基于混合云的高校实验教学平台建设模式研究

陈冬林，付 敏，陈 玲

（武汉理工大学电子商务与智能服务中心，湖北武汉 430070）

云计算是继水、电、气和通信之后的第5 效用（utility）［1］，用户不需要购买软件及硬件，只需通过互联网即可随时获取“云”中的资源，按需请求资源、按实际用量付费。云计算的这种特性克服了企业软硬件投资、IT 技术缺乏等问题，可以有效提升企业的信息化水平［2］。云计算在商业应用方面也取得了一定成功，例如Google、IBM 和Microsoft等IT 巨头纷纷推出PaaS（Platform as a Service）服务，作为其新的利润增长点，全世界有60多万企业使用Salesforce的客户关系管理SaaS（Software as a Service）。

云计算按照提供主体可以分为公共云和私有云。公共云主要是提供通用性的云服务，具有强大的可拓展性；私有云主要是企业或组织建立起的专用云服务，适合部署企业或组织的核心业务，以及存储敏感数据；混合云则是将公共云和私有云结合起来的一种方式，旨在取两者之长，既增强可拓展性也保证核心业务及数据的安全性。

2008年，上海师范大学黎加厚教授首次提出了“云计算辅助教学（CCAI）”及“云计算辅助教育（CCBE）”的概念［3］，把云计算技术引入到教育教学中。云计算与教育的结合，将成为未来教育的发展趋势。

云计算的实验教学模式突破了传统实验教学受到的时间和空间的限制，使学生可以根据自己的实际情况，在任何时间、任何地点选择实验、进行实验操作。国内外大学都开始重视基于云计算的实验教学研究:IBM于2007年在卡内基美隆、麻省理工、斯坦福、加州大学柏克莱分校等院校建设了基于云计算的实验教学平台，为教师和学生提供了易于扩展的高性能的资源使用平台；Eucalyptus（elastic utility computing architecture for linking your programs to useful systems）是由美国加利福尼亚大学开发的一个开源的软件基础架构［4］，用于在Cluster上实施云计算，旨在为学术研究团体提供一个云计算系统的实验研究平台［5］。国内基于云计算的实验教学工作也开始起步:继“Google101”计划之后，Google先后与中国台湾大学、台湾交通大学以及清华大学开展了云计算项目研究，在现有的计算资源上构建私有云计算实验环境；湖南省也提出了“基于云计算的资源共建共享型职教网络服务体系”。

实验教学作为高校教学过程中不可或缺的组成部分，在培养学生实际操作能力和创新精神方面发挥着至关重要的作用，然而目前国内的很多高校实验教学环节存在着诸多问题，如实验教学资源分布不均、更新慢、利用率低、资源共享不足、管理模式落后等，这使得高校的实验教学成为薄弱环节，不利于人才的培养［6］。因此，如何高效利用、整合现有的实验教学资源，减少教学的成本，提高教学质量，是目前国内各高校面临的难题［7］。

1 基于混合云的高校实验教学体系设计

基于混合云的高校实验教学体系从IaaS（Infrustructure as a Service）、PaaS和SaaS3个层次上分别采用第三方公共云、混合云和高校私有云多角色共同建设模式，有效地实现了产学研相结合、校际合作、校内整合的实验教学资源建设与资源共享需求。基于混合云的高校实验教学体系如图1所示。

图1 基于混合云的高校实验教学体系

1.1 IaaS实验资源服务

IaaS实验资源服务是指基于各高校实验教学硬件部署云服务。高校可以通过虚拟技术将自身的硬件资源池化，建立学校私有云，各私有云之间可实现资源共享［8］。此外，还可以考虑租用公共云IaaS服务提供商（如亚马逊、惠普、微软等）提供的基础设施服务，按照实际所需租用服务器、存储器、带宽等，大大降低购置成本。将高校私有云与第三方公共云结合，搭建基于混合云的高校实验教学平台可以更好地服务于高校学生。高校私有云可以部署高校核心服务、存储核心数据，公共IaaS服务的高可拓展性可以解决单个高校教学资源相对不足的问题［9］。

