高校实验室信息化的云计算策略与方法

陈昌兴

（肇庆学院教育技术与计算机中心，广东肇庆 526061）

高校实验室信息化的云计算策略与方法

陈昌兴

（肇庆学院教育技术与计算机中心，广东肇庆 526061）

介绍了基于云计算技术，充分利用高校实验室现有的资源和环境，充分发挥资源的效能，提高资源利用率及共享程度，促进教学实验室信息化发展的解决方法。从高校实验室信息化建设角度思考，分析实验信息技术管理中建设进程问题，充分利用高校实验室现有的资源和云计算的技术特点，提供了实验信息化建设中应用云计算技术的策略和实施方法，从信息化方面引领实验室管理的转型升级。

实验室信息化；云计算；云化改造

随着实验教学管理体制改革的深入，传统的实验室教学管理观念和封闭的管理方法需要转变。为最大限度地发挥实验室教学效益，提高资源的利用率，客观上需要一种智能、高效和集成的、能为实验室管理提供实时支持的信息化的模式。云计算技术的兴起，提供了一种适应于教学实验室信息化发展需要的解决方法。探讨云计算技术背景下的实验室建设信息化发展模式，目的是充分、有效地整合资源、开拓创新，推进实验室信息化建设，满足创新型社会对高等教育的要求。

1 实验室信息化进程中存在的问题

实验室信息化是保障创新性实验教学的必备条件之一。2002年教育部发布的《普通高等学校本科教学工作水平评估方案》中，将实验室建设和实验教学改革提升为重要指标，对促进实验室信息化建设起到了重要的推动作用。但目前高校（特别是在地方普通高校）实验室的信息化基础相对薄弱，主要表现在信息化资源不足、信息化管理的程度低，使有限的资源不能得到充分的利用，在很大程度上制约了实验室的发展。

信息化技术的进步对实验室的建设产生很大影响，使实验室的建设发生了重大的变化，但也存在诸多不足之处。

（1）加快了实验室信息化进程。高校实验室已开始运用现代化信息技术来加强自身的管理。但是，从目前实施效果上看，无论是规模上还是水平上，往往只提供一般网络建设与维护、计算机软件系统管理与维护，仍停留在数据存储、工作任务安排的水平上。只有一部分实验室的信息化管理系统达到“管理”的层次，可以为实验室的管理者提供管理决策服务，使信息化在推动实验教学改革和实验室建设中起到明显作用，为实验教学和学生能力的培养提供支撑和保证。

（2）实验室功能特色增强。实验室功能包括教学功能和科研功能，实验室的功能定位和作用对高校的发展至关重要。在校园信息化背景下，实验教师和学生可以充分利用实验室资源、信息资源、技术物资装备，系统地开展具有特色的实验教学和科学研究。

（3）实验室信息化经费投入不平衡。实验室设备资源的共享、开发管理等都以信息化平台为基础，但目前地方高校实验室信息化建设缺少经费的投入，信息化条件建设跟不上学校规模的增长，某些高校重实验设备建设，轻信息化投入，制约了实验教学的发展。因此，必须创新实验室管理模式，实现实验室信息化，统一调配资源，集中管理和使用设备，充分发挥实验室整体功能，使有限的资源得到充分的利用，使实验室成为管理制度化、科学化、现代化的实验室，从而提高实验教学效果，推动素质教育。

（4）实验室信息化的科技含量提高。地方院校在实验室信息化建设中也采用了很多种非公开使用的管理和检查系统，有的已经通过网络为专门课程提供远程服务或已实现远程服务功能。在互联网环境下，实验室更加灵活地提供实验平台和实验资源，并且非常方便地建设成为远程实验系统，方便学生利用网络资源完成实验。同时，教师可以充分使用网络提供的服务，做好实验教学评测与管理［1］。

