高校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)開源環(huán)境及云服務(wù)研究

周 圍，時慶國，陳連坤

(北京交通大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院，北京 100044)

從計(jì)算機(jī)能力培養(yǎng)到計(jì)算思維養(yǎng)成，是對高校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育的一個新的跨越和挑戰(zhàn)[1]。計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)廣度的一系列思維活動。計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程對培養(yǎng)和訓(xùn)練非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的計(jì)算思維起著重大的作用。由于計(jì)算思維教育著眼于一種思維模式的養(yǎng)成和訓(xùn)練，因此對現(xiàn)有的教育觀念和方式提出了新的挑戰(zhàn)。設(shè)計(jì)構(gòu)建基于開源軟件的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境和云服務(wù)環(huán)境，可以讓實(shí)驗(yàn)教學(xué)突破以往傳統(tǒng)單一軟件環(huán)境條件的束縛，提供良好的促進(jìn)能力和思維訓(xùn)練環(huán)境，讓學(xué)生思路開闊、心胸開闊，培養(yǎng)敢想、敢做、能做、做好的開放精神。

開源軟件(open source software, OSS)是一種源代碼可以任意獲取的計(jì)算機(jī)軟件，特征之一是源代碼自由再散布。軟件的版權(quán)持有人在軟件協(xié)議的規(guī)定之下保留一部分權(quán)利并允許用戶學(xué)習(xí)、修改，增進(jìn)、提高軟件的質(zhì)量。開源軟件的思想，對于推動計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)和應(yīng)用發(fā)展起到了重要的作用。目前有數(shù)以千計(jì)的開源軟件項(xiàng)目涉及到操作系統(tǒng)、數(shù)字圖像編輯、文檔編輯等方面。開源軟件的不斷增長，給高校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)創(chuàng)造了許多新的機(jī)遇[2]。

1 教學(xué)實(shí)驗(yàn)軟件環(huán)境需求和現(xiàn)狀

現(xiàn)代化人才必須掌握信息技術(shù)，而計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育是信息化普及的重要力量。關(guān)于計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)的知識體系，教育部計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)教學(xué)指導(dǎo)委員會(簡稱教指委)認(rèn)為對于計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)，它沒有數(shù)理化學(xué)科的深厚沉淀，沒有國外現(xiàn)成成果可搬，而且有著以應(yīng)用為主的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)隨技術(shù)更新很快被淘汰等問題[3]。在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)過程中，實(shí)驗(yàn)是知識傳播的重要工具，近來教育學(xué)者開始從重視教學(xué)轉(zhuǎn)向重視實(shí)驗(yàn)，如何把知識點(diǎn)轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)資源，資源如何有效管理和傳播，學(xué)習(xí)者如何進(jìn)行有效和個性化實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，實(shí)驗(yàn)如何體現(xiàn)重能力輕工具等問題，這些問題正在高校廣泛展開討論。

高校的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室一般是面向全校教學(xué)實(shí)驗(yàn)，除擁有大規(guī)模計(jì)算機(jī)軟件實(shí)驗(yàn)室之外、還設(shè)有硬件實(shí)驗(yàn)室、網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室等多功能面向全校的開放實(shí)驗(yàn)室，為全校在校生提供公共基礎(chǔ)課實(shí)驗(yàn)環(huán)境以及課外上機(jī)、考試等服務(wù)。實(shí)驗(yàn)環(huán)境以往都配有Windows系統(tǒng)作為教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺，其上是支持各計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)課程的相關(guān)軟件，如微軟的Office、VisualStudio編程系列，以及涉及到圖像視頻處理、科學(xué)研究等方面的軟件。這些軟件大多是公司產(chǎn)品，由于實(shí)驗(yàn)室要滿足基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)驗(yàn)，需求規(guī)模較大，導(dǎo)致軟件投入成本和管理成本都較高。因此滿足實(shí)驗(yàn)要求并節(jié)約成本的軟件管理配置環(huán)境也是實(shí)驗(yàn)室需要考慮的問題。開源軟件在軟件使用授權(quán)、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、開發(fā)工具、基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用以及在云服務(wù)的開發(fā)、實(shí)現(xiàn)方面有著巨大的優(yōu)勢和開發(fā)基礎(chǔ)。

