基于云網絡技術的外語語音實驗室設計與建設

程小輝, 戴 飛, 陳顯軍

(1. 桂林理工大學 信息科學與工程學院, 廣西 桂林 541004；2. 桂林旅游學院 科技處, 廣西 桂林 541006)

傳統語音實驗室有著其管理上的眾多不便。云計算等技術的不斷發展,為解決外語語音實驗室的建設和設計問題提供了新的思路和手段[1]。結合外語語音實驗室的現狀和作者的經驗,本文提出了一種基于云網絡設計的外語語音實驗室建設方案和一種創新的實驗室弧形布局設計方案。

1 外語語音實驗室現狀分析

外語語音實驗室一般包含計算機、投影儀、功放機、電動升降幕布、音響、交換機、空調等設備。大多數高校外語語音實驗室設置40～60個標準座位,盡量保證一個班的每位學生均可以獨自使用一臺計算機。

外語語音實驗室的功能主要是訓練學生外語的聽、說、讀、寫能力。教師使用語音設備進行教學,能更好地引導學生學習。

實驗室的學生計算機通常配備具有交互式教學、聽說讀寫訓練、個性化自學、無紙化考試、備課、課堂管理等功能的實訓平臺。該平臺支持通用四級、六級、專八級口語考試,實行網絡化資源共享,為學生提供豐富的學習素材,學生可進行自主協作式學習。

教師計算機一般安裝Windows server操作系統,除了安裝有學生計算機的軟件外,還額外安裝控制-監控軟件,方便統一監控和管理學生計算機。實訓系統的教師權限與學生權限不同,教師可以使用系統的聽、說、讀、寫、譯等輔助教學功能[2]進行教學。

在外語語音實驗室建設初期,實驗室的計算機會安裝硬盤保護軟件和還原軟件,以應對病毒的攻擊或人為的破壞。另外,實驗室的計算機采用網絡克隆技術,即在一臺學生計算機上操作而對其他學生計算機進行網絡同傳[3],將軟件傳輸到同一個實驗室里的各臺計算機,方便管理員進行機房的維護。

然而,傳統的外語語音實驗室存在4方面問題。

(1) 耗電量大。一個外語語音實驗室通常配備不少于40臺計算機,平均每臺計算機的功率250 W,再加上空調等設備,實驗室用電功率至少12.5 kW。

(2) 計算機使用率低。在正常教學情況下,計算機的硬件資源(CPU,內存,硬盤等)的使用率很低，僅為20%～30%,存在資源的浪費[4]。

(3) 建設成本高、設備生命周期短。傳統語音實驗室軟硬件采購需要大量的資金,而計算機相關技術發展很快,硬件配置一般5年左右就需升級或者更換,資源浪費嚴重[5]。

(4) 管理工作量大。因為每臺計算機都是獨立的設備,不同課程的實驗教學需要安裝不同的軟件。即使采用網絡克隆技術進行網絡同傳,也要耗費很長的時間。另外,公用計算機容易感染計算機病毒,需要購買殺毒軟件并進行定期查殺,操作系統和殺毒軟件也要進行更新或升級[6]。

為使外語語音實驗室既能滿足教學的需要,又要減少語音實驗室的建設成本、方便實驗室管理,需要積極探討新的外語語音實驗室建設與設計方案[7]。

2 云網絡技術簡介

云網絡技術是將云計算技術和桌面虛擬化技術相結合的技術。該技術涉及的技術和協議還有異步網絡同步傳輸技術、以太網TCP/IP協議、虛擬桌面協議[8]。

2.1 云計算技術

維基百科把云技術定義為:一種基于互聯網的計算方式,通過這種方式,共享的軟硬件資源和信息可以按需求提供給計算機和其他設備。云計算提供3種服務方式:IaaS(infrastructure as a service,基礎架構即服務)、PaaS(platform as a service,平臺即服務)和SaaS(software as a service,軟件即服務)[9-10]。

