一、前言

提升教學質(zhì)量，滿足多樣化實踐需求，是教育信息化2.0時代高校實踐教學面臨的挑戰(zhàn)。分布式系統(tǒng)以其高可靠性、高擴展性等優(yōu)勢，為高校創(chuàng)新發(fā)展實踐教學保障體系提供了新的思路和方法，作為先進計算模式的分布式系統(tǒng)，具有重要的應用意義。將分布式系統(tǒng)應用于高校實踐教學保障體系，為實踐教學活動的順利開展提供堅實支撐，有助于將分散的教學資源進行整合，提高資源利用率。

二、分布式系統(tǒng)概述

（一）分布式系統(tǒng)的定義與架構(gòu)

分布式系統(tǒng)是由多個獨立計算機（節(jié)點）通過網(wǎng)絡連接組成的系統(tǒng)，這些節(jié)點相互協(xié)作，共同完成任務，對用戶呈現(xiàn)出統(tǒng)一的系統(tǒng)映像。核心特征有以下四個方面。透明性：通過隱藏系統(tǒng)內(nèi)部復雜性，做到了訪問、位置和故障無感?？蓴U展性：可擴展分布式系統(tǒng)的網(wǎng)絡節(jié)點水平和垂直擴展性能。容錯性：通過冗余設計，保障系統(tǒng)出現(xiàn)部分故障時可持續(xù)運行。并發(fā)性：多節(jié)點并行處理任務，能夠協(xié)調(diào)資源競爭。分布式系統(tǒng)常見架構(gòu)類型包括節(jié)點架構(gòu)、多層架構(gòu)、微服務架構(gòu)、P2P架構(gòu)、消息隊列架構(gòu)。節(jié)點架構(gòu)：也稱客戶端一服務器架構(gòu)。多層架構(gòu)：包括表示層、邏輯層和數(shù)據(jù)層，表示層用于用戶交互，邏輯層處理規(guī)則和流程，數(shù)據(jù)層有數(shù)據(jù)庫和存儲作用。微服務架構(gòu)：每個服務都有自己獨立的業(yè)務，通過輕量級通信機制進行交互。P2P架構(gòu)：沒有固定的客戶端和服務器之分，可以作為服務的請求者，也可以是服務的提供者。消息隊列架構(gòu)：實現(xiàn)系統(tǒng)中不同組件的異步通信。

（二）分布式系統(tǒng)的特點

結(jié)合分布式系統(tǒng)在教學實踐中的運用，特點表現(xiàn)在以下幾個方面。分布性：在教學實踐中，以多校區(qū)聯(lián)合教學項目為例，不同校區(qū)的教學資源、教師與學生構(gòu)成分布式節(jié)點，教學活動分散在各節(jié)點同時進行，打破地域限制。開放性：如同在線課程平臺，支持多種設備接入，允許不同身份用戶參與，能兼容各類教學軟件與工具，不斷吸納新資源，豐富教學內(nèi)容。并發(fā)性：在線直播授課時，眾多學生同時觀看、提問、參與互動，系統(tǒng)需同時處理大量并發(fā)請求，保證教學活動順暢開展。容錯性：在遠程協(xié)作學習項目里，如果部分學生網(wǎng)絡臨時中斷或個別服務器發(fā)生故障，系統(tǒng)仍能依靠其他節(jié)點維持運行，保證整體學習進程不受大的影響。透明性：對學生而言，使用分布式教學資源時，無需了解資源存儲與管理細節(jié)，就像在本地獲取資料一樣便捷，如同操作單一系統(tǒng)。

（三）分布式系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

分布式存儲技術(shù)包括分布式文件系統(tǒng)（如CEPH）和分布式數(shù)據(jù)庫（如Cassandra）。前者將文件分散存儲，實現(xiàn)海量文件的高效管理。后者可存儲和處理大規(guī)模結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，支持高讀寫。利用該技術(shù)可以存儲海量教學課程視頻，為學生提供豐富的學習資源。分布式計算技術(shù)是一種將計算任務分解并分配到多個計算節(jié)點上進行處理，然后再將處理結(jié)果進行整合的技術(shù)，可以對海量學習數(shù)據(jù)進行處理，并利用分布式計算技術(shù)對學生學習習慣、知識掌握等進行分析。例如，Coursera在線學習平臺，通過分布式計算運行機器學習算法，為全球數(shù)百萬學生提供個性化課程推薦與學習路徑規(guī)劃，幫助學生高效學習。還有大規(guī)模在線考試與評估，分布式計算技術(shù)負責同時處理大量考生的考試請求、實時數(shù)據(jù)傳輸和存儲。分布式通信技術(shù)涉及多種通信協(xié)議和機制，實現(xiàn)各個節(jié)點之間高效、可靠信息交互。學校借助分布式通知技術(shù)，將課程調(diào)整、考試安排、講座資訊等重要信息快速且精準地推送給相關(guān)師生。在在線教育平臺，分布式通知可實現(xiàn)師生之間的即時互動。

