謝愛娟，羅士平，陶宇煒，張寶玲， 周國平

(常州大學 a.懷德學院;b.石油化工學院；c.信息中心，江蘇 常州 213164)

云計算在獨立學院實驗教學中的應用探析

謝愛娟a，b，羅士平b，陶宇煒c，張寶玲a， 周國平b

(常州大學 a.懷德學院;b.石油化工學院；c.信息中心，江蘇 常州 213164)

云計算是一種嶄新的分布式計算模式。利用云計算技術，可打破實驗資源分布的不均衡化，進行統(tǒng)一管理，合理調度高校虛擬實驗的軟硬件資源。結合常州大學懷德學院基礎化學實驗教學，對獨立學院的信息化建設、資源整合等問題進行了初步的探討，構建了云計算環(huán)境下的基礎化學實驗教學環(huán)境、虛擬實驗教學平臺、實驗管理模式等，并探討了實驗評價以及實驗交流體系的主要內容，以期對提高獨立學院的實驗教學質量有所裨益。

云計算；獨立學院；基礎化學實驗教學

作為民辦高等教育的獨立學院對我國高等教育的發(fā)展產(chǎn)生了積極影響。獨立學院的人才培養(yǎng)目標是“高級應用型人才”。 “應用型”的內涵是實踐動手能力， 強調學生在走向社會后能夠馬上動手操作，而這種能力的培養(yǎng)更多依賴于實驗教學[1]。

基礎化學實驗是常州大學懷德學院一系學生的必修課。它起著理論教學不可替代的特殊作用，尤其體現(xiàn)在培養(yǎng)學生的實踐能力、創(chuàng)新能力方面。傳統(tǒng)的實驗教學已表現(xiàn)出諸多不足與滯后， 迫切需要建立適應獨立學院自身特點和培養(yǎng)要求的實驗教學新體系。常州大學懷德學院是在老校區(qū)基礎上成立的，面臨實驗設備陳舊、實驗室資源不足、資金來源有限等問題，成為制約實驗教學發(fā)展的障礙。

云計算的出現(xiàn)為這些問題的解決帶來了新的技術實現(xiàn)，也為獨立學院基礎化學實驗教學提供了新思路和新模式[2]。

1 構建校際間虛擬實驗云的必要性分析

云計算(cloud computing) 是并行處理、分布式處理和網(wǎng)格計算的發(fā)展，也是一種新興的共享基礎架構的方法[3]。云計算的本質是在計算機網(wǎng)絡的基礎上，利用虛擬化技術和面向服務架構(SOA)，整合分布在網(wǎng)絡上的大量服務器集群處理能力，為用戶提供安全、可靠、便捷的各種應用數(shù)據(jù)服務，用戶可以在任何時間、任何地點，用任何可以連接到網(wǎng)絡的終端設備來訪問這些服務[4-5]。

目前，高校內母體學校與獨立學院，傳統(tǒng)實驗室和虛擬實驗室，都有具獨立性、分散性和重復建設的特點。且獨立學院教育資源整體投入有限，教學實驗資源存在短缺和不平衡的現(xiàn)象。常州大學懷德學院靖江校區(qū)剛成立不久，其實驗教學資源更是不足，而本部基礎化學實驗中心的資源相對豐富。利用云計算技術優(yōu)勢可把高校間虛擬實驗室零散的資源集中化管理，實現(xiàn)所有資源的統(tǒng)一調度、靈活移植和共享應用，打破實驗教學資源的不均衡性。虛擬技術和云技術聯(lián)合應用于高校實驗系統(tǒng)建設，其最大的亮點在于將高校的各種傳統(tǒng)實驗資源通過互聯(lián)網(wǎng)全部轉移到“云”中，為實驗教學配建豐富靈活的資源池，輕松實現(xiàn)不同高校、母體學校與獨立學院間實驗室軟硬件資源的共享，最大程度降低資源重復建設現(xiàn)象，全面均衡高校的實驗教學資源。它能從根本上改變傳統(tǒng)實驗教學的固有模式，給獨立學院實驗教學環(huán)節(jié)注入新的活力[6]。