1.2 PaaS实验平台服务

PaaS实验平台服务是指中间件作为Platform 进行虚拟化，提供虚拟化的服务［10］。用户既可以租用平台上的中间件服务，也可以在配置好实验环境的虚拟平台上（如force.com）进行二次开发［11］，避免了在计算机开发设计类的实验中安装实验工具、配置环境变量等一些冗杂的工作。在PaaS 实验平台上，既包括纵向的各种中间件虚拟平台，如BPM 虚拟平台、ESB虚拟平台和WAS 应用虚拟平台，还包括一些横向公用功能，如中间件虚拟资源的动态调配，中间件虚拟环境的快速映像打包、部署、更新等。它是对应用平台进行抽象、把应用平台中间件进行虚拟化后，作为一个资源池进行管理分配，形成共享平台或是应用平台资源池。

1.3 SaaS实验软件服务

SaaS实验软件服务是指在混合云实验室建设模式下，先由各高校按照某种规则提供自身的优质教学资源，然后再由云服务端进行整合后部署在服务端［12］。云服务端以Web Services方式向各高校用户提供访问接口，方便用户获取实验资源。这种方式适用于高校专业性的实验软件，比如企业经营模拟系统、商务智能、银行业务模拟系统等。某高校购买此类软件资源部署到云环境的服务端供其他各高校共享，可以从中收取服务费。对于通用性的软件服务，比如客户关系管理CRM、企业资源计划ERP、企业财务管理等可以租用在线的SaaS 服务，比如Salesforce 的CRM 软件、金蝶公司旗下的友商网的在线进销存系统、伟库网的在线合同管理、在线记账等服务，只需通过浏览器就可以享受此类服务，按照即用即付（payas－you－go）的方式付费即可［13］。

2 基于混合云的全国高校教育云平台建设模式

“教育云”平台建设模式如图2所示。

图2 “教育云”平台建设模式

2.1 建设模式组成部分

基于混合云的全国高校“教育云”平台建设模式主要包括以下3个部分:

（1）国家“教育云（公共云）”。以国家为单位负责对全国的资源引入、共享、管理与维护，是国家“教育云”体系的枢纽，国家“教育云”实现统一规范、统一战线、同一空间、统一运营。国家“教育云”平台的建设主要包括以下几部分内容:①基础设施建设:确定平台覆盖的范围和支撑的能力；②平台承建商选取:确定平台建设方案；③中央电教馆提供公益资源:平台承建商负责引入；④整合内容提供商、设备制造商、业务服务商、应用开发商、平台及系统集成商等教育产业链各环节优势资源。

国家“教育云”平台是全国各省市教育资源的汇聚，为用户提供统一的门户及平台。它为各省提供教育资源的注册和发现；支持各省应用的接入和呈现的管理；支持各省份的资源和应用在该平台上的互遇。该平台为开发者提供教育资源的目录、搜索和基于教育资源的开发。

（2）区域“教育云（公共云）”。以区域为单位负责对本区域资源／应用进行接入管理与维护，负责接收国家“教育云”资源，并将国家数字教育资源向校园云推送。区域“教育云”平台的建设模式主要包括以下几部分内容:①建设覆盖区域内、分布合理、开放开源的基础云环境；②平台承建商选取，确定平台建设方案；③从国家“教育云”平台引入资源和服务；④整合区域内内容提供商、设备制造商、业务服务商、应用开发商、平台及系统集成商等教育产业链各环节的优势资源。

区域“教育云”平台主要负责教学活动的开展，保障教学活动正常进行。作为国家“教育云”虚拟平台，区域“教育云”平台应该从国家“教育云”同步教学资源，提供各省优质教育资源，并最终汇聚到中央。

（3）校园“教育云（私有云）”。该部分“教育云”以校园为单位，主要目的在于构建校园内部教学环境，负责接收区域云资源，并通过区域云接收国家优质资源，实现数字化教学。校园“教育云”平台的建设主要包括以下几部分内容:①网络接入:即将校园网络接入互联网专线；②校园内网络建设:使校园网覆盖每个班级；③硬件环境实施:校园教育云的硬件环境主要包括电子白板、投影仪、录像设备、服务器等配套设施的部署；④软件环境部署:校园教育云的软件环境部署主要指校园云软件的部署。