2 应用云技术构建实验室信息化平台和资源

2.1 云计算技术的特点

云计算的定义上存在狭义和广义两种。狭义云计算是从IT基础设施的交付和使用模式方面来阐述的，指通过网络以按需、易扩展的方式获取所需的资源；广义云计算从服务的交付和使用模式方面来阐述，指通过网络以按需、易扩展的方式获得所需的服务［2］。

传统的实验室信息架构使其利用率低、管理和维护成本高，云计算的出现正好是解决这个问题的最佳方法。云计算技术本质上是解决资源利用率、计算能力不足和成本的问题。通过引入云计算平台，可以降低建设和运行维护成本，同时降低能源消耗，加快实验室信息化建设的进程。云计算系统将各种数据（包括用户数据）都通过网络保存到远端的云存储平台上，同时也将处理数据的服务程序通过远程的云计算平台进行处理。另外，应用系统建立在大规模服务器集群上，通过基础设施与上层应用程序的协同构建，以达到最大效率利用硬件资源的目的［3］。

2.2 云计算的优势

实验室信息化按照该技术进行部署有以下优势：减少用户对数据管理的负担；能够负担大量数据的处理工作；与实验室底层基础设施紧密结合，能够扩展到很大的规模；通过新型的云计算程序，在网络上提供功能更多的实验程序，为师生提供多样化的教学、学习、管理服务。

基于云计算实验室信息化的解决方案具有无可比拟的优势。

（1）减少初期投资，降低信息化基础设施的投资风险。相对传统的方式，实验室把应用程序部署到云。在虚拟云计算环境中，基础设施规模可以适应实验室的工作量增长和工作负荷变化的需要，从而减轻实验室面临的硬件建设资金不足问题［4］。

（2）虚拟化技术降低管理成本。应用虚拟化技术，云计算平台可以实现硬件及软件的虚拟化［5］，实验室云信息化解决方案的优势有两方面：一是支持传统方式和云计算方式混合部署，将软件直接复制到对应物理节点；二是迁移整体虚拟运行环境而获得负载平衡性能，使实验室的硬件资源能够以较低成本更好地满足资源需求，最大限度地处理引用程序生命周期管理问题，也节省了软件资金的投入。

（3）资源优化，提升资源利用率。基于云计算，系统建立在有一定规模的廉价服务器集群之上，通过基础设施与应用程序的协同构建达到最大效率利用资源目的。从云计算平台的构建看，数据中心采用虚拟化技术，对分布在互联网上的各种资源进行分配、均衡负载、部署软件、控制安全等，当线程压力过大时，可以瞬间请求更多的资源，压力变小时，可以将多余的资源释放［6］，达到充分利用资源的目的。

3 实验室信息化的云计算平台设计

我校近年来致力于校园实验信息化环境建设，建设有省级计算机实验教学示范中心和网络中心，拥有良好的教学、实验环境和条件，校园网覆盖面广。校园网现有约2万个信息点，覆盖了教学大楼、实验大楼、各系办公楼、教工宿舍、学生宿舍等，并采取多项措施开发和引进高质量的网络课程、模拟实验软件等教学信息资源。各院系实验室拥有充实的后台服务器和数据库，数字化校园的建设为构建云计算环境打下良好的基础。

基于云计算的实验信息服务平台包括基础设施、应用平台及软件服务，向用户提供多样化的使用管理（见图1）。

3.1 基础设施云化改造

图1 信息化云计算平台架构

云计算的基础架构主要由物理层及资源服务层构成，物理层包括服务器、网络及存储，其提供的是HaaS（Hardware as a Service）服务。云计算要求物理层的服务器具有高性能、虚拟化、动态性、扩展性和灵活性，通过虚拟化技术转化为资源池［7］。资源服务层构建在物理层之上，利用虚拟化技术对底层硬件设备进行管理，提供的服务为IaaS（Infrastructure as a Service），即将基础设施由独立的硬件设备转化为资源池，由统一的管理平台管理，使物理资源能够按需地分配到像一台独立的物理服务器的虚拟机上。硬件资源将不再分别管理，而是由云计算平台统一调度管理。公用的服务器也可以租用IaaS提供商的虚拟服务器，按计算性能（内存、CPU等）和时间付费，例如Amazon提供的ElasticCompute Cloud（EC2，弹性可扩展云计算服务）［8］。实验信息平台硬件底层基础设施经过云化改造之后，传统的基础物理设备由同一的资源池代替。这种设计方法最大化地利用实验室经费，提升资源利用率和运行的灵活性，降低投入成本，减少浪费。

