高校實驗室信息化的云計算策略與方法

陳昌興

（肇慶學院教育技術與計算機中心，廣東肇慶 526061）

高校實驗室信息化的云計算策略與方法

陳昌興

（肇慶學院教育技術與計算機中心，廣東肇慶 526061）

介紹了基于云計算技術，充分利用高校實驗室現有的資源和環境，充分發揮資源的效能，提高資源利用率及共享程度，促進教學實驗室信息化發展的解決方法。從高校實驗室信息化建設角度思考，分析實驗信息技術管理中建設進程問題，充分利用高校實驗室現有的資源和云計算的技術特點，提供了實驗信息化建設中應用云計算技術的策略和實施方法，從信息化方面引領實驗室管理的轉型升級。

實驗室信息化；云計算；云化改造

隨著實驗教學管理體制改革的深入，傳統的實驗室教學管理觀念和封閉的管理方法需要轉變。為最大限度地發揮實驗室教學效益，提高資源的利用率，客觀上需要一種智能、高效和集成的、能為實驗室管理提供實時支持的信息化的模式。云計算技術的興起，提供了一種適應于教學實驗室信息化發展需要的解決方法。探討云計算技術背景下的實驗室建設信息化發展模式，目的是充分、有效地整合資源、開拓創新，推進實驗室信息化建設，滿足創新型社會對高等教育的要求。

1 實驗室信息化進程中存在的問題

實驗室信息化是保障創新性實驗教學的必備條件之一。2002年教育部發布的《普通高等學校本科教學工作水平評估方案》中，將實驗室建設和實驗教學改革提升為重要指標，對促進實驗室信息化建設起到了重要的推動作用。但目前高校（特別是在地方普通高校）實驗室的信息化基礎相對薄弱，主要表現在信息化資源不足、信息化管理的程度低，使有限的資源不能得到充分的利用，在很大程度上制約了實驗室的發展。

信息化技術的進步對實驗室的建設產生很大影響，使實驗室的建設發生了重大的變化，但也存在諸多不足之處。

（1）加快了實驗室信息化進程。高校實驗室已開始運用現代化信息技術來加強自身的管理。但是，從目前實施效果上看，無論是規模上還是水平上，往往只提供一般網絡建設與維護、計算機軟件系統管理與維護，仍停留在數據存儲、工作任務安排的水平上。只有一部分實驗室的信息化管理系統達到“管理”的層次，可以為實驗室的管理者提供管理決策服務，使信息化在推動實驗教學改革和實驗室建設中起到明顯作用，為實驗教學和學生能力的培養提供支撐和保證。

（2）實驗室功能特色增強。實驗室功能包括教學功能和科研功能，實驗室的功能定位和作用對高校的發展至關重要。在校園信息化背景下，實驗教師和學生可以充分利用實驗室資源、信息資源、技術物資裝備，系統地開展具有特色的實驗教學和科學研究。

（3）實驗室信息化經費投入不平衡。實驗室設備資源的共享、開發管理等都以信息化平臺為基礎，但目前地方高校實驗室信息化建設缺少經費的投入，信息化條件建設跟不上學校規模的增長，某些高校重實驗設備建設，輕信息化投入，制約了實驗教學的發展。因此，必須創新實驗室管理模式，實現實驗室信息化，統一調配資源，集中管理和使用設備，充分發揮實驗室整體功能，使有限的資源得到充分的利用，使實驗室成為管理制度化、科學化、現代化的實驗室，從而提高實驗教學效果，推動素質教育。

（4）實驗室信息化的科技含量提高。地方院校在實驗室信息化建設中也采用了很多種非公開使用的管理和檢查系統，有的已經通過網絡為專門課程提供遠程服務或已實現遠程服務功能。在互聯網環境下，實驗室更加靈活地提供實驗平臺和實驗資源，并且非常方便地建設成為遠程實驗系統，方便學生利用網絡資源完成實驗。同時，教師可以充分使用網絡提供的服務，做好實驗教學評測與管理［1］。

2 應用云技術構建實驗室信息化平臺和資源

2.1 云計算技術的特點

云計算的定義上存在狹義和廣義兩種。狹義云計算是從IT基礎設施的交付和使用模式方面來闡述的，指通過網絡以按需、易擴展的方式獲取所需的資源；廣義云計算從服務的交付和使用模式方面來闡述，指通過網絡以按需、易擴展的方式獲得所需的服務［2］。

傳統的實驗室信息架構使其利用率低、管理和維護成本高，云計算的出現正好是解決這個問題的最佳方法。云計算技術本質上是解決資源利用率、計算能力不足和成本的問題。通過引入云計算平臺，可以降低建設和運行維護成本，同時降低能源消耗，加快實驗室信息化建設的進程。云計算系統將各種數據（包括用戶數據）都通過網絡保存到遠端的云存儲平臺上，同時也將處理數據的服務程序通過遠程的云計算平臺進行處理。另外，應用系統建立在大規模服務器集群上，通過基礎設施與上層應用程序的協同構建，以達到最大效率利用硬件資源的目的［3］。