三、分布式系統(tǒng)在高校實踐教學保障體系中的應用

（一）實踐教學資源管理

通過利用分布式多節(jié)點的特性，將教學資源在多個節(jié)點上進行存儲，可以實現(xiàn)資源的存儲、檢索和運用。當下高校實踐教學資源分散在不同實驗室和部門，分布式系統(tǒng)可構(gòu)建統(tǒng)一的資源管理平臺，將各類資源信息存儲在分布式數(shù)據(jù)庫中。首先，教師和學生通過網(wǎng)絡訪問平臺，可實時查詢、預約資源，提高資源利用率。例如，資源存儲利用上，實驗設備的使用時間、狀態(tài)等信息存儲在分布式數(shù)據(jù)庫，學生能在線查看設備空閑時段并預約，還可以分析學生的學習數(shù)據(jù)、興趣偏好，然后從分布式存儲的大量教學資源中篩選出相關(guān)的資料推薦給學生使用。其次，分布式系統(tǒng)可實現(xiàn)多節(jié)點對教學資源的管理，從而避免單線出現(xiàn)故障，保障教學資源安全性和全局性的使用不受影響。例如，在高校教學評價中，教學管理部門、教師和學生作為評價的主體，都需要正常參與信息的采集，分布式的容錯性可以確保在評價中如果某節(jié)點信息采集有誤，其他節(jié)點的使用不受影響。最后，分布式系統(tǒng)支持彈性擴展，解決了學校之間資源共享的問題。通過打破孤島，隨時隨地可進行擴展交流。例如，學校之間開展聯(lián)合論文答辯，外校專家也可以進行參與評分，為師生打造了便捷的資源交流和測評平臺[1]。

（二）實驗教學平臺搭建

計算機搭建分布式、系統(tǒng)式實踐教學平臺，在線支持大規(guī)模數(shù)據(jù)的交流和傳輸。在實踐教學中，分布式系統(tǒng)將大型編程項目分解為多個子任務，分配任務給多臺設備進行協(xié)作，大幅縮短了編碼時間，使得課堂教授效率大幅提高，學生在實踐操作中隨時獲得相關(guān)輔導，這樣雙向的節(jié)點輸入和輸出，教師的“教”和學生的“學”能夠充分發(fā)揮出來達到教學目標。首先，從教學運用看，當下高校的實踐課教學中，在線教學模式利用廣泛。例如，在多媒體設計專業(yè)課中，學生提交的設計作品可以通過分布式系統(tǒng)在多個節(jié)點設備進行參考和評測，并支持實時在線作業(yè)提交和批改、師生互動等功能，提高了課堂教學效率。其次，從課程過程中看，課堂能夠覆蓋豐富的學習資源和知識點，學生足不出戶就學習到所需內(nèi)容。當下微課堂、慕課、職業(yè)教育等資源平臺，不僅可以節(jié)省學生的時間成本，而且讓學習時間和方式變得更加靈活。最后，從教學主體看，對于實驗專業(yè)教師而言，教師將復雜的實驗課程教學實施流程簡單化，學生在實驗中能夠?qū)崟r反饋問題、實時反饋新發(fā)現(xiàn)，提升了學習效率。例如物理、化學等實驗課中，以教師教案為基礎，分布式系統(tǒng)可以快速整合資源，優(yōu)化課程流程和提升效率[2]。