3.2 利用云计算提供业务创建应用平台

实验信息网用户的信令、协议以及昂贵的部署平台等问题都可以通过云计算PaaS构建来解决。PaaS通过虚拟化技术提供一个面向实验网用户的完整虚拟平台，包括用户操作系统、实验所需的应用开发程序、运行和管理环境等；云提供商将开发环境、服务器平台及硬件资源提供给使用者；实验室购买相应的服务就可以进行实验开发和部署。实验人员可以方便地在这个虚拟平台定制、开发自己的应用程序。实验信息网采用Paas模式，无需拥有或管理服务器、基础设施，可解决传统实验开发复杂、速度慢、成本高等问题，使开发实验成本降低，大量实验人员可以进入到开发队伍中，使实验网络成为一个开发和融合的网络［9］。

实验教学及管理平台的构建利用云计算技术，将实验资源以服务的形式提供给用户。用户需要使用实验资源时，只需租用平台提供的基础设施服务和平台服务即可［10］。

3.3 以软件即服务的形式提供多样化服务

通过SaaS（Software as a Service）服务形式向实验信息网用户提供应用程序，其特点是用户通过标准的Web浏览器来使用云计算平台上的软件，而不需要手动管理和部署IT环境，可以定制与创建面向具体应用的服务。开发成果和数据会存储在Haas中，能随时随地从云端获取开发资源，实现用户个性化、服务整合和信息聚合［11］。

以Google Apps为例，通过一个标准的Web浏览器提供应用程序服务。它是一个集中的系统部署软件，客户端在云的远程运行，实验信息网的客户端可以是普通电脑、手机、iPad等移动终端，用户终端的功能将会被大大简化，诸多复杂的功能都将转移到网络上去完成［12］，而客户端与运行平台无关。这样用户可以在普通电脑和移动终端上使用同一软件，实现无缝切换。SaaS模式在实验信息网优势很明显：软件使用费用低、免维护，统一软件接口，安全性高。

随着“实验云”的建立，实现了基于虚拟化和分布式的硬件架构及基于基础管理软件的平台架构，这种开放架构平台将实验管理模块尽量集约化而不失灵活性，使得实验室信息的“敏捷管理”成为可能。

4 创建实验管理创新平台

有了云计算基础架构后，云计算技术下的实验用户不再局限在固定的地方，用户只要能接入校园信息网，即可进入实验管理与教学系统，充分利用现有资源，更好地为教学和科研服务［13］。在传统模式下，建立实验室信息管理系统和管理实验室各种信息资源，首先需要购买服务器和服务器应用软件，租用网络，建立客户端系统和系统软件。这种自给自足的IT运算模式形成实验室活动的基础设施，这些基础设施需安排专门人员对硬件、软件和网络进行既耗时又耗力的维护工作。如果新建一个实验系统环境，还要准备大量的计算资源，投入大量人力、财力与时间，设计、开发和维护成本很高，而资源可能得不到有效共享和充分利用。

鉴于云计算的特点，结合我校数字化校园改革，探索传统实验室与云计算环境下实验室互补管理模式，构建基于云计算的实验管理平台（见图2）。通过现代化、信息化管理手段开发与应用实验资源。实验室信息化平台从全局出发，管理着网络系统、数据库服务器、实验室资源信息管理、LIMS实验室管理、实验室教学信息管理及他数字化设备，也包括教师端、机房各办公应用软件。平台在实验信息网中实现服务、软件和处理能力，同时共享基础设施。

