數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)云計(jì)算輔助教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)初探

岑冠軍

摘 要： 本文深刻分析了云計(jì)算技術(shù)在構(gòu)建良好數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的特點(diǎn)，指出數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)云計(jì)算輔助教學(xué)平臺(tái)是云計(jì)算環(huán)境下集成的數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，并論述了該平臺(tái)的功能模塊設(shè)計(jì)，給出了基于Hadoop建設(shè)該平臺(tái)的框架和集群架構(gòu)，為探索云計(jì)算應(yīng)用于實(shí)踐教學(xué)做了有益的嘗試。

關(guān)鍵詞： 數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn) 云計(jì)算 教學(xué)平臺(tái)

數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)作為一門新實(shí)踐課程被國(guó)內(nèi)眾多高等學(xué)府引入大學(xué)課程中，數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)是研究熱點(diǎn)之一。目前，各高校建設(shè)的數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)室是主要數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源平臺(tái)[1]。傳統(tǒng)數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)室是將計(jì)算機(jī)軟硬件、數(shù)學(xué)軟件包、教學(xué)資源、課件制作、計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)等有機(jī)融為一體，是基于局域網(wǎng)的數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，建設(shè)成本較高，學(xué)生必須到數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)室——以微機(jī)為主體的機(jī)房進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，使數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)受到空間上的限制，同時(shí)基礎(chǔ)數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)是面向所有專業(yè)學(xué)生開設(shè)的，實(shí)驗(yàn)資源緊張，導(dǎo)致學(xué)生上機(jī)實(shí)驗(yàn)時(shí)間受到限制。為了克服以上困難，本文提出了建設(shè)云計(jì)算環(huán)境下數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)輔助教學(xué)平臺(tái)，該平臺(tái)有利于提高學(xué)生對(duì)數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)的興趣，顯著提高實(shí)驗(yàn)設(shè)備的利用效率，降低硬件資源建設(shè)成本。

1.云計(jì)算在構(gòu)建良好數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的優(yōu)點(diǎn)

云計(jì)算既指在互聯(lián)網(wǎng)上以服務(wù)方式提供的應(yīng)用系統(tǒng)程序，又指在數(shù)據(jù)中心用來(lái)提供這些服務(wù)的硬件和系統(tǒng)軟件。云計(jì)算可理解為并行計(jì)算、分布式計(jì)算和網(wǎng)格計(jì)算的發(fā)展，或者說(shuō)是這些計(jì)算機(jī)科學(xué)概念的商業(yè)實(shí)現(xiàn)[2]。云計(jì)算的理念是把基礎(chǔ)設(shè)施、平臺(tái)或者應(yīng)用程序以服務(wù)的形式提供給用戶，使云計(jì)算在遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中具有許多優(yōu)勢(shì)。

云計(jì)算在構(gòu)建數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的主要優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在：第一，基于云計(jì)算技術(shù)構(gòu)建的數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)境是放置在云端的，在高速互聯(lián)網(wǎng)支持下，學(xué)生和教師可以隨時(shí)隨地進(jìn)行數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)，使數(shù)學(xué)探索過(guò)程更順暢，同時(shí)教師可以通過(guò)云端實(shí)時(shí)在線指導(dǎo)；第二，云計(jì)算技術(shù)中主要的計(jì)算和存儲(chǔ)由后端集群架構(gòu)完成，前端設(shè)備可以最小化，學(xué)生和教師可以通過(guò)智能化終端如手機(jī)等進(jìn)行數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)，降低數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)入門檻；第三，有利于構(gòu)建協(xié)作式教學(xué)和實(shí)驗(yàn)環(huán)境，由于所有教學(xué)資源和學(xué)生學(xué)習(xí)文件都放置在云端，可以方便地進(jìn)行集體式備課、異步教學(xué)探討、分組實(shí)驗(yàn)和知識(shí)交流；第四，提高數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率，海量的云存儲(chǔ)空間可以為每一個(gè)學(xué)生建立一個(gè)個(gè)性化的實(shí)驗(yàn)空間，為每個(gè)教師建立教學(xué)空間，學(xué)生可以快速下載實(shí)驗(yàn)資料，教師能快速部署課程文檔和程序；第五，高效利用數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)室的軟硬件資源，計(jì)算機(jī)和正版數(shù)學(xué)軟件是數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)室的主要資源，而這些資源只有在機(jī)房開放時(shí)才會(huì)被使用，在沒(méi)有實(shí)驗(yàn)課時(shí)及假期尤其漫長(zhǎng)的寒暑假基本處于閑置狀態(tài)，云計(jì)算技術(shù)可以將這些廉價(jià)的PC整合成具有強(qiáng)大計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力的服務(wù)平臺(tái)，提供不間斷的服務(wù)并且通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將這種服務(wù)配送給廣大師生；第六，滿足特殊的數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算要求，一些數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)涉及大數(shù)據(jù)的處理和耗時(shí)的計(jì)算，在單機(jī)上難以完成，云計(jì)算系統(tǒng)框架允許在短時(shí)間內(nèi)靈活地集結(jié)實(shí)驗(yàn)室的計(jì)算機(jī)，使之完成大型實(shí)驗(yàn)任務(wù)。

2.數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)云計(jì)算輔助教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

2.1功能模塊設(shè)計(jì)