（三）實踐教學過程監(jiān)控與評估

分布式系統(tǒng)可以利用分布式數(shù)據(jù)分析技術(shù)，對學生的操作記錄、實驗進度等實踐教學過程數(shù)據(jù)進行實時采集，挖掘、分析這些數(shù)據(jù)從而提升教學效果。實驗教學中，監(jiān)控收集到學生操作中普遍存在的問題，系統(tǒng)會進行反饋。系統(tǒng)分析授課時長、學生互動、測評作業(yè)等，對學生的考核結(jié)果也有一定預測性。人工智能技術(shù)的發(fā)展不斷推動系統(tǒng)建設算法和模型的建立，分布式結(jié)合新智能技術(shù)在教學考核、教學過程中進行智能檢測，對確保教學的公平性，提升教學質(zhì)量發(fā)揮著重要作用。例如，在重要的實踐教學考核中，分布式系統(tǒng)部署傳感器和數(shù)據(jù)采集模塊，對學生考試存在不符合考試規(guī)范的操作，及時發(fā)出警報，從而保證教學的公平性和質(zhì)量，對教學管理部門能夠更好地服務教學考核和測評工作。

（四）跨校區(qū)實踐教學協(xié)同

高校聯(lián)合交流是當下趨勢，協(xié)同研究、聯(lián)合賽事成為常態(tài)。分布式系統(tǒng)的使用為高校提供了一個合作研究的便捷平臺，可以實現(xiàn)跨校區(qū)的協(xié)同教學共享資源。一方面，通過構(gòu)建網(wǎng)絡層實現(xiàn)，光纖網(wǎng)或虛擬專用網(wǎng)絡連接是實現(xiàn)跨校區(qū)的基礎設施。另一方面，利用分布式架構(gòu)跨校區(qū)平臺，通過多個節(jié)點數(shù)據(jù)庫存儲交流資源，實現(xiàn)溝通和相互訪問的資源功能。加之當下視頻會議和直播技術(shù)的發(fā)展，利用計算機應用軟件便可實現(xiàn)實時在線授課、討論答疑等交流活動。例如，借助視頻會議開展研討交流、學術(shù)答辯、考試面試等教學內(nèi)容，同時分布式系統(tǒng)的文件共享功能可以實現(xiàn)遠程實驗指導和教學資料共享，跨校區(qū)學生還可以共同開展實驗項目和交流活動。

四、分布式系統(tǒng)在高校實踐教學保障體系中發(fā)揮的作用

（一）提高實踐教學資源利用率

分布式系統(tǒng)打破資源的地域和部門限制，實現(xiàn)資源集中管理和共享，減少資源閑置和重復建設。通過分布式資源管理平臺，各學院的專業(yè)實驗室設備可面向全校開放，提高設備使用率。分布式虛擬化技術(shù)（Docker ^?+ Kubernetes）可以更好地作用于這一環(huán)節(jié)，通過將實踐教學實驗室分布為多個節(jié)點和隔離的虛擬環(huán)境，允許學生遠程訪問，虛擬實驗平臺也是重要的學習資源平臺。例如，武漢理工大學采用浪潮分布式存儲AS13000系列構(gòu)建智慧教室視頻錄播課程系統(tǒng)。該系統(tǒng)中，集群所有分布式節(jié)點參與并發(fā)讀寫，顯著提高了存儲系統(tǒng)的帶寬及穩(wěn)定性，同樣容量下AS13000的存儲性能是傳統(tǒng)存儲性能的3至5倍，降低了數(shù)據(jù)讀取的訪問延時。同時，存儲集群可在線擴展，系統(tǒng)性能和容量隨節(jié)點數(shù)量增加線性增長，極大提升了資源利用率[3]。

（二）增強實踐教學平臺的性能和可靠性

高校教學面對的用戶是規(guī)?；?，那么平臺的穩(wěn)定性和容錯技術(shù)就顯得極為重要。分布式系統(tǒng)的存儲技術(shù)和網(wǎng)絡連接原理在高合法訪問下，平臺能夠確保學生實驗和學習不受影響。首先，得益于系統(tǒng)的容錯能力，分布式系統(tǒng)的存儲技術(shù)和網(wǎng)絡連接原理在教學平臺的使用上表現(xiàn)出了特別的優(yōu)勢。例如，考試時，會有大量學生同時進人平臺進行網(wǎng)絡在線考試，分布式系統(tǒng)的并發(fā)處理能力和冗余設計保證了考試的順利進行，解決了各種使用中出現(xiàn)的問題。其次，故障隔離機制通過健康檢查和自動化查除。在學生實驗操作課程，教學實時反饋轉(zhuǎn)碼崩潰時，K8S程序技術(shù)可實現(xiàn)數(shù)秒內(nèi)重建編碼，故障在學生和教學沒有感知下便自動恢復正常。最后，分布式系統(tǒng)的智能調(diào)度，當學生虛擬實驗環(huán)境的服務器出現(xiàn)故障，立即可以從其他節(jié)點恢復實驗狀態(tài)。