2 基于Linux的開源軟件實(shí)驗(yàn)環(huán)境

近幾年開源軟件發(fā)展迅猛，并且已得到廣泛應(yīng)用。開放源碼對軟件的底層結(jié)構(gòu)和核心部分提供基本的技術(shù)支持，一些眾所周知的商業(yè)軟件和網(wǎng)站(如谷歌)都是在開源軟件基礎(chǔ)上開發(fā)出來的，開源操作系統(tǒng)(如在1991年誕生的Linux)已成為僅次于Windows 操作系統(tǒng)的被廣泛使用的操作系統(tǒng)，而且它的用戶數(shù)還在不斷增長。有多種開源軟件的Linux操作系統(tǒng)可供選擇，包括：Ubuntu、FreeBSD、RedHat等，在操作系統(tǒng)之上又有很多開源的應(yīng)用軟件供下載使用。以Ubuntu[4]為例，其“軟件中心”功能易于使用，它能讓用戶安裝和卸載許多流行的免費(fèi)或開源軟件包，通過關(guān)鍵字搜索或?yàn)g覽應(yīng)用分類，然后選擇應(yīng)用程序，即開始安裝軟件。表1是Ubuntu下常用的工具軟件，可以滿足大多數(shù)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程需要。

表1 基于Linux操作系統(tǒng)下的教學(xué)實(shí)驗(yàn)用開源軟件

表1(續(xù))

2.1 數(shù)據(jù)庫軟件

基于開源軟件的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)有很多種，包括MySQL、PostgreSQL、InterBase等，其中MySQL使用非常廣泛，它是一個基于客戶/服務(wù)器體系的分布式數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，支持多用戶、多線程、跨平臺的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，用戶可以用多種語言編寫訪問MySQL數(shù)據(jù)庫的程序，它具有功能強(qiáng)、使用簡便、管理方便、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足大部分?jǐn)?shù)據(jù)庫實(shí)驗(yàn)的功能。

2.2 科學(xué)計(jì)算軟件

Matlab是著名的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級技術(shù)計(jì)算語言和交互式環(huán)境，但價格不菲。與Matlab功能類似的開源軟件也有一些，例如Scilab，它是一種開源的科學(xué)工程計(jì)算軟件，其數(shù)據(jù)類型豐富，提供的語言轉(zhuǎn)換函數(shù)可以自動將用Matlab語言編寫的程序翻譯為Scilab語言，是很好的替代工具。

2.3 軟件編程

Visual Studio是微軟公司推出的開發(fā)環(huán)境，在Windows環(huán)境下應(yīng)用廣泛。GCC和Code::Blocks運(yùn)行在Linux環(huán)境下，可以提供輕便簡潔的C語言開發(fā)環(huán)境。另外，隨著編程語言的多樣化，Java開發(fā)環(huán)境、PHP開發(fā)環(huán)境在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中需求量也不斷增加。Eclipse通過插件組件可以構(gòu)建面向C/C++、PHP的一致和統(tǒng)一的集成開發(fā)環(huán)境提供給用戶。這些開源軟件可以成為教學(xué)實(shí)驗(yàn)的很好選擇。

3 計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)驗(yàn)的云服務(wù)環(huán)境設(shè)計(jì)

高校在用的教學(xué)輔助系統(tǒng)大多采用傳統(tǒng)模式設(shè)計(jì)，存在著對軟硬件要求高、資源重復(fù)建設(shè)、系統(tǒng)擴(kuò)充能力弱、可配置性差等難題?；谠朴?jì)算(cloud computing)的教學(xué)輔助和學(xué)習(xí)系統(tǒng)能夠統(tǒng)籌使用軟硬件資源，提供強(qiáng)大的信息服務(wù)和資源管理能力，提供最合理的服務(wù)[5]。云計(jì)算提供的服務(wù)有規(guī)模大、虛擬化、高可靠性、通用性、高可擴(kuò)展性、按需服務(wù)、廉價、資源充分共享以及最大限度滿足學(xué)生個性化需求等特點(diǎn)，可以滿足大規(guī)模數(shù)據(jù)及學(xué)生資源訪問的控制能力。

