采用云计算技术的现代实验室建设

面对用人单位对创新型、应用型高端人才日益迫切的需求,目前我国的高等院校已经在人才培养方面探索出一条成功之路,即目前国际上比较成熟的创新性、应用型人才培养模式——实验实训。但从实际效果上看,实验实训并没有像我们想象中的那样实现学校与工作岗位的“无缝对接”,增强学生的动手实践和设计分析能力,为用人单位培养出符合企业实际需求的创新型、应用型人才。究其原因,虽然我们的教育理念,教学形式发生了很大变化,但仍然缺乏将理念贯彻到教学实践中的方法和手段,即缺乏高性价比的现代化教学技术和丰富的教学资源,将教学理念和教学实践桥接起来。

1.目前高校实验实训面临的问题

(1)实验实训管理者视角

资源浪费——实验实训室造价成本高,电费开支大,电脑多数是高配置,低应用。管理困难——学生实验实训时玩游戏,随意更改计算机的软件配置,增删系统文件,修改注册表等给实验实训室的正常运转带来很大的麻烦。维护困难——学校实验实训室通常都是采用GHOST、安装还原卡或还原精灵的方法来保护系统不受破坏,但一旦要重装系统、升级和增添软件、杀毒时,就需要消耗大量时间,工作量极大。

(2)实验实训使用者视角

高校师生为了进行实验实训就必须到学校实验实训室中进行,但是实践环节的课时数又受到实验实训室开放时间和容纳人数的限制,师生们虽然拥有自己的数字化设备(如PC、笔记本电脑、平板电脑和智能手机),却无法远程使用实验实训资源。教师们希望能在家里或办公室里批改学生提交的实验实训作业和解答学生提出的问题。此外,还有相当数量的在职学生(如成教和在职研究生),他们也希望能不受时间和空间的限制,希望随时随地地使用学校的实验实训资源。

2.云计算技术概述

(1)云计算的概念。云计算的核心思想是将大量用网络连接的计算资源统一管理和调度,构成一个计算资源池向用户按需服务。这个计算资源池可以想象成电网、水网,用户不要去关心资源来源于何处,由谁提供。用户的“需求”被虚拟成“计算”,对于用户来说,使用“云”上的数据资源、计算能力就像使用“电”、“水”一样简单。云计算是个技术概念,也是一种商业模式。从技术视角上看,云计算=虚拟化+集群管理;从商业视角上看,云计算=信息电厂。

云计算有三个基本的层次,SaaS、PaaS和IaaS。其中,SaaS(Software-as-a-Service)软件即服务。用户无需购买软件,可以在各种设备上(台式计算机、笔记本电脑、平板电脑灯)通过瘦客户端(如浏览器)租用服务提供商运行在云计算基础设施上的应用软件。PaaS(Platform-as-a-Service)平台即服务。将软件开发语言和工具作为一种服务以SaaS的模式提交给用户。Iaas(Infrastructure-as-a-Service)基础设施即服务。为用户提供包括基础架构硬件和软件资源等所有计算机基础设施的服务。

(2)云计算实验实训室。云计算实验实训室平台由硬件设备、软件平台、基础应用软件、教育资源和接入终端组成。其特点有:数据在云端——实验实训数据和成绩不怕丢失、不必备份;软件在云端——实验实训模拟软件不必手动更新维护、自动升级;按需服务——实验实训计算资源按需分配,可按需购买;廉价——降低前期软、硬件投资费用,使用和管理成本低;节约——设备利用率高,能耗低。便捷——打破了时间和空间的限制,实现异地实验实训教学、联合实验等功能。

3.云计算在实验实训室中的应用

云计算实验实训室平台整体解决思路为:使用先进的64位弹性架构,构建云基础平台(PASS);在云基础平台之上,构建协同实验实训应用系统(SAAS);构建动态资源池,实现服务器等硬件资源的动态管理(IAAS)。通过完整的云平台(PAAS,SAAS,IAAS)架构,彻底解决当前实验实训室存在的问题,创新实验实训应用模式。(www.xing528.com)

(1)实验实训教学环境的云架构

(2)云计算实验室环境的技术实现

1)构建基础架构即服务层(IAAS)。IAAS的原则是集约化、共享、动态。充分整合计算机资源,提高设备利用率;降低管理复杂性,实现计算机资源和存储资源的共享;提高IT生产力并提高系统可靠性和可用性。

IAAS将服务器等硬件资源整合在一起,形成一个动态资源池。动态、按需分配给各应用系统。当某应用系统在高峰期需要更多的资源支持时,动态给予更多的硬件资源支持,而当高峰已过时,则自动回收多余的资源,转而为其他的应用系统提供服务。当晚上或者节假日等非正常上班时间,硬件资源大量剩余时,可自动关闭多余的硬件资源,以提高硬件资源的使用寿命,并节省大量能耗。当硬件资源池中的任何一台服务器出现故障时,池中的其他服务器会自动接管该服务器的工作,避免出现应用系统不能使用的风险,提高了系统的可靠性。

2)构建平台即服务层(PAAS)。PAAS是一个系统架构科学合理、开放互联的应用服务平台。不仅能解决数据互联互通问题,消除信息孤岛,实现资源整合与共享;而且未来能够灵活地应对需求发展,可以根据需求的发展变化,在此平台上快速开发建设丰富多样的实验实训应用;同时保证这些应用有机统一,集成创新,发挥最大效益。统一管理服务、安全服务、数据管理、建设标准、相关规范与法规体系,避免管理混乱;通过云服务中间件和云聚合中间件实现信息共享与交换,实现统一用户认证,权限管理,单点登录;统一、开放的信息展现层(如实验实训云门户、虚拟化社区);提供基础软件和通用服务,并提供标准接口,可通过无代码开发工具和代码开发工具,快速开发,适应应用变化需求,为持续发展奠定技术基础。

3)构建软件即服务层(SAAS)。SAAS构建于PAAS之上,具有基础服务平台的所有特性。如统一的建设标准,数据深度整合,弹性架构,标准的梯度扩展接口等。各个应用基于全新的云技术,摈弃单一数据层面的整合,实现业务应用层面的整合(即技术与实验实训的深度融合),注重更好的应用体验。软件采用模块化设计,在PAAS之上扩展和开发新的应用系统;疏理原有系统,弃粗存精,进行整合。将来随着业务种类的增加和用户数量的增长,系统可以平滑升级。

4.云计算对实验实训的意义

(1)创新实验实训模式。通过先进的云计算技术与实验实训的深度融合,实现协同实验实训的创新模式,解决当前传统实验实训中存在的问题。实现实验实训思想、理念、方法和手段全方位创新,提高实验实训质量,促进实验实训资源公平利用。

(2)优化实验实训环境。云计算实验实训室平台是一个系统架构科学合理、开放互联的应用服务平台。不仅能解决数据互联互通问题,消除信息孤岛,实现资源整合与共享;而且未来能够灵活地应对需求发展,可以根据需求的发展变化,在此平台上快速开发建设丰富多样的教育应用;同时保证这些应用有机统一,集成创新,发挥最大效益。

(3)共享实验实训资源。云平台不仅是一个共享的平台,更是一个即时互动、资源共建的协同平台。云平台提供跨平台、跨数据库的深度整合。各系统的资源可通过标准接口,集中在云资源系统进行存储管理,保持了资源唯一性,避免了数据库的臃肿。

云计算是下一代因特网的核心技术。运用云计算技术,能有效解决当前高校实验实训室的发展瓶颈问题,创新我国高校的实验实训教学模式。相信师生利用云计算实验实训平台开展实验实训能够像用水、电、气一样方便、快捷。