“云平臺+服務”的計算機實踐教學模式探索

田緒紅，劉財興，黃 瓊，肖 磊

（華南農業(yè)大學 軟件學院，廣東 廣州 510642）

“云平臺+服務”的計算機實踐教學模式探索

田緒紅，劉財興，黃 瓊，肖 磊

（華南農業(yè)大學 軟件學院，廣東 廣州 510642）

針對計算機實驗教學方面存在的問題，探討“云平臺+服務”的計算機實踐教學模式構建方法，提出基于云平臺的課程實驗、創(chuàng)新項目、創(chuàng)業(yè)活動“三位一體”的實踐教學體系，介紹初步的云實驗系統(tǒng)建設與實施情況，結合華南農業(yè)大學的實例說明實驗教學效果。

云計算；計算機實踐教學；云平臺+服務

0 引 言

當前，計算機技術發(fā)展日新月異，計算機實踐教學由于各種原因跟不上技術的進步。目前，計算機實踐教學主要存在如下問題。

（1）實驗設備更新問題。一方面，由于計算機類設備更新?lián)Q代速度快，許多2～3年前的設備很快就不能滿足一些專業(yè)性強的實驗要求；另一方面，用于學校設備更新的經費經常得不到保障，因此計算機類設備一直存在嚴重落后問題。

（2）單機實驗問題。目前，大多數(shù)計算機類設備都是單機設備，而許多學生個人電腦的配置常常高于實驗室的設備，導致許多學生不愿意到實驗室做實驗。這種狀況導致學生無法有效利用實驗室的許多教學資源及接受教師的指導，同時，學生在單機上無法建立計算機系統(tǒng)觀和整體觀。

（3）實驗形式不靈活問題。目前，大多數(shù)的學生實驗基本上都要求在固定時間和固定實驗室里完成。雖然有開放實驗室，但是由于資源有限及缺乏指導，實驗室利用率不高。

（4）創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)問題。學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)通常需要的計算機資源比較多且比較系統(tǒng)，而目前計算機類實驗室難以滿足學生這方面的需求。

1 “云平臺+服務”的計算機實踐教學模式

云計算（cloud computing）是分布式計算、并行計算、效用計算、網絡存儲、虛擬化、負載均衡、熱備份冗余等傳統(tǒng)計算機和網絡技術發(fā)展融合的產物，旨在通過網絡把多個成本較低的計算實體整合成一個具有強大計算能力的系統(tǒng)[1]。

云計算技術除了在商業(yè)上獲得巨大成功外，在高等學校教學管理與實踐教學方面也得到廣泛應用，如文獻[2—5]從不同側面討論云計算在高等學校教學與管理方面的應用。國內許多IT公司聯(lián)合高校開展了云實驗系統(tǒng)的開發(fā)，如阿里云計算有限公司、北京紅亞華宇科技有限公司、廣東恒電信息科技股份有限公司等公司都開發(fā)出相關的云實驗產品。西安電子科技大學、南京大學、北京郵電大學、湖南大學、哈爾濱工程大學、上海交通大學、武漢大學、四川大學、北京理工大學、清華大學軟件學院、北京航空航天大學、華南師范大學等都分別購買了不同的云實驗系統(tǒng)，開展了基于云平臺的實踐教學活動。

IT行業(yè)是一個實踐性非常強的領域，實踐是驅動學生學習興趣與創(chuàng)新的最佳手段，而一個好的實踐平臺有著至關重要的作用。如前所述，目前的實驗平臺由于設備更新不及時導致設備陳舊，大多數(shù)是單機環(huán)境，導致無法提供許多新技術和新系統(tǒng)，不僅嚴重影響學生的學習興趣，還無法滿足學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的需求。

根據(jù)云計算的特點，我們提出一種新的實驗教學模式：“云平臺+服務”的計算機實踐教學模式。通過建立云計算平臺，根據(jù)不同的實驗與實踐活動要求，建立不同層次的服務。傳統(tǒng)實踐教學模式下，一個實驗通常給學生提供的是一臺設備和相應的場地；“云平臺+服務”實踐教學模式下，一個實驗所需要的各種資源，如處理器、內存、外部存儲、網絡接口、軟件、教學資源、配套的文檔等，被打包成一個服務提供給學生，即一個實驗對應云平臺上的一個服務。由于云平臺所有資源都是虛擬化、可共享且可靈活分配的，并且可以根據(jù)不同實驗要求為學生分配不同的資源，因此不存在傳統(tǒng)實驗教學模式下的資源浪費問題，也不存在由于設備陳舊而資源不夠的問題。由于云平臺可以將各種最新的技術和最新的系統(tǒng)融合到一個平臺上，因此它既能提供基本實驗技能訓練服務，又包含提高性的訓練服務，更有挑戰(zhàn)性的服務與實戰(zhàn)型的服務，從而能最大限度地激發(fā)學生的學習興趣和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神。