3.1 面向云計(jì)算的開源軟件

云計(jì)算提供的服務(wù)可以分為3層。最底層稱為“基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)”(infrastructure as a service，IaaS)，IaaS將內(nèi)存、I/O 設(shè)備、存儲和計(jì)算能力整合成一個虛擬的資源池為用戶群提供所需要的存儲資源和虛擬化服務(wù)器等服務(wù)；IaaS層的上面，是為特定需求定制的面向服務(wù)的主機(jī)環(huán)境平臺，稱為“平臺即服務(wù)”(platform as a service，PaaS)；最上層為用戶提供其準(zhǔn)備使用的應(yīng)用，稱為“軟件即服務(wù)”(software as a service，SaaS)。對云計(jì)算平臺建設(shè)者而言，開源軟件是構(gòu)建云計(jì)算平臺很重要的資源。近年來，隨著云計(jì)算的迅猛發(fā)展，大量用于構(gòu)建云計(jì)算平臺的開源軟件相繼出現(xiàn)，每款軟件都具有各自的特色，可以解決不同的問題。現(xiàn)在使用非常廣泛的軟件參見表2。

表2 面向云計(jì)算的開源軟件

IaaS軟件位于云計(jì)算服務(wù)的最底層，此類軟件向用戶提供虛擬機(jī)(VM)、虛擬存儲、集群管理和虛擬網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)設(shè)施資源。例如Eucalyptus，它是一種開源的軟件基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，用來通過計(jì)算集群或工作站群實(shí)現(xiàn)彈性的云計(jì)算。PaaS軟件位于平臺服務(wù)層，此類軟件向用戶提供開發(fā)、運(yùn)行和測試應(yīng)用的環(huán)境，向用戶提供編程語言、編程框架、數(shù)據(jù)存儲和對laaS平臺的適應(yīng)能力。例如Hadoop技術(shù)[6]，它是Apache基金會開發(fā)的一個分布式系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)，用戶可以在不了解分布式底層細(xì)節(jié)的情況下開發(fā)分布式程序，充分利用集群的威力高速運(yùn)算和存儲。SaaS軟件把應(yīng)用作為服務(wù)提供給用戶，用戶不用再購買軟件，而改用向提供商租用基于Web的軟件來管理自己的經(jīng)營活動，且無需對軟件進(jìn)行維護(hù)。它可部署在IaaS和PaaS之上，可供用戶使用平臺提供的應(yīng)用服務(wù)，而不需關(guān)心應(yīng)用程序的具體運(yùn)行情況。例如Zimbra[7]，其構(gòu)建的云計(jì)算平臺可以將用戶的多個郵箱集中起來，同時支持日歷、通訊錄和Web文檔管理，構(gòu)成一個綜合辦公軟件環(huán)境。

但是每款軟件在解決問題時又都具有一定的局限性，這使得云計(jì)算平臺建設(shè)者在利用開源軟件構(gòu)建云計(jì)算平臺時，需要在眾多的開源軟件中做出合理的抉擇。如何利用云計(jì)算平臺開源軟件構(gòu)建符合特定需要的云計(jì)算平臺，是建設(shè)者面臨的一個問題。

