基于云計算的虛擬實驗室在中外合作辦學中的應用探索?

高波涌 陸慧娟 衛偉

摘要：針對目前高校中外合作辦學計算機專業實踐教學中普遍存在的一些問題，筆者分析了云計算及在高校計算機專業課程中云計算輔助教學的關鍵技術，提出利用云計算搭建虛擬實驗室進行實踐教學改革的方法及步驟，對提高學生學習的質量和效率有借鑒意義。

關鍵詞：云計算；虛擬實驗室；中外合作辦學；計算機專業

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2016）08-0100-03

高等教育國際化是近幾十年來全球高等教育發展的一個重要趨勢。高校中外合作辦學是我國高校引進國外優質教育資源的重要渠道以及教育國際化程度的重要標志，現已成為我國教育事業的重要組成部分。[1]近年來，隨著高校的不斷發展，中外合作辦學的招生規模和專業在進一步擴大。在2011年，中國計量學院與新西蘭奧克蘭理工大學的計算機科學與技術中外合作辦學項目獲得教育部批準。項目明確：在中外合作辦學中引進貼近專業發展前沿的國外教學內容，實時跟蹤計算機新技術，重視國際視野、外語交流能力以及市場對接等方面能力的培養，以適應經濟社會發展的需求。

實踐教學存在的主要問題

隨著筆者所在學校中外合作辦學的開展和不斷深入[2]，實驗環境不配套的問題越來越突出。在中外合作辦學的計算機專業培養中，做實驗是實踐教學中非常重要的一個培養環節，學生只有多做實驗，才能真正理解和掌握該學科的理論知識，才能迅速掌握新的技術，才能獲得一定的實驗能力，并初步具有處理實際問題的能力。就筆者所在學校目前實驗教學的運用來看，主要存在以下問題：

①現有的實驗室存在對軟硬件要求高、資源重復建設、系統擴充能力弱、可配置性差等難題。中外合作辦學的計算機專業安排的實驗中所使用的軟件非常新，而正版軟件價格不菲，要滿足教學需求，可能需要大量資金的投入。但這些巨額投資的回報率卻比較低，也很難跟上信息化的發展步伐，大部分學生對機房并不滿意。這無疑對在校生使用計算機輔助學習產生了負面的影響。

②維護問題多。學校計算機的數量多，而且每臺計算機中都有大量不同的應用軟件，這些軟件在一個系統內部常有沖突和不兼容的情況發生。經常要進行電腦硬件和系統軟件的維護，這對系統管理員來說是一個不可負擔之重。

③現有的實驗室受時間、空間的限制，阻礙了學習者的自主學習，造成了學習效率的低下。

云計算及云計算輔助教學

云計算是一種資源交付和使用模式，指通過網絡獲得應用所需的資源，包括硬件、平臺和軟件，是一種新型的商業計算模型。[3]其基本原理是通過分布在不同地理位置的計算機組成具有強大計算能力的超級虛擬計算機，利用高速網絡互聯能力，將數據處理的過程從個人計算機或服務器遷移到互聯網上的計算機群中。這些分布式計算機統一由一個大型的數據管理中心來負責資源的負載均衡、資源分配、軟件安全部署以及安全控制。

云計算被看成網格計算與虛擬化技術的融合，利用了超強的網格分布式的計算處理能力，將IT資源構筑成一個資源群，同時加上存儲虛擬化技術以及服務器虛擬化技術，以便用戶可以實時調配和監控資源。因此，客戶端再也不需要安裝復雜的應用軟件，通過網絡鏈接的形式與遠程的各種數據存儲器和服務器進行數據的交互，從而直接獲取遠程的各項服務和數據，有效地實現了網絡資源的整合。

國外在開展云計算研究應用的過程中，充分利用其優點向各個行業進行滲透，其中也包括教育領域。美國北卡羅萊納州立大學（NCSU）與IBM合作創建了虛擬計算實驗室，利用IBM提供的刀片服務器和實驗室PC機，通過云計算的相關技術，為教師和學生提供了易于擴充的高性能的資源平臺。另外，有國外社團通過“捐贈”的方式組建了一個叫Seattle的免費教學科研平臺，由學校實驗室現有可用的計算機資源組成云計算平臺，通過便攜式客戶端來實現對資源的訪問。在以上實踐中，云計算可以通過公共云服務平臺提供完善的網絡教學功能和運行環境，在更大的范圍內（如面向全球），為更多的人和各級各類教育提供網絡教學服務。學校和教師利用云計算技術提供的信息技術社會化服務，節省了經費、人力和服務器設備等成本投入；教師信息技術培訓的成本和門檻更低，學校教育信息化的管理更方便，安全性更高。

在2008年底的中國教育技術協會年會上，上海師范大學黎加厚教授首次提出“云計算輔助教學”（CCAI）及“云計算輔助教育”（CCBE）的概念，其含義是指學校和教師使用“云計算”提供的服務輔助教育教學[4]；在應用上，主要是使用Google云計算平臺提供的相關云服務功能，如Google文檔、Google協作平臺、Google論壇等，暫未考慮到學校實驗室資源的利用問題，未開展虛擬實驗室方面的研究和實踐。

