基于云技術的計算機實驗室建設與管理研究

何海祝，刁宇峰

（內蒙古民族大學計算機科學與技術學院，內蒙古 通遼 028043）

0 引言

當前，高校 “雙一流” 建設背景下，我國眾多高校都在逐步加大打造新型實驗室的力度，各種新技術、新方案被應用到高校實驗室的建設當中，旨在培養學生創新能力、動手能力和科研能力。云計算是當今計算機技術發展的一個重要方向，其應用領域涵蓋了商業、政府、教育等眾多行業，對經濟、科技、管理和安全具有重大的影響，并對一些行業產生了根本性的改變。高校新型實驗室建設將合理利用云計算技術的優勢，合理利用云計算的虛擬資源池技術，將實驗室物理內存、CPU、硬盤等設備資源進行動態再分配；合理利用互聯網技術和分布式技術，實現計算資源、存儲資源和網絡資源的共享；合理利用云客戶端統一接口，實現用戶便捷地訪問 “云” 中資源；合理利用云管理層功能，實現數據管理、虛擬資源管理、負載均衡管理及安全管理。將云計算技術引入高校，對構建新型、綠色、節能和安全的計算機實驗室將發揮重要作用，有效助推 “雙一流” 學科專業建設下高校創新性人才培養需求。

1 基于云計算技術的計算機實驗室建設的必要性

1．1 設備數量多，難于維護與管理 目前，大部分高校一個計算機實驗室學生可用電腦數量約為100臺，每學期約承擔5～6門實驗課，實驗室電腦使用頻率較高。從硬件方面來看，電腦硬件易受溫度、灰塵、靜電等環境影響而損壞，因此，高校計算機實驗室中硬件故障率一般比較高。從軟件方面來看，由于計算機實驗室使用人員復雜、軟件環境頻繁更換、學生使用U盤等都會給計算機操作系統帶來很大的風險，每隔一段時間就會重裝系統，大大加重了實驗管理員的工作量。雖然，實驗室采用了還原卡，主板設置密碼，屏蔽控制面板等一些防護措施，但在維護數量眾多的電腦時難免出現一些短時間內無法解除的故障，特別是大量電腦出現故障的時候，短時間內難以恢復，從而影響高校實驗教學的正常開展。

1．2 高校計算機實驗室設備落后，資源分配不合理 大多數高校計算機實驗室采用一次性申請經費建設，后續升級改造經費申請困難，加之計算機更新換代速度較快，從而直接導致計算機實驗室在3～5年得不到硬件升級，硬件設備無法滿足快速發展的軟件的需求，部分實驗課程無法有效地進行。同時，高校普遍存在老舊計算機實驗室只能承擔軟硬件要求較低的實驗課程的開展，新建設的計算機實驗室則承擔了大部分實驗課程，形成了老舊實驗室無人愿意使用，新建實驗室爭相搶用的資源分配不合理情況。

1．3 資源共享度低，不利于實驗以 “項目式” 開展 在大部分高校中，計算機實驗室大多分為硬件實驗室、軟件實驗室、網絡實驗室，公共實驗室等形式，每類實驗室承擔某項教學任務或某項課題研究。（1）傳統計算機實驗室網絡架構多采用局域網組網形式，每個實驗室單獨組網，封閉式管理，大部分軟件和硬件資源無法有效共享，造成了實驗室設備僅用于課堂教學，很少用于學生的課外實驗研究工作。（2）傳統計算機實驗室通常采用還原卡類的保護方式，實驗數據無法保存，難于實現實驗連續性、系統性地開展，更不能實現科研小組開展的實驗以 “項目式” 推進。

1．4 無法滿足實驗項目私有化環境 傳統計算機實驗室軟件安裝通常為每個學期初，根據實驗室所承擔課程，進行相應的實驗軟件的安裝，例如：數據結構課程需要安裝VC 6.0軟件、VS 2019等軟件開發環境，通常為了讓電腦運行更為流暢，實驗室管理員只會安裝其中一個軟件，學生在使用的過程中也只能使用機器上現有的軟件。由于傳統的計算機硬件性能限制及保護要求，不便于實驗環境頻繁更換：一方面，電腦設有還原保護措施，當電腦重啟后，系統被還原，造成實驗環境丟失；另一方面，搭建的私有實驗環境，容易被其他使用此電腦的學生破壞，難于實現 “專機專用” 。

