基于云平臺的計算機實驗室體系的構建

廖明習，饒文碧，袁景凌，熊盛武，王云華

（武漢理工大學計算機科學與技術學院，湖北武漢430070）

0 引言

隨著互聯網技術的不斷發展，傳統的計算機實驗教學暴露出諸多問題[1-2]，例如軟硬件資源管理方式落后、實驗時間地點固定以及學生實踐能力明顯不足。云平臺作為一種靈活的資源提供方式，利用虛擬化技術構建虛擬資源池，并通過互聯網共享資源，能夠有效地提高教學資源的利用率。

1 實驗教學云服務平臺

以云計算和虛擬化技術為支撐，構建完整的實驗教學私有云平臺[3-6]，實現基礎架構層（IaaS）、平臺服務層（PaaS）以及軟件服務層（SaaS），平臺按需提供服務，可以安裝在網絡的任何位置。該云平臺作為六個綜合實驗平臺的基礎，突破了時間與空間的限制，實現虛擬與現實相結合和實驗資源的共享。此外，建設基于云計算的“虛擬實驗室”體系，通過虛擬實驗室，讓學生和老師擺脫物理實驗室的時間、場地限制，形成不受時間、地點、設備限制的全時段開放虛擬實驗環境。通過計算機實驗云教育系統為虛擬實驗提供在線課程資源、自動記錄學生實驗過程并進行大數據分析，從而對學生實驗實踐環節全過程進行動態跟蹤與管理。云平臺能夠為實驗教學、實驗中心管理、實驗中心輻射提供強有力的支持。云平臺的技術架構如圖1所示。

建設云計算數據中心。為虛擬化實驗環境、并行處理系統及云計算平臺提供服務管理平臺和存儲系統，管理各種不同類型的資源，支持各種虛擬技術的異構系統管理，支持計算資源和存儲資源及運行支撐環境的自助管理，存儲各種類型的公有和私有的OS版本Image文件。

建設學生個人虛擬化實驗環境系統。學生可以隨時隨地使用任何可聯網的智能設備，包括智能移動終端、筆記本電腦、臺式機等；可以訪問實驗中心，連接到自己的虛擬實驗機；可以隨課程進度和自身情況完成各類實驗，并將信息存儲到云計算數據中心。系統可智能記錄學生的實驗進度、使用時長、點擊課件次數、瀏覽順序等參數，提示并督促學生學習，培養其基本的實驗技能和良好的學習習慣，同時也為教師改進教學、監督學生學習提供參考依據。

建設海量數據并行處理系統。建設MapReduce并行計算技術的大規模海量數據并行處理等系統，可應用于計算機領域的搜索引擎、文本挖掘、媒體處理以及材料、交通運輸、車輛、經濟等諸多學科領域的大規模海量數據處理，為學生學習大數據處理提供支撐。

圖1 實驗教學云平臺的技術架構

2 計算機實驗室體系構建

圍繞計算機學科的科學創新能力、工程創新能力、領域融合應用創新能力的培養目標，結合通識、基礎、創新等不同層面實驗教學需求，依托高校現有的專業實驗室以及校內外實訓實習基地，構建綜合實驗教學平臺和技術功能強大、實驗環境規范、開放程度高、覆蓋全校、并可輻射到校外的實驗教學云服務平臺。云服務平臺能夠靈活、快速地搭建實驗實訓教學環境，提供大規模、開放式實驗空間，滿足學生自主化學習需要。六個綜合實驗平臺分別是通識通修課程實驗平臺、系統與軟硬件基礎教學實驗平臺、復雜系統設計與開發教學實驗平臺、虛擬仿真實驗平臺、科技創新實驗實訓平臺、工程創新實驗實訓平臺。實驗室體系結構見圖2。

2.1 通識通修課程實驗平臺

依托高校專業在各行業形成的特色優勢，進行計算機基礎實驗教學改革，探索面向交叉領域特色的分層教學模式與體系，按需組織教學內容，因材施教。建設服務于全校各專業的計算機基礎實驗教學平臺，包括計算機公共基礎實驗教學和計算機學科各個專業方向共性課程實驗教學。在現有的通識教學實驗室的基礎上，建設同步實時教學平臺、開放式學習、練習與測試平臺，在云平臺上部署計算機基礎學測系統，供學生隨時隨地學習、訓練，支持面向全校的計算機基礎課程的教學改革。

