數(shù)學(xué)實驗云計算輔助教學(xué)平臺的建設(shè)初探

岑冠軍

摘 要： 本文深刻分析了云計算技術(shù)在構(gòu)建良好數(shù)學(xué)實驗環(huán)境中的特點，指出數(shù)學(xué)實驗云計算輔助教學(xué)平臺是云計算環(huán)境下集成的數(shù)學(xué)實驗環(huán)境，并論述了該平臺的功能模塊設(shè)計，給出了基于Hadoop建設(shè)該平臺的框架和集群架構(gòu)，為探索云計算應(yīng)用于實踐教學(xué)做了有益的嘗試。

關(guān)鍵詞： 數(shù)學(xué)實驗 云計算 教學(xué)平臺

數(shù)學(xué)實驗作為一門新實踐課程被國內(nèi)眾多高等學(xué)府引入大學(xué)課程中，數(shù)學(xué)實驗教學(xué)平臺建設(shè)是研究熱點之一。目前，各高校建設(shè)的數(shù)學(xué)實驗室是主要數(shù)學(xué)實驗教學(xué)資源平臺[1]。傳統(tǒng)數(shù)學(xué)實驗室是將計算機軟硬件、數(shù)學(xué)軟件包、教學(xué)資源、課件制作、計算機輔助教學(xué)等有機融為一體，是基于局域網(wǎng)的數(shù)學(xué)實驗環(huán)境，建設(shè)成本較高，學(xué)生必須到數(shù)學(xué)實驗室——以微機為主體的機房進行實驗，使數(shù)學(xué)實驗受到空間上的限制，同時基礎(chǔ)數(shù)學(xué)實驗是面向所有專業(yè)學(xué)生開設(shè)的，實驗資源緊張，導(dǎo)致學(xué)生上機實驗時間受到限制。為了克服以上困難，本文提出了建設(shè)云計算環(huán)境下數(shù)學(xué)實驗輔助教學(xué)平臺，該平臺有利于提高學(xué)生對數(shù)學(xué)實驗的興趣，顯著提高實驗設(shè)備的利用效率，降低硬件資源建設(shè)成本。

1.云計算在構(gòu)建良好數(shù)學(xué)實驗環(huán)境中的優(yōu)點

云計算既指在互聯(lián)網(wǎng)上以服務(wù)方式提供的應(yīng)用系統(tǒng)程序，又指在數(shù)據(jù)中心用來提供這些服務(wù)的硬件和系統(tǒng)軟件。云計算可理解為并行計算、分布式計算和網(wǎng)格計算的發(fā)展，或者說是這些計算機科學(xué)概念的商業(yè)實現(xiàn)[2]。云計算的理念是把基礎(chǔ)設(shè)施、平臺或者應(yīng)用程序以服務(wù)的形式提供給用戶，使云計算在遠程實驗室建設(shè)中具有許多優(yōu)勢。

云計算在構(gòu)建數(shù)學(xué)實驗環(huán)境中的主要優(yōu)點體現(xiàn)在：第一，基于云計算技術(shù)構(gòu)建的數(shù)學(xué)實驗環(huán)境是放置在云端的，在高速互聯(lián)網(wǎng)支持下，學(xué)生和教師可以隨時隨地進行數(shù)學(xué)實驗，使數(shù)學(xué)探索過程更順暢，同時教師可以通過云端實時在線指導(dǎo)；第二，云計算技術(shù)中主要的計算和存儲由后端集群架構(gòu)完成，前端設(shè)備可以最小化，學(xué)生和教師可以通過智能化終端如手機等進行數(shù)學(xué)實驗，降低數(shù)學(xué)實驗的準入門檻；第三，有利于構(gòu)建協(xié)作式教學(xué)和實驗環(huán)境，由于所有教學(xué)資源和學(xué)生學(xué)習(xí)文件都放置在云端，可以方便地進行集體式備課、異步教學(xué)探討、分組實驗和知識交流；第四，提高數(shù)學(xué)實驗教學(xué)效率，海量的云存儲空間可以為每一個學(xué)生建立一個個性化的實驗空間，為每個教師建立教學(xué)空間，學(xué)生可以快速下載實驗資料，教師能快速部署課程文檔和程序；第五，高效利用數(shù)學(xué)實驗室的軟硬件資源，計算機和正版數(shù)學(xué)軟件是數(shù)學(xué)實驗室的主要資源，而這些資源只有在機房開放時才會被使用，在沒有實驗課時及假期尤其漫長的寒暑假基本處于閑置狀態(tài)，云計算技術(shù)可以將這些廉價的PC整合成具有強大計算能力和存儲能力的服務(wù)平臺，提供不間斷的服務(wù)并且通過網(wǎng)絡(luò)將這種服務(wù)配送給廣大師生；第六，滿足特殊的數(shù)學(xué)實驗和計算要求，一些數(shù)學(xué)實驗任務(wù)涉及大數(shù)據(jù)的處理和耗時的計算，在單機上難以完成，云計算系統(tǒng)框架允許在短時間內(nèi)靈活地集結(jié)實驗室的計算機，使之完成大型實驗任務(wù)。

