李 寧，王鐵峰

（北京信息科技大學計算機學院，北京 100101）

多年來，高校計算機類實驗室的評價指標與其他類型的實驗室?guī)谉o分別，例如，人均實驗面積、生均臺套數(shù)、萬元以上設備數(shù)和實驗室利用率等［1］。進入許多高校的計算機實驗室，特別是軟件類實驗室，幾乎是千篇一律，大多是由實驗桌、臺式計算機和網(wǎng)絡設備組成的機房。在云計算時代的今天，這種計算機類實驗室的建設模式已經(jīng)顯得落后，更嚴重的是這種建設模式會帶來大量的資源浪費。然而，目前仍有大量的實驗室在按這種模式進行規(guī)劃和建設。本文將就這個問題與同行進行探討，以期共同謀劃適應時代發(fā)展的高校計算機服務平臺建設模式。

1 高校計算機資源建設面臨的困惑

目前很多高校在計算機資源建設方面面臨諸多問題和困難。

（1）計算機資源建設不適應教學改革的要求。為應對經(jīng)濟全球化挑戰(zhàn)，提高我國工程教育人才培養(yǎng)質量，面向工業(yè)界、面向世界、面向未來，很多高校提出了培養(yǎng)高素質應用型人才的戰(zhàn)略目標。教育部也于2010年啟動了“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”，強調注重學生的工程能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。今天各高校的計算機工程相關專業(yè)正在向這個目標邁進，在計算機教學中更加注重實踐教學環(huán)節(jié)，強調動手能力。由此帶來的顯著變化是，大量原來在教室授課的課程改為在實驗室授課。例如程序設計課程，原來課堂教學和機房上機是兩個環(huán)節(jié)，現(xiàn)在則改在實驗室進行，學生邊學邊練，考試采用機考。這類課程還有很多，使得實驗室利用率大幅增加。另外，隨著高等教育的普及、招生人數(shù)的增加、近百人一批次的實驗很常見，這使得實驗室面積也需要大幅增加。這些原因常造成計算機實驗室超負荷運行，實驗室管理人員不堪重負，難以有時間進行實驗室的維護。與此形成反差的是，一些大教室卻越來越空閑，利用率減低。

（2）學生個人計算機難以管理。據(jù)調查，計算機專業(yè)約85%以上的學生有自己的計算機。雖然大多數(shù)學生也在使用自己的計算機學習，但是這些計算機并未得到充分利用，一般在上課的時候，這些計算機是閑置的。更有相當一部分自覺性差的學生不管在宿舍還是在教室都沉迷計算機游戲，影響了成績，帶壞了學風，大多數(shù)學校的管理人員或任課教師都對此頭痛不已。很顯然，這些學生把原本用來學習的工具當成了娛樂工具。

（3）科研用機與教學用機存在矛盾。大家很容易想到，在科研、研究生培養(yǎng)、本科教學中所用的計算機資源應該能夠共享，但是這在現(xiàn)實中很難做到。對于幾十名學生、數(shù)門課程的實驗，必須保證所有軟件經(jīng)過精心的安裝調試。這些軟件需要有很好的兼容性，否則容易出現(xiàn)死機、藍屏、無法上網(wǎng)等問題，而這種問題一旦發(fā)生，將成為嚴重的教學事故，這也是實驗室管理人員最為擔心的。以科研用途為主的計算機，安裝、卸載或更新軟件是司空見慣的事情，因此也非常容易發(fā)生上述問題。雖然一些教學實驗室為計算機安裝了保護卡，但計算機重啟之后一切復原，也會給科研工作帶來很大不便。

（4）多校區(qū)計算機資源難以共享。北京地區(qū)的很多高校存在多個校區(qū)，一個學校有四、五個相距幾十公里的校區(qū)是很普遍的現(xiàn)象。由于地域分散的原因，校區(qū)之間無法充分共享計算機資源，導致在許多校區(qū)都要重復建設計算機實驗室。

（5）教學面積緊張。很多高校校舍緊張，但是由于單個機位面積是固定的，一個計算機實驗室必然要占據(jù)相當?shù)拿娣e。經(jīng)調研，目前全國高校的計算機學院生均實驗室面積為1.93 m2，這樣一個1 500人左右的計算機學院就要近3 000m2的實驗室面積，這在很多高校特別是北京地區(qū)的高校是很難保障的。

（6）設備快速淘汰帶來高昂的開支。相比之下，單臺的計算機設備并不昂貴，但是由于數(shù)量太大，加上4～6年的淘汰周期，擁有一個先進的計算機實驗室代價不菲。據(jù)調研，目前全國高校的計算機學院生均計算機臺數(shù)為0.72臺，這樣一個1 500人左右的計算機學院就要1 000多臺計算機。按3 000元／臺計算，每年需投入設備更新經(jīng)費約60萬元。我們能否盡量延長這些設備的使用年限，并將許許多多空閑的計算機資源利用起來呢？這也許是建設節(jié)約型社會必須解決的問題。

