的用户门户站点及管理员进行资源维护的管理员门户站点。

在实现的技术上，有三个关键点：

虚拟化服务器：服务器虚拟化是将多个虚拟机运行在单个服务器上，并且对硬件资源进行抽象。服务器虚拟化技术保证了虚拟机运行的独立性，实现了信息的安全与共享。

虚拟化桌面：桌面虚拟化是将计算机的终端系统进行虚拟化，用户使用终端设备便可随 时随地通过网络访问个人的桌面系统。

应用虚拟化：应用虚拟化是指为应用程序提供了虚拟运行环境和可执行文件，将应用对底层系统和硬件的依赖抽象出来。在本地虚拟化环境中，应用程序屏蔽了底层可能与其它应用产生冲突的内容（如动态链接等），简化了应用程序的部署升级，管理员只需更新虚拟环境中应用程序的副本并将其发布出去，无需处理每台设备的不兼容情况。

3 资源建设

在云计算应用的实验教学环境中，用户不需要安装服务器程序或任何客户端软件就可以利用自己的各类终端，在任意时间、任意地点通过浏览器访问实验教学云资源，来完成各种课程学习或在线远程实验操作。而在构建基于云的实验教学环境时，无论我们采用哪一种方式，软资源建设都是其中最重要最核心的环节。软资源包括三方面的内容：理论教学资源，实验教学指导类资源，辅助类资源。

3.1理论教学资源

理论教学往往是实验教学的先行部分，为了满足学生在实验之前对相关理论课内容有查阅的需要，理论教学资源的建设很有必要。其资源形式有多种，如经过提炼总结的静态文档、授课视频及录音、图形图像等。教学资料要有针对性，要突出重点，依照学生的学习习惯予以组织和呈现。丰富的理论教学资源是学生实验前准备及实验后总结提高的重要保证。

3.2实验教学指导类资源

实验教学指导类资源主要包括实验指导手册、每个实验所要达到的教学目标及考核指标等。由于虚拟实验环境的无差异性，每个学生都在稳定的实验环境中进行操作。对学生的实验技能的考核相对容易。

3.3辅助类资源

搭建共享社区平台，为学生、教师及管理者之间的交流提供支持。另外，还应链接外网与教学相关的内容，如业界动态、学习类博客等。

3.4 资源的组织原则

在公布给用户的虚拟实验环境中，应对所有资源进行有效的组织，让用户有层次地进行相关资料的调取查阅。可以实现课程所有章节的全部推送，也可以开关式的由指导教师制定推送清单，做到灵活管理。

在资源的组织上还应遵循渐进式学习的原则：

第1阶段：学习基础知识。

第2阶段：训练掌握相关技能。

第3阶段：协作和知识共享。

三个阶段的内容除理论教学类资源的配置上要有一定层次外，实验类资源要有侧重点，并互相衔接。第1阶段主要针对基本概念提供验证式实验任务，第2阶段要组织一些难度渐进的综合类实验，第3阶段提供成果展示平台，并定期进行优秀实验成果的评选，以促进整个教学活动的深入。

4 信息管理

基于云计算的虚拟实验教学的管理要分为两个部分：系统管理部分及实验信息档案管理部分。

系统管理部分将用来管理和维护创建的虚拟实验环境，并合理分配实验资源，将一个或多个云服务器整合为多个虚拟计算机集群系统。

教学档案管理则相对复杂。早期的实验环境由于其固有的组织形式造成了每堂实验、每门课程、每个实验室等各元素相互之间的独立性，在教学档案的留存、学生实验信息的采集等都存在很大的困难。而虚拟实验室能很好地解决实验各方信息采集与管理，且为教学实践深入开展提供了可供挖掘的数据资源。教师依靠教学档案可视化工具，及时地发现实验中的薄弱环节，从而作出调整；又可以对学生整体水平作出客观的评价，从而有针对性地进行下一步的教学实施。

实验教学信息总体上包括：学生实验报告、教师授课计划、学生实验成绩及考勤，学生操作环节的记载，学生个人档案信息，学生最终实验课程的成绩评定以及教师教学效果的评定信息等。这些信息由于是实时采集，能全面客观反映实验教学的真实状态，是教师进行教学改进与提高的最好的研究资源。

实验教学信息的存储和管理依托的是云计算平台，云平台除了最基本的虚拟实验环境的配置开发外，还应具有可靠的实时信息采集及存储管理系统。基于云的虚拟实验室不是简单的实验环境的虚拟化，更要提供实验教学过程的全程管理。

5 结束语

高校基于云构建计算机类课程的虚拟实验环境，是实验室发展的一个方向。依托云平台还可以开发各种门户网站，如用于成果展示和分享的社区，用于用户学习记录的个人空间，用于各类资源管理的后台门户等。信息技术的发展必将为高校教育提供更广阔的发展空间。

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