惠向暉 魏秀然

河南農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與管理科學(xué)學(xué)院 河南 鄭州 450002

1 高校計算機實驗教學(xué)現(xiàn)狀分析

21世紀以來，人們進入信息化時代，計算機與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速發(fā)展。為了貼合時代發(fā)展，培育新時代互聯(lián)網(wǎng)人才，各高校紛紛開展計算機相關(guān)課程。作為一門實踐性較強的課程，計算機教學(xué)大多采用理論課程結(jié)合計算機實驗教學(xué)的方式，意在培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力。新的時代背景下，國家大力發(fā)展計算機技術(shù)相關(guān)行業(yè)，通過技術(shù)驅(qū)動經(jīng)濟發(fā)展，計算機實驗教學(xué)擔(dān)負著巨大的挑戰(zhàn)和社會責(zé)任[1]。目前傳統(tǒng)的計算機實驗教學(xué)主要存在以下幾種問題。

1.1 實驗室硬件成本過高

目前，絕大多數(shù)高校的計算機實驗室教學(xué)采用固定機房，固定座位，固定電腦的基礎(chǔ)硬件設(shè)施。在計算機剛剛普及階段，這種教學(xué)模式還可以起到較好的教學(xué)效果，同時成本相對可以接受。這種模式下，學(xué)校需要設(shè)立專門的場地來建設(shè)機房，實驗室所用桌椅、交換機路由器等設(shè)備需要不斷更新，實驗室環(huán)境維護成本隨著時間不斷增加。當(dāng)前社會計算機技術(shù)不斷發(fā)展，軟硬件設(shè)備更新迭代速度不斷提升，機房教學(xué)專用電腦的更新速度明顯落后于時代發(fā)展。這導(dǎo)致教師的教學(xué)內(nèi)容不能做到前沿性和實時性，學(xué)生所學(xué)到的技術(shù)與社會需求嚴重脫節(jié)。此外，很多高校存在多個校區(qū)，不同校區(qū)之間距離相對較遠。為了解決相關(guān)專業(yè)的課程需求，只能在多個校區(qū)分別設(shè)立計算機實驗教學(xué)機房。這同樣會導(dǎo)致硬件成本的加倍增加，但實驗室使用效率卻相對降低。對計算機實驗室的電腦設(shè)備進行定期更新無疑會加大高校的財政支出，對一些經(jīng)費相對不足的高校造成了較大壓力。因此，如何在保證教學(xué)質(zhì)量的同時，將有限的經(jīng)費資源發(fā)揮更大的作用成為當(dāng)前計算機實驗教學(xué)的難點。

1.2 計算機配套軟件存在問題

計算機作為一種教學(xué)工具，除了場地、硬件等成本，軟件也是必不可少的一環(huán)。針對不同專業(yè)，在開展計算機實驗教學(xué)時所用的軟件、開發(fā)環(huán)境等也不盡相同，如最基礎(chǔ)的操作系統(tǒng)Windows和辦公軟件office套件等。軟件和硬件都是實驗教學(xué)開展的基礎(chǔ)條件，教學(xué)軟件的科學(xué)使用決定了教學(xué)效果的優(yōu)劣。當(dāng)前，我國對知識產(chǎn)權(quán)保護越來越關(guān)注，軟件正版化成為計算機實驗教學(xué)的必經(jīng)之路。對正版化軟件的經(jīng)費投入，有利于后續(xù)的維護升級管理，可以有效地降低法律風(fēng)險，增強教學(xué)活動的穩(wěn)定性和安全性。因此，高校的計算機實驗教學(xué)建設(shè)還需要考慮盜版軟件的問題[2]。

