云計算環境下的區域性高校實驗教學資源共享

王 慶

（廣西民族大學 網絡與信息化管理中心，廣西 南寧 530006）

近年來，云計算由于對海量數據存儲、軟硬件資源共享的廣泛支持，在教育信息化領域受到了廣泛關注。聯想、英特爾和微軟3家IT機構啟動戰略合作，宣布將攜手共同開發云計算環境下的數字校園解決方案。教育部在《教育信息化十年發展規劃（2011－2020年）》中提出了建立國家教育云服務模式的發展目標：充分整合現有資源，采用云計算技術，形成資源配置與服務的集約化發展途徑，構建穩定可靠、低成本的國家教育云服務模式［1］。教育云能夠對各種教學信息資源進行廣泛而高效的重組、優化與共享，教育云服務模式是實現高校教育資源共享和知識協同創新的有效途徑。因此，云計算的相關技術與服務模式將為解決區域性高校實驗教學資源的開放共享、提高實驗教學資源的投資效益帶來全新的研究思路。

1 高校實驗教學資源共享現狀

1.1 基礎性實驗教學設備重復購置，大型精密儀器閑置嚴重

我國高校大型儀器設備的開放共享存在重復購置、功能開發不全、使用效率低下等問題［2］。對于基礎實驗教學設備（如計算機、語音設備、服務器等），各高校的購置量都比較大，而且由于這些設備更新升級快，重復購置和資源浪費比較嚴重。大型精密儀器設備等貴重資源，在各高校之間、同一個高校不同專業之間配置不平衡的現象也非常突出，資源匱乏與閑置、浪費同時存在。據統計，截至2009年，全國高校擁有教學、科研儀器設備價值近1 400億元，然而有20%處于閑置狀態，有的教學、科研儀器設備使用率不到25%［3］。這種購置成本昂貴、使用率低下的狀況嚴重影響了高等教育的投資效益。

為了解決實驗資源的區域分布不平衡，以及提高實驗資源的利用率，教育部在“十五”期間開始建設“高等學校儀器設備和優質資源共享系統”國家高等教育公共服務體系。該系統已經形成了超過2 000臺套大型科學儀器設備資源的共享規模［4］。然而，對于全國高等教育系統的實驗教學資源共享而言還遠遠不夠。比如，在廣西，僅有廣西大學的“龍門式三坐標測量機”、“原子吸收分光光度計”等52套大型儀器設備加入了該系統，而廣西高校系統總共有10多家獲得國家級實驗教學示范中心建設的單位，包括桂林電子科技大學的電子電路實驗教學中心、機電綜合工程訓練中心和通信實驗教學中心，桂林工學院的基礎地質實驗教學中心和水污染控制實驗教學中心，以及廣西師范大學的物理學實驗教學中心等，這些國家級實驗教學示范中心的大型儀器設備，目前還沒有能夠在全區高校范圍內得到廣泛的共享和利用。

1.2 服務器利用率不均衡

有些教學軟件只有少數專業使用，而且每個星期的使用頻率也比較低（比如周課時為3～5個），按照傳統的實驗室資源配置方式，這些軟件也需要單獨配置服務器，即使在非教學時間，其他教學軟件也不能使用這些服務器，造成服務器資源的極大浪費。而對于一些通用性比較強、使用的專業和學科都比較普遍的教學軟件，由于學生同時在線的頻率比較大，又很容易形成訪問高峰，造成網絡堵塞或服務器崩潰，影響了實驗教學的順利進行。

1.3 實驗教學軟件資源重復購買和重復安裝

對于計算機文化基礎課、大學英語等公共選修課，以及物理、化學、管理等專業基礎課的實驗教學，各高校所使用的軟件資源有很大部分是重疊的，但是這些軟件資源基本是由各高校自行購買。由于軟件升級快，以及重復購買和更新升級的成本也是一筆不小的開支。此外，這些軟件都會在每個學期根據課程安排重新安裝（或克隆）一輪，造成極大的人力和物力浪費。