图2 数字化校园下的实验环境云架构

在云计算环境下，硬件、平台、软件及服务等资源已经不再局限在服务器、网络带宽等物理范畴，在逻辑上以单一整体的程序软件形式呈现，通过虚拟化技术服务提供给使用者。这些资源服务可以动态进行扩展和配置，使得资源的规模可以动态适应实际应用和实验网用户规模变化。用户在使用云资源时，系统根据实际负载情况进行调整和分配用户资源，以最小规模满足高峰期的需求，达到高效率地使用实验信息网资源的目的。

此外，用户终端可以没有操作系统和存储设备，只需要装有浏览器就可以完成一切使用及管理工作，且不受时间及空间限制，可以极大地提高工作效率。从整体来看，有效地规划实验室的管理，能对实验室信息资源进行更好的组织分类。学生可以在云中快速发现自己需求的信息，教师及管理者可以科学、规范地管理资源，以最有效的方式为学生提供服务。

云计算技术的演进给实验室管理带来了最先进的管理模式，高校实验室借助云计算实现信息化的规划、体系建设及关键信息化项目的实施，能有效满足实验室对信息化管理、科学研究支撑等需求。云计算实现的过程即是实验室信息化的过程。

5 结束语

云计算的时代已经逐步到来，云计算技术解决了资源利用率、计算能力不足和成本问题，实验室的进一步发展也确实需要依靠云计算。高校在充分了解和认识云计算技术的基础上，构建基于云计算的资源节约型实验信息环境，对高校信息化管理、实验技术改进和创新实验教学模式具有重要的意义。

（References）

［1］全成斌，杨士强.互联网环境中计算机教学实验室定位与思考［J］.实验技术与管理，2012，29（5）：206－209.

［2］陈全，邓倩妮.云计算及其关键技术［J］.计算机应用，2009（9）：2563－2564.

［3］雷万云.云计算：企业信息化建设策略与实践［M］.北京：清华大学出版社，2010.

［4］乐勋，周俊宇.基于云计算的电力建设企业信息化策略［J］.电子世界，2011（12）：8－9，14.

［5］王昊鹏，刘旺盛.虚拟化技术在云计算中的应用初探［J］.电脑知识与技术，2008（25）：1554，1565.

［6］林立宇，陈云海，张敏，等.云计算技术及运营可行性分析［J］.广东通信技术，2008（12）：33－38.

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［8］亚马逊Web服务［EB/OL］.［2013－05－02］.http：//aws.amazon.com.

［9］周相兵，马洪江，苗放.一种基于云计算的旅游云构架模式研究［J］.重庆师范大学学报：自然科学版，2013，30（2）：79－86.

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［11］王爱清，赵冬生.云计算环境下高校校级统一信息平台建设探讨［J］.实验技术与管理，2011，28（5）：282－285.

［12］王玉芬，郭晓娟.云计算对高校教学资源影响解析［J］.实验技术与管理，2010，27（5）：111－113.

［13］郑起运.云计算及其对我国教育教学的启示：以Salesforce云服务为例［J］.中国医学教育技术，2009（10）：425－428.

Strategy and method of cloud computation of university laboratory informationization

Chen Changxing
（Education Technology and Computer Center，Zhaoqing University，Zhaoqing 526061，China）

This paper introduces cloud－based computing technology to make full use of existing resources and environment of the university laboratory construction，helps to give full play to the performance of resources，to improve utilization rate and sharing，and to adapt to the development needs of information technology in the teaching laboratory solutions and methods.Following the university laboratory information construction angle analysis of experimental information technology management in the process of building，combining the technical characteristics of cloud computation，and the application of cloud computing technology strategy and implementation methods in the construction of experimental information and from information technology to lead the transformation and upgrading of laboratory applications management，this paper effectively promotes the construction and development of the university laboratory，and provides a reference and inspiration for the development of China’s higher education information technology.

laboratory informationization；cloud computation；cloud transformation

TP308

A

1002－4956（2014）1－0221－04

2013－05－21

陈昌兴（1982—），男，广东阳江，硕士，实验师，主要研究方向为高校实验管理和网络教学.