开放共享的实验教研环境建设与应用研究

王　健, 王宏伟, 韩少锋

(中央财经大学 教学技术服务中心, 北京　100081)



开放共享的实验教研环境建设与应用研究

王健, 王宏伟, 韩少锋

(中央财经大学 教学技术服务中心, 北京100081)

阐述了经济与管理实验教研环境开放共享的必要性,分析了目前高校教研环境开放共享的现状和存在的不足。以中央财经大学国家级实验教学示范中心自主研发的彩云教学平台建设和应用为例,分享了利用虚拟化技术实现实验教研环境开放共享的经验,展示了虚拟化技术在实验教研领域的优点以及教研环境开放与共享对促进学生学习的积极作用。

虚拟化技术； 开放共享； 实验教研环境与资源

近年来,高等院校迎来了90后甚至更加年轻的学生群体,这个群体获取信息的方式、学习模式和偏好都与过往代际有着显著的差异[1],传统独立和封闭的教研环境已经不能完全满足新生代学生的学习需求。如何利用虚拟化技术实现实验教研环境的开放共享？实验教研环境的开放共享会给学生学习带来什么样的影响？本文结合中央财经大学国家级实验教学示范中心自主研发的彩云教学平台的创新实践进行研究。

1　开放共享的实验教研环境建设的必要性

传统的教学与研究环境包括教室、实验室、图书馆等传统的教学与研究实体空间和设施及其资源,通常,不同的实体空间承载不同的学习资源,服务不同的教学与研究活动,教师和学生需要根据不同的教学与研究任务在不同的实体空间转换。随着时代的变迁和高等教育对象的变化,传统的教研环境的局限性开始凸现[2-3]。王健等(2015)以经济管理实验教学为例,阐述了学生代际变更对教研环境创新提出的新需求[1],主要表现在作为“数字原著民”,90后大学生对随时随地随心安排教与学的需求变得更加强烈,不再满足于在固定地点、固定时间用固定PC终端进行教与学,对能够构建个性化的自主探究式学习环境的需求更加迫切[4-6]。根据对中央财经大学1 731名90后学生(包括本科生和研究生)的抽样调查,90后学生对教研环境各主要要素的评价中,“学习资源随时随地可以获取”的重要程度评价得分高居榜首,均值达到4.43分(5分为非常重要)。超过90%的学生认为学习资料随时随地可以获取是重要的,其中,55%的学生认为非常重要,37%的学生认为比较重要(详见图1和图2)。

图1　90后学生对教研环境各要素重要程度的评价

图2　学习资源随时随地可以获取的重要程度

要实现90后学生最期待的“学习资源随时随地可以获取”,随时随地开展个性化的自主探究式学习,需要传统的教研环境从封闭和独立走向开放和共享。对教研环境的开放共享可以有2个纬度的解读,一个纬度是开放共享的内容,包括实体学习空间的开放共享和学习资源的开放共享,另一个纬度是开放共享的对象,包括对校内师生的开放共享和校际间及学校与业界机构间的开放共享。

纵观高校近年来教研环境开放共享的现状,从第一个纬度看,高校普遍开展的校园信息化正在使实体学习空间及其内部硬件设施(包括大型仪器)的全面开放和按需预约使用成为现实,在数字化学习资源的开放共享方面,已经较好地实现了数字化文献和大部分非限定使用终端的数据库资源,以及基于B/S架构的软件系统共享,但对于限定在实验室使用的数据资源以及非B/S架构的软件,尤其是需要良好硬件支持的大型软件开放共享方面进展较慢。此外,随着大数据和云计算的发展,除了自然科学,社会科学领域也产生了对高性能计算的需求,对计算资源的开放共享需求与日俱增,但尚未引起充分的重视。从第二个纬度看,高校目前普遍的重点是针对校内师生的开放共享,而校际间以及学校与业界机构间的开放共享，从系统架构到实际应用都仍在探索之中[7]。

2　开放共享的实验教研环境建设创新实践

基于对高校实验教研环境开放共享现状的调研和需求分析,我校经济与管理实验教学中心在国家级实验教学示范中心的基础上,以自主研发的彩云教学平台为依托,以开放与共享实验教研资源为核心,以提高学生创新精神和实践能力为宗旨,开始了实验教研环境开放共享的创新实践。