3.2 計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)驗(yàn)云服務(wù)環(huán)境

通過云服務(wù)環(huán)境不但可以進(jìn)行教學(xué)管理等輔助工作，還可向社會公眾提供專業(yè)特色的教學(xué)實(shí)驗(yàn)資源等學(xué)習(xí)服務(wù)。云計(jì)算的無限擴(kuò)展能力和虛擬化技術(shù)為多種應(yīng)用系統(tǒng)并行大規(guī)模服務(wù)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。搭建教學(xué)輔助和學(xué)習(xí)的云服務(wù)環(huán)境有許多方式，可以通過Iaas技術(shù)搭建集群服務(wù)器來構(gòu)建一個大規(guī)模運(yùn)行的硬件環(huán)境；可以選擇合適的PaaS平臺和技術(shù)，把開發(fā)環(huán)境、服務(wù)器平臺、硬件資源等服務(wù)集成給用戶，使用戶可在此基礎(chǔ)架構(gòu)基礎(chǔ)上開發(fā)應(yīng)用；也可以選擇SaaS，選擇現(xiàn)有的服務(wù)補(bǔ)充、擴(kuò)展自己的既有應(yīng)用，不再需要購置傳統(tǒng)的硬件服務(wù)器。因此需要結(jié)合自身實(shí)際，選擇合適的云計(jì)算方案和開源技術(shù)來設(shè)計(jì)新型的教學(xué)輔助和學(xué)習(xí)系統(tǒng)，將云計(jì)算技術(shù)的優(yōu)勢應(yīng)用到教育領(lǐng)域。

3.3 利用云計(jì)算技術(shù)構(gòu)筑Moodle平臺

目前基于開源軟件的教學(xué)輔助與學(xué)習(xí)環(huán)境如Moodle、Sakai等軟件應(yīng)用非常廣泛。Moodle(modular object-oriented dynamic learning environment，模塊化面向?qū)ο蟮膭討B(tài)學(xué)習(xí)環(huán)境)是一個基于建構(gòu)主義教育理論開發(fā)的課程管理開源系統(tǒng)，自發(fā)布以來被迅速在教育領(lǐng)域推廣且不斷升級[8-9]。隨著Moodle的廣泛應(yīng)用，一些如大規(guī)模部署、個性化支持等需求也隨之出現(xiàn)。傳統(tǒng)的單一站點(diǎn)提供全局服務(wù)的Moodle部署方式一般適用于小型教學(xué)部門這一層面，難于涵蓋大中小各層次粒度的使用需求。從配置個性化的角度，如果均部署單獨(dú)的系統(tǒng)來滿足班級乃至個別教師的獨(dú)立Moodle系統(tǒng)需要，會造成大量的資源浪費(fèi)，并且在設(shè)備性能和安全性方面都存在一定的風(fēng)險?；谠朴?jì)算的部署可提供多種途徑滿足這些需求[10]。云計(jì)算的IaaS層提供按需分配資源的能力，為快速部署和大規(guī)模細(xì)粒度部署提供了保證；云計(jì)算通過虛擬化技術(shù)可以支持各種虛擬機(jī)映像，為服務(wù)可免配置(配置定制化)和穩(wěn)定性提供保證；云計(jì)算支持私有云方式，允許企業(yè)和組織構(gòu)筑屬于自己的Moodle云，確保數(shù)據(jù)的安全性；云計(jì)算的3層體系為系統(tǒng)提供足夠的伸縮性和性能擴(kuò)展能力[11-12]。

4 結(jié)束語

利用開源軟件構(gòu)建計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)境和云服務(wù)平臺是大勢所趨。在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中構(gòu)建開源環(huán)境，可以使高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)突破以往傳統(tǒng)單一軟件環(huán)境條件的束縛，提供良好的促進(jìn)能力和思維訓(xùn)練的環(huán)境，培養(yǎng)學(xué)生敢想、敢做、能做、做好的開放精神。隨著基礎(chǔ)教學(xué)建設(shè)和云計(jì)算技術(shù)的進(jìn)一步成熟和普及，基于開源軟件的云服務(wù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺會早日廣泛使用。文中所列舉出的開源軟件只是很少的一部分，隨著開源進(jìn)程的全球推動，用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)服務(wù)的開源軟件會越來越豐富。

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[7] Zimbra[EB/OL].(2012-10-05)[2013-07-20].http://www.zimbra.com/.

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