在中外合作辦學研究方面，中國知識資源總庫（CNKI）[5]中有987項核心期刊文獻，近一半的學者從微觀的視角對中外合作辦學進行研究，“教學”在中外合作辦學的微觀層面研究中占比為31.2%，但鮮有實踐教學改革方面的文獻，且未見在中外合作辦學中利用云計算開展虛擬實驗室研究的文獻。

基于云計算的虛擬實驗室應用探索

筆者認為，上述中外合作辦學實驗實踐教學存在的問題可以通過基于云計算的虛擬實驗室來解決，給用戶提供了一個基于Web的分配、使用、保存和還原實驗環境的云平臺。學生可以通過個人電腦、智能手機客戶端訪問虛擬實驗室來進行實驗。這樣可以凸顯學生在教學活動中的主體地位，使他們不受地域、時間的限制，隨時隨地訪問所需要的資源，同時還可以讓學習者根據自己的知識結構來安排實驗計劃和實驗進度，實現傳統教育無法做到的“個性化教育”。基于云計算的教育系統不再需求高性能的服務器，普通的服務器組成云服務器即可提供高性能的服務，節約了硬件投資，提高了服務器的資源利用率。另外，也不必購買軟件，只需租用軟件，并按使用時間付費，這樣為實驗室建設節省了大量的資金。在云端，提供了最為可靠安全的數據存儲中心，我們可以不用再花費大量的時間來管理數據。對基于云計算的虛擬實驗室展開研究，為中外合作辦學的實踐教學變革提供了一條新的思路。

1.建設或選擇符合實際需求的云平臺

為了能夠讓云端教育更快更好地服務于現代教育事業，實現教育的信息化，學校應當以能夠發揮最大效益的思想為指導，合理建設或選擇符合實際需求的云平臺。筆者提出的整個架構如下頁圖所示。

2.建設虛擬實驗室

利用虛擬化技術建立虛擬實驗室。虛擬化技術是云計算、云存儲服務得以實現的關鍵技術之一，是云計算最主要的特征。虛擬化技術實現了軟件和硬件的分離，用戶不需要考慮后臺硬件的實現，只需要在虛擬層運行自己的軟件，這樣就可以減少服務器的負載，可以更好地利用高校實驗室資源，并且還可以使用前沿正版軟件。

3.開展個性化網絡實驗實踐環境的研究

云計算能讓學生方便、快速地構建自己的實踐學習環境。依靠云計算，學生可以自由地選擇自己的實驗時間和實驗進度，不同的學生可以選擇不同的實踐內容和實踐工具來創建不同的實驗環境。同時云計算智能的數據處理技術、快捷的數據檢索、人性化的服務等特點，也會有效地提高學生的實踐學習效率。

4.合理使用開源軟件

云計算的發展為開源軟件的推廣提供了非常好的機會。云計算的軟件即服務（SaaS）與開源軟件提倡的軟件免費等觀點不謀而合，而且開源軟件的可擴展性和靈活性也完全符合云計算的發展趨勢。將開源軟件納入到實驗教學中是一個非常好的嘗試，這也將是我國教育信息化的一個重大轉變。

5.探索實驗室建設和管理新方式

云計算以用戶為中心，讓數據和服務圍繞著個人，通過云計算平臺強大的計算能力，我們可以輕松地獲取所需的數據，不必再為面對大量的數據而不知所措。

整個系統，由云計算管理平臺統一管理，系統有自動監控平臺，可以實施監控系統的性能和運行狀態。整個系統的物理機器是一個完整的整體，如果一臺有故障，上面運行的虛擬網絡實驗室的虛擬機器會自動切換到其他的物理機器。

系統支持電腦、手機、掌上設備等客戶端，用戶可以在任何時候、任何地點使用任何上網設備登錄虛擬網絡實驗室云的Web門戶來完成實驗。而且系統會自動平衡資源使用，所有的應用會平均分配到所有的物理機器上，這樣就可以充分使用系統資源。

結語

相比普通的計算機專業，中外合作辦學計算機專業進行針對實踐教學的改革勢在必行。利用云計算平臺優勢，搭建虛擬實驗室，以學生為中心，提供個性化服務是提升行業教育層次、學生學習效率和興趣的需要。

參考文獻：

[1]陸根書，康卉，閆妮.中外合作辦學：現狀、問題與發展對策[J].高等工程教育研究，2013（4）：75-80.

[2]陸慧娟，高波涌，何靈敏.中新合作辦學計算機專業課程體系研究[J].計算機教育，2014（6）：17-19.

[3]蔣永生，彭俊杰，張武.云計算及云計算實施標準：綜述與探索[J].上海大學學報（自然科學版），2013，19（1）：5-13.

[4]黎加厚.云計算輔助教學[M].上海：上海教育出版社，2010.

[5]http：//www.cnki.net/[OL].2015.

作者簡介：高波涌，男，副教授，研究方向為多媒體信息檢索等；陸慧娟，女，教授，研究方向為數據挖掘、模式識別、生物信息學等；衛偉，男，副教授，研究方向為云計算等。

基金項目：全國教育信息技術研究“十二五”規劃2014年度重點課題（146221930），中國計量學院校立教改項目（HEX2014009，2015年度HEX012），中國計量學院2014年度校級本科教學團隊建設項目（量院[2014]93號：15）。