2 云計算環(huán)境下的虛擬實驗教學環(huán)境的構建

2.1 基于云計算的實驗教學環(huán)境設計

為了滿足云計算環(huán)境下獨立學院實驗教學的要求，需要規(guī)劃設計一個合理的云服務實驗教學環(huán)境平臺。以基礎化學實驗室為例，不同的實驗對實驗室配置、環(huán)境設施都有不同的要求，如果所有的實驗室都采用統(tǒng)一的實驗設備勢必造成資源浪費，設備利用率低下。如722分光光度計一學年只使用一次，儀器常常因為久置后潮濕使數(shù)據(jù)產(chǎn)生波動而無法測量，而懷德學院前兩年才逐漸更新該儀器，臺套數(shù)較少，很難滿足學生人手一套的實驗要求。這種單一的且易出現(xiàn)故障的實驗室設置使得學生不能有效地進行實驗，嚴重影響獨立學院的實驗教學效果。隨著越來越多的化學工作站應用到實驗教學中，計算機軟件逐漸成為數(shù)據(jù)處理的重要手段。而目前母體學校和獨立學院以及各高校之間大多各自為戰(zhàn)，沒有構成健全完整的實驗體系。在這種情況下，如何讓獨立學院的學生熟練使用工作站軟件是目前實驗教學面臨的一個新難題。云計算環(huán)境下這些問題都可以得到更好的解決，一方面，云計算對硬件資源、操作平臺的虛擬化可以為實驗提供不同類型的VM(virtual manufacturing)； 另一方面，云計算的軟件即服務(SaaS)，云服務提供的軟件租賃費用低廉，有的甚至是免費的，使學校不再花費大量資金購買商業(yè)軟件?；谠朴嬎愕膶嶒灲虒W環(huán)境主要由云服務實驗教學環(huán)境平臺、云服務終端設備組成，其模型如圖1所示。

圖1 基于云計算的實驗教學環(huán)境模型

2.2 基于云計算的虛擬實驗教學平臺構建

近年來，懷德學院一系各專業(yè)每班有將近40名學生，而原有的基礎化學實驗設備臺套數(shù)一般只能滿足30名學生使用，尤其是物理化學實驗，儀器眾多，常常不能保證每名學生能夠獨立完成一項實驗，只能多人一組或輪流做，嚴重影響學生的基本操作能力，同時也浪費教師和學生的時間，實驗效果差、效率低。云計算通過共享開發(fā)資源和遠程桌面共享的方式，可以實現(xiàn)“每位師生都有一個屬于自己的實驗室——虛擬實驗室”的設想?；谠朴嬎愕奶摂M實驗教學平臺設計主要包括高校虛擬實驗資源云，母體學校和獨立學院私有云等資源。利用云計算技術和云服務可以在虛擬實驗室中為學生提供虛擬實驗學習平臺、資源共享平臺和安全可靠、海量資源的數(shù)據(jù)存儲中心等，并可搭建多媒體教室、網(wǎng)絡(互聯(lián)網(wǎng)和校園網(wǎng)等)、母體學校基礎化學實驗教學示范中心、獨立學院基礎化學實驗室相結合的虛擬教學平臺(如圖2所示)，提高實驗教學質量。學生通過瘦客戶端用鼠標或鍵盤向虛擬實驗教學平臺發(fā)出請求，然后，輸入實驗資源的要求，數(shù)據(jù)中心根據(jù)實際應用需求，從云存儲空間和服務器上智能地部署所需要的實驗資源，用戶即可登錄指定的桌面操作系統(tǒng)或應用服務進行實驗操作。云端上的虛擬實驗室能夠跨越時間和空間以及實驗條件的限制，為學生創(chuàng)造虛擬課堂及互動的在線實驗課程。

圖2 基于云計算的虛擬實驗教學平臺的整體架構

例如，燃燒熱的測定是一個相對比較復雜的實驗，由于實驗儀器多、點火失敗率高，需要用不同的模擬演示來詳細說明各個實驗操作過程、注意事項及兩個關鍵的步驟(即氧彈中樣品煤的安裝和煤燃燒熱的測量)。針對本實驗可以分別構建兩個虛擬實驗室，即氧彈實驗室和量熱實驗室，其中氧彈實驗室主要用于指導用戶熟悉壓片、裝氧彈和充氣等操作，后者默認的初始狀態(tài)是氧彈已經(jīng)充氣完成，用戶只需完成點火和量熱計的操作即可獲得所需熱值[7]。通過這種云端虛擬實驗室，學生能夠直觀地了解實驗步驟、儀器使用方法及整個實驗過程，降低實際實驗中的失敗率，減少儀器的損耗。同時通過虛擬實驗室還可以把有機化學實驗中復雜的、有毒的實驗步驟加以強調或警示，避免可能發(fā)生的危險后果，提高實驗的安全性。

2.3 基于云計算的基礎化學實驗管理平臺

實驗管理是實驗室一項重要而又繁重的工作，加強和完善實驗管理是保障實驗教學高效有序進行的基礎?；谠朴嬎愕膶嶒灲虒W管理平臺既能夠幫助實驗管理人員減少在實驗安排方面煩瑣的人工操作，又能夠減輕在學生實驗過程中監(jiān)控方面的巨大工作壓力。該平臺可充分利用云計算技術優(yōu)勢，實現(xiàn)實驗室規(guī)范化、科學化、高效化的管理。通過系統(tǒng)的應用促進對外實驗交流與實驗資源共享，加強師生聯(lián)系，促進實驗管理與教學的相互融合，從而更好地為教師和學生服務[8]。