1.3 計算機實驗設(shè)備利用率相對較低

目前的計算機實驗教學(xué)課程安排大多是單次課程占用2-3節(jié)，課程教學(xué)內(nèi)容往往并非獨立展開。教師需要在上機實驗前先進行理論、操作步驟的講解和演示，這往往需要花費1-2節(jié)的時間，留給學(xué)生實際操作的時間十分有限。這種教學(xué)模式下導(dǎo)致學(xué)生往往出現(xiàn)單次實驗完成不了就要下課的場景，學(xué)生實際學(xué)習(xí)到的內(nèi)容大打折扣。這種情形多次發(fā)生會對學(xué)生的積極性造成極大的打擊，同時也會降低學(xué)生的自主學(xué)習(xí)意識和學(xué)習(xí)效率。這種模式暴露了計算機實驗教學(xué)中教學(xué)環(huán)境和基礎(chǔ)設(shè)施管理上的不足，缺乏更加專業(yè)的分配方式，以面對計算機實驗教學(xué)環(huán)境的復(fù)雜性和綜合性。

2 云計算及其特點

云計算技術(shù)作為一種新興的計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)并沒有統(tǒng)一的定義，它融合了存儲技術(shù)、分布式計算技術(shù)、并行計算技術(shù)等，可以對數(shù)據(jù)進行高效、快速的計算和處理。云計算依托于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，可以對用戶數(shù)據(jù)進行動態(tài)的、實時的處理，它對用戶客戶端設(shè)備性能要求較低，但需要滿足連接互聯(lián)網(wǎng)。它的應(yīng)用場景主要表現(xiàn)為，用戶客戶端只進行數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)上傳和下載，數(shù)據(jù)的計算和處理部分放在云端集中處理。這為降低客戶端軟硬件成本提供了新的解決方案。同時，云計算具有實時性和虛擬性，將其與計算機實驗教學(xué)相結(jié)合可以有效改善目前的教學(xué)方式和教學(xué)環(huán)境。云計算主要有以下特點[3]。

2.1 實時性

云計算終端分為服務(wù)器端和客戶端，兩者通過互聯(lián)網(wǎng)進行通信和數(shù)據(jù)傳輸。目前網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)基站建設(shè)不斷完善，光纖通信、5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)為云計算的通信提供了極端的時延。用戶在客戶端的操作控制數(shù)據(jù)得以在極短時間內(nèi)上傳到服務(wù)器，依托于服務(wù)器端強大的計算能力，數(shù)據(jù)可以在極短時間內(nèi)進行計算和處理，隨后下行傳輸給客戶端。這種極快的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和強大的算力使得用戶的實時操作得以實現(xiàn)。

2.2 用戶客戶端配置要求較低

云計算依托于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將本地的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫朔?wù)器進行計算。本地客戶端只需要滿足連接互聯(lián)網(wǎng)，不需要過多考慮電腦硬件的配置。用戶的各種請求響應(yīng)都是通過云端服務(wù)器進行處理，客戶端只需要完成對數(shù)據(jù)的解讀和展示即可。

2.3 高效性

通常情況下，用戶客戶端不進行或者只進行極小的數(shù)據(jù)處理，多數(shù)的數(shù)據(jù)處理在云端服務(wù)器中完成。高效的云端服務(wù)器通常由多個服務(wù)器共同組成，其中主要包括計算部分服務(wù)器，存儲部分和軟件處理部分。軟件處理部分作為全局協(xié)作處理單元，用來控制數(shù)據(jù)的統(tǒng)籌處理和任務(wù)分配，作用類似于通用計算機操作系統(tǒng)。計算部分服務(wù)器主要包含大量計算單元，數(shù)據(jù)傳輸過來后，通過大量并行計算迅速得到處理結(jié)果[4]。

2.4 服務(wù)可靈活定制

云計算服務(wù)器提供的服務(wù)遠遠超出單個用戶需求，這決定了用戶可根據(jù)自己需求購買云計算服務(wù)范圍。針對不同的使用場景和使用習(xí)慣，用戶可以自定義購買云端服務(wù)器相應(yīng)的服務(wù)和資源。隨著用戶自身需求的增加，用戶還可以隨時提出加購需求。傳統(tǒng)的計算機服務(wù)如果用戶需求增加，則往往需要重新購買硬件設(shè)備。云計算的靈活定制服務(wù)，可以極大地降低因需求改變產(chǎn)生的硬件迭代成本。同時，軟件服務(wù)也是云計算的一大特點。云計算服務(wù)可以提供市面上絕大多數(shù)操作系統(tǒng)選項，同時提供各種相關(guān)軟件。針對不同的用戶需求，云計算服務(wù)可以在服務(wù)器端預(yù)設(shè)不同的軟件配置，為用戶實時訪問提供了解決方案。

