熊 昕， 熊茂華， 謝景明

(廣州番禺職業(yè)技術學院 a.現(xiàn)代教育技術與信息中心; b.信息工程學院，廣東 廣州 511483)

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創(chuàng)新型實踐教學私有云平臺的設計與研究

熊 昕a， 熊茂華b， 謝景明a

(廣州番禺職業(yè)技術學院 a.現(xiàn)代教育技術與信息中心; b.信息工程學院，廣東 廣州 511483)

介紹了一種基于云計算的實踐教學私有云平臺的體系結構，簡述了高校建設的私有教育云的三個不同層次,即SaaS層、PaaS層和IaaS層的應用。用戶可以SaaS方式接入到平臺，實現(xiàn)單用戶跨項目多桌面運作；PaaS層使用桌面虛擬化技術，把各種開發(fā)工具、業(yè)務與管理支持工具、實踐教學管理工具等有機地整合在一起，對上一層打包進行按需分配。IaaS為用戶提供的各種服務，將高校的實踐教學信息化資源整合在一起，向用戶提供各種實訓教學服務。實踐教學私有云平臺是基于三段式、立體化的實踐教學體系，具有強交互性的基于實踐教育為主的自適應教學平臺。

實踐教學； 私有云； 體系結構； 虛擬化技術； 教學資源

0 引 言

近幾年來，云計算已使軟件變成了更具吸引力的服務，使世界IT工業(yè)對IT硬件設計和購買方式進行重新定義，從而可能引發(fā)IT工業(yè)大規(guī)模的變革。世界的廣大IT開發(fā)人員不再需要大量的硬件購置和維運成本就可完成各種創(chuàng)新的網(wǎng)絡服務。云計算的使用可大大降低投資和運營成本、簡化應用程序的部署和管理、提高應用程序和基礎設施的靈活性、方便地將應用程序擴展到互聯(lián)網(wǎng)、高效地處理高峰期流量、增強新功能開發(fā)和應用。但在當前的企業(yè)級IT平臺建設中，大多主要是將業(yè)務負載與物理資產緊密耦合，造成IT系統(tǒng)運行效率低；而企事業(yè)單位對IT基礎架構的動態(tài)化、彈性化和自動化要求也越來越高，他們需重新規(guī)劃信息中心的基礎架構，建設高效、靈活、高可用、易管理的新一代信息中心。企事業(yè)單位內部可構建內部云平臺(私有云)既提供了當前數(shù)據(jù)中心的可控性和安全性，又提供了業(yè)務創(chuàng)新所要求的敏捷性和彈性化，而且大幅降低成本。對于高校建設創(chuàng)新型實踐教學私有云平臺可提高高?，F(xiàn)有設備的利用率，軟硬件相互隔離減少設備依賴性，易于平臺模塊化設計提高可擴展性，為用戶提供了彈性服務的虛擬資源池，校內資源共享，為廣大師生提供24 h開放的實驗室和實訓基地。

1 實踐教學私有云平臺的設計方案

實踐教學私有云平臺以云計算的體系結構為依據(jù)，突出了“教、學、練、做、考”五個環(huán)節(jié)；實踐教學平臺突出強交互性各自適應教學。可提供包括實驗手冊、教學視頻、教師參考答案、學生答案模板、實驗素材載，多媒體播放等多種實踐教學資源。采用終端云平臺、網(wǎng)絡技術，實現(xiàn)多存儲設備、多應用、多服務協(xié)同工作的海量信息服務系統(tǒng)。使用者可通過 PC、手機、移動多媒體等多種設備，實現(xiàn)數(shù)據(jù)、文檔、圖片和視音頻等內容的集中存儲和資料共享；集遠程虛擬實訓系統(tǒng)、自主學習在線考試系統(tǒng)和在線培訓與考證系統(tǒng)引入到實踐教學私有云平臺中。

1.1 總體架構

實踐教學私有云平臺的總體架構圖如圖1所示。

圖1 實踐教學私有云平臺的總體架構圖

實踐教學私有云平臺按照云計算的三個不同層次應用，將高校的實踐教學信息化資源整合在一起，向用戶提供各種實踐教學服務。實踐教學的私有云平臺包括三個不同層次即SaaS層、PaaS層和IaaS層的應用。