中心提出了“实验室即服务”的理念,化实验室为无形,使实验室教研资源成为像电和网络一样可以让师生触手可及的无形资源。中心利用互联网、虚拟化、云计算技术自主研发了包含教学服务云、科研服务云和基础管理服务云在内的中央财经大学彩云教学平台(技术架构见图3),该平台整合了实验教学云桌面、科研云桌面、金融数据终端、各类实验教学软件、实验室管理系统、通信系统等应用,突破传统实验室的时间和空间限制,实现了高度灵活的实验教研资源的开放与共享[8-10]。

图3　彩云教学平台技术架构

具体来说,在虚拟实验环境、软件资源、数据资源、计算资源和存储空间5个方面实现了资源的开放与共享。

2.1实验环境开放与共享

基于虚拟化技术的彩云教学平台具备5个特性,可以实现在网络支持下,任何人在任何地点、任何时间的使用:

(1) 跨地域性。通过虚拟实验环境的方式将实验环境通过网络的方式共享,全校师生都可以通过网络来获取自己拥有授权的实验环境,打破了传统PC将实验环境固定在实验室的场地限制。

(2) 跨时间性。通过虚拟实验环境的方式可允许用户7×24 h使用实验软件和数据,打破了传统学生实验只能在上课时间到实验室应用相关教学软件和数据的时间限制。

(3) 多终端访问。用户可通过手机、平板以及PC等终端来访问虚拟实验环境,解决了由于终端配置过低不能开展实验的问题。

(4) 唯一性。用户在任何时间、任何地点都可对同一个虚拟实验环境进行访问,可持续进行操作和运算,比如在学校没有完成的实验,回家之后可在原实验任务上继续进行。

(5) 零客户端维护。虚拟化的系统架构替换了传统的PC,将硬件事故率直降为零,维护管理人员通过管理中心的模板、快照、任务调度等功能提高工作效率,实现远程处理终端问题。

2.2软件资源开放与共享

传统软件部署需要在所有计算机上进行安装并购买足够的License软件，License成本以及人工安装的成本都非常高,彩云教学平台则可以实现软件授权在课程内和课题组内的共享。

(1) 软件授权资源在课程内共享。通过软件集中授权及云桌面的方式,只要在教学桌面模板中完成软件部署,发布共享桌面即可,无须重复部署。

(2) 课题组内软件共享。传统科研或课题组是多人多台计算机,不仅每台计算机均需部署软件,也很难实现课题组内的资料共享。通过建立科研云共享桌面,只需部署一台服务器一套软件,通过授权即可在课题组内共享此桌面,工作时相互间并不影响,节约软件成本的同时提升资料的共享与协作效率[11]。

2.3数据资源开放与共享

经管实验教学中,一些有限的数据终端使用受限于使用环境(如需要实验室或高配置的硬件等),过去无法全天候开放给全校师生使用。彩云教学平台通过池化技术及时间序列技术,将数据终端的申请、使用完全网络化,同时可以根据需求提供给任何系统下的用户,可达到如下效果:

(1) 降低成本,避免院系之间的重复购买。

(2) 提升资源利用率。通过对数据资源的共享,可允许用户7×24 h访问数据资源。

2.4计算资源开放与共享

彩云教学平台通过对计算资源的整合和虚拟化,构建了统一的计算资源池,可以实现:

(1) 计算资源统配通用即取即用。用户通过在线申请的方式申请资源,彩云教学平台即时从计算资源池中统一调配资源分配给用户,用户申请周期结束后,彩云教学平台对资源动态回收,无需人工干预。资源使用期间,如果用户离线或无操作,对计算资源池基本无损耗,保障资源的高利用率。

(2) 高性能计算资源的开放与共享,校内外学生都可使用。彩云教学平台通过将高性能计算资源云化,实现了高性能计算资源的共享,所有用户都可通过云桌面的方式使用高性能计算资源,突破了传统高性能运算在固定使用地点和时效性方面的限制[12-13]。

2.5存储空间开放与共享

彩云教学平台对存储空间的保障主要包括通过磁盘虚拟化保证系统空间和通过NAS保证文件空间2种方式:

(1) 磁盘虚拟化保证系统空间。通过磁盘虚拟化的方式可提升磁盘空间的使用率,按照传统存储磁盘分配方式,给某一应用系统或服务器分配磁盘之后,空间即标记为占用。通过池化方式实现的存储磁盘供给,存储空间的利用率取决于2个卷实现的空间占用,不受预分配的限制,节省大量磁盘空间,提升存储系统的利用率。