2 基于云計算技術的計算機實驗室優勢

當前，在 “雙一流” 學科建設背景下，高校計算機實驗室都面臨著向信息化的方向發展，從而進一步提升實驗室的教學實踐作用，充分發揮其理論教學的輔助功能，為完成高校培養優秀的畢業生總體目標，不斷地進行實驗室的優化與改革。在眾多的方案中，基于云計算技術的實驗室建設具備提高效率、安全可靠、節省成本等諸多方面的優勢。

2．1 降低維護和管理成本 基于云計算技術的計算機實驗室，實現了實驗室的軟硬件資源統一管理，有效降低實驗室的維護成本和管理成本。（1）節省部署時間，管理人員在服務器上進行統一操作，不需要逐臺電腦進行系統維護，減少機房管理人員的工作量。（2）降低維護成本，通過云平臺管理軟件，管理人員與實驗室是1∶N的關系，真正實現一人管理維護多個實驗室，降低機房管理成本。（3）實現教育教學資源的云端管理，管理員通過網絡實現教育教學資源的遠程管理，便于師生訪問資源的同時，也提升了資源管理效率。

2．2 促進師生信息交互，提升教與學的效果 基于云計算技術的計算機實驗室，利用云計算技術提供新的軟件資源開發模式，通過云服務來搭建師生之間溝通的橋梁，實現在線答疑、即時通信和電子郵件服務等。學生通過個人賬號密碼隨時隨地登陸云計算實驗平臺，進行各類實驗項目的開展，教師可以隨時隨地查看學生實驗過程、實驗結果及回答學生提出的疑問，從而促進師生之間的信息交流，提升教學成效。

2．3 加強資源共享，統一教學資源 充分利用云計算的信息與資源共享功能，實現實驗數據共享，教學資源共享。教師可以通過云技術在線編輯和修改云平臺上的教學資源，將結果直接存儲和公布在云平臺上，學生則可以通過網絡鏈接到云平臺，獲取所需要的學習資源和服務［1］。利用云計算技術開放的接口功能，實現跨學科類實驗數據開放共享，促進相關學科實驗混合式開展。

2．4 便于信息存儲，實現實驗環境獨立性和數據延續性 利用云計算虛擬化技術，實驗人員根據實驗要求，搭建獨有的、統一的實驗環境，有效避免傳統實驗室中 “一機多用” 的局面，避免與其他實驗人員因共用實驗環境，造成實驗無法有效開展。利用云計算的數據云端存儲技術，便于實驗人員進行數據的保存及再使用，每次實驗數據皆可以保存在云端。在下一次開展實驗時，及時方便地獲取到前面實驗數據，便于實驗數據的分析、對比及匯總整理，有效提升實驗實際效果。

2．5 以WEB形式開展實驗，實現隨時使用 將計算機實驗室接入校園網，師生通過客戶端登錄云端，即可享受到云計算服務端提供的虛擬桌面及軟件環境。從學生角度，學生可將在課堂上未完成的實驗結果存儲到云端，利用課余時間登陸云端，完成未結束的實驗。從教師角度，教師通過Internet登錄云端，隨時隨地使用實驗室資源進行備課或科研。同時，基于云計算的實驗室服務器具有較高的靈活性：服務端可以安裝Windows、Linux等各種操作系統，基于操作系統搭建實驗相關程序，通過web實現訪問、開展實驗，無時間和地點限制。

3 基于云計算技術的計算機實驗室建設

云計算技術的發展與成熟，讓高校改造建設基于云計算技術的計算機實驗室具有可行性?，F今，部分高校已經建立了基于云計算技術的實驗室，利用云計算的優勢結合高校具體情況，逐步建設各具特色的計算機實驗室，以推動高校教學和科研向更高質量的發展。

3．1 整體架構 基于云計算技術的計算機實驗室，包含云計算服務集群、云安全、云存儲等。實驗平臺通過對底層服務器硬件、網絡設備和存儲資源實現虛擬化部署，實現云計算中基礎設施（Laas部分）的資源監控、服務器管理、虛擬機管理、存儲管理、網絡管理等眾多功能；在Paas層實現虛擬實驗室、虛擬實驗發布、身份認證、通用服務等功能；在Saas層實現：交互課堂、在線課程庫、系統部署、實驗管理、設備管理等功能。整個系統的搭建將具有較高自適應性和良好的擴展性，見圖1。

圖1 基于云計算技術的實驗室平臺架構Fig.1 Laboratory platform architecture based on cloud computing technology