2 構建“云平臺+服務”的實驗教學模式，有效地解決目前計算機實踐教學問題

基于云平臺虛擬化技術，可以實現(xiàn)計算存儲網絡的虛擬化、資源共享、靈活分配和服務器的整合、調配、集中化以及基于策略的管理。

（1）緩解設備更新問題。一方面，只要設備還可以正常運行，云平臺都可以將其納入統(tǒng)一管理及使用，最大限度地提高設備利用率，同時，新購置的設備只要加入云平臺管理，就可以與原有設備統(tǒng)一使用，所有資源都是虛擬化可共享的，具有非常高的擴展性；另一方面，如果某一設備不能正常運行，云平臺能自動將其從共享資源中除去，不影響系統(tǒng)的運行，具有非常高的可用性。

（2）由于云平臺所有資源都是虛擬化、可共享且可靈活分配的，因此可以根據(jù)不同實驗要求為學生分配不同的資源，如存儲資源、服務器計算資源、網絡資源、教學資源等，且學生在校園網覆蓋范圍內可以隨時隨地訪問這些資源，不僅可以解決學生單機上機問題和上機時間與地點不靈活的問題，還能解決教學資源訪問受限的問題。

（3）創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)問題的解決。由于云平臺的資源是集中化的并且可以基于策略的管理，因此需要時分配，不需要時收回。對于IT類創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)，其需求的資源差別非常大。一個創(chuàng)新項目需要的資源通常比一個課程實驗需要的資源多很多，而一個創(chuàng)業(yè)項目需要的資源通常又比一個創(chuàng)新項目需要的資源多很多。云平臺可以根據(jù)學生申請創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目的實際情況個性化地分配資源，以最大限度地滿足其創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)需求；同時，一旦學生不再需要這些資源，也非常方便回收，確保不浪費資源。

3 課程實驗、創(chuàng)新項目和創(chuàng)業(yè)活動“三位一體”的實踐教學體系

1）實踐教學理念。

當今世界已進入信息時代，信息技術飛速發(fā)展，信息化正深刻地改變著世界的面貌。新技術涌如潮流，發(fā)展日新月異。對于IT行業(yè)從業(yè)者來說，如果不能及時更新自身知識儲備，很快就會落后于技術發(fā)展的需求，但知識的更新不可能都通過回到學校課堂完成，于是自主學習能力就變得尤其重要；另一方面，在國家大力提倡“大眾創(chuàng)業(yè)和萬眾創(chuàng)新”的背景下，互聯(lián)網與信息技術是目前創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)最活躍的領域。我們實踐教學的目標就是著力提高學生的自主學習能力和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。

2）實踐教學定位。

我們的實踐教學定位是基于云平臺的計算機實驗中心不再是傳統(tǒng)的實驗設備與實驗場地提供者，而要成為學生實踐活動的服務提供者。

3）實踐教學改革的思路與方案。

基于前述實驗教學定位，我們的實踐教學改革思路與方案從兩個轉變著手。第一，從實驗設備與實驗條件建設轉變?yōu)樵破脚_服務建設，構建“云平臺+服務”的實踐教學模式；第二，從課程實驗實習教學為重點的實踐教學體系轉變?yōu)閷⒄n程實驗、創(chuàng)新項目和創(chuàng)業(yè)活動統(tǒng)一起來的“三位一體”的實踐教學體系。

通過實踐教學體系的實施，不僅能達到一些傳統(tǒng)的教學目標，如培養(yǎng)學生的科學思維和創(chuàng)新思維，提高學生獨立動手、分析解決問題和進行科學研究的能力，還能實現(xiàn)著力提高學生自主學習能力和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的教學目標。