2.2 系統與軟硬件基礎教學實驗平臺

面向按計算機學科專業大類培養的學生，構建計算機系統與軟硬件基礎教學實驗平臺，內容包括計算機學科各個專業方向共性的、具有明顯學科特點的專業實驗內容，以驗證性和設計性實驗為主要手段，以部分綜合性實驗為補充，開設可以覆蓋計算機理論、系統（涵蓋軟、硬件和計算系統）和基礎實踐能力訓練的實驗課程。通過自制或引進建設一批專業基礎實驗教學軟件，涵蓋所有驗證性實驗、部分設計性實驗和綜合性實驗。培養計算機專業學生本應具備的專業基礎性實踐能力，為學生的科研創新能力和工程創新能力培養奠定基礎。

2.3 復雜系統設計與開發教學實驗平臺

面向復雜問題的求解和工程創新能力是計算機類學科人才能力競爭的核心價值所在，具體表現為復雜計算系統的認知、構思、設計、開發與運行能力，從全局高度以計算機專業知識去認識問題、分析問題和解決問題，并實現系統的構建、優化、運維。

圖2 實驗室體系結構

為有效開展對學生上述能力的培養，建設計算機軟硬件貫通（計算機系統能力培養）實驗室、軟件工程綜合實驗實訓室、物聯網工程綜合實驗實訓室、智能家居/車聯網實訓室、云計算實驗室和大數據綜合處理實驗平臺。以實驗項目的技術遞進和邏輯關聯為主線，打破理論課程的內容橫向劃分的慣例，優化實驗項目設置，專門設置計算機軟硬件協同設計實踐、大型軟件工程項目實訓、物聯網工程綜合實訓和大數據綜合處理四個綜合實驗課程，旨在解剖其中的細節，訓練學生對復雜計算系統的構思、架構、設計和運維能力。

2.4 虛擬仿真實驗平臺

針對網絡工程、網絡安全、系統設計教學中存在的不可逆操作實施難的問題，進行環境模擬、原型虛擬、程序模擬，建設實驗教學虛擬仿真輔助平臺，使學生對已學的理論知識進一步深化，加深體會并增強實踐能力。根據高校的行業領域特色，在計算機基礎應用能力教學內容的基礎上，針對計算機應用于其他學科的復雜問題，如建設面向材料、交通、車輛等領域交叉應用的計算機應用虛擬仿真實驗云，設置不同的實驗內容，并支持跨學科、跨領域畢業設計，提升學生領域交叉計算機應用能力。

2.5 科技創新實驗實訓平臺

鼓勵教師結合科研成果進行實驗教學內容改革、軟硬件設備或資源的研制，將深層次的科研課題融入實驗教學并轉換為容易被學生所接受的實驗課題，通過設計教學案例融入實驗教學、進行項目驅動式的實驗教學、聯系實際科研項目的畢業設計選題等方式，使學生在動手實踐的過程中培養科技創新能力。建設本科生個性化課程及創新項目實踐平臺、教師科研實驗室等。

以第二課堂為保證，以科技創新基地和導師科研實驗室為支撐，以培養學生創新素質為目的，以鍛煉創新和工程能力為重點，有組織、有計劃地分專業、分年級、分層次開展大學生課外科技活動，做到點面結合，全面提高。結合學校的科研優勢，每年組織學生進行大學生科技創新訓練項目，成立一系列計算機科技創新活動小組，大大提升了學生從事科研創新的興趣和能力。同時，在云平臺中部署眾創平臺，為師生提供系統的創新創業服務，實現創新與創業相結合、線上與線下相結合，提供良好的網絡空間、社交空間和資源共享空間。

2.6 工程創新實驗實訓平臺

工程創新能力培養實驗實訓秉承“卓越工程師教育培養計劃”理念，遵循理論教學與實踐教學一體化設計的原則，建立實驗、實訓、實習循序漸進的工程能力訓練課程體系。研究從培養方案的制定、教材的編寫到理論教學與實踐教學等各個教學環節，以及學校與企業有機結合、相互滲透的合作組織模式；建立理論教學、實驗教學、科學研究、工程實踐相互滲透的多維度的新型教學組織模式，構建教學—科研、學校—企業雙結合的實踐教育平臺；積極引進優質企業資源，引進實訓環境和實訓項目，推動校外企業實習計劃，進一步深化卓越工程師計劃的人才培養，合作建設企業先進技術實驗實訓平臺。