（三）促進實踐教學的個性化和精準化

通過對實踐教學過程數(shù)據(jù)的分析，教師可了解每個學生的學習特點和需求，提供個性化教學指導。一是利用分布式系統(tǒng)實現(xiàn)個性化實踐教學環(huán)境的構(gòu)建?；陔x線空間技術(shù)和資源配額動態(tài)調(diào)整，學生可以得到不同規(guī)模的計算資源，建立個性化的資源庫。二是精準化的學習路徑推薦。通過數(shù)據(jù)層對收錄的數(shù)據(jù)進行分析，根據(jù)學生的實驗耗時、操作錯誤類型，進而不斷地訓練本地模型，實現(xiàn)不同學生擁有不同的教學資源內(nèi)容。三是智能輔助進行即時反饋，智能模型技術(shù)與分布式系統(tǒng)集合，能夠根據(jù)學生所學的進度和提升變化及時更新資源庫，為學生實時提供精準化的實踐學習內(nèi)容。例如，當下Hadoop分析技術(shù)對高校學生畫像平臺，基于分布式處理大規(guī)模數(shù)據(jù)來實現(xiàn)高效率和準確畫像，并針對學生需求事實反饋信息。課程教學中，學生利用計算機系統(tǒng)可以收集操作數(shù)據(jù)并進行相關(guān)分析，對于發(fā)現(xiàn)的操作問題和錯誤，為學生推送針對性的學習資料和輔導建議[4]。

（四）提升實踐教學的協(xié)同性和開放性

跨校區(qū)的實踐教學協(xié)同使不同校區(qū)學生和教師能共同參與實踐活動，拓寬學生視野。在提升協(xié)調(diào)性方面，分布式系統(tǒng)可以搭建共享平臺，基于云計算實驗環(huán)境，學生和教師能在任何有網(wǎng)絡的地方實現(xiàn)資源共享與協(xié)作交流。系統(tǒng)支持多人協(xié)作及分布式操控系統(tǒng)，支持多人對試驗項目進行開發(fā)和修改，實時查看項目進度，看到團隊修改和提升的地方，提高協(xié)作效率。實現(xiàn)通信反饋，借助分布式消息隊列，教師可以在線及時給予指導和反饋。在提升開發(fā)性方面，分布式系統(tǒng)通過整合不同地域、不同學校的資源（如實驗數(shù)據(jù)、實驗案例等），拓寬了學生的學習渠道。同時，分布式系統(tǒng)便于與企業(yè)和其他高校的實踐教學資源對接，引入企業(yè)實際項目，開展聯(lián)合實踐教學，提高實踐教學的開放性和實用性。例如，扶綏縣龍華中心Seewo教學平臺應用，教學資源共建共享提升了教學研究能力，也提升了學生積極性和創(chuàng)造力。

五、分布式系統(tǒng)在高校實踐教學保障體系應用中遇到的問題及維護策略

（一）數(shù)據(jù)一致性問題及維護策略

主要問題：在分布式環(huán)境下，多節(jié)點讀寫數(shù)據(jù)操作時，數(shù)據(jù)容易出現(xiàn)不一致。例如，實踐教學資源管理系統(tǒng)中，設備預約信息同時更新的節(jié)點不同，可能會產(chǎn)生數(shù)據(jù)沖突，出現(xiàn)前后不一致的情況。

數(shù)據(jù)一致性維護：采用分布式事務處理技術(shù)，包括兩階段提交協(xié)議（2PC）、三階段提交協(xié)議（3PC），保證數(shù)據(jù)在多節(jié)點上的操作一致性，同時采用MESI協(xié)議等分布式緩存一致性算法，確保緩存數(shù)據(jù)與主存數(shù)據(jù)一致。此外，后期的保障維護也是確保通過數(shù)據(jù)比對工具進行定期數(shù)據(jù)校驗、修復、校正數(shù)據(jù)不符的方式，是確保問題解決的關(guān)鍵。

（二）網(wǎng)絡延遲和故障維護策略

分布式系統(tǒng)依賴網(wǎng)絡通信，網(wǎng)絡延遲將影響系統(tǒng)性能，網(wǎng)絡故障將導致節(jié)點間通信中斷，進而影響教學活動的開展。例如，遠程實驗教學中，網(wǎng)絡延遲可能造成學生操作與實驗結(jié)果反饋不同步，網(wǎng)絡故障則會造成實驗中斷，存在數(shù)據(jù)損毀的風險。