實踐教學私有云平臺包括了高校內部的各種實踐教學資源，平臺還引入了教育應用引擎，是一個開放式平臺，實踐教學客戶端、高校的其他教育應用程序都可以通過SaaS層，以SaaS的方式接入到平臺上，供高校用戶選擇使用。

最底層IaaS可通過私用教育云IT資源，包括計算資源、網(wǎng)絡資源和存儲資源有機地整合在一起，并向上提供基礎服務，這些服務包括分布式數(shù)據(jù)存儲、計算服務、負載管理和備份等。其關鍵技術是服務器虛擬化技術，將分布式計算資源進行整合，統(tǒng)一管理和使用。IaaS可向最終用戶提供的各種服務，包括把各專業(yè)的實驗實訓室的實踐教學和實踐應用面向廣大用戶開放，如軟件開發(fā)、嵌入式技術應用、電子商務、物聯(lián)網(wǎng)和3G移動開發(fā)等各種實驗室，打破時空的限制。同時還可遠程開放幫助學生今后就業(yè)的“職業(yè)檔案系統(tǒng)”，先進的“考試認證中心”和SNS的人才社區(qū)等。

PaaS層是實踐教學業(yè)務的調度中心，主要功能包括統(tǒng)一身份認證管理、各種實踐教學業(yè)務引擎、各種實踐教學應用服務器、實踐教學資源管理、統(tǒng)一業(yè)務訪問控制、數(shù)據(jù)挖掘和分析等。這一層使用了桌面虛擬化技術，而各種開發(fā)工具、業(yè)務與管理支持工具、實踐教學管理工具等有機地整合在一起，對上一層打包進行按需分配。

1.2 實踐教學體系建設

實踐教學體系的示意圖如圖2所示，實踐教學私有云平臺采用三段式、立體化的實踐教學體系，可實現(xiàn)教學資源數(shù)字化，教學管理規(guī)范化，實踐教學做到可控、可操作、真實性。以往教學資源和實踐教學的載體，要么在任課老師手里，要么存在學校服務器里，授課內容只是與老師有關，沒有成為學校的教學資源，這樣教學資源難以統(tǒng)一保存和管理，無法實現(xiàn)共享；學生實驗環(huán)節(jié)需要老師實施監(jiān)控，學生在離開實驗室后就無法進行實驗，教師答疑難于及時。實踐教學私有云平臺能把課程整合在這個教學管理平臺中，實現(xiàn)老師教案數(shù)字化，利用教學平臺的數(shù)據(jù)庫，逐步形成課程實驗庫、課程設計庫、綜合實驗案例庫，實現(xiàn)教學內容的統(tǒng)一保存，實現(xiàn)共享。

圖2 實踐教學體系的示意圖

在實踐教學私有云平臺上可實現(xiàn)老師和學生在實驗環(huán)節(jié)交互，網(wǎng)上答疑、布置作業(yè)、批改作業(yè)，如學生可以向老師在網(wǎng)上提問；老師對學生作業(yè)可以在網(wǎng)上進行評價；增加學生自主學習的可能性；在網(wǎng)絡環(huán)境里實現(xiàn)對學生的實驗管理；包括分配任務和學生實驗成果的統(tǒng)一歸檔保存。

為了達到實踐教學的目標，課程實驗的內容需要通過實際項目通過標準化、模塊化后轉變?yōu)閷嶒灲虒W資源引進校內，在校內對學生進行項目開發(fā)全過程的實際訓練和培養(yǎng)。通過“學習—實踐—學習”的方式，注重學生實踐能力的培養(yǎng)，為學生接下來的職業(yè)生涯奠定堅實的理論和實踐基礎。

實踐教學體系依據(jù)學生的認知規(guī)律，可以采用“項目驅動式”教學方法，使學生在入學時就明確整個大學期間的任務—完成“綜合實驗項目”；圍繞“綜合實驗項目”學生應該掌握那些技能；掌握這些技能學生應該學習那些課程；完成每門課程的學習學生要做那些課程設計；完成課程設計，學生要做那些實驗。通過一系列的任務分解，將學生需要從低年級到高年級需要參與的實踐學習進行統(tǒng)一安排。