(2) NAS存储保证文件空间。用户文件对存储的需求通过NAS来保障,通过与AD的集成,NAS存储会为每个用户提供一个数据空间,该数据空间通过组策略的方式在用户登录系统的时候挂载为系统的磁盘,盘符为Z盘。通过NAS存储共享文件空间的方式，既保障了用户在不同设备不同桌面间的数据传输,同时也为用户数据提供了更为安全的保障。

尽管虚拟化技术在企业中的应用已较为成熟[12],但在高等教育教学和科研中的应用还不是十分广泛,主要难点在于教学云桌面存在多周期性、多样化和个性化的需求,并且对专业软件虚拟化的要求也很高。我校教学技术服务中心的技术团队进行了深入的需求调研和高强度的技术研发,攻克了云桌面整合、虚拟化存储整合、全流程自定义、自动化部署等难题,整合了教学、科研、数据终端及实验软件应用等各个方面的使用需求,实现了实验教研资源的申请受理、审批、部署、发放和回收全部自动化。教师和学生可以通过彩云教学平台实现教研资源的在线申请,在网络可达的条件下以云桌面为载体随时随地使用教研资源。在实验教学上,同一门实验课的学生可以通过中心分配的预装该实验课所需软件和数据的云桌面实现教研资源共享,而且学生不限于本校,支持多校际合作教学。在科研上,通过彩云教学平台为科研课题组配置科研共享服务器,共享软件、数据、科研文档以及计算资源,可以灵活地开展跨校、跨业界、跨国的科研合作。

基于虚拟化技术实现高度灵活的教研环境开放共享,还为高校实验教研环境建设探索出一条新路,改变目前各家高校均全面建设教研资源的局面,各高校可将重点放在建设本校优势学科的优势教研资源,通过开放共享的方式实现高校间实验教研资源的优势互补,使各高校节约整体建设成本的同时,又能使用到最好的教研资源。

3　实验教研环境开放共享应用效果分析

从2014年秋季学期开始,在实验课教学中启用彩云教学平台,为师生提供开放共享的教研环境,师生可以在网络可达的条件下随时随地开设实验课并使用实验室的所有教研资源,满足跨学科的综合型实验和研究型创新实验的需要,为培养新生代财经人才提供了个性化自主学习的环境。

3.1应用概况

2014—2015年,连续3个学期有31门课程通过彩云教学平台进行实验教学,为学校1 926名学生提供了开放共享的教研环境支撑(见表1)。

表1　使用彩云教学平台教学的实验课程表

数据显示,在开放共享的教研环境下,实验软件及数据资源的利用率大幅提升,尤其显示学生在晚上(传统实验室非开放时间段)的使用率非常高,教研资源的价值得到充分体现。

特别需要指出的是,通过彩云教学平台能够实现在传统实验室环境下无法实现的开放共享,满足高层次的实验教学对海量真实数据、高性能计算资源以及交叉学科实验环境的需求。

实验课“大数据分布式计算”即是受益于教研环境开放共享的典型案例。该课程是我校联合北京大学等5所高校建立的大数据分析硕士培养协同创新平台中的一门核心实验课,由于跨校际开课,同时实验数据量巨大,受限于计算能力和存储空间,在传统的教研环境下难以开展真实的大数据分析实验。如今,彩云教学平为该实验课提供了高性能计算环境和海量数据的存储空间,实验教师要求学生利用云桌面接入高性能计算平台进行数据挖掘,并完成课程作业。同时,平台灵活的开放共享特性，使得来自5所学校的学生能够方便地在自己的学校通过云桌面使用我校的高性能计算资源。

此外,我校还有部分教师在彩云教学平台高性能计算资源的支持下开展高频交易的研究和数据挖掘与商务智能领域的科研工作,以及统计与数学学院4支学生团队利用彩云教学平台的高性能计算资源参加360金融数据分析大赛和阿里巴巴天池大数据竞赛。彩云教学平台共为上述科研活动提供了5台高性能计算节点(每台2颗8核CPU128G内存)、4台分布式文件存储节点、完整的统计和计算软件及开发环境,通过部署分布式计算任务排队以及资源分配系统将主要计算任务集中在周末和夜晚,充分利用资源又不与教学冲突,用户可以依照计算需求请求计算资源,8个月完成超过9万h CPU计算量。