為實現(xiàn)提高學生自主學習能力和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的教學目標，我們提出了課程實驗、創(chuàng)新項目和創(chuàng)業(yè)活動“三位一體”的實驗教學體系。“三位”是指課程實驗、創(chuàng)新項目和創(chuàng)業(yè)活動3種實踐活動，其中，課程實驗是基礎，創(chuàng)新項目是提高，創(chuàng)業(yè)活動是實戰(zhàn)?！耙惑w”是指“一個平臺”，這3種實踐活動統(tǒng)一在一個平臺即云平臺下完成。對于每門課程，在云平臺上既建立所有的基本課程實驗服務，又建立一些難度較大的適合創(chuàng)新訓練的服務；除此之外，還建立一些綜合性與實戰(zhàn)型的、適合創(chuàng)業(yè)訓練的服務。學生在這樣一個平臺下，不僅可以實現(xiàn)3種實踐活動的自然過渡，還可以自由申請更多的服務，以完成自己的創(chuàng)新項目，進一步再申請?zhí)囟ǖ姆臻_展自主的創(chuàng)業(yè)活動。

4）實踐教學體系構建。

（1）課程實驗。根據(jù)課程體系改革要求，優(yōu)化調整實踐教學內容及教學條件。①確保基礎實驗。對于核心課程，如程序設計、數(shù)據(jù)結構等，要確保實踐環(huán)節(jié)學時及實驗內容的系統(tǒng)性。②整合系統(tǒng)實驗。整合部分課程實驗內容，建立學生計算機系統(tǒng)觀與整體觀，如將計算機組成、體系結構、操作系統(tǒng)等整合為計算機系統(tǒng)實驗。③完善計算機輔助實驗評價與激勵系統(tǒng)。強化該系統(tǒng)對學生平時實驗情況進行有效監(jiān)測、考評和管理的功能以及應用該系統(tǒng)督促和激勵學生加強平時實驗學習的功能。

課程實驗主要由任課教師根據(jù)需要，通過云管理平臺為每個學生賬號分配相對固定的服務，學生登錄賬號后就可以使用分配的服務完成課程實驗。原則上，學生要到指定的實驗室在老師指導下完成課程實驗。如果學生希望利用其他時間對實驗進行完善和提高，那么只要在校園網范圍內，學生就可以隨時隨地使用該服務；同時，學生所有的實驗結果均可以保存在系統(tǒng)上，教師可以隨時查閱和批改。課程實驗結束后，系統(tǒng)自動回收相應的服務。

（2）創(chuàng)新項目。創(chuàng)新項目包括國家級、省級、校級及院級大學生創(chuàng)新項目，還包括各種學科競賽，如ACM-ICPC國際大學生程序設計大賽、微軟“創(chuàng)新杯”Imagine Cup中國區(qū)總決賽、全國Java程序設計競賽、廣東省大學生程序設計競賽、廣東省大學生計算機作品大賽、阿里云“天池大賽”等。

對于大學生創(chuàng)新項目，首先，學生需要撰寫大學生創(chuàng)新項目申請書，經過學院評審通過后，逐級上報，最終確定是國家級、省級、校級還是院級項目；然后，學生憑項目立項文件，登錄云平臺管理系統(tǒng)，申請相應的服務。中心配有專門的管理人員對學生申請進行審批，審批通過后，學生就可以隨時隨地使用該服務，直到項目結題。

對于學科競賽，由專門的教師負責組織每一種類型的競賽活動，所有競賽都建立專門的服務，報名參賽的同學均可使用該服務。對于程序設計類競賽，我們建立了良好的“以賽帶練，以練促賽”機制；還建立了程序設計在線評判系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)，學生平時訓練時就像競賽一樣，系統(tǒng)會自動對學生提交的程序進行評判，記錄每位學生的完成情況并能根據(jù)學生完成程序的數(shù)量、難度、正確率等實時公布最新排行榜，有效地激發(fā)了學生的學習興趣。

（3）創(chuàng)業(yè)活動。對于大學生創(chuàng)業(yè)活動，學生需要撰寫創(chuàng)業(yè)活動計劃書。我們組織學院創(chuàng)業(yè)指導教師與專業(yè)教師共同進行創(chuàng)業(yè)項目的論證，并為學生開展創(chuàng)業(yè)活動提出一些合理化建議。一旦項目通過論證，中心專門的管理人員就會與創(chuàng)業(yè)小組進行溝通，討論實施該創(chuàng)業(yè)項目所需要的服務并確定最終服務分配方案。此后，創(chuàng)業(yè)小組就可以一直使用該服務，直到創(chuàng)業(yè)活動結束。