2 實踐教學私有云平臺核心建設內容

2.1 實踐教學平臺建設

實踐教學私有云平臺，是具有強交互性的基于實踐教育為主的自適應教學平臺?？商峁┌▽嶒炇謨?、教學視頻、教師參考答案、學生答案模板、實驗素材下載，多媒體播放等多種實踐教學資源。平臺可以支持云計算、軟件開發(fā)、嵌入式系統(tǒng)設計、嵌入式應用項目開發(fā)、物聯(lián)網(wǎng)項目開發(fā)、移動開發(fā)等多個IT領域，可以為高院校搭建全校范圍的全方位互動式整體教育實踐平臺。

平臺技術架構的特點如下：

(1) 擴展性強，分布式集群構架可支持全校大用戶量的應用。① 平臺為富客戶端分布式架構，前臺是客戶端，后臺是瀏覽器。服務器端包括平臺應用(用Java和Flex語言編寫)Web服務器與后臺數(shù)據(jù)庫(MS-SQL Server2003)進行交互。② 平臺可適用于單一的或多個服務器架構(取決于用戶數(shù)量)，這與平臺內置的 Java Application Server (Nginx+Tomcat)的特性是一致的。③ 平臺可以進行多臺服務器上的集群安裝，以提高平臺的整體性能。

(2) 系統(tǒng)采用富客戶端分布式技術，集群的設置有可擴展性可使響應優(yōu)化。系統(tǒng)部署采用負載均衡技術，數(shù)據(jù)存儲的負載均衡，強化系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

(3) 友好的界面和可供用戶設置的配置：軟件設計人性化、易于操作，同時具有安裝及卸載方便，運行穩(wěn)定，移植性強等特點。

2.2 實踐教學平臺技術功能

2.2.1 技術要求

(1) 平臺應為B/S與富客戶端相結合的系統(tǒng)，前后臺分離，前臺使用B/S架構，后臺使用主流的富客戶端技術；

(2) 為了安全穩(wěn)定和性能需要，能部署在Windows和Linux服務器上；

(3) 數(shù)據(jù)庫和應用程序都能實現(xiàn)多服務器的負載均衡部署；

(4) 平臺可支持學校資源庫的建設，除了支持計算機相關專業(yè)的系科使用外，也可以擴展為支持非計算機專業(yè)的系科，除了支持實訓外，還必須能輔助日常課程教學；

(5) 平臺能支持綁定項目實訓所需的開發(fā)工具和開發(fā)環(huán)境。

2.2.2 后臺管理系統(tǒng)功能

(1) 模塊一，基礎數(shù)據(jù)管理。包括用戶管理、權限管理、角色管理、機構管理。

(2) 模塊二，教學資源管理。包括資源分類管理、課程基礎實驗管理、課程設計實驗管理、綜合案例實驗管理、學習導向管理。

① 教學資源分類支持多層次，多分支靈活配置；

② 課程基礎實驗和課程設計實驗有內在的邏輯關系；

③ 綜合案例實驗能分拆到課程中訓練，同時還能確定訓練順序，形成可編輯的學習導向圖；

④ 案例的源代碼和答案能按工程文檔方式展示，同時控制是否開放給學生；

⑤ 資源文擋必須支持ppt、視頻等多種格式的導入。

(3) 模塊三，課程資源管理。包括課程管理、課程章節(jié)管理、課程資源配置管理。

① 課程必須與課程任務書對接；

② 課程配置允許一門課程由多個老師授課，老師配置課程案例后系統(tǒng)能自動分配任務，而不需要人工操作。

(4) 模塊四，課程實施管理。包括學生管理、老師管理、課程計劃管理，學年學期管理。

① 教學計劃管理必須與學校教學計劃無縫對接；

② 學生管理既要支持自然管理還要支持教學大班管理；

③ 教學計劃的執(zhí)行自動完成，不需要人工干預。

2.2.3 教師端功能

(1) 即時通訊。支持老師實時在線和學生聊天并實時交流；

(2) 實訓管理。支持個人資料維護、教學資源檢索、教學任務的微調管理、分組訓練配置、綜合案例角色化、流程化任務分配；

(3) 作業(yè)管理。支持提交作業(yè)流程管理(包含催繳作業(yè)功能)、學生作業(yè)情況監(jiān)控、學習導向圖查看、修改密碼和密碼取回、學生作業(yè)相似度比較、學生作業(yè)評價；