建设校园“教育云”平台的主要目的在于构建校园内部教学环境，同时负责接收区域云资源，并通过区域云接收国家优质资源，从而使得各高校实现数字化教学。

（4）国家云、区域云和校园云之间的交互。①国家“教育云”作为全国区域云的枢纽提供各省市教育资源的汇聚，为各个省份的资源和应用互联互通提供平台支撑；②区域云平台通过与国家“教育云”的借口，从国家“教育云”同步教学资源，同时提供本区域的优质教育资源汇聚到国家“教育云”，并通过国家“教育云”将资源提供给其他区域；③校园“教育云”为区域“教育云”的资源提供了落地的平台，并通过区域云接收或推动优质资源到国家“教育云”实现教育资源共建共享。

2.2 建设模式运营

为保证“教育云”平台能够持续稳定的发展，汇聚更多优质资源和服务，从而产生如下运行模式:

（1）多级购买模式:由政府购买基本资源和服务包，免费提供给教师和学生使用；教师和学生根据自身的需求，另行购买资源和服务。

（2）资源推送模式:通过用户行为分析推荐教育资源，形成深度营销。

（3）积分激励模式:提供基于教育资源的共享互动，通过上传激励与积分（虚拟货币）兑换机制鼓励用户进行上传分享，让用户不仅成为知识的获取方，也成为资源的提供方，从而实现学习资源的良好运作。

（4）共建模式:吸引机构入驻，实现资源共建共享；通过市场机制促进教育良性发展。

3 结束语

将高校私有云与公共云结合建立基于混合云的高校实验教学平台，实现高校之间实验教学平台共建与资源共享，既节省了开支，又突破了传统实验教学时间与空间的限制，这种模式对教育领域，尤其是实验教学领域具有深远的影响。高校应充分发挥云计算在教育领域的优势，努力探索开发更多的云计算教学应用，进一步在更大范围内、更好地提高实验教学效果。

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［1］钱杨，代君，廖小艳.面向信息资源管理的云计算性能分析［J］.图书与情报，2009（4）:53－56.

［2］林瑜华.云计算环境下高校实验教学模式的创新与实践［J］.实验室研究与探索，2011，30（8）:271－274.

［3］Rajkumar Buyya，Chee Shin Yeo.Cloud computing and emerging IT platforms:Vision，hype，and reality for delivering computing as the 5th utility［J］.Future Generation Computer Systems，2009（25）:599－616.

［4］Nabil Sultan.Cloud computing for education:A new dawn？［J］.International Journal of Information Management ，2010 （30）:109－116.

［5］Arnon Rosenthal，Peter Mork，Maya Hao Li，et al.Cloud computing:A new business paradigm for biomedical information sharing［J］.Journal of Biomedical Informatics，2010 （43）:342－353.

［6］黄晨晖，林泳琴.基于云计算的虚拟计算机实验室的研究与实现［J］.实验室研究与探索，2010，29（11）:178－180.

［7］陈毓超，沈丽佳.基于资源的协同学习教学设计和实践［J］.中国电化教育，2010（12）:96－98.

［8］张家贵，罗龙涛.基于云计算理念构建数字化教学资源平台［J］.现代教育技术，2010，21（3）:100－102.

［9］王毅，安红.云学习时代教师虚拟学习社区构建研究［J］.中国电化教育，2010（1）:118－122.

［10］张家贵，曹哲新.高职院校共享型专业教学资源库建设研究［J］.现代教育技术，2009（7）:51－54.

［11］罗国玮，兰瑞乐.基于云计算的高校科研实验平台构建研究［J］.实验技术与管理，2012，29（4）:115－131.

［12］Astrid Schepman，Paul Rodway，Carol Beattie，et al.An observational study of undergraduate students’adoption of（mobile）note－taking software ［J］.Computers in Human Behavior，2012（28）:308－317.

［13］ Marinela Mirce， Anca Ioana Andreescu.Service－Oriented University:changes and opportunities towards ［J］.Procedia－Social and Behavioral Sciences，2012（31）:251－256.