上述這些問題具有相當?shù)钠毡樾?。我們欣喜地看到云計算為解決這些問題帶來一片曙光。

2 移動學習呼喚無圍墻的實驗室

改變計算機服務平臺建設的模式不僅是為了解決上述問題，更是現(xiàn)代教學理念和教學手段的內在需要。

今天，移動學習因其移動性、普適性和泛在性等特點，成為高校教育信息化未來發(fā)展的主要方向，在高校的信息化建設中受到關注［2－4］。移動學習是繼數(shù)字化學習后出現(xiàn)的又一新學習模式。它是指一種在移動計算設備幫助下，能夠在任何時間、任何地點進行的學習。移動學習所使用的移動計算設備能夠有效地呈現(xiàn)學習內容并且提供教師與學習者之間的雙向交流。移動學習在數(shù)字化學習的基礎上，通過有效結合移動計算技術帶給學習者隨時隨地學習的全新感受。如何充分有效地使用無線技術和移動計算設備來輔助教學和學習是移動學習的關鍵。

移動學習被認為是一種未來的學習模式，或者說是未來學習不可缺少的一種學習模式。它有以下內涵：

（1）移動學習是在數(shù)字化學習的基礎上發(fā)展起來的，是數(shù)字化學習的擴展。移動學習并不是什么新鮮事物，因為在傳統(tǒng)學習中，印刷課本很早就是一種移動學習的工具了。但是當代的教育把很多學習工具固定在實驗室，并不適應人們的學習習慣。移動學習正是人性化學習方式的回歸。我們希望將來學習者不再被限制在計算機桌前，而是可以自由自在、隨時隨地進行不同目的、不同方式的學習。學習環(huán)境是移動的，教師和學生都是可以移動的。

（2）移動學習有強烈的數(shù)字化學習的特征。移動學習實現(xiàn)的技術基礎是移動計算技術和互聯(lián)網(wǎng)技術，即移動互聯(lián)技術；實現(xiàn)的工具是小型化的移動計算設備，例如平板計算機或智能手機等。文獻［3］對移動學習的特點作了很好的概括：①以無線網(wǎng)絡為環(huán)境支持；②以移動通信設備為工具支持；③以數(shù)字化學習資源為內容支持；④跨越場合、跨越情境、隨時隨地的學習方式。

本文提出的無圍墻的實驗室正是移動學習的延伸，也相當于一種“移動實驗”。顯然，無圍墻的實驗室可以有效地利用學習資源，延長學生的學習時間，提高學生的學習興趣。通過移動設備進行實驗、完成作業(yè)或者開展科技實踐活動將不再受場地和時間的限制，可以充分利用課余時間，在潛移默化中提高學生的動手能力和學習興趣。應該看到，在學生使用他們手中的計算機用于學習的同時，也相應地減少了他們用計算機玩游戲的時間，有助于學風的改善。

值得慶幸的是這樣無圍墻的實驗室在今天的云計算時代已經(jīng)呼之欲出，云計算恰好滿足了移動學習的需要［5－6］。

3 云計算與虛擬化對移動學習的支撐作用

云計算與虛擬化為移動學習提供了很好的技術支撐，可以解決困擾我們的許多問題。

早在上世紀60 年代，麥卡錫就提出了這樣的理念，即把計算能力作為一種像水和電一樣的公用事業(yè)提供給用戶，這便是云計算思想的端倪。80年代計算技術從主機模式演變?yōu)榭蛻舳耍掌鞯哪Ｊ?，帶來了軟件業(yè)的一次重要變革。隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，90年代客戶端－服務器模式進一步演變?yōu)闉g覽器－服務器的n層模式，使人們深刻地接受了軟件即服務的思想，云計算作為一種新興的資源使用和交付模式逐漸為學界和產(chǎn)業(yè)界所認知，它是分布式計算、并行計算、效用計算、網(wǎng)絡存儲、虛擬化、負載均衡等傳統(tǒng)計算機和網(wǎng)絡技術發(fā)展融合的產(chǎn)物。

3.1 云計算具有以下幾個主要特征

（1）網(wǎng)絡化［7］。計算資源是分布式的，但用戶不需關心計算資源到底在哪里。

（2）可以動態(tài)配置資源。能夠根據(jù)消費者需求的變化動態(tài)增加或釋放不同的物理和虛擬資源，而且這些資源的分配是自助方式的，用戶無需同提供商打交道就可自動獲得計算資源。