3 基于云平臺的計算機實驗室體系的優勢

3.1 有助于提高學校的實驗實訓教學質量，改善教學環境

目前各個學校普遍存在教學實驗儀器陳舊的問題，學校實驗實訓室設備更新不及時,相對落后的實驗實訓設備滿足不了現代學科內容的更新和發展。云平臺基礎設施的維護以及軟件的更新都是由云端提供，實驗室只需要配置云終端，通過虛擬化、自動化等云計算技術，智能、動態地調配計算、存儲等各種資源，不但能夠充分利用教育資源，具有更高的靈活性，而且不再受傳統設備模式的限制，從而節約大量的基礎設施建設投資，有利于改善辦學條件和提高教學水平。

3.2 免受實驗室空間和時間的限制，推動學生自主式學習

實驗教學云平臺接入基于網絡的各種智能節點，包括智能開關、燈光、安防系統、門禁、監控等，通過網關進行數據匯集并傳輸給云平臺管理系統，從而實現對開放實驗室的智能化、遠程化在線管理和監控，實現網絡環境下的實驗課程、實驗項目的365×24開放模式，支持實驗室全天候開放。

借助實驗教學中心的虛擬化實驗環境,學生可隨時隨地使用任何可聯網的智能設備訪問實驗中心，連接到自己的虛擬桌面，登錄到相應實驗課程，根據課程進度和自身情況，在線完成各類實驗，學生得到了更好的服務，有助于學生的自主學習。

3.3 有效整合實驗教學資源

根據自身特點在不斷完善實驗教學基礎設施的基礎上，結合通識、基礎、創新等不同層面實驗教學需求，采用云計算技術構建實驗教學資源庫，分類構建了六大綜合實驗平臺，實現對實驗室資源的有效整合，便于在更大范圍實現實驗教學資源的開放共享。

各種實驗數據上傳并保存到云端服務器中，將學生、教師、設備和實驗課程的各種信息進行鏈接和整合，改變以往的粗放管理模式，極大提高了實驗教學的管理效率。學生的實驗過程或結果可實時上傳保存到云端服務器上，在所保存的實驗測量數據的基礎上，學生可在課內或課下隨時隨地完成實驗報告，教師可隨時隨地評閱實驗報告，并可以公正地評定學生的實驗效果和成績，從而激發學生的參與感，滿足學生的公平感，提高學生實驗的積極性。

3.4 構建能力評估體系，提升人才培養質量

依托云平臺整合各類資源，建立學生實踐創新能力培養的個人實驗室，對學生的實驗/實訓/競賽/創新活動等進行記錄和軌跡跟蹤，并跟蹤統計學生的培養過程及就業創業導向，構建學生個性化需求—實踐項目（培養層次）—能力達成度—就業創業能力等信息反饋和持續改進機制，最終促進學生實踐創新能力培養，提升人才培養質量。

4 結語

武漢理工大學依托目前現有的專業實驗室和校內外實習基地，構建了實驗教學云平臺和六個綜合實驗教學平臺。2016年12月，武漢理工大學計算機實驗教學中心成功獲批湖北省實驗教學示范中心。加大實驗改革力度，進一步集聚學科優勢，整合校、院計算機實驗教學資源，擴大實驗室功能，與科研、工程實踐、技術創新相結合，融入科技創新和實驗教學的改革成果，不斷更新實驗教學內容，深化實驗教學改革，取得了明顯的教學效果。目前，武漢理工大學逐步形成分層次、分類別、分階段、分方向的計算機實驗室體系，改革了學習模式、豐富了學習內容，提升了學生的創新能力。

[1]張宏莉,史建燾,翟健宏.基于云環境的計算機實驗教學平臺[J].智能計算機與應用.2015,5(3):33-36.

[2]崔貫勛.基于云計算技術的計算機實驗教學平臺[J].實驗室研究與探索.2013(10):463-466

[3]孟宏源,葉勇.淺析基于云平臺的計算機實驗教學中心建設[J].電子技術與軟件工程,2016(10):179-179.

[4]楊焱超,熊盛武,饒文碧,等.基于云計算的計算機類實驗教學平臺搭建與應用[J].實驗技術與管理,2016,33(10):147-151.

[5]葉娜,董麗麗,張維琪,等.面向多校區的計算機學科實驗云平臺建設研究[J].現代計算機,2015(21):38-40.

[6]袁景凌,饒文碧,熊盛武.以學生為中心的計算機實踐創新能力培養云平臺[J].計算機教育,2016(5):28-31.