2 云計算在資源共享中的應用優勢

云計算是指通過互聯網的專門資源中心，以便于擴展、按需供給的方式讓用戶獲得所需服務和工具的服務模式［5］。用戶無需購置昂貴的服務器硬件以及系統軟件，通過互聯網接口就能獲得云計算平臺提供的數據存儲、計算、軟件應用等各種IT基礎資源服務。云計算服務的目標是讓用戶以更低的成本共享更多、更好的資源，在資源開放共享中具有極大的應用優勢。

2.1 資源共享范圍延伸至硬件資源

云計算服務分為3類［5］：

（1）基礎設施即服務（IaaS），通常被稱為虛擬化——虛擬機、帶寬和按需提供的不同容量的存儲；

（2）平臺即服務（PaaS），開發和交付應用程序的環境；

（3）軟件即服務（SaaS），以滿足客戶以特定需求為導向的軟件設計服務。

因此，云計算的服務模式打破了網絡共享資源僅局限于軟件資源的局面，拓寬到了硬件資源。服務器存儲空間與計算能力、大型儀器設備等硬件資源都可以通過云計算模式共享給終端用戶。這種技術優勢為共享不同高校和地區的實驗教學設備資源提供了可行的解決方案。

2.2 增長的存儲能力和計算能力

“云應用”使用大規模的數據中心以及強勁的服務器來運行網絡應用程序與網絡服務［6］，并且服務器空間能夠按需分配和彈性回收，因此數據中心有足夠大的存儲空間來存放資源，還能夠很好地解決傳統資源共享所遇到的過大訪問量而導致服務器堵塞或崩潰等問題。同時，云計算還具備了分布式計算的高可擴展性，具備了非常高效的計算能力，有利于實現資源的共享數據挖掘、智能推送等服務功能。

2.3 增強的數據安全性能

云計算除了從技術手段上實現數據的安全性和高可用性外，云計算數據中心的數據保護與恢復能力、專業的設備維護團隊等解決方案都能夠為資源存儲與共享服務提供更多的安全性保障，用戶不必擔心因個人疏忽或技術有限而造成數據丟失、硬件損壞或病毒破壞等數據安全問題。

2.4 統一的平臺架構和訪問接口

傳統的資源共享平臺由于獨立開發或自行購買等原因，接口和運行環境往往無法兼容，形成了一個個資源孤島，資源共享效率非常低，而云計算為所有終端用戶提供統一的平臺架構和訪問接口，各個資源模塊之間沒有技術屏障，用戶能夠方便地訪問到所有資源。

2.5 隨時隨地獲取資源

資源存儲在云端服務器，任何用戶只需要使用能夠連入互聯網的設備就可以隨時隨地訪問資源，而且用戶使用資源的所有歷史記錄都存儲在云計算服務平臺，用戶可以隨時隨地訪問這些記錄信息。

3 云計算環境下的區域性高校實驗教學資源共享原則

3.1 開放共享原則

云計算服務以開放為基礎，將眾多分散的資源整合在一起，用戶以簡單的硬件設備就可以方便地共享這些資源。但是，云計算的開放共享并不意味著完全免費，有償使用、有償租用、互惠共享都是開放共享的不同方式。云計算環境下的區域性高校實驗教學資源共享同樣可以采用這些方式。盡管部分資源是有償共享或有償租用，但是區域性實驗教學共享云服務模式能夠讓各高校降低直接購置這部分資源的成本，而所節約的成本就可以用于其他更多資源的租用共享，尤其是大型精密儀器設備和特殊性實驗教學軟件。

3.2 分布與統一原則

“云計算”對可分布部署具有良好的兼容性。云計算環境下的實驗教學資源共享模式非常適合于“一區多校”、“一校多區”和“大學城”等區域性辦學的需要。所謂分布與統一原則是指大型精密儀器設備和實驗教學師資等資源可以根據歸屬分別部署在各高校或實驗中心，而云計算數據中心則統一部署在區域內的某個地理位置，實驗教學資源共享云服務平臺統一規劃、開發和管理。與此同時，組建區域性云教育服務規劃與管理的相關機構，統一負責制定各高校實驗教學資源的共享規范、資源管理條例，以及協調各方利益。