（3）資源統(tǒng)一使用。云計算采用的資源池，可以將不同類型的計算機和網(wǎng)絡設備進行統(tǒng)一配置和管理，用戶無需關心設備的細節(jié)，而方便地得到他們所需的各種性能的虛擬化設備。這些資源池中的物理設備可以隨時不斷地調整和更換。

（4）高可用性?？梢栽诟鞣N物理平臺上虛擬出不同配置的操作系統(tǒng)和應用軟件，虛擬設備之間不會相互干擾，可以很容易地在不同的硬件設備間遷移。通過各種冗余和備份機制保證服務的可持續(xù)性、安全性、高效性和靈活性。

（5）服務可計量。在向用戶提供服務的過程中，通過計量的方法來自動控制和優(yōu)化資源配置。資源的使用可被監(jiān)測和控制，可以觀察到性能的瓶頸，有針對性地逐步增加物理資源。

3.2 虛擬化是實現(xiàn)云計算的一種方式，與云計算技術密不可分

虛擬化是指計算機軟件在虛擬的平臺上而不是真實的平臺上運行。虛擬化技術可以擴大硬件的容量，簡化軟件的重新配置過程。CPU 的虛擬化技術可以單CPU 模擬多CPU 并行，允許一個平臺同時運行多個操作系統(tǒng)，并且應用程序都可以在相互獨立的空間內運行而互不影響，從而顯著提高計算機的使用效率。此外，按照瘦客戶端方式，用戶可以通過各種便攜式設備（如筆記本計算機、平板計算機甚至智能手機）來訪問虛擬機，客戶端不需要具備很強的計算能力，因此不需要頻繁更新設備。

虛擬化有很多分類［8］。從高校計算機資源使用的角度，我們可以采用以下的虛擬化類型：

（1）平臺虛擬化。即針對服務器和操作系統(tǒng)的虛擬化，主要包括服務器虛擬化和桌面虛擬化。虛擬化的操作系統(tǒng)可以是32 位或64 位的Windows、Linux或Android操作系統(tǒng)。這一類虛擬化很適合各種軟件實驗。學生可以任意啟動一種安裝有所需實驗環(huán)境的虛擬機進行實驗。實驗員可以按不同的軟件類別或實驗類別配置不同的虛擬機，并避免軟件的沖突。

（2）資源虛擬化。指虛擬機所使用的資源（如存儲設備和網(wǎng)絡設備）的虛擬化。這一類虛擬化適合教學服務資源的建設，例如建設存放教學視頻或課件的服務器，以及學生作業(yè)上傳和自動考試系統(tǒng)等。

（3）應用軟件（表示層）虛擬化。指將應用軟件從操作系統(tǒng)中分離出來，使應用程序的運行不依賴于特定的操作系統(tǒng)。這一類虛擬化適合建立高校的信息基礎設施，例如網(wǎng)站、辦公自動化系統(tǒng)、郵件服務和即時通信系統(tǒng)等。

3.3 云計算和虛擬化技術的優(yōu)勢

云計算和虛擬化技術對于解決我們面臨的問題有非常好的針對性，其優(yōu)勢可以概括如下：

（1）增加資源。可以充分利用學生手中的筆記本計算機來學習。學校只需要為沒有計算機的少數(shù)學生配發(fā)計算機，就可做到人人隨時有計算機可用。

（2）提高空間利用率?？梢允褂么蠼淌液妥粤暯淌易鳛閷嶒炇?，有效解決實驗室場地不足的問題。

（3）提高資源利用率。服務器的計算資源可以多人共享，按需分配，不再有閑置的設備。此外，不同性能的服務器可以組成不同計算能力的資源池，延長使用壽命。

（4）減少軟件的購買成本?？梢圆捎米庥玫男问将@得一些軟件的授權，節(jié)省購買軟件的開支。

（5）減少實驗室管理的負擔。云計算可以降低軟件的安裝和維護成本，不再需要為各種實驗更換每臺計算機的操作系統(tǒng)和應用軟件。

（6）提高安全性。用戶不必管理和維護基礎設施的硬件資源。軟件運行在云中，文檔數(shù)據(jù)也存儲在云中。通過專業(yè)化的管理和災備保護措施，可以大幅降低病毒入侵，甚至不可抗拒的自然災害造成的破壞和數(shù)據(jù)丟失，確保信息安全。