(4) 實訓項目檢查。支持遠程實時瀏覽學生實訓項目運行情況。

2.2.4 學生端功能

(1) 即時通訊：支持學生與老師或同學在線實時聊天進行技術溝通；

(2) 可支持在線調用并使用項目所需開發(fā)工具及環(huán)境，在線展示自己的作業(yè)并部署；

(3) 支持實訓任務的接受 、在線實驗結構展示、課程列表、教學資源檢索、學習導向圖、個人資料維護、修改密碼和密碼取回。

3 平臺開發(fā)重點解決的關鍵問題

(1) 創(chuàng)新型實踐教學私有云平臺的建設方案中如何構建學校的實踐教學“私有云”，制定相關流程和標準來保證客戶的數(shù)據(jù)安全，根據(jù)不同的需要，搭建符合自身要求的私有云平臺，打造學校私有的“公共資源云”，以便更好地為本校師生服務。

(2) 建立實踐教學私有云平臺的技術規(guī)范，建立共同的技術標準，按照相同的規(guī)范來搭建數(shù)據(jù)庫平臺，防止出現(xiàn)數(shù)據(jù)不兼容的情況。

(3) 與“公共云”緊密縫合，實現(xiàn)最大范圍的共享，在云計算環(huán)境下，實現(xiàn)各種實踐教學私有云的數(shù)字化教學資源庫無縫連接，云與云直接形成網(wǎng)絡，擴寬資源的共享寬度和廣度。

(4) 建立創(chuàng)新型實踐教學私有云平臺，在云計算的實踐教學數(shù)字化資源庫建設中，充分利用資源庫開放性的特點，增加其使用的交互性。各種實踐教學資源雖然存儲在云端，但是用戶可以很輕松地檢索各種資料信息，設置資源入庫、編輯、調用、查詢、下載等。

(5) 開發(fā)基于移動設備的客戶端軟件，方便使用隨時隨地的訪問云端資源，使得移動學習成為了可能，并在使用過程中實現(xiàn)最大范圍的交流和交互。

4 結 語

本文開發(fā)的實踐教學私有云平臺是以云計算體系結構為依據(jù)，突出“教、學、練、做、考”五個環(huán)節(jié)；硬件資源虛擬化和自動化，服務器、存儲和網(wǎng)絡等都在一個統(tǒng)一管理、分配的資源池中，根據(jù)業(yè)務要求具備彈性的伸縮能力，應用程序真正做到可擴展，側重在滿足實踐教學的服務上，為應用程序屏蔽底層硬件架構的復雜性。通過虛擬化與彈性化，組織內部云減少了對硬件設備的需求；通過對底層資源的屏蔽和高可管理、高可用等特點，內部云降低了運維難度和管理的成本。實踐教學私有云平臺具有很好的實用性。

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Design and Practice on Private Cloud Platform of Innovative Practice Teaching

XIONGXina，XIONGMao-huab,XIEJing-minga

(a. Modern Education Technology and Information Center; b. College of Information Engineering， Guangzhou Panyu Polytechnic, Guangzhou 511483, China)

The architecture of private cloud platform based on computing cloud is introduced in this paper. Three different levels of private education and their application in colleges and universities are briefly described, such as, SaaS, PaaS and IaaS layer. The users can access to the platform by SaaS to achieve single user desktop operation across projects; PaaS layer which uses desktop virtualization technology, can integrate all kinds of development tools, support business and management tools and the practice teaching management tools organically together, then pack a layer of distribution according to need. IaaS layer provides users with a variety of services, integrates the practice teaching of university information resources together, then provides with a variety of training teaching services for customers. In practice teaching, private cloud platform which is based on the three-step, three-dimensional system of practice teaching is a strong interactive, adaptive teaching platform for practical education.

practice teaching; private clouds; architecture; virtualization technology; teaching resources

2015-06-02

2012年度廣東省教育科學“十二五”規(guī)劃研究項目(2012JK173)

熊 昕(1987-)，男，江西南昌人，碩士，實驗師，研究方向:物聯(lián)網(wǎng)技術、嵌入式系統(tǒng)、無線傳感器網(wǎng)絡技術。

Tel.:13660647170;E-mail:228104455@qq.com

熊茂華(1958-)，男，江西南昌人，教授，研究方向：智能控制、物聯(lián)網(wǎng)技術、嵌入式系統(tǒng)、無線傳感器網(wǎng)絡技術。

Tel.:13610361791;E-mail:xiongxin0503@126.com

TP 391.41

A

1006-7167(2016)05-0208-05