IaaS是云計算的基礎。IaaS基于虛擬化技術為用戶提供靈活、低成本的網絡、計算、存儲等軟件和硬件基礎設施資源,用戶可以通過基礎設施服務運行和部署軟件。

PaaS是云計算應用開發、運行和管理環境,由廠商提供。用戶在其平臺的基礎上定制和開發自己的應用程序,并通過服務器和互聯網傳遞給其他客戶,而不需要對計算、網絡、存儲等基礎設施資源進行管理。

SaaS是一種軟件服務模式,用戶只需向SaaS服務商租用軟件,不需要支付軟件維護費用,通過互聯網即可享受到相應的軟件和維護服務。

2.2 桌面虛擬化技術

桌面虛擬化技術是一種將計算機的各種實體資源抽象后呈現出來的資源管理技術,它屏蔽了軟硬件資源在底層架構的差異,運用虛擬化技術實現資源利用的最大化。通過在服務器設置,終端用戶每次重啟后自動連接服務器；而服務器運用虛擬技術可以虛擬出多個虛擬機,將虛擬機分配給請求連接的云終端。分配的每個虛擬機上的資源與數據是完全隔離的,云終端上分別運行獨立的操作系統及應用,使用效果與普通計算機相同[11]。

3 基于云網絡技術的外語語音實驗室設計方案

3.1 實驗室建設技術方案

基于云網絡技術的外語語音實驗室的服務器為高性能計算機主機,通過云桌面管理平臺實現對計算機資源的統一管理。采用數據緩存的方法實現異步網絡的同步傳輸,使語音信號數據實時傳輸且無錯碼,確保實現聲音的高保真傳輸和學生端流暢的操作體驗。主機通過虛擬化技術虛擬出多個虛擬機,每個云終端開機后自動連接計算機主機并對應其中一個虛擬機,獨立享有一套操作系統。各個云終端之間是隔離的,但共享主機的資源。將常用的虛擬機及其軟件環境導出為模板,當云終端需要某個軟件時,在計算機主機直接安裝軟件,通過加載設置即可實現與之相連的云終端軟件環境的同步。實驗室平臺架構見圖1。

圖1 實驗室平臺架構

基于云網絡技術的語音實驗室由云桌面管理平臺、計算機主機、網絡連接設備、云終端4部分組成。通過教師桌面管理平臺可以實現監控學生屏幕、對學生機一鍵開/關機、一鍵發送資料等功能。實驗室的主要網絡設備有云終端、云同步交換機、千兆ATM交換機、千兆ATM網卡等,所有網絡設備都采用網線連接,用戶端口用于連接云終端。在本方案中,8個云終端共享一臺計算機主機,每個終端只需要接上鍵盤、鼠標和顯示器,單線到桌面。在保證語音設備性能的情況下,單線到桌面可以最大化精簡實驗室的布線。語音實驗室硬件拓撲結構如圖2所示。

圖2 云網絡實驗室拓撲結構

基于云網絡技術的外語語音實驗室除擁有普通實驗室的功能外,采用了同步以太網交換傳輸解決方案,連接設備模塊采用了同步以太網交換機。該交換機嵌入了專門的音視頻高保真技術,實現了音視頻信號的同步傳輸。加之系統可快速、靈活切換,使云網絡教室可以實現不同的教學場景應用,真正實現了一室多用。實驗室可以在教師機上安裝各種英語培訓軟件或者針對旅游英語特色的導游軟件等,可以充分利用實驗室的功能,為學生提供良好的實驗環境,從而更有利于專業教學。

另外,本實驗室技術方案還包含一套備用救援機制,即當云網絡中某一臺主機因故障而無法為各云終端提供服務時,備用主機經過設置可以進行救援,確保整個實驗室的正常運行。

在正常情況下,備用主機處于待機狀態；而一旦有某臺主機發生故障,通過簡單設置即可快速完成救援過程,從而保證實驗室的所有計算機正常工作。

3.2 云網絡語音實驗室布局設計方案

在傳統的語音實驗室,計算機大多被布置為線形，分兩側依次排列。雖然此種布局使計算機排列緊湊,整體上節約了空間,也便于施工布線,但是卻給師生的交流帶來了不便,而且上課時任課教師存在一些視線盲區,很難觀察到每一位學生,無法一一對每位學生進行面對面指導和交流。在此傳統實驗室布局下,不利于調動學生學習積極性。為此,在實驗室設計方案中根據外語口語交流的特點,提出了一種新的計算機弧形布局方式。