4 面向未來的實踐與規(guī)劃

今天云計算已經(jīng)在國內外教育行業(yè)得到應用。筆者于2012年考察了英國的安格利亞魯斯金大學（Anglia Ruskin University，UK）。該大學也有多個校區(qū)，兩個主要的校區(qū)分布在劍橋（Cambridge）和切爾姆斯福特（Chelmsford）。計算機相關的專業(yè)兩個校區(qū)都有，通過校園網(wǎng)和虛擬化可以共享兩個校區(qū)的計算資源。在網(wǎng)絡原理實驗室中，通過虛擬機與網(wǎng)絡設備相接，學生可以在虛擬機上改變網(wǎng)絡的配置，而不需要實際去插拔網(wǎng)線，這種實驗不但實驗室中可以做，在任何有網(wǎng)絡的地方都可以做。國內清華大學和北京工業(yè)大學等高校在科研和教學中采用云計算平臺，取得了很好的效果［9］。以北京工業(yè)大學為例，通過建設云計算平臺將原來屬于各個院系和專業(yè)的計算資源進行集中化和智能化管理，同時創(chuàng)新教學模式，例如采用虛擬化技術開設并行計算課程，開展學科競賽，還借助云計算平臺進行科技成果轉化，提供對外服務等。

將云計算技術運用于高校計算機實踐平臺建設，需要建設相應的配套設施，例如建設高速的無線網(wǎng)絡，培訓實驗員讓他們掌握先進的技術等。但是更重要的是需要改變人們的觀念。這方面仍然存在諸多的問題，例如，需要改變以實驗面積、生均臺套數(shù)、萬元以上設備數(shù)等落后的實驗室評價指標體系，代之以新的更為客觀的評價體系。各類計算機類的實踐平臺建設經(jīng)費（特別是專項經(jīng)費）應該向云計算傾斜，鼓勵購置云計算平臺適用的服務器和網(wǎng)絡存儲設備，根據(jù)需求分步擴容。減少軟件類實驗室的臺式機保有量，逐步擴大移動設備的規(guī)模。改變機房形式的軟件類實驗室的功能，將其建設成為學生互動交流的空間。

一個面向未來的高校計算機資源建設方案，應該以虛擬化為核心的云計算平臺為基礎，將已有的計算資源整合起來，按照不同階段的需要，分步購置云服務器和云存儲設備，滿足三類主要的云服務，即：實踐教學服務、科研服務和信息化服務。參見圖1。

在實踐教學服務方面，首先需要選擇適合的課程開展平臺虛擬化的應用試點，從語言類課程入手逐步向操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫等計算機核心主干課程的實踐教學環(huán)節(jié)延伸，進而輻射到所有的課程，同時通過資源虛擬化共享各類教學資源。為配合移動學習，應將移動設備普及到每個計算機專業(yè)的學生，實現(xiàn)無圍墻的實驗室的目標。在科研服務方面，也應提倡集中購置各類平臺、工具軟件和應用資源，通過平臺虛擬化和資源虛擬化使全體教師共享。在信息化服務方面，通過應用軟件虛擬化改造網(wǎng)站等信息化設施，用少量的硬件資源建立起覆蓋學院、系部中心、課題組、課程團隊乃至個人的立體化信息發(fā)布和利用的網(wǎng)絡。

圖1 計算機服務平臺規(guī)劃圖

作為北京市重點發(fā)展的、以信息技術為主要特色的北京信息科技大學，在北京市教委和學校各部門的支持下，經(jīng)過努力，計算機實驗教學中心在2008年被批準為北京市計算機實驗教學示范中心。在新的發(fā)展階段，我們確立了以云計算技術為支撐的全新的計算機服務平臺建設規(guī)劃，將用最短的時間使云計算平臺為全體師生的教學和科研提供最優(yōu)質的服務。

（

）

［1］教育部高教司.普通高等學校本科教學工作水平評估方案（試行）［EB／OL］. （2004－08）. http：／／wenku.baidu.com／view／1756dacb05087632311212e3.html.

［2］C.O’Malley，G.Vavoula.Guidelines for learning／teaching／tutoring in a mobile environment.MOBIlearn［EB／OL］.（2003－10）.http：／／www.mobilearn.org／download／results／guidelines.pdf.

［3］鄭凱，許駿.高校移動學習體系的構建與發(fā)展研究［J］.中國電化教育，2011（9）：20－24.

［4］葉成林，徐福蔭，許駿.移動學習研究綜述［J］.電化教育研究，2004（3）：12－19.

［5］孫劍華.未來計算在“云端”：淺談云計算和移動學習［J］.現(xiàn)代教育技術，2009，19（8）：60－63.

［6］黃成云，左明章，榮先海.基于云計算的移動學習系統(tǒng)設計［J］.現(xiàn)代教育技術，2010，20（8）：102－105.

［7］P.Mell，T.Grance.The NIST Definition of Cloud Computing［EB／OL］.（2011－09）.http：／／csrc.nist.gov／publications／nistpubs／800－145／SP800－145.pdf.

［8］馬博峰.VMware，Citrix和Microsoft虛擬化技術詳解與應用實踐［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2012.

［9］杜近之.智慧的云計算［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2010.