基于云計算的計算機實驗教學方案研究

惠向暉 魏秀然

河南農(nóng)業(yè)大學信息與管理科學學院 河南 鄭州 450002

1 高校計算機實驗教學現(xiàn)狀分析

21世紀以來，人們進入信息化時代，計算機與網(wǎng)絡技術(shù)飛速發(fā)展。為了貼合時代發(fā)展，培育新時代互聯(lián)網(wǎng)人才，各高校紛紛開展計算機相關課程。作為一門實踐性較強的課程，計算機教學大多采用理論課程結(jié)合計算機實驗教學的方式，意在培養(yǎng)學生的應用能力和創(chuàng)新能力。新的時代背景下，國家大力發(fā)展計算機技術(shù)相關行業(yè)，通過技術(shù)驅(qū)動經(jīng)濟發(fā)展，計算機實驗教學擔負著巨大的挑戰(zhàn)和社會責任[1]。目前傳統(tǒng)的計算機實驗教學主要存在以下幾種問題。

1.1 實驗室硬件成本過高

目前，絕大多數(shù)高校的計算機實驗室教學采用固定機房，固定座位，固定電腦的基礎硬件設施。在計算機剛剛普及階段，這種教學模式還可以起到較好的教學效果，同時成本相對可以接受。這種模式下，學校需要設立專門的場地來建設機房，實驗室所用桌椅、交換機路由器等設備需要不斷更新，實驗室環(huán)境維護成本隨著時間不斷增加。當前社會計算機技術(shù)不斷發(fā)展，軟硬件設備更新迭代速度不斷提升，機房教學專用電腦的更新速度明顯落后于時代發(fā)展。這導致教師的教學內(nèi)容不能做到前沿性和實時性，學生所學到的技術(shù)與社會需求嚴重脫節(jié)。此外，很多高校存在多個校區(qū)，不同校區(qū)之間距離相對較遠。為了解決相關專業(yè)的課程需求，只能在多個校區(qū)分別設立計算機實驗教學機房。這同樣會導致硬件成本的加倍增加，但實驗室使用效率卻相對降低。對計算機實驗室的電腦設備進行定期更新無疑會加大高校的財政支出，對一些經(jīng)費相對不足的高校造成了較大壓力。因此，如何在保證教學質(zhì)量的同時，將有限的經(jīng)費資源發(fā)揮更大的作用成為當前計算機實驗教學的難點。

1.2 計算機配套軟件存在問題

計算機作為一種教學工具，除了場地、硬件等成本，軟件也是必不可少的一環(huán)。針對不同專業(yè)，在開展計算機實驗教學時所用的軟件、開發(fā)環(huán)境等也不盡相同，如最基礎的操作系統(tǒng)Windows和辦公軟件office套件等。軟件和硬件都是實驗教學開展的基礎條件，教學軟件的科學使用決定了教學效果的優(yōu)劣。當前，我國對知識產(chǎn)權(quán)保護越來越關注，軟件正版化成為計算機實驗教學的必經(jīng)之路。對正版化軟件的經(jīng)費投入，有利于后續(xù)的維護升級管理，可以有效地降低法律風險，增強教學活動的穩(wěn)定性和安全性。因此，高校的計算機實驗教學建設還需要考慮盜版軟件的問題[2]。

1.3 計算機實驗設備利用率相對較低

目前的計算機實驗教學課程安排大多是單次課程占用2-3節(jié)，課程教學內(nèi)容往往并非獨立展開。教師需要在上機實驗前先進行理論、操作步驟的講解和演示，這往往需要花費1-2節(jié)的時間，留給學生實際操作的時間十分有限。這種教學模式下導致學生往往出現(xiàn)單次實驗完成不了就要下課的場景，學生實際學習到的內(nèi)容大打折扣。這種情形多次發(fā)生會對學生的積極性造成極大的打擊，同時也會降低學生的自主學習意識和學習效率。這種模式暴露了計算機實驗教學中教學環(huán)境和基礎設施管理上的不足，缺乏更加專業(yè)的分配方式，以面對計算機實驗教學環(huán)境的復雜性和綜合性。

2 云計算及其特點

云計算技術(shù)作為一種新興的計算機網(wǎng)絡技術(shù)并沒有統(tǒng)一的定義，它融合了存儲技術(shù)、分布式計算技術(shù)、并行計算技術(shù)等，可以對數(shù)據(jù)進行高效、快速的計算和處理。云計算依托于網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展，可以對用戶數(shù)據(jù)進行動態(tài)的、實時的處理，它對用戶客戶端設備性能要求較低，但需要滿足連接互聯(lián)網(wǎng)。它的應用場景主要表現(xiàn)為，用戶客戶端只進行數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡上傳和下載，數(shù)據(jù)的計算和處理部分放在云端集中處理。這為降低客戶端軟硬件成本提供了新的解決方案。同時，云計算具有實時性和虛擬性，將其與計算機實驗教學相結(jié)合可以有效改善目前的教學方式和教學環(huán)境。云計算主要有以下特點[3]。