4 云計算環境下的區域性高校實驗教學資源共享模式

云計算環境下的區域性高校實驗教學資源共享體系，如圖1所示。

4.1 建立區域性高校實驗教學資源共享云服務中心

依托區域內各高校的實驗教學資源，統一規劃、建立區域性高校實驗教學資源云服務中心。該中心是整個區域性教育云服務建設的一部分，它一方面集中資金購置高端服務器集群，另一方面整合各高校已有的服務器資源，從而將區域內高等教育系統的物理服務器數量控制在一定范圍內，節約服務器的購置與維護成本并減少設備占地空間，實現節能環保的可持續發展目標。

相對而言，區域性教育云是區域內各高校的公共云，而各個區域性教育云將與國家教育云連接。區域性教育云以區域為單位負責對本區域資源應用進行接入管理與維護，負責接收國家“教育云”資源，并將國家教育云資源向校園云推送［7］。區域內的各高校通過統一接口連入區域性教育云服務中心，獲取相關實驗教學資源，并共享各自的特色資源。不同區域的高校則可以通過國家教育云相互連通并實現共享與交流。

圖1 云計算環境下的區域性高校實驗教學資源共享體系

從云服務的共享模式來看，盡管所有高校都可以通過國家教育云實現資源共享，然而從實現共享的客觀條件來說，區域內的地理位置對于共享有形的實驗教學資源非常有利，如大型精密儀器設備的共享，區域內的高校可以通過最短的物理距離實現資源的實地操作共享，節約交通經費和時間成本，此外，同一個區域內的高校在發展歷史和發展規劃方面具有較大的“地域相似性”，實驗教學的配套資源相對會有比較大的重疊，進行區域內共享有利于減少資源的低成本重復建設，并有助于各高校的統一規劃與集約式發展。

4.2 共享大型精密儀器設備資源

為了進一步推動高等學校實驗教學改革，促進優質教學資源整合與共享，教育部從2005年開始啟動國家級實驗教學示范中心建設工作。大型儀器設備、精密儀器設備是每個實驗示范中心的優質資源，提高這些資源的利用率，才能最大限度地發揮實驗示范中心的核心價值和示范作用。

遵循分布與統一的共享原則，大型儀器設備可以分布在各歸屬高校實驗室，在區域性高校實驗教學資源共享云服務的SaaS應用層構建統一的共享系統。區域內各高校的大型精密儀器設備，特別是國家級實驗教學示范中心的儀器設備都統一在該系統上進行共享登記，包括儀器設備的基本配置參數、所在實驗室以及使用方式和聯系信息等。區域內各高校師生都可以登錄到該云平臺查詢相關儀器設備的信息，并通過提交申請來獲得儀器設備的使用權限。為了保證大型精密儀器設備的規范管理和維護保養，還需要制定區域內大型儀器設備免費共享或有償使用方面的管理辦法。

4.3 共享實驗教學軟件資源

在區域性高校實驗教學資源共享云服務的SaaS應用層部署實驗教學軟件資源池。對于區域內各高校的公共選修課程、基礎類專業課程使用率較高的實驗教學軟件，可以統一購買，并集中安裝在區域性云計算服務器集群上。軟件的安裝和升級由云服務中心的專業人員負責，區域內各高校的師生只需要使用賬號和密碼登錄到云服務平臺即可使用相應的教學軟件，無需每個高校都重復配置服務器以及購買和安裝這些教學軟件，可以大大節約購置服務器和教學軟件的成本，減輕了各高校反復安裝實驗教學軟件的工作量。在區域性云計算服務器上統一安裝和運行實驗教學軟件，還有利于提高這些軟件資源對服務器的利用率，避免服務器在訪問高峰時出現堵塞或崩潰，保證實驗教學的順利進行。對于一些特殊專業使用的教學軟件或者個別高校自主研發的教學軟件，可以采取高校自行配置，也可以租用該云計算平臺的相關服務。