3 云計算實驗室建設(shè)技術(shù)方案

高校云計算實驗教學(xué)平臺的建設(shè)是信息化教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，良好的平臺可以有效改善計算機實驗教學(xué)中硬件更新迭代的資金問題，教學(xué)軟件正版化問題，實驗教學(xué)資源分配問題以及教學(xué)質(zhì)量等問題。云計算實驗教學(xué)平臺依托于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將實際教學(xué)場景虛擬化，擺脫了傳統(tǒng)計算機實驗教學(xué)的軟硬件束縛，充分發(fā)揮了靈活性的特點，可以有效降低服務(wù)成本。將高校計算機實驗教學(xué)活動與云計算服務(wù)相結(jié)合，可以有效梳理教學(xué)活動，優(yōu)化教學(xué)課程體系，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性?；谠朴嬎愕挠嬎銠C實驗教學(xué)方案可以從平臺建設(shè)和課程建設(shè)兩個方面進行[5]。

教學(xué)平臺建設(shè)包含硬件建設(shè)和軟件建設(shè)，終端分為本地客戶端和服務(wù)器端。云計算服務(wù)器端架構(gòu)可采用分布式存儲方式，系統(tǒng)處理架構(gòu)可分為底層控制層、外部接口層和軟件應(yīng)用層。其中，底層控制層是系統(tǒng)架構(gòu)的基礎(chǔ)，用來控制、分配各部分功能，為系統(tǒng)穩(wěn)定運行提供基礎(chǔ)保障。本層可采用Linux系統(tǒng)統(tǒng)一控制管理多個服務(wù)器，對硬件設(shè)備協(xié)同管理。

服務(wù)器端的存儲技術(shù)保證中間計算數(shù)據(jù)和用戶存儲數(shù)據(jù)的安全性，是服務(wù)器端搭建中的重要一環(huán)。云計算的存儲技術(shù)較為特殊，不僅僅需要提供數(shù)據(jù)暫存功能，還需要進行訪問控制、基礎(chǔ)管理等功能。首先，訪問控制功能用來驗證數(shù)據(jù)來源的合理性，區(qū)別出正常數(shù)據(jù)和惡意攻擊數(shù)據(jù)。在云計算服務(wù)中，每個用戶都有自己特定的標(biāo)識，這種標(biāo)識在整個系統(tǒng)中可以用來記錄數(shù)據(jù)的來源。系統(tǒng)對存儲數(shù)據(jù)進行訪存時，首先需要通過驗證授權(quán)，驗證正確后方可進行數(shù)據(jù)的后續(xù)處理。存儲技術(shù)的基礎(chǔ)管理功能用來統(tǒng)一協(xié)同存儲功能的分配，它是存儲系統(tǒng)中的核心一環(huán)。它用來統(tǒng)一系統(tǒng)內(nèi)部的硬件存儲單元，對存儲單元進行分區(qū)標(biāo)識。針對系統(tǒng)的不同存儲響應(yīng)，分配不同的存儲功能，有效地提高了多個硬件設(shè)備間的協(xié)同處理，提升系統(tǒng)存儲速度。存儲功能是云計算存儲技術(shù)的基礎(chǔ)功能，它可以保障數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。通常來說，這與所采用的存儲硬件單元的性能相關(guān)，好的設(shè)備可以提供快速的讀取響應(yīng)，減少數(shù)據(jù)處理延遲，但成本也會相對較高。此外，對于用戶存儲的個人數(shù)據(jù)，還需要提供相應(yīng)的備份，避免因災(zāi)害產(chǎn)生的數(shù)據(jù)丟失問題。備份所使用的硬件存儲單元可采用讀寫速度相對一般的設(shè)備，減少成本支出。服務(wù)器端存儲技術(shù)的搭建需要協(xié)調(diào)性能和費用支出之間的矛盾。

