大數據背景下計算機專業實驗室建設及管理研究

摘 要隨著大數據應用的推廣，高等教育專業實驗室的配套管理及管理平臺應具備數據采集、數據存儲、數據分析的能力，該平臺也是實現產學研培養模式的橋梁。本文結合計算機學科的特點，分析了大數據背景下計算機專業實驗室建設的需求，并進一步研究了實驗室配套管理平臺的實施方案、實施的整體架構及部署，為專業實驗室建設和在新技術新環境下新的管理模式提供了具有可操作性、技術先進性的參考。

【關鍵詞】實驗室建設 實驗室管理 大數據 計算資源管理

1 引言

隨著大數據應用的推廣，在教育領域上，大數據應用被用于分析學生的基礎信息數據、學習過程數據、學習行為數據、技能狀態數據和學習偏好數據等，借助相關的數據分析為教育活動、培養模式和教育決策提供合理的、有效的、科學的數據支撐。在大數據背景下，對高校實驗室的建設、管理及應用提出了更高的要求：

（1）實驗室建設應建設在具備計算資源的管理、數據存儲、數據采集能力的功能框架上；

（2）實驗室應能為各專業學生提供具備大數據實驗、大數據分析能力的計算資源及框架；

（3）實驗室平臺應具備產學研培養模式的服務能力。

以人才培養與學科研究/建設互動為原則，大數據背景下實驗室建設與學科發展、創新人才培養、師資技術培訓緊密結合，本文提出了基于項目管理和計算資源管理的計算機專業實驗室建設及管理的研究，并提出合理的解決方案，為推動教學和課程改革，推動教學模式和教學手段轉變，具備分析學生技能、學習行為及數據處理（數據采集、存儲、分析）能力，形成技能型、應用型人才培養模式創建一個良好的實驗教學環境。

2 大數據背景下計算機專業實驗室建設需求

在大數據背景下，隨著學校近年來專業數量的進一步擴大，增加的專業對實踐動手能力要求較高，為了達到更好的教學效果，現在的教學模式亟需發生變革，必須尋求一種更有效的實訓模式。結合計算機學科及專業實驗需求，實驗室的建設應具備前瞻性、擴展性、普適性的特征，專業實驗室的管理是管理員對計算資源進行運維的過程，體現了應用與理論相結合的需求。實驗室具備云計算、云服務及數據處理的能力，為培養新型技能型人才提供良好的實驗教學、實習實訓、對外服務的平臺及教學環境。在大數據背景下，計算機專業實驗室的建設及管理應從以下的幾個方面進行規劃及分析：

（1）針對計算機學科各專業的共同特征，在理論教學中各課程間是一個協同耦合的關系，以軟件開發過程為主線，將專業課程用規范的軟件項目過程模式應用到實踐教學管理中，將新的軟件開發模式、新的開發技術、新的業務流程快速地部署到實踐教學中并實施——該過程的實現對實驗室建設提出了專業實驗室中應具有基于項目管理平臺的能力。

（2）針對云計算、大數據應用的發展，為各專業學生提供個性化服務，實驗室應以虛擬計算資源的方式對各類用戶提供系統平臺服務、數據存儲及數據分析能力的計算節點：一方面通過實驗室平臺能方便快捷地管理硬件設施并以虛擬資源的形成呈現出來；另一方面所搭建的對計算資源進行管理的云計算平臺能為學生學習與計算資源管理相關的一系列課程的開設提供良好的軟件和硬件相結合的實驗環境。

（3）實驗室管理中應提供云服務平臺的管理模式，各類各層次及企業機構用戶能按其在參與的項目中所擔任的角色參與項目信息的共享、項目開發過程的協同、任務的分發及監督、討論等基于項目管理的活動，并可提供方便地按需進行系統環境的配置、開發平臺的部署等。

（4）提供知識庫管理功能，在課程上、在項目開發模版上、在開發素材上、在代碼復用上，為項目開發人員提供支撐的知識庫及歸檔服務。

（5）計算機專業實驗室的建設是一項既有硬件建設，又有軟件平臺建設的復雜工程，同時針對計算機專業的特點，實驗室是學生走向崗位的跳板和橋梁，其軟件平臺的建設應以產學研平臺為指導原則進行構建。

結合計算機學科的發展，云計算技術類專業在教學過程中通過實驗室平臺依靠云計算技術的模擬實踐環境的構建，將各行業實際的應用過程整合進來，把專業知識和實踐方法綜合與貫通起來，能更好地解決云計算技術類專業人才的培養和師資培訓的問題。

3 計算機專業實驗室建設方案及管理模式

3.1 實驗室建設方案的總體框架

針對高校的特點，實驗室建設的總體應用架構的搭建及系統平臺的構建遵循面向服務架構（SOA）原則，具備安全性、集中性、高效性、高可靠性、開放性、可擴展性。實驗室的總體框架由軟件平臺和硬件設備整合而成，主要包含了：