計算機弧形布局如圖3所示。每個弧形桌子可以坐5名學生,這5名學生為一個小組,上課時小組內后進行討論、分享、交流。這種弧形布局設計方式,便于師生分組交流。學生無論是普通練習還是口語交流,教師站在弧形缺口處可以非常方便地進行指導和交流。

圖3 實驗室弧形布局設計方案

4 語音實驗室設計建設方案的優缺點分析

云網絡語音實驗室采用桌面虛擬化和云計算技術,實現了多用戶共享一臺計算機主機資源,每個用戶只需要接上一臺簡單的云終端,就可以獲得獨立PC機上的用戶體驗?；谠凭W絡技術的外語語音實驗室不僅減少了初始投入成本和能耗,而且可以減少計算機維護時間和成本,是優化教育培訓機構和公共場所等計算環境,使用文字處理、視頻播放、互聯網、電子郵件、簡單應用的最好解決方案之一[12]?；谠凭W絡技術的外語語音實驗室既有很多優點,也存在某些缺點和不足。

4.1 基于云網絡技術的外語語音實驗室的優點

(1) 建設成本低?；谠凭W絡技術的外語語音實驗室采用的云終端技術實現了多用戶共享一臺主機,可以節約計算機和軟件的購置成本。學校在構建普通實驗室時,不必為每個座位配置計算機主機,只需配置少量的計算機主機,同時在每個座位配置一個云終端,就可以完成同等座位實驗室的功能,大大地降低了實驗室建設前期軟硬件購置成本。

(2) 整體功耗低。云終端的耗電量大約7 W左右,遠小于PC的耗電量(250 W)。以一個實驗室計算,云終端系統的耗電量只有普通實驗室的15%左右,而且云終端的發熱量很小,還可節省空調電費,有利于實現節能減排、低碳環保的目標。

(3) 管理成本低?；谠凭W絡技術的外語語音實驗室的管理維護工作主要是在計算機主機上進行的,終端也不需要專門維護。由于實驗室只有少量計算機主機,維護工作十分簡單,一個管理員可以輕松管理多個云網絡實驗室,管理成本比普通的PC機實驗室低很多。

(4) 設備使用效率高。該實驗室不但可以滿足正常的多媒體教學,還可以使計算機主機或服務器的空閑資源被更多的終端利用,大大提升了設備的使用效率,減少了資源的閑置浪費。

4.2 基于云網絡技術的外語語音實驗室的缺點

(1) 安裝某些特定軟件存在不便。該實驗室采用云網絡技術,實現了多用戶共享一臺計算機主機的資源,且每個用戶都可以獲得獨立的Windows桌面體驗。但是如果該實驗室要用來安裝特定的競賽軟件,例如全國英語口語比賽軟件,此時便不能很好地滿足要求,因為該軟件需要每臺計算機擁有一個實際的網卡,以便進行每位學生的比賽數據采集,即要每臺計算機擁有實際主機才可以進行該軟件安裝。

(2) 該技術方案可能存在教學隱患。若該實驗室的計算機主機發生故障,與之相連的8臺計算機均會受到影響,此時需要管理人員進行備用救援的設置。如果同時出現幾臺計算機主機無法工作的情況,即使啟用備用救援機制,也只能救援部分計算機,這會對教學工作產生影響。

可見,采用基于云網絡技術的外語語音實驗室解決了傳統外語實驗室的功耗大、計算機使用率低、設備使用周期短、管理成本高等問題,雖然該方案也有其缺點,但缺點主要是不能滿足一些特殊要求,總體上該方案的優點遠大于其缺點。

5 結語

在信息技術不斷發展的今天,將信息技術與教育創新融合是一個具有挑戰性的課題。桂林旅游學院外國語學院于2014年建設的3間外語語音實驗室采用了基于云網絡技術方案和計算機弧形布局,使用效果總體良好,證明了該方案的實用性。該實驗室建設方案也為其他外語語音實驗室提供了新思路與參考。

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