云計算的應(yīng)用對高校實驗教學(xué)的影響*

范大鵬，李 丹，張雅君，祝軼歐，孫成發(fā)

（黑龍江科技學(xué)院計算機(jī)與信息工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150027）

引言

隨著科技的快速發(fā)展，高校實驗室計算機(jī)設(shè)備面臨不斷更新的問題，而頻繁更新設(shè)備需要大量的資金投入，對高校是一個不小的負(fù)擔(dān)，有些高校很難承擔(dān)得起，因而不能滿足教學(xué)的需要;高校的師資力量、教學(xué)實驗設(shè)備、精品課程等教學(xué)與實踐資源分布不均，不能充分共享.這些問題都影響著高校教學(xué)和人才培養(yǎng).

正是云計算的出現(xiàn)，可以很好地改善高校教學(xué)資源狀況，給予高校實驗教學(xué)以新的生命力.

1 云計算簡介

隨著云計算技術(shù)不斷的發(fā)展，到目前為止云計算產(chǎn)生了百家爭鳴的態(tài)勢，產(chǎn)生了不同的定義，本文在高校實驗教學(xué)的基礎(chǔ)上定義云計算為:云計算是以普遍的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用為基礎(chǔ)，采用虛擬化技術(shù)、應(yīng)用軟件技術(shù)、現(xiàn)有設(shè)施即為服務(wù)、平臺即為服務(wù)、軟件即為服務(wù)等不同技術(shù)及概念相結(jié)合的商業(yè)應(yīng)用的結(jié)果，是一種綜合分布式、并行運(yùn)算、共享服務(wù)架構(gòu)的方法.

云計算技術(shù)的基本原理是，用戶所需的應(yīng)用程序并不需要運(yùn)行在用戶的個人計算機(jī)、手機(jī)等終端設(shè)備上，而是運(yùn)行在互聯(lián)網(wǎng)的大規(guī)模服務(wù)器集群中.用戶所處理的數(shù)據(jù)也并不存儲在本地，而是保存在互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)中心里面.這些數(shù)據(jù)中心正常運(yùn)轉(zhuǎn)的管理和維護(hù)則由提供云計算服務(wù)的企業(yè)負(fù)責(zé)，并由他們來保證足夠強(qiáng)的計算能力和足夠大的存儲空間來供用戶使用.在任何時間和任何地點，用戶都可以任意連接至互聯(lián)網(wǎng)的終端設(shè)備.因此，無論是企業(yè)還是個人，都能在云上實現(xiàn)隨需隨用.同時，用戶終端的功能將會被大大簡化，而諸多復(fù)雜的功能都將轉(zhuǎn)移到終端背后的網(wǎng)絡(luò)上去完成［1］.

2 高校目前實驗教學(xué)的兩種方式

高校實驗教學(xué)時通過實驗室提供的儀器設(shè)備，在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生通過動手實踐運(yùn)用設(shè)備完成研制或驗證書本上的知識的過程，該過程使學(xué)生通過觀察、分析、改正、綜合以及設(shè)計的方法達(dá)到掌握相應(yīng)知識的能力.

高?，F(xiàn)有的實驗教學(xué)方式有以下兩種方式.

1）學(xué)生單機(jī)實驗方式

該教學(xué)方式是最早的高校實驗教學(xué)方式，該方式實驗教學(xué)簡單，學(xué)生可以靈活的實驗，但該方式存在實驗教師輔導(dǎo)困難、學(xué)生約束力不強(qiáng)、需要設(shè)備多等缺點.

2）同屏多機(jī)實驗方式

該方式是在學(xué)生單擊實驗方式的基礎(chǔ)上利用同屏軟件進(jìn)行的實驗教學(xué)方式，如圖1 所示.從圖1 可知，教師主控端只要安裝主控軟件，學(xué)生端安裝被控軟件，就可以實現(xiàn)同屏教學(xué)的效果.該方式可以實現(xiàn)教師端的操作和學(xué)生端的操作同步，可以很好地解決單擊操作的不力因素，教師在給學(xué)生講解教學(xué)內(nèi)容的同時也可以實時地回答學(xué)生的問題，并且可以監(jiān)控學(xué)生的操作過程.同樣同屏多機(jī)實驗方式也存在諸多問題:首先學(xué)生端被教師端控制之后，學(xué)生如果想實踐就得等到教師端解除控制之后才可以;其次該方式同樣需要每個學(xué)生一臺計算機(jī)，而硬件成本高不利于問題的解決;最后如果實驗過程中學(xué)生需要安裝額外的軟件，軟件的安裝過程需要占用很多的時間，沒有解決軟件維護(hù)的問題.