4 “云平臺+服務”的實驗教學模式實施與效果

目前，我們與北京紅亞華宇科技有限公司合作共建云實驗系統(tǒng)，第一期建設了基于云平臺的信息安全實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)是專門針對安全人才培養(yǎng)、安全研究等需求設計開發(fā)的產品，系統(tǒng)包含兩部分，即云計算虛擬化平臺和教育培訓管理平臺。實驗系統(tǒng)提供網絡攻防、信息安全、計算機基礎和網絡協(xié)議四大體系，43個實驗模塊，共計940多個實驗項目；每一個實驗項目均提供實驗原理、實驗步驟、實驗場景和實驗報告，大大減少實驗教學準備時間，可以提升教學質量，滿足學生實踐學習的需求[6]。

實驗平臺由1臺管理控制設備、1臺云調度設備、多臺云資源設備、教師管理系統(tǒng)、學生實訓系統(tǒng)和課程包組成。管理控制設備對實驗平臺的其他設備進行管理控制使用；云調度設備用于調用云資源設備的虛擬環(huán)境并具有負載均衡功能；云資源設備負責實驗虛擬化，可虛擬各種網絡設備及各操作系統(tǒng)的服務器等。

學生使用實驗室電腦或者自己的筆記本，通過瀏覽器訪問系統(tǒng)，輸入用戶名密碼后進入系統(tǒng)進行實驗；計算資源和實驗資源全部在云端進行，本地無需安裝客戶端，實驗方便，可在宿舍、實驗室和教室進行操作。

系統(tǒng)為教師提供全面的管理功能，如實驗初始化、學生管理、實驗課程管理、云管理、遠程桌面、遠程協(xié)助、考核等功能。教師可以根據(jù)自己的需求進行實驗云平臺調度并且支持虛擬化管理、拓撲設計、虛擬模板管理等功能，教師可以按自己的需求設計新的實驗項目。

目前，該系統(tǒng)在華南農業(yè)大學網絡工程專業(yè)進行了試驗，教師與學生普遍反映實驗內容豐富、實驗功能強大且實驗實戰(zhàn)性強、使用與管理非常方便，對于鞏固學生的理論知識和培養(yǎng)學生動手能力起到非常大的促進作用。通過該系統(tǒng)的訓練，我們組織部分學生參加了網絡安全方面的競賽活動，并取得良好的成績。在廣東省首屆“強網杯”網絡安全大賽中，由軟件學院學子組成的代表隊，經過與全省近百支隊伍的激烈比拼，在總決賽中攻堅克難連續(xù)競技6小時，勇奪大賽高校組第3名。

5 結 語

目前，國內各高校云實驗系統(tǒng)教學主要集中在系統(tǒng)建設與使用，對于基于云平臺的實踐教學模式的研究與探索則比較少。我們對于“云平臺+服務”的實驗教學模式探索也處于初級階段，需要在實踐中進一步學習、探討與完善。

[1] 程克非, 羅江華, 蘭文富. 云計算基礎教程[M]. 北京： 人民郵電出版社, 2013： 1.

[2] 馮鳥東, 崔亞強, 余淇, 等. 云計算促進高等院校信息化建設跨越式發(fā)展研究[J]. 中國教育信息化, 2016(15)： 22-26.

[3] 崔貫勛. 基于云計算技術的MOOC實踐教學平臺[J]. 實驗室研究與探索, 2015, 34(8)： 119-123.

[4] 單子鵬, 朱弘飛. 基于云計算技術的教學實驗系統(tǒng)設計與實踐[J]. 計算機教育, 2016(5)： 139-142.

[5] 張瓏, 王建華, 張軍. 云計算輔助教育初探[J]. 計算機教育, 2010(12)： 4-8.

[6] 紅亞科技. 信息安全實驗系統(tǒng)[EB/OL]. [2016-09-21]. http：//www.hongyaa.com.cn/information_safety/show/1.html.

（編輯：宋文婷）

1672-5913(2017)03-0163-04

G642

廣東省高等教育質量工程項目（粵教高函[2014]97號）；華南農業(yè)大學教育教學改革與研究重點項目（JG6007）；廣東省高等學校教育教學研究與改革項目；華南農業(yè)大學質量工程項目。

田緒紅，男，教授，研究方向為智能信息處理，tianxuhong@scau.edu.cn。