2.數(shù)學(xué)實驗云計算輔助教學(xué)平臺的設(shè)計

2.1功能模塊設(shè)計

數(shù)學(xué)實驗云計算輔助教學(xué)平臺是一個集成的數(shù)學(xué)實驗環(huán)境，在此環(huán)境中主要的操作對象有教師、學(xué)生和平臺管理人員和執(zhí)行特殊科學(xué)計算任務(wù)的科研人員，因此將該平臺分成四個子系統(tǒng)，分別是教師子系統(tǒng)、學(xué)生子系統(tǒng)、科學(xué)計算子系統(tǒng)和管理人員子系統(tǒng)，各個子系統(tǒng)之間相互聯(lián)系，實現(xiàn)一個整體的數(shù)學(xué)實驗教與學(xué)的環(huán)境。管理人員子系統(tǒng)主要負責對整個平臺的運營管理，包括實驗環(huán)境管理、平臺的配置管理、運營數(shù)據(jù)管理和安全策略管理，并對教師、學(xué)生、科研人員的信息進行管理。教師子系統(tǒng)實現(xiàn)教師課程管理、部署實驗任務(wù)、在線輔導(dǎo)、協(xié)作備課、作業(yè)布置及處理、測試管理和學(xué)生信息管理，還包括數(shù)學(xué)實驗?zāi)K。學(xué)生子系統(tǒng)實現(xiàn)在線實驗、協(xié)作交流、作業(yè)處理、資源共享、在線測試和實驗心得分享等功能。科學(xué)計算子系統(tǒng)為科研人員提供大數(shù)據(jù)處理和高要求的數(shù)學(xué)計算功能，實現(xiàn)項目計算任務(wù)管理。

2.2基于Hadoop的數(shù)學(xué)實驗云計算教學(xué)輔助平臺的框架

Hadoop框架是Apache基金會基于Java語言開發(fā)的開源云計算框架，很多國內(nèi)外知名互聯(lián)網(wǎng)公司使用Hadoop框架開發(fā)出自己的云計算服務(wù)。Hadoop框架最核心的設(shè)計就是：分布式文件系統(tǒng)（Hadoop Distribution File System，HDFS）、分布式計算框架（MapReduce）、分布式數(shù)據(jù)庫（HBase）和數(shù)據(jù)倉庫（HIVE）。

由于Hadoop是采用Java語言開發(fā)的，因此基于Java平臺開發(fā)Web層，這樣web層能很好地與Hadoop相融合，web層主要接受用戶請求并返回對用戶的響應(yīng)，包括教師子系統(tǒng)、學(xué)生子系統(tǒng)、科學(xué)計算子系統(tǒng)和管理員子系統(tǒng)。Web層數(shù)據(jù)交互模式有三種方式：與數(shù)據(jù)庫交互網(wǎng)頁信息數(shù)據(jù)、與HDFS交互資源文件數(shù)據(jù)、與數(shù)學(xué)軟件通過webservice交互數(shù)據(jù)，處理用戶的請求，如在線數(shù)學(xué)實驗、教學(xué)資源上傳下載，并將處理結(jié)果回饋給Web層，在線數(shù)學(xué)實驗是本輔助教學(xué)平臺提供的核心云端服務(wù)，該服務(wù)面向廣大師生，經(jīng)常會出現(xiàn)大規(guī)模的并發(fā)訪問，因此在這一層將應(yīng)用Hadoop的MapReduce并行計算框架，將多個數(shù)學(xué)實驗服務(wù)請求發(fā)送給集群內(nèi)不同的計算機并行處理，并將處理結(jié)果返回給Web層。這樣不僅可以完成小型數(shù)學(xué)實驗項目，還可以完成大數(shù)據(jù)處理和耗時的科學(xué)計算等特殊實驗項目。數(shù)據(jù)層使用MySql和HBase結(jié)合的方式存儲大量的數(shù)據(jù)，對外提供一致的數(shù)據(jù)接口。數(shù)學(xué)實驗輔助教學(xué)平臺的資源存儲訪問模塊基于Hadoop的HDFS實現(xiàn)。

2.3數(shù)學(xué)實驗云計算輔助教學(xué)平臺的集群架構(gòu)

云計算系統(tǒng)之所以具有超強計算能力和存儲能力，是因為背后有集群計算機的支撐，云計算下的數(shù)學(xué)實驗教學(xué)輔助平臺通過Hadoop框架，可以將數(shù)學(xué)實驗室的普通PC機組織成起來，以集群方式向廣大師生提供高性能和高質(zhì)量的服務(wù)，高效利用實驗室設(shè)備，并可以進行大型的并行計算和分布式計算，如大數(shù)據(jù)處理。由于數(shù)學(xué)實驗室的每臺計算機上都安裝了數(shù)學(xué)軟件，在每臺機器上部署Hadoop系統(tǒng)，則每臺PC都可以成為一個計算服務(wù)器，并為Hadoop系統(tǒng)的調(diào)度器調(diào)用。

參考文獻：

[1]孫蘇菁，白占兵.關(guān)于數(shù)學(xué)實驗室建設(shè)的若干思考[J].科技視界，2013（11）：41，104.

[2]Barrie Sosinsky.Cloud Computing Bible[M].電子工業(yè)出版社，2013.10.