圖1 同屏實驗教學(xué)方式

3 應(yīng)用云計算對實驗教學(xué)的影響

目前，高校各部門尤其是實驗室要建立一套適合本校特點的的信息化系統(tǒng)，很大的成本在于需要購買硬件等基礎(chǔ)設(shè)施，還需要購買相應(yīng)軟件的使用許可證，同時需要專門配備技術(shù)人員進(jìn)行維護(hù).采用何種途徑降低硬件更新及軟件維護(hù)費用?如何根據(jù)高校的具體情況定制軟、硬件實驗室資源的高效利用且可靠性高的服務(wù)?帶著這些問題，本文以云計算概念和理論研究的最新成果為出發(fā)點，將云計算技術(shù)應(yīng)用到高校實驗教學(xué)中.云計算具有很大的發(fā)展前景，將為高校實驗室運(yùn)行模式帶來根本性的變化.

3.1 實驗教學(xué)方式的改變

采用云計算的實驗教學(xué)方式是利用現(xiàn)有的較成熟的虛擬技術(shù).虛擬技術(shù)可以將現(xiàn)有不同物理結(jié)構(gòu)的設(shè)備、同時實現(xiàn)不同應(yīng)用功能的設(shè)備虛擬化成一個表現(xiàn)事物的形式，采用不同的虛擬化技術(shù)，可以實現(xiàn)主機(jī)和物理存儲資源的一體化整合，提高主機(jī)和物理存儲資源的分布式共享，提高資源利用效率，降低軟、硬件購置及軟件維護(hù)費用，大大方便管理.

采用云計算實驗教學(xué)的總體架構(gòu)，如圖2 所示.采用云計算之后教師上課地點可以隨意改變，只要存在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，就可以通過互聯(lián)網(wǎng)和局域網(wǎng)兩種方式訪問虛擬服務(wù)器，監(jiān)控學(xué)生上實驗課的情況;而學(xué)生也可以采用集中實驗和分散實驗兩種方式，這樣可以極大地方便學(xué)生的上課環(huán)境，同時降低學(xué)校在實驗室的投入;引入云計算后，其中心設(shè)備群是云計算服務(wù)器設(shè)備，該服務(wù)器群采用虛擬技術(shù)為每一個訪問終端提供一套虛擬系統(tǒng)，該系統(tǒng)完全模擬單機(jī)環(huán)境，訪問者如同訪問單機(jī)設(shè)備一樣，不存在訪問適應(yīng)不良的情況［2，3］.

值得一提的是學(xué)生端可以不受環(huán)境的限制，在不同的環(huán)境下都可以做實驗，如在寢室、家里等，還可以在任何地點溫習(xí)實驗內(nèi)容，強(qiáng)化課程的知識，有利于學(xué)生對知識的掌握.

圖2 云計算實驗教學(xué)的總體架構(gòu)

3.2 實驗教學(xué)中硬件投入的改變

以70 臺計算機(jī)的大型機(jī)房為例，傳統(tǒng)實驗室和云計算實驗室配置情況，見表1.

表1 傳統(tǒng)實驗室和云計算實驗室配置資金對比 元（人民幣）

從表1 可以看出，采用云計算技術(shù)之后，計算機(jī)教學(xué)實驗室所需費用大約是傳統(tǒng)方式的23%.在實驗教學(xué)規(guī)模擴(kuò)大時，采用云計算平臺技術(shù)方案，只需要適當(dāng)?shù)財U(kuò)充服務(wù)器上的物理內(nèi)存，添加適當(dāng)容量的硬盤，進(jìn)行云終端軟件更新等;而傳統(tǒng)方式不僅要增加計算機(jī)主機(jī)，還要購置各個機(jī)算機(jī)設(shè)備上的軟件，因而費用高.從計算機(jī)的能耗上看，傳統(tǒng)方式下計算機(jī)主機(jī)的能耗（如果采用均值約300W 電源功率），產(chǎn)生的消耗量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于云計算（設(shè)均值＜5W 電源功率）的總能耗量.應(yīng)用云計算機(jī)架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，構(gòu)建出云計算平臺，通過采用虛擬化技術(shù)形成的應(yīng)用平臺，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用資源平臺、計算資源共享、存儲資源分布式以及安全資源并行，根據(jù)不同業(yè)務(wù)或者不同用戶的需要量進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆峙?，這樣就可以實現(xiàn)同一個基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)平臺，實現(xiàn)廣泛的教學(xué)應(yīng)用、科研運(yùn)算、管理統(tǒng)一、服務(wù)均衡等各項業(yè)務(wù)，這將是今后教育行業(yè)實現(xiàn)信息化的發(fā)展方向.