2.2 云計算的優勢

實驗室信息化按照該技術進行部署有以下優勢：減少用戶對數據管理的負擔；能夠負擔大量數據的處理工作；與實驗室底層基礎設施緊密結合，能夠擴展到很大的規模；通過新型的云計算程序，在網絡上提供功能更多的實驗程序，為師生提供多樣化的教學、學習、管理服務。

基于云計算實驗室信息化的解決方案具有無可比擬的優勢。

（1）減少初期投資，降低信息化基礎設施的投資風險。相對傳統的方式，實驗室把應用程序部署到云。在虛擬云計算環境中，基礎設施規模可以適應實驗室的工作量增長和工作負荷變化的需要，從而減輕實驗室面臨的硬件建設資金不足問題［4］。

（2）虛擬化技術降低管理成本。應用虛擬化技術，云計算平臺可以實現硬件及軟件的虛擬化［5］，實驗室云信息化解決方案的優勢有兩方面：一是支持傳統方式和云計算方式混合部署，將軟件直接復制到對應物理節點；二是遷移整體虛擬運行環境而獲得負載平衡性能，使實驗室的硬件資源能夠以較低成本更好地滿足資源需求，最大限度地處理引用程序生命周期管理問題，也節省了軟件資金的投入。

（3）資源優化，提升資源利用率。基于云計算，系統建立在有一定規模的廉價服務器集群之上，通過基礎設施與應用程序的協同構建達到最大效率利用資源目的。從云計算平臺的構建看，數據中心采用虛擬化技術，對分布在互聯網上的各種資源進行分配、均衡負載、部署軟件、控制安全等，當線程壓力過大時，可以瞬間請求更多的資源，壓力變小時，可以將多余的資源釋放［6］，達到充分利用資源的目的。

3 實驗室信息化的云計算平臺設計

我校近年來致力于校園實驗信息化環境建設，建設有省級計算機實驗教學示范中心和網絡中心，擁有良好的教學、實驗環境和條件，校園網覆蓋面廣。校園網現有約2萬個信息點，覆蓋了教學大樓、實驗大樓、各系辦公樓、教工宿舍、學生宿舍等，并采取多項措施開發和引進高質量的網絡課程、模擬實驗軟件等教學信息資源。各院系實驗室擁有充實的后臺服務器和數據庫，數字化校園的建設為構建云計算環境打下良好的基礎。

基于云計算的實驗信息服務平臺包括基礎設施、應用平臺及軟件服務，向用戶提供多樣化的使用管理（見圖1）。

3.1 基礎設施云化改造

圖1 信息化云計算平臺架構

云計算的基礎架構主要由物理層及資源服務層構成，物理層包括服務器、網絡及存儲，其提供的是HaaS（Hardware as a Service）服務。云計算要求物理層的服務器具有高性能、虛擬化、動態性、擴展性和靈活性，通過虛擬化技術轉化為資源池［7］。資源服務層構建在物理層之上，利用虛擬化技術對底層硬件設備進行管理，提供的服務為IaaS（Infrastructure as a Service），即將基礎設施由獨立的硬件設備轉化為資源池，由統一的管理平臺管理，使物理資源能夠按需地分配到像一臺獨立的物理服務器的虛擬機上。硬件資源將不再分別管理，而是由云計算平臺統一調度管理。公用的服務器也可以租用IaaS提供商的虛擬服務器，按計算性能（內存、CPU等）和時間付費，例如Amazon提供的ElasticCompute Cloud（EC2，彈性可擴展云計算服務）［8］。實驗信息平臺硬件底層基礎設施經過云化改造之后，傳統的基礎物理設備由同一的資源池代替。這種設計方法最大化地利用實驗室經費，提升資源利用率和運行的靈活性，降低投入成本，減少浪費。

3.2 利用云計算提供業務創建應用平臺

實驗信息網用戶的信令、協議以及昂貴的部署平臺等問題都可以通過云計算PaaS構建來解決。PaaS通過虛擬化技術提供一個面向實驗網用戶的完整虛擬平臺，包括用戶操作系統、實驗所需的應用開發程序、運行和管理環境等；云提供商將開發環境、服務器平臺及硬件資源提供給使用者；實驗室購買相應的服務就可以進行實驗開發和部署。實驗人員可以方便地在這個虛擬平臺定制、開發自己的應用程序。實驗信息網采用Paas模式，無需擁有或管理服務器、基礎設施，可解決傳統實驗開發復雜、速度慢、成本高等問題，使開發實驗成本降低，大量實驗人員可以進入到開發隊伍中，使實驗網絡成為一個開發和融合的網絡［9］。

實驗教學及管理平臺的構建利用云計算技術，將實驗資源以服務的形式提供給用戶。用戶需要使用實驗資源時，只需租用平臺提供的基礎設施服務和平臺服務即可［10］。

3.3 以軟件即服務的形式提供多樣化服務

通過SaaS（Software as a Service）服務形式向實驗信息網用戶提供應用程序，其特點是用戶通過標準的Web瀏覽器來使用云計算平臺上的軟件，而不需要手動管理和部署IT環境，可以定制與創建面向具體應用的服務。開發成果和數據會存儲在Haas中，能隨時隨地從云端獲取開發資源，實現用戶個性化、服務整合和信息聚合［11］。