4.4 共享虛擬實驗資源

云計算環境下的虛擬實驗教學系統就是利用云計算平臺，將本地或異地的不同實驗用戶與虛擬實驗室聯結起來，共享一個虛擬的實驗空間，支持用戶通過瀏覽器開展遠程實驗和本地實驗，從而實現虛擬實驗教學和管理的目的［8］。例如 Google的iLabCentral（http：／／www.ilabcentral.org／）就是基于云計算環境的虛擬實驗室系統，該系統免費提供了7 000多個虛擬實驗，涉及生物學、數學、化學和物理等科研領域。這些虛擬實驗對于缺乏大型精密儀器設備的高校來說，是一種非常有效的實驗教學資源。

區域性高校實驗教學資源共享云服務中心可以通過集中購買或整合各高校已有的虛擬實驗資源，部署在云服務平臺上，師生通過賬號密碼獲取相應的實驗權限。這種開放性的虛擬實驗資源不受時間和地點的限制，師生可以選擇在課余時間、假期時間，根據自己的興趣愛好進行實驗，還可以重復多次實驗，或者通過互聯網進行小組實驗和交流實驗數據。云計算環境下的虛擬實驗資源有利于促進實驗教學從傳統的封閉模式走向開放模式，對培養學生的創新能力和團隊合作精神非常有幫助。

4.5 共享實驗教學體系資源，搭建基于Web的實驗教學系統

整合區域內各高校所有公共選修課、專業選修課的實驗課教學講義、實驗案例、實驗流程、儀器使用說明資料、實驗分析報告等資源，在SaaS應用層建立實驗教學體系資源庫及其索引目錄，那么師生就可以方便地查閱相關實驗的詳細信息，自主開展實驗。

借助該資源庫，實驗教學系統為師生搭建了基于Web的實驗教學環境。該系統能夠創建基本的實驗環境、自動評價學生的實驗過程、分析學生的實驗數據等。一方面，教師可以很方便地從虛擬實驗系統、實驗教學體系資源庫等模塊取得教學資源，構建網上實驗教學環境，并管理學生的實驗成果；另一方面，每一輪網上實驗教學結束后，都會形成新的數據，這些數據作為再生資源補充到實驗教學體系資源庫，從而實現了實驗教學資源的自我更新和生態循環。在高校構建基于云計算的資源節約型實驗環境，積極推廣云計算輔助教學，有利于基于云計算的實驗教學改革模式的實踐，對高校實驗室建設、課程改革和創新實驗教學模式具有重要的意義［9］。

4.6 共享實驗教學師資，建立區域性實驗教學云交流社區

在實驗教學資源中，師資作為一種稀缺資源，由于受到地理位置和人事分配等各種客觀條件的限制，難以在傳統的實驗教學過程中得以廣泛共享。共享實驗教學師資是建立區域性高校實驗教學資源共享云服務的重要目標之一。利用云計算的大容量和實時處理等特點，對區域內各高校實驗教學和科研領域的名師專家，可以將他們的實驗演示、講座、授課通過視頻采集和處理，存儲到實驗教學云服務器中，區域內各高校的師生通過點播就可以隨時聆聽這些“名師課堂”。

很多應用程序，如文字處理、電子表格、數據庫等都可以在互聯網的環境中操作，這些應用程序所形成的文件數據都存儲在區域性實驗教學云服務器，師生可以隨時隨地進行交流和協作，構建虛擬項目組、虛擬實驗團隊等網絡協作社團。區域內的國家實驗教學示范中心、各高校實驗室（中心）、科研項目組可以在云服務平臺上搭建實驗交流社區。實驗教師、研究人員、學生通過這些云交流社區討論、分享知識，并組建跨校、跨學科的合作團隊和課題小組。