網(wǎng)絡優(yōu)化與故障處理：一是使用負載均衡技術(shù)部署教學網(wǎng)絡設施，網(wǎng)絡均勻分配到各個聯(lián)絡，使每個節(jié)點高速、穩(wěn)定地運行教學平臺；二是建立網(wǎng)絡監(jiān)控平臺，對網(wǎng)絡進行實時監(jiān)控，出現(xiàn)問題和故障及時提報，并搭建備用網(wǎng)絡鏈路，進行快速處理；三是建立網(wǎng)絡故障臺賬，對網(wǎng)絡發(fā)生的問題及時記錄，總結(jié)問題和故障規(guī)律，提前處理問題。

（三）系統(tǒng)復雜度增加和維護策略

分布式系統(tǒng)是由許多節(jié)點構(gòu)成的，技術(shù)也十分復雜，部署、管理和維護都很困難，需要技術(shù)人員有豐富的知識和專業(yè)技能，否則就可能出現(xiàn)配置錯誤、故障排查困難等問題。

系統(tǒng)運維管理：一是利用自動化運維工具部署管理系統(tǒng)技術(shù)維護，目前應用較多的有Ansible自動化運維工具、SaltStack自動管理系統(tǒng)等；二是建立完善的系統(tǒng)運維制度，編制手冊規(guī)范系統(tǒng)部署、配置、監(jiān)控、維護流程；三是加強人員相關(guān)技術(shù)培訓，提高運維管理能力，定期檢查系統(tǒng)運行、參數(shù)分配情況，定期開展評估優(yōu)化系統(tǒng)工作[5]。

（四）安全與隱私問題和解決措施

分布式系統(tǒng)的存儲數(shù)據(jù)功能涉及實踐教學中產(chǎn)生學生個人信息和學習成果等私密內(nèi)容，在傳輸和流轉(zhuǎn)中存在一定安全風險（如數(shù)據(jù)被泄露、篡改、截獲等）。不同節(jié)點的安全策略和權(quán)限管理同時也增加了安全管理的復雜性。

安全保障措施：一是對數(shù)據(jù)傳輸和存儲進行加密，防止數(shù)據(jù)泄露和篡改，例如，用SSL/TLS協(xié)議加密網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)，使用AES等加密算法加密存儲數(shù)據(jù)；二是建立嚴格的權(quán)限管理體系，根據(jù)用戶角色和教學需求分配不同的操作權(quán)限；三是定期進行安全漏洞掃描和修復，防范外部攻擊和內(nèi)部違規(guī)操作。

六、結(jié)語

分布式系統(tǒng)技術(shù)深刻影響著當下高校實踐教育教學方式。本文通過概述分布式系統(tǒng)在實踐教學資源管理、平臺搭建、教學過程中的運用，對分布式系統(tǒng)在促進教學協(xié)同性、個性化和安全性上發(fā)揮了重要作用，并對教學中產(chǎn)生的問題進行梳理，提出了系統(tǒng)的維護策略。未來，分布式系統(tǒng)將深度融合智能化技術(shù)，打破“數(shù)據(jù)孤島”融合物聯(lián)網(wǎng)等先進技術(shù)，以實現(xiàn)感知教學場景需求、智能調(diào)配教學所需設備資源為目標提升教育教學質(zhì)量，同時為精準化教學決策提供依據(jù)，推動教學保障向智能化、高效化、體系化方向邁進。

參考文獻

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[2]孫紀舟.應用型本科高校Hadoop分布式系統(tǒng)教學實踐及探討[J].中國信息界，2024（06）：222-224.

[3]劉梅，周洪萍，丁文怡.基于機器學習的分布式系統(tǒng)故障診斷實現(xiàn)方法[J].無線互聯(lián)科技，2024，21（20）：113-117+125.

[4]張云，李嵐.基于移動云計算的教學資源平臺的設計與實現(xiàn)[J]信息與電腦（理論版），2022，34（03）：122-124.

[5]謝劍.分布式在線商品交易平臺訂單分發(fā)系統(tǒng)設計[J].現(xiàn)代信息科技，2021，5（04）：188-190.

作者單位：空軍勤務學院

責任編輯：王穎振 楊惠娟