信息化時代下，云計算服務(wù)器端的數(shù)據(jù)管理技術(shù)需要滿足科學(xué)性、高效性和安全性。面向高校的計算機實驗教學(xué)平臺所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)是海量的，高效的數(shù)據(jù)管理技術(shù)有助于教學(xué)活動的開展。對數(shù)據(jù)進行不同的分類，可以有效地進行數(shù)據(jù)分析、研究和整合，從而進一步得出教學(xué)活動的特點?；谶@種實際需求，構(gòu)建的數(shù)據(jù)庫需要包含以下幾種教學(xué)活動特征：學(xué)生基本信息、教師基本信息、學(xué)生課表、教師課表、實驗課程信息、簽到信息等[6-9]。

教學(xué)平臺的軟件建設(shè)可以分為學(xué)生、教師后臺戶端和專業(yè)軟件，分別提供不同的功能。針對學(xué)生客戶端，提供登錄認證功能，允許學(xué)生在不同設(shè)備間登錄保持數(shù)據(jù)同步。將學(xué)生學(xué)號作為授權(quán)標(biāo)識，通過密碼控制訪問權(quán)限，這樣可以發(fā)揮云計算平臺的靈活性特點，使學(xué)生擺脫了傳統(tǒng)固定機房做實驗的束縛。通過個人電腦遠程進行訪問，降低了學(xué)校硬件更新的成本，方便靈活管理。學(xué)生客戶端還應(yīng)該提供記錄功能和查詢功能。學(xué)生的個人信息，上課記錄和實驗報告等作業(yè)無須在本地進行存儲，而是在云計算服務(wù)器端統(tǒng)一進行電子備份。此外，學(xué)生的計算機實驗課程信息，包括課表，實驗要求，實驗步驟等電子文檔信息根據(jù)學(xué)生學(xué)號進行綁定，預(yù)先存儲在服務(wù)器端。學(xué)生在上課前，可以提前查看信息，做好實驗預(yù)習(xí)，提高學(xué)習(xí)效率。同時，學(xué)生還可以在各種終端根據(jù)自身需求搜索不同的教學(xué)資源，進行獨立自主學(xué)習(xí)。對于教師客戶端，應(yīng)該提供認證功能、管理功能和監(jiān)視功能。以老師的教工號作為授權(quán)標(biāo)識，通過密碼控制訪問權(quán)限。教師端允許老師上傳授課信息，實驗資料，批改實驗報告，分享資料和成績評定等功能，方便教師異地靈活辦公。

基于云計算的計算機實驗教學(xué)平臺具有虛擬化、靈活性特點，使得教學(xué)活動得以擺脫時間、空間的限制。傳統(tǒng)的實驗教學(xué)方式應(yīng)該隨著技術(shù)的發(fā)展而不斷創(chuàng)新，教師應(yīng)該針對平臺制定新的授課管理方案，利用平臺功能對學(xué)生做好監(jiān)督工作，提高授課效率。同時，學(xué)校對相關(guān)專業(yè)實驗課程的時間安排應(yīng)該進一步優(yōu)化，發(fā)揮平臺特點，對授課時間進行集中安排[10]。

4 結(jié)束語

21世紀以來，信息化時代推動了各種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，云計算因其實時性、靈活性、高效性等特點逐漸開始在教育行業(yè)發(fā)揮積極作用。針對目前高校計算機實驗教學(xué)中存在的問題，將云計算技術(shù)與計算機實驗教學(xué)相結(jié)合，提出了新的技術(shù)方案，可以有效地降低高校實驗教學(xué)成本，提升教學(xué)質(zhì)量，改善學(xué)生學(xué)習(xí)氛圍。