數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)云計(jì)算輔助教學(xué)平臺(tái)是一個(gè)集成的數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，在此環(huán)境中主要的操作對(duì)象有教師、學(xué)生和平臺(tái)管理人員和執(zhí)行特殊科學(xué)計(jì)算任務(wù)的科研人員，因此將該平臺(tái)分成四個(gè)子系統(tǒng)，分別是教師子系統(tǒng)、學(xué)生子系統(tǒng)、科學(xué)計(jì)算子系統(tǒng)和管理人員子系統(tǒng)，各個(gè)子系統(tǒng)之間相互聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)一個(gè)整體的數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)教與學(xué)的環(huán)境。管理人員子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)平臺(tái)的運(yùn)營(yíng)管理，包括實(shí)驗(yàn)環(huán)境管理、平臺(tái)的配置管理、運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)管理和安全策略管理，并對(duì)教師、學(xué)生、科研人員的信息進(jìn)行管理。教師子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)教師課程管理、部署實(shí)驗(yàn)任務(wù)、在線輔導(dǎo)、協(xié)作備課、作業(yè)布置及處理、測(cè)試管理和學(xué)生信息管理，還包括數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)K。學(xué)生子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在線實(shí)驗(yàn)、協(xié)作交流、作業(yè)處理、資源共享、在線測(cè)試和實(shí)驗(yàn)心得分享等功能。科學(xué)計(jì)算子系統(tǒng)為科研人員提供大數(shù)據(jù)處理和高要求的數(shù)學(xué)計(jì)算功能，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目計(jì)算任務(wù)管理。

2.2基于Hadoop的數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)云計(jì)算教學(xué)輔助平臺(tái)的框架

Hadoop框架是Apache基金會(huì)基于Java語(yǔ)言開發(fā)的開源云計(jì)算框架，很多國(guó)內(nèi)外知名互聯(lián)網(wǎng)公司使用Hadoop框架開發(fā)出自己的云計(jì)算服務(wù)。Hadoop框架最核心的設(shè)計(jì)就是：分布式文件系統(tǒng)（Hadoop Distribution File System，HDFS）、分布式計(jì)算框架（MapReduce）、分布式數(shù)據(jù)庫(kù)（HBase）和數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)（HIVE）。

由于Hadoop是采用Java語(yǔ)言開發(fā)的，因此基于Java平臺(tái)開發(fā)Web層，這樣web層能很好地與Hadoop相融合，web層主要接受用戶請(qǐng)求并返回對(duì)用戶的響應(yīng)，包括教師子系統(tǒng)、學(xué)生子系統(tǒng)、科學(xué)計(jì)算子系統(tǒng)和管理員子系統(tǒng)。Web層數(shù)據(jù)交互模式有三種方式：與數(shù)據(jù)庫(kù)交互網(wǎng)頁(yè)信息數(shù)據(jù)、與HDFS交互資源文件數(shù)據(jù)、與數(shù)學(xué)軟件通過(guò)webservice交互數(shù)據(jù)，處理用戶的請(qǐng)求，如在線數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)、教學(xué)資源上傳下載，并將處理結(jié)果回饋給Web層，在線數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)是本輔助教學(xué)平臺(tái)提供的核心云端服務(wù)，該服務(wù)面向廣大師生，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)大規(guī)模的并發(fā)訪問(wèn)，因此在這一層將應(yīng)用Hadoop的MapReduce并行計(jì)算框架，將多個(gè)數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)服務(wù)請(qǐng)求發(fā)送給集群內(nèi)不同的計(jì)算機(jī)并行處理，并將處理結(jié)果返回給Web層。這樣不僅可以完成小型數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，還可以完成大數(shù)據(jù)處理和耗時(shí)的科學(xué)計(jì)算等特殊實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。數(shù)據(jù)層使用MySql和HBase結(jié)合的方式存儲(chǔ)大量的數(shù)據(jù)，對(duì)外提供一致的數(shù)據(jù)接口。數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)輔助教學(xué)平臺(tái)的資源存儲(chǔ)訪問(wèn)模塊基于Hadoop的HDFS實(shí)現(xiàn)。

2.3數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)云計(jì)算輔助教學(xué)平臺(tái)的集群架構(gòu)

云計(jì)算系統(tǒng)之所以具有超強(qiáng)計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力，是因?yàn)楸澈笥屑河?jì)算機(jī)的支撐，云計(jì)算下的數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助平臺(tái)通過(guò)Hadoop框架，可以將數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)室的普通PC機(jī)組織成起來(lái)，以集群方式向廣大師生提供高性能和高質(zhì)量的服務(wù)，高效利用實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，并可以進(jìn)行大型的并行計(jì)算和分布式計(jì)算，如大數(shù)據(jù)處理。由于數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)室的每臺(tái)計(jì)算機(jī)上都安裝了數(shù)學(xué)軟件，在每臺(tái)機(jī)器上部署Hadoop系統(tǒng)，則每臺(tái)PC都可以成為一個(gè)計(jì)算服務(wù)器，并為Hadoop系統(tǒng)的調(diào)度器調(diào)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫蘇菁，白占兵.關(guān)于數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的若干思考[J].科技視界，2013（11）：41，104.

[2]Barrie Sosinsky.Cloud Computing Bible[M].電子工業(yè)出版社，2013.10.