（1）應用層——教學實驗實訓管理；

（2）云服務平臺層——云服務運維管理層；

（3）虛擬資源層——計算資源的虛擬化及管理；

（4）基礎設施層——服務器及網絡等物理設備。

方案的總體框架如圖1所示：

圖1中“計算資源管理平臺”主要負責以下的工作：

用戶管理：團隊用戶的申請、審批、權限、生產環境及計算資源的配置模板管理。

計算資源分配管理：針對用戶的需求，制作對應的軟件生產環境系統鏡像（配置生產環境、開發權限等），并為其分配相應的計算資源。

在線用戶管理：用戶VM的管理、計算資源的回收和分配；

基礎設施的管理：在基礎設施中添加、維護物理服務器的入群和退出等。

計算資源管理平臺是一個基于云計算應用的管理平臺，部署上主要采用一臺高性能服務器或與云服務平臺層的服務器（高性能服務器）捆綁在一起。

3.2 實驗室管理平臺——軟件項目管理平臺

為實現實驗室的高效管理，為實現產學研的實習實訓模式，實驗室管理和核心平臺——軟件項目管理平臺，平臺主要由三個子平臺構成，其框架如圖2所示。

3.2.1 知識資源庫管理平臺

一方面為支持構件（源碼庫、類庫），相關的文檔——需求說明書、開發計劃、設計說明書等，設計素材，測試用例，案例庫等各個項目研發過程性知識資源的復用，以提高項目研發的效率；另一方面為教育培訓提供各個方面的知識資源案例，為培養軟件研發人才提供詳細的項目過程管理規范、項目案例示范、編碼案例示范、文檔模板及文檔撰寫示范。

3.2.2 協同開發服務云端平臺

以協同軟件生產線為業務工作流（需求分析→設計→任務分解→任務分發→開發→整合（單元測試）→測試→發布→驗收），線上（云端）主要管理：任務分解、任務分發、開發、整合（單元驗收）、項目驗收五個過程，其它過程為線下管理。在平臺上，首先將需求與設計部分（線下由項目負責人、項目經理完成——教師、學生、企業協同完成任務的設計及分配）產生的軟件設計說明書作為一個新的項目在平臺中進行注冊的初始化文檔導入系統，線上部分主要有：組織級項目管理、項目生命周期管理、任務管理、測試管理、評審管理、外包管理、審查管理、知識和文檔管理等基于混合敏捷開發方法（即支持敏捷和傳統的項目管理）的標準和方法。

3.2.3 協同開發桌面云

將桌面計算機的計算和存儲資源（包括CPU、硬盤、內存）集中部署在云計算數據中心機房，通過虛擬化技術將物理資源轉化為虛擬資源，并按需向用戶提供虛擬桌面服務。實現完整的水平整合和云化企業異構IT基礎設施的能力，能夠支持數據中心虛擬化或桌面虛擬化構筑云計算基礎架構和運營模式，實現固定和移動融合的云接入能力，幫助學生跨學院/跨區域對項目開發環境下的桌面、應用和數據進行統一管理、發布和聚合，提升軟件項目研發過程的信息安全及技術保密。

該平臺基于項目過程建立一個以流程導向、以軟件項目為中心的實驗室運維支撐平臺，為整個云實驗室提供一套行之有效的運維管理體系。

3.3 實驗室管理的內容

3.3.1 實驗教學管理模式

按照“三位一體”原則，主要由實驗室管理員、課程教師、學生、企業機構四個角色，為云計算教學實踐和實驗提供一個統一的管理服務模式，在管理平臺中完成實驗資源調度管理、教學資源管理、實訓課程管理、實驗軟件管理、實驗考核管理、用戶管理、權限管理及其他個性化設置管理等。

3.3.2 實驗課程管理

按照計算機學科各專業將課程理論和云實驗課程兩部分組成，涵蓋基礎原理、核心技術、平臺實踐、應用案例等。

最終用戶通過網絡，使用各種PC瀏覽器或移動終端設備接入實驗教學管理門戶，通過統一身份認證、訪問控制等安全策略控制后，使用云實驗室各種虛擬云資源及學校云實驗課程，為最終用戶提供云計算教學和體驗。

4 計算機專業實驗室實施架構及基礎業務流程

解決方案實施架構及基礎業務流程如圖3所示。

為了降低實驗室的維護成本，提高信息安全管理力度，采用“云端集中化”模式，通過云桌面技術將學生個性化桌面集中部署在服務器上，不同設備可以隨意訪問，同時實現桌面維護簡單化、業務數據集中化。具備：

（1）穩定、節能；

（2）少故障、易維護；

（3）模板式桌面部署，系統安裝、軟件分發、環境設置、故障恢復等工作可以一鍵下發，減少運維工作量；

（4）移動化、更靈活提升辦公效率；

（5）安全、易備份，業務數據集中存儲，形成分布式共享數據存儲，提供經濟高效的存儲。

5 結束語

在大數據背景下，高等教育的實驗室建設及配套的管理平臺應具備高開放性和可擴展性，一方面形成高效的實驗室管理模式的配套工具；另一方面能為培養計算機專業提供與研究熱點相關的實驗環境。

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作者簡介

莫瀟曉（1981-），男，廣東省肇慶市人。現為肇慶學院教育技術與計算機中心助理實驗師。研究方向為實驗室管理、虛擬實驗室、云計算。

作者單位

廣東肇慶學院教育技術與計算機中心 廣東省肇慶市 526061