2.1 實時性

云計算終端分為服務器端和客戶端，兩者通過互聯(lián)網(wǎng)進行通信和數(shù)據(jù)傳輸。目前網(wǎng)絡技術(shù)飛速發(fā)展，網(wǎng)絡基站建設不斷完善，光纖通信、5G網(wǎng)絡建設為云計算的通信提供了極端的時延。用戶在客戶端的操作控制數(shù)據(jù)得以在極短時間內(nèi)上傳到服務器，依托于服務器端強大的計算能力，數(shù)據(jù)可以在極短時間內(nèi)進行計算和處理，隨后下行傳輸給客戶端。這種極快的網(wǎng)絡技術(shù)和強大的算力使得用戶的實時操作得以實現(xiàn)。

2.2 用戶客戶端配置要求較低

云計算依托于網(wǎng)絡技術(shù)，將本地的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫朔掌鬟M行計算。本地客戶端只需要滿足連接互聯(lián)網(wǎng)，不需要過多考慮電腦硬件的配置。用戶的各種請求響應都是通過云端服務器進行處理，客戶端只需要完成對數(shù)據(jù)的解讀和展示即可。

2.3 高效性

通常情況下，用戶客戶端不進行或者只進行極小的數(shù)據(jù)處理，多數(shù)的數(shù)據(jù)處理在云端服務器中完成。高效的云端服務器通常由多個服務器共同組成，其中主要包括計算部分服務器，存儲部分和軟件處理部分。軟件處理部分作為全局協(xié)作處理單元，用來控制數(shù)據(jù)的統(tǒng)籌處理和任務分配，作用類似于通用計算機操作系統(tǒng)。計算部分服務器主要包含大量計算單元，數(shù)據(jù)傳輸過來后，通過大量并行計算迅速得到處理結(jié)果[4]。

2.4 服務可靈活定制

云計算服務器提供的服務遠遠超出單個用戶需求，這決定了用戶可根據(jù)自己需求購買云計算服務范圍。針對不同的使用場景和使用習慣，用戶可以自定義購買云端服務器相應的服務和資源。隨著用戶自身需求的增加，用戶還可以隨時提出加購需求。傳統(tǒng)的計算機服務如果用戶需求增加，則往往需要重新購買硬件設備。云計算的靈活定制服務，可以極大地降低因需求改變產(chǎn)生的硬件迭代成本。同時，軟件服務也是云計算的一大特點。云計算服務可以提供市面上絕大多數(shù)操作系統(tǒng)選項，同時提供各種相關軟件。針對不同的用戶需求，云計算服務可以在服務器端預設不同的軟件配置，為用戶實時訪問提供了解決方案。

3 云計算實驗室建設技術(shù)方案

高校云計算實驗教學平臺的建設是信息化教學的重要環(huán)節(jié)，良好的平臺可以有效改善計算機實驗教學中硬件更新迭代的資金問題，教學軟件正版化問題，實驗教學資源分配問題以及教學質(zhì)量等問題。云計算實驗教學平臺依托于網(wǎng)絡技術(shù)，將實際教學場景虛擬化，擺脫了傳統(tǒng)計算機實驗教學的軟硬件束縛，充分發(fā)揮了靈活性的特點，可以有效降低服務成本。將高校計算機實驗教學活動與云計算服務相結(jié)合，可以有效梳理教學活動，優(yōu)化教學課程體系，提高學生學習的主動性?；谠朴嬎愕挠嬎銠C實驗教學方案可以從平臺建設和課程建設兩個方面進行[5]。

教學平臺建設包含硬件建設和軟件建設，終端分為本地客戶端和服務器端。云計算服務器端架構(gòu)可采用分布式存儲方式，系統(tǒng)處理架構(gòu)可分為底層控制層、外部接口層和軟件應用層。其中，底層控制層是系統(tǒng)架構(gòu)的基礎，用來控制、分配各部分功能，為系統(tǒng)穩(wěn)定運行提供基礎保障。本層可采用Linux系統(tǒng)統(tǒng)一控制管理多個服務器，對硬件設備協(xié)同管理。