3．2 具體構建設計 以云計算的虛擬化技術為基礎，云端建設多種虛擬機，對硬件資源、軟件資源實現虛擬化劃分，通過網絡實現使用終端與虛擬機之間操作與管理，見圖2。

圖2 基于云計算技術的實驗室系統架構Fig.2 Laboratory system architecture based on cloud computing technology

硬件系統層：該層主要實現環境搭建和虛擬機構建，為虛擬系統層提供硬件方面支持。通常1個實驗室，硬件系統層共有服務器8 臺，千兆路由器1 臺，千兆交換機3 臺，90 臺實驗室終端設備（含鼠標鍵盤），30臺云終端組成。

虛擬系統層：根據不同課程實驗需求，動態分配CPU、內存、硬盤等資源，并在虛擬機上安裝相應的操作系統和實驗軟件。虛擬機可以采用動態資源分配，機房終端開啟后，所有虛擬機采用統一配置，滿足實驗室課程需求；虛擬機也可以采用靜態資源分配，管理員未收回資源的前提下，虛擬機一直在線，用戶可以隨時隨地使用，師生可以通過賬號和密碼登錄自己的專有虛擬機［2-3］。

4 基于云計算技術的計算機實驗室管理

4．1 實驗室管理基本模式 基于云計算技術的計算機實驗室充分利用了云計算具有的全新網絡應用的概念，以互聯網為中心，提供快速且安全的云計算服務與數據存儲［4］。所有的計算資源、網絡資源及軟件資源由實驗室管理員統一維護管理，實驗人員都可以通過網絡使用實驗室計算資源與數據資源，擺脫傳統實驗室管理過程中實驗室人員容量限制和資源封閉限制，實現 “線上” 管理、 “線上” 實驗、 “線上” 交流的新型實驗室管理模式。

4．2 打造 “開放型” 實驗室管理模式 基于云技術的計算機實驗室充分利用云計算的開放性和共享性特點。技術上實現管理端統一管理，客戶端隨時訪問的物理架構，管理人員通過網絡實現服務器遠程配置。通過計算機網絡，客戶端實現師生隨時訪問，獲取資源不受時間和空間的限制，師生即可以到實驗室進行相關實驗，也可以通過網絡隨時隨地進行自己設計的創新性實驗［5］。

思想上形成以學生和教師為主體，以管理者為輔助的管理思維。在學生方面，通過開放的實驗室管理模式，實現理論知識與實驗能力的結合，培養具有扎實專業知識和較強創新能力的應用型人才；在教師方面，打造一支專業技術豐富、層次分明、結構合理的實驗教師隊伍，教師通過云平臺，設計好實驗課題和實驗項目，實現與學生充分溝通，合理性的評價學生實驗成果，有效地提升學生的創新能力與動手能力；從管理員方面，打造一支高水平的實驗室管理隊伍，以技術推動實驗室管理隊伍建設，形成一支既有技術能力又有管理水平的管理員隊伍。

4．3 打造 “實驗” + “科研” 實驗室管理模式 基于云計算技術的計算機實驗室充分發揮云計算具有的高靈活性、可擴展性和高性價比等特點，打造 “實驗” + “科研” 實驗室管理模式。實驗室在承擔傳統教學實驗任務的同時，也可以承擔如 “挑戰杯” 等競賽或課外科技小發明等難度較高的設計性、綜合性實驗項目。通過基于教學實驗和競賽創新實驗的交叉開展，有利于培養學生的科研基本技能，掌握科研的基本方法，訓練學生發現問題、解決問題的能力，也有利于自我管理能力提升和團隊協作能力的培養，為學生提供了自由發展的空間?？蒲泄ぷ鬟^程中，學生通過文獻檢索、立項、課題設計、實驗準備、實驗實施、資料整理和分析、論文撰寫和發表等一系列科研訓練，培養自我管理、自我約束和團體協作能力，有利于促進學生積極學習的熱情，使學生以更好的態度對待學習和科研。

5 結語

隨著云計算、霧計算、互聯網等技術不斷發展，建設云計算實驗室將成為未來計算機實驗室的建設方向。云計算與計算機實驗室的結合，有效地規避傳統實驗室的弊端，創新實驗室建設與發展思路，一方面，利于整合高校實驗教學資源，統一存儲，保證數據安全；另一方面，提升資源利用率，均衡計算性能，合理分配系統資源?；谠朴嬎慵夹g的計算機實驗室建設，將給各高校計算機實驗室建設帶來全新的改變，有助于推動高校的教學和科研事業發展［6］。