3.2应用效果调查

基于虚拟化技术的教研环境开放共享受到了师生的普遍欢迎,尤其对95后为主的新生代大学生,充足且方便获取的教研资源大大激发了其主动探索的创新精神。在2014—2015学年的2个学期期末,对使用彩云教学平台学习的学生进行了问卷调查。调查结果显示,对彩云教学平台带来的好处得到肯定最多的3个方面，分别是突破时空限制、预装应用软件、可使用不易用到的数据终端(见图4)。对于学习的影响,学生反馈非常正面,超过70%的学生认为开放共享的教研环境让学习更加便利、课程接收的信息量更多、能督促学习、有助于培养探索钻研精神、提高动手分析问题和解决问题的能力、专业技能有所提高(见图5)。95%的学生均表示愿意继续使用彩云教学平台,其中56%表示非常愿意。

图4　彩云教学平台给学生带来的好处

图5　开放共享的实验教研环境对学生学习的影响

4　结语

虚拟化和云计算技术以及智能终端设备在教育领域的广泛应用,使教育信息化进入了一个崭新的发展阶段。我校基于虚拟化技术自主研发的彩云教学平台,整合实验室各类资源,为师生提供开放共享的教研环境、推动实验教学创新,对教师教学和新生代大学生学习产生了积极影响。

References)

[1] 王健,杨如冰,白学清,等.经济与管理实验教研环境创新初探[J].实验技术与管理,2015,32(11):18-21,27.

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[3] 胡小勇.教育信息化进程中区域性优质资源共建共享:理论框架与个案研究[J].电化教育研究,2010(3):48-53.

[4] 张宝君.90后大学生教育管理探微[J].学校党建与思想教育,2009(3):75-76.

[5] 于家明.“90后”青年群体特点及教育对策探析[J].中国青年研究,2010(1):56-58.

[6] 王肇飞,彭家龙,王丹.“90 后”大学生思想特点及教育对策研究[J].甘肃科技,2009,25(16):152-154.

[7] 严继昌.探讨教育资源共享机制[J].中国远程教育,2003(20):64-64.

[8] 杨华,王和,高福兵.基于服务器虚拟化技术构建教学实践平台[J].四川兵工学报,2010,31(9):108-110.

[9] 李宏儒.虚拟化技术在计算机实验教学中的应用[J].实验技术与管理，2010,27(5):90-92.

[10] 刘旭.虚拟化技术在高校数据中心建设应用的研究[J].中国教育信息化:高教职教,2010(6):33-34.

[11] 韩少锋,白学清.浅析高校经管类实验室软件部署模式的发展阶段与趋势[J]. 计算机光盘软件与应用,2014,17(7):73-74.

[12] 殷康.云计算概念、模型和关键技术[J].中兴通讯技术,2010(4):18-23.

[13] 李国杰,程学旗.大数据研究:未来科技及经济社会发展的重大战略领域:大数据的研究现状与科学思考[J].中国科学院院刊,2012,27(6):647-657.

Research on construction and application of opening and sharing experimental teaching and research environment

Wang Jian, Wang Hongwei, Han Shaofeng

(Education Technology Service Center, Central University of Finance and Economics, Beijing 100081, China)

This paper discusses the necessity of the opening and sharing of experimental teaching and research environment of Economics and Management,and analyzes the current situation and shortcomings of the opening and sharing of this environment in colleges and universities. Taking Caiyun teaching platform independently developed by National Experimental Teaching Demonstration Center at Central University of Finance and Economics as an example, this paper shows the experience about the sharing of experimental teaching and research environment by using virtual technology, and demonstrates the advantages of using virtual technology in experimental teaching and research field. The opening and sharing of experimental teaching and research environment play a positive role in promoting students’ learning.

virtualization technology; opening and sharing; experimental teaching and research environment and resource

10.16791/j.cnki.sjg.2016.10.057

2016-05-16

2014年度北京高等学校教育教学改革立项项目“新生代财经人才培养的教研环境研究——理念、技术和服务变革”(2014-ms078)；中央财经大学教育教学改革基金2014年度重点资助项目“现代教育技术在高校经管实验教学中的应用研究”(201409)

王健(1961—),女,山东冠县,本科,副教授,中央财经大学教学技术服务中心主任,研究方向为高等教育与教学技术、调查与统计分析.E-mail：wangjian@cufe.edu.cn

G642.0

A

1002-4956(2016)10-0227-05