服務器端的存儲技術(shù)保證中間計算數(shù)據(jù)和用戶存儲數(shù)據(jù)的安全性，是服務器端搭建中的重要一環(huán)。云計算的存儲技術(shù)較為特殊，不僅僅需要提供數(shù)據(jù)暫存功能，還需要進行訪問控制、基礎管理等功能。首先，訪問控制功能用來驗證數(shù)據(jù)來源的合理性，區(qū)別出正常數(shù)據(jù)和惡意攻擊數(shù)據(jù)。在云計算服務中，每個用戶都有自己特定的標識，這種標識在整個系統(tǒng)中可以用來記錄數(shù)據(jù)的來源。系統(tǒng)對存儲數(shù)據(jù)進行訪存時，首先需要通過驗證授權(quán)，驗證正確后方可進行數(shù)據(jù)的后續(xù)處理。存儲技術(shù)的基礎管理功能用來統(tǒng)一協(xié)同存儲功能的分配，它是存儲系統(tǒng)中的核心一環(huán)。它用來統(tǒng)一系統(tǒng)內(nèi)部的硬件存儲單元，對存儲單元進行分區(qū)標識。針對系統(tǒng)的不同存儲響應，分配不同的存儲功能，有效地提高了多個硬件設備間的協(xié)同處理，提升系統(tǒng)存儲速度。存儲功能是云計算存儲技術(shù)的基礎功能，它可以保障數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。通常來說，這與所采用的存儲硬件單元的性能相關，好的設備可以提供快速的讀取響應，減少數(shù)據(jù)處理延遲，但成本也會相對較高。此外，對于用戶存儲的個人數(shù)據(jù)，還需要提供相應的備份，避免因災害產(chǎn)生的數(shù)據(jù)丟失問題。備份所使用的硬件存儲單元可采用讀寫速度相對一般的設備，減少成本支出。服務器端存儲技術(shù)的搭建需要協(xié)調(diào)性能和費用支出之間的矛盾。

信息化時代下，云計算服務器端的數(shù)據(jù)管理技術(shù)需要滿足科學性、高效性和安全性。面向高校的計算機實驗教學平臺所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)是海量的，高效的數(shù)據(jù)管理技術(shù)有助于教學活動的開展。對數(shù)據(jù)進行不同的分類，可以有效地進行數(shù)據(jù)分析、研究和整合，從而進一步得出教學活動的特點。基于這種實際需求，構(gòu)建的數(shù)據(jù)庫需要包含以下幾種教學活動特征：學生基本信息、教師基本信息、學生課表、教師課表、實驗課程信息、簽到信息等[6-9]。

教學平臺的軟件建設可以分為學生、教師后臺戶端和專業(yè)軟件，分別提供不同的功能。針對學生客戶端，提供登錄認證功能，允許學生在不同設備間登錄保持數(shù)據(jù)同步。將學生學號作為授權(quán)標識，通過密碼控制訪問權(quán)限，這樣可以發(fā)揮云計算平臺的靈活性特點，使學生擺脫了傳統(tǒng)固定機房做實驗的束縛。通過個人電腦遠程進行訪問，降低了學校硬件更新的成本，方便靈活管理。學生客戶端還應該提供記錄功能和查詢功能。學生的個人信息，上課記錄和實驗報告等作業(yè)無須在本地進行存儲，而是在云計算服務器端統(tǒng)一進行電子備份。此外，學生的計算機實驗課程信息，包括課表，實驗要求，實驗步驟等電子文檔信息根據(jù)學生學號進行綁定，預先存儲在服務器端。學生在上課前，可以提前查看信息，做好實驗預習，提高學習效率。同時，學生還可以在各種終端根據(jù)自身需求搜索不同的教學資源，進行獨立自主學習。對于教師客戶端，應該提供認證功能、管理功能和監(jiān)視功能。以老師的教工號作為授權(quán)標識，通過密碼控制訪問權(quán)限。教師端允許老師上傳授課信息，實驗資料，批改實驗報告，分享資料和成績評定等功能，方便教師異地靈活辦公。

基于云計算的計算機實驗教學平臺具有虛擬化、靈活性特點，使得教學活動得以擺脫時間、空間的限制。傳統(tǒng)的實驗教學方式應該隨著技術(shù)的發(fā)展而不斷創(chuàng)新，教師應該針對平臺制定新的授課管理方案，利用平臺功能對學生做好監(jiān)督工作，提高授課效率。同時，學校對相關專業(yè)實驗課程的時間安排應該進一步優(yōu)化，發(fā)揮平臺特點，對授課時間進行集中安排[10]。

4 結(jié)束語

21世紀以來，信息化時代推動了各種網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展，云計算因其實時性、靈活性、高效性等特點逐漸開始在教育行業(yè)發(fā)揮積極作用。針對目前高校計算機實驗教學中存在的問題，將云計算技術(shù)與計算機實驗教學相結(jié)合，提出了新的技術(shù)方案，可以有效地降低高校實驗教學成本，提升教學質(zhì)量，改善學生學習氛圍。