以Google Apps為例，通過一個標準的Web瀏覽器提供應用程序服務。它是一個集中的系統部署軟件，客戶端在云的遠程運行，實驗信息網的客戶端可以是普通電腦、手機、iPad等移動終端，用戶終端的功能將會被大大簡化，諸多復雜的功能都將轉移到網絡上去完成［12］，而客戶端與運行平臺無關。這樣用戶可以在普通電腦和移動終端上使用同一軟件，實現無縫切換。SaaS模式在實驗信息網優勢很明顯：軟件使用費用低、免維護，統一軟件接口，安全性高。

隨著“實驗云”的建立，實現了基于虛擬化和分布式的硬件架構及基于基礎管理軟件的平臺架構，這種開放架構平臺將實驗管理模塊盡量集約化而不失靈活性，使得實驗室信息的“敏捷管理”成為可能。

4 創建實驗管理創新平臺

有了云計算基礎架構后，云計算技術下的實驗用戶不再局限在固定的地方，用戶只要能接入校園信息網，即可進入實驗管理與教學系統，充分利用現有資源，更好地為教學和科研服務［13］。在傳統模式下，建立實驗室信息管理系統和管理實驗室各種信息資源，首先需要購買服務器和服務器應用軟件，租用網絡，建立客戶端系統和系統軟件。這種自給自足的IT運算模式形成實驗室活動的基礎設施，這些基礎設施需安排專門人員對硬件、軟件和網絡進行既耗時又耗力的維護工作。如果新建一個實驗系統環境，還要準備大量的計算資源，投入大量人力、財力與時間，設計、開發和維護成本很高，而資源可能得不到有效共享和充分利用。

鑒于云計算的特點，結合我校數字化校園改革，探索傳統實驗室與云計算環境下實驗室互補管理模式，構建基于云計算的實驗管理平臺（見圖2）。通過現代化、信息化管理手段開發與應用實驗資源。實驗室信息化平臺從全局出發，管理著網絡系統、數據庫服務器、實驗室資源信息管理、LIMS實驗室管理、實驗室教學信息管理及他數字化設備，也包括教師端、機房各辦公應用軟件。平臺在實驗信息網中實現服務、軟件和處理能力，同時共享基礎設施。

圖2 數字化校園下的實驗環境云架構

在云計算環境下，硬件、平臺、軟件及服務等資源已經不再局限在服務器、網絡帶寬等物理范疇，在邏輯上以單一整體的程序軟件形式呈現，通過虛擬化技術服務提供給使用者。這些資源服務可以動態進行擴展和配置，使得資源的規模可以動態適應實際應用和實驗網用戶規模變化。用戶在使用云資源時，系統根據實際負載情況進行調整和分配用戶資源，以最小規模滿足高峰期的需求，達到高效率地使用實驗信息網資源的目的。

此外，用戶終端可以沒有操作系統和存儲設備，只需要裝有瀏覽器就可以完成一切使用及管理工作，且不受時間及空間限制，可以極大地提高工作效率。從整體來看，有效地規劃實驗室的管理，能對實驗室信息資源進行更好的組織分類。學生可以在云中快速發現自己需求的信息，教師及管理者可以科學、規范地管理資源，以最有效的方式為學生提供服務。

云計算技術的演進給實驗室管理帶來了最先進的管理模式，高校實驗室借助云計算實現信息化的規劃、體系建設及關鍵信息化項目的實施，能有效滿足實驗室對信息化管理、科學研究支撐等需求。云計算實現的過程即是實驗室信息化的過程。

5 結束語

云計算的時代已經逐步到來，云計算技術解決了資源利用率、計算能力不足和成本問題，實驗室的進一步發展也確實需要依靠云計算。高校在充分了解和認識云計算技術的基礎上，構建基于云計算的資源節約型實驗信息環境，對高校信息化管理、實驗技術改進和創新實驗教學模式具有重要的意義。

（References）

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Strategy and method of cloud computation of university laboratory informationization

Chen Changxing
（Education Technology and Computer Center，Zhaoqing University，Zhaoqing 526061，China）

This paper introduces cloud－based computing technology to make full use of existing resources and environment of the university laboratory construction，helps to give full play to the performance of resources，to improve utilization rate and sharing，and to adapt to the development needs of information technology in the teaching laboratory solutions and methods.Following the university laboratory information construction angle analysis of experimental information technology management in the process of building，combining the technical characteristics of cloud computation，and the application of cloud computing technology strategy and implementation methods in the construction of experimental information and from information technology to lead the transformation and upgrading of laboratory applications management，this paper effectively promotes the construction and development of the university laboratory，and provides a reference and inspiration for the development of China’s higher education information technology.

laboratory informationization；cloud computation；cloud transformation

TP308

A

1002－4956（2014）1－0221－04

2013－05－21

陳昌興（1982—），男，廣東陽江，碩士，實驗師，主要研究方向為高校實驗管理和網絡教學.