3.3 實驗教學(xué)中軟件維護(hù)的改變

在云計算環(huán)境中，操作系統(tǒng)在服務(wù)器中的虛擬機(jī)上運(yùn)行，服務(wù)器應(yīng)用本身是虛擬化的，但是虛擬化的服務(wù)器在功能上跟正常的物理服務(wù)器是一樣的，可以安裝和實現(xiàn)任何的需要與應(yīng)用.服務(wù)器虛擬化技術(shù)應(yīng)用有很長的歷史，很早就應(yīng)用于小型PC 機(jī)的虛擬化分區(qū)上，目前將該技術(shù)運(yùn)用于云計算平臺取得了很好的效果.當(dāng)前比較流行的服務(wù)器虛擬化軟件主要有VMWare，提供免費的是ESXi 服務(wù)，同時提供收費的是vSphere 服務(wù);思杰虛擬機(jī)提供免費的是XenServer 服務(wù)，同時提供收費的是Essen-tials 服務(wù);KVM、微軟也有相應(yīng)的虛擬化軟件如Hyper－V 等，較別的虛擬化軟件，VMWare 的vSphere軟件由于適應(yīng)范圍廣、相對比較成熟，可以安裝大多數(shù)操作系統(tǒng)上.通過采用服務(wù)器虛擬化技術(shù)，可以將一臺物理服務(wù)器當(dāng)做n 臺虛擬服務(wù)器來使用，比如一臺性能和價格都很高的物理服務(wù)器，可以通過虛擬軟件虛擬出數(shù)臺服務(wù)器，這樣對于計算能力要求不高和資金短缺的系統(tǒng)和單位，就可以實現(xiàn)多個系統(tǒng)在一臺物理服務(wù)器上同時運(yùn)行而不會互相影響，同時大大降低了軟件維護(hù)的工作量和硬件采購的費用［4，5］.

3.4 學(xué)生學(xué)習(xí)方式的改變

云計算環(huán)境下，以學(xué)習(xí)者為中心的個人學(xué)習(xí)環(huán)境將是網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的發(fā)展趨勢，網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)已不再被局限在學(xué)校機(jī)構(gòu)的范圍內(nèi)，而是更廣泛的、學(xué)習(xí)者可自行創(chuàng)建和管理的空間，學(xué)習(xí)活動也更多地由學(xué)習(xí)者自己而不是學(xué)校機(jī)構(gòu)來控制，利于云計算服務(wù)器虛擬平臺，學(xué)生可以脫離實驗室環(huán)境學(xué)習(xí).云計算增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的靈活性和敏捷性，能夠使學(xué)習(xí)資源和學(xué)習(xí)工具隨時隨需而用，降低傳統(tǒng)實驗室實驗教學(xué)的學(xué)習(xí)資源與服務(wù)的費用，創(chuàng)建靈活的學(xué)習(xí)方式，創(chuàng)設(shè)豐富的學(xué)習(xí)情境，提高學(xué)習(xí)效果［6］.

4 結(jié)論

通過上述分析，可以看出在云計算日益普及的今天，采用云計算技術(shù)無論是從改變傳統(tǒng)實驗教學(xué)方式、節(jié)約高校設(shè)備投入成本，還是從優(yōu)化教學(xué)方式來看，將云計算技術(shù)應(yīng)用到高校實驗教學(xué)中勢在必行.

［1］張健.云計算概念和影響力解析［J］.電信網(wǎng)技術(shù)，2009，（1）:15－18.

［2］王玉芬，郭曉娟.云計算對高校教學(xué)資源影響解析［J］.實驗技術(shù)與管理，2009，（5）:111－113.

［3］錢進(jìn)，苗奪謙，張澤華.云計算環(huán)境下知識簡約算法［J］.計算機(jī)學(xué)報，2011，34（12）:2332－2343.

［4］劉鵬.云計算［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2010.

［5］劉國明，夏祖勛.基于云計算架構(gòu)的高校實驗室設(shè)計與實施［J］.漳州師范學(xué)院學(xué)報:自然科學(xué)版，2011，（3）:25－29.

［6］朝樂門.淺談高校ERP 實驗課程建設(shè)［J］.計算機(jī)教育，2006，（3）:30－33.