4.7 組建區域性高校云計算資源共享聯合會

由于云計算服務器的購置、數據中心的建設規劃、各高校資源共享的協調、相關資源共享管理辦法的制定等工作是實現區域性高校實驗教學資源共享的前提和保證。因此，有必要組建區域性高校云計算資源共享聯合會（或協作委員會）之類的組織，以便統一規劃、協調區域內各高校的實驗教學資源共享。該組織負責落實云計算相關硬件設備的購置方案、協調區域內各高校（或實驗中心）的利益、制定合理的資源共享云服務方案和協議，并出臺相關的資源共享管理規范（面向資源提供者和資源使用者）。組織的主要成員應包括區域內高等教育管理部門、教育信息化管理部門、各高校教學資源管理部門、云計算技術與數據庫提供商等機構和單位的負責人和相關技術人員。

區域性高校云計算資源共享聯合會是一種由高等教育管理部門、高校以及互聯網技術服務公司組成的聯盟，這種聯盟的組織與運營方式有利于區域內的高校，以集體的方式和互聯網技術供應商建立合作與交易關系，從而改變以往每所高校需要單獨與不同的市場供應商洽談技術交易的局面，還會讓高校在交易價格上占據一定的優勢，有利于降低區域內高等教育系統的技術升級成本。區域內高校以集中的方式應用相關的互聯網技術，還有利于減少學校之間網絡數據接口的屏障，提高教育資源的校際共享程度，而大規模的用戶反饋數據也將會提高互聯網技術供應商升級、完善相關技術服務的有效性和時效性。

5 結束語

云計算環境下的區域性高校實驗教學資源共享，可以為區域內的高校提供各種實驗教學軟件資源、硬件資源以及人力資源的廣泛共享，并提供傳統實驗教學難以滿足的多媒體實驗教學信息、虛擬科學實驗室、學習跟蹤數據以及實驗管理工具等資源和應用程序，推動高校開放式實驗教學改革的發展。此外，云計算的大數據存儲與管理以及服務器集群共享模式還將大大降低這些高校部署實驗教學硬件環境的成本，提高高校實驗教學資源的利用率和投資效益。

由于這些云計算服務只能通過互聯網進行在線使用，因此大規模使用云計算實驗教學資源的高校需要有足夠的帶寬，才能確保師生的順利訪問和使用。Google全球企業教育主任Tom Mills表示，想要改用云計算但負擔不起基礎設施改造的學區，可以將基礎設施與軟件成本方面節省的費用投資在網絡線路上，未來的頻寬需求只會逐漸增加，拖延的時間愈長，對孩子學習能力的限制就愈大［10］。例如Google的云計算虛擬實驗室iLabCentral免費提供了超過7 000個虛擬實驗，如果學校網絡帶寬足夠的話，那么師生就可以非常順暢地使用這些免費的實驗資源。

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［1］教育部.關于印發《教育信息化十年發展規劃（2011－2020年）》的通知［Z］.中華人民共和國教育部教技［2012］5號文件，2012.

［2］錢鋒.推進高校實驗設備資源共享［J］.教育與職業，2010（28）：22.

［3］張偉.高校實驗儀器使用率低的原因與對策［J］.中國教育技術裝備，2013（18）：34－35.

［4］高等學校儀器和優質資源共享系統［OL／DB］.htt：／／www.cers.edu.cn.

［5］約翰遜L，亞當斯貝克爾S，卡明斯 M，等.新媒體聯盟地平線報告：2013基礎教育版［M］.張鐵道，白曉晶，季瑞芳，等譯.奧斯汀，德克薩斯：新媒體聯盟，2013.

［6］陳康，鄭緯民.云計算：系統實例與研究現狀［J］.軟件學報，2009（5）：1337－1348.

［7］陳冬林，付敏，陳玲.基于混合云的高校實驗教學平臺建設模式研究［J］.實驗技術與管理，2013，30（5）：63－66.

［8］魯慧民，劉剛.云計算環境下理念的虛擬實驗教學系統設計探討［J］.實驗技術與管理，2012，29（4）：334－337，344.

［9］林瑜華.云計算環境下高校實驗教學模式的創新與實踐［J］.實驗室研究與探索，2011，30（8）：271－274.

［10］臺北駐舊金山辦事處教育組.學區改用云端服務提升效能及節省費用［DB／OL］.國際教育資訊專題全文資料庫，http：／／182.18.30.134／down／html／？194027.html，2013－02.