基于云計算的實驗室管理系統(tǒng)的主要任務有后臺管理、云計算管理、虛擬實驗管理等三個方面，其基本業(yè)務流程如圖3所示。整個管理平臺分兩部分：(1)在云端有專業(yè)團隊負責平臺有效運行，提供實驗需要的軟件支持及虛擬儀器；(2)在用戶端設有管理入口，主要針對實驗項目、實驗內容或實驗過程進行管理，教師和學生是這部分的主體，目的是保證實驗教學的質量。各類用戶登錄系統(tǒng)時，先進行身份驗證，驗證成功之后方可進入平臺，而后根據(jù)操作要求選擇合適的操作，也可直接退出系統(tǒng)[8]。

圖3 基于云計算的實驗室管理流程圖

2.4 基于云計算的實驗評價和實驗交流平臺

云計算中的實驗交流平臺不僅是師生交流互動的平臺，還是學生提交實驗報告、展示實驗成果以及分享實驗經(jīng)驗的空間。在云端學生之間可對實驗問題展開討論，交流分享實驗方法、實驗技能，促進互相協(xié)作的科研創(chuàng)新精神，并且可利用“他山之

石”欄目借鑒母體學校及其他高校的先進方法，提高實驗層次。教師也可參與實驗論壇，進行網(wǎng)上輔導和在線答疑，給予學生實驗評價與總結，及時反饋實驗教學效果，實現(xiàn)師生之間的互動交流，形成相互促進、相互協(xié)作的良好實驗環(huán)境。

3 結束語

云計算帶來了強大的功能和技術， 但在獨立學院中的應用還處于起步階段，仍存在一些問題有待探討和解決。這些問題包括數(shù)據(jù)泄漏等安全問題、云計算產(chǎn)品和服務價格的成本問題、如何追蹤分析云計算服務應用的控制流和數(shù)據(jù)流等技術問題。但云計算作為一種集虛擬化技術、網(wǎng)絡技術、智能計算技術為一體的新興計算服務模式，為高校實驗教學工作的改革提供了機會和技術實現(xiàn)。 研究和探索云計算環(huán)境下的獨立學院基礎化學實驗教學對高校創(chuàng)新和改革實驗教學，提高教學質量具有深遠意義。

[1]王偉.獨立學院實驗教學創(chuàng)新之路[J].實驗技術與管理， 2010， 27 (3):142-144.

[2]尚蕾.云計算環(huán)境下的開放實驗教學研究[J].福建電腦， 2012(5):37-69.

[3]Brian Blake M. Service-oriented computing and cloud computing[J].Challenges and Opportunities，2010 (11):14.

[4] David S Linthicum.Cloud computing and SOA convergence in your enterprise: a step-by-step guide[M]. Boston:Addison-Wesley Professional，2009.

[5] 廖宏建， 楊玉寶， 唐連章，等. 基于云計算的動漫渲染實驗平臺研究與實現(xiàn)[J]. 實驗室研究與探索， 2012， 31(7): 68-71.

[6] 高云霞，高景剛.基于云計算的高校虛擬實驗教學研究[J].制造業(yè)自動化， 2013，35(3):87-90，95.

[7] 王海勇.物理化學網(wǎng)絡虛擬實驗室的構建方法研究[D].大連：大連理工大學， 2006.

[8] 舒家賦.高校實驗教學管理平臺的設計與實現(xiàn)[D].昆明：云南大學，2011.

Application of Cloud Computing in Experiment Teaching of Independent College

XIE Aijuana, b, LUO Shipingb, TAO Yuweic, ZHANG Baolinga, ZHOU Guopingb

(a. Huaide College; b. School of Petrochemical Engineering; c. Information Center, Changzhou University, Changzhou 213164, China)

Cloud computing is a new distributed computing model. Cloud computing technology can break unequalization of experimental resources, which can be unified management so that the software and hardware resources of virtual experiment of colleges and universities can be reasonable scheduled. Combined with the basic chemical experiment teaching of Huaide College, this paper preliminarily discussed some problems of the informatization construction, the resource integration and so on, built some models such as basic chemical experiment teaching environment, virtual experiment teaching platform, experimental management under the cloud computing environment and probed the main contents of experiment evaluation and communication system. The aim is to help high quality construction of experimental teaching of independent college.

cloud computing; independent college; basic chemical experiment teaching

2014-10-05；修改日期: 2015-04-20

常州大學懷德學院教育教學研究基金資助項目(2013HDJY05)；常州大學教育教學研究基金資助項目(GJY2014075，GJY2013039)。

謝愛娟(1968-)，女，碩士，實驗師，主要從事基礎化學實驗教學與研究工作。

G642.0；TP301

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.04.039