数学实验云计算辅助教学平台的建设初探

岑冠军

摘 要： 本文深刻分析了云计算技术在构建良好数学实验环境中的特点，指出数学实验云计算辅助教学平台是云计算环境下集成的数学实验环境，并论述了该平台的功能模块设计，给出了基于Hadoop建设该平台的框架和集群架构，为探索云计算应用于实践教学做了有益的尝试。

关键词： 数学实验 云计算 教学平台

数学实验作为一门新实践课程被国内众多高等学府引入大学课程中，数学实验教学平台建设是研究热点之一。目前，各高校建设的数学实验室是主要数学实验教学资源平台[1]。传统数学实验室是将计算机软硬件、数学软件包、教学资源、课件制作、计算机辅助教学等有机融为一体，是基于局域网的数学实验环境，建设成本较高，学生必须到数学实验室——以微机为主体的机房进行实验，使数学实验受到空间上的限制，同时基础数学实验是面向所有专业学生开设的，实验资源紧张，导致学生上机实验时间受到限制。为了克服以上困难，本文提出了建设云计算环境下数学实验辅助教学平台，该平台有利于提高学生对数学实验的兴趣，显著提高实验设备的利用效率，降低硬件资源建设成本。

1.云计算在构建良好数学实验环境中的优点

云计算既指在互联网上以服务方式提供的应用系统程序，又指在数据中心用来提供这些服务的硬件和系统软件。云计算可理解为并行计算、分布式计算和网格计算的发展，或者说是这些计算机科学概念的商业实现[2]。云计算的理念是把基础设施、平台或者应用程序以服务的形式提供给用户，使云计算在远程实验室建设中具有许多优势。

云计算在构建数学实验环境中的主要优点体现在：第一，基于云计算技术构建的数学实验环境是放置在云端的，在高速互联网支持下，学生和教师可以随时随地进行数学实验，使数学探索过程更顺畅，同时教师可以通过云端实时在线指导；第二，云计算技术中主要的计算和存储由后端集群架构完成，前端设备可以最小化，学生和教师可以通过智能化终端如手机等进行数学实验，降低数学实验的准入门槛；第三，有利于构建协作式教学和实验环境，由于所有教学资源和学生学习文件都放置在云端，可以方便地进行集体式备课、异步教学探讨、分组实验和知识交流；第四，提高数学实验教学效率，海量的云存储空间可以为每一个学生建立一个个性化的实验空间，为每个教师建立教学空间，学生可以快速下载实验资料，教师能快速部署课程文档和程序；第五，高效利用数学实验室的软硬件资源，计算机和正版数学软件是数学实验室的主要资源，而这些资源只有在机房开放时才会被使用，在没有实验课时及假期尤其漫长的寒暑假基本处于闲置状态，云计算技术可以将这些廉价的PC整合成具有强大计算能力和存储能力的服务平台，提供不间断的服务并且通过网络将这种服务配送给广大师生；第六，满足特殊的数学实验和计算要求，一些数学实验任务涉及大数据的处理和耗时的计算，在单机上难以完成，云计算系统框架允许在短时间内灵活地集结实验室的计算机，使之完成大型实验任务。

2.数学实验云计算辅助教学平台的设计

2.1功能模块设计

数学实验云计算辅助教学平台是一个集成的数学实验环境，在此环境中主要的操作对象有教师、学生和平台管理人员和执行特殊科学计算任务的科研人员，因此将该平台分成四个子系统，分别是教师子系统、学生子系统、科学计算子系统和管理人员子系统，各个子系统之间相互联系，实现一个整体的数学实验教与学的环境。管理人员子系统主要负责对整个平台的运营管理，包括实验环境管理、平台的配置管理、运营数据管理和安全策略管理，并对教师、学生、科研人员的信息进行管理。教师子系统实现教师课程管理、部署实验任务、在线辅导、协作备课、作业布置及处理、测试管理和学生信息管理，还包括数学实验模块。学生子系统实现在线实验、协作交流、作业处理、资源共享、在线测试和实验心得分享等功能。科学计算子系统为科研人员提供大数据处理和高要求的数学计算功能，实现项目计算任务管理。

2.2基于Hadoop的数学实验云计算教学辅助平台的框架

Hadoop框架是Apache基金会基于Java语言开发的开源云计算框架，很多国内外知名互联网公司使用Hadoop框架开发出自己的云计算服务。Hadoop框架最核心的设计就是：分布式文件系统（Hadoop Distribution File System，HDFS）、分布式计算框架（MapReduce）、分布式数据库（HBase）和数据仓库（HIVE）。

由于Hadoop是采用Java语言开发的，因此基于Java平台开发Web层，这样web层能很好地与Hadoop相融合，web层主要接受用户请求并返回对用户的响应，包括教师子系统、学生子系统、科学计算子系统和管理员子系统。Web层数据交互模式有三种方式：与数据库交互网页信息数据、与HDFS交互资源文件数据、与数学软件通过webservice交互数据，处理用户的请求，如在线数学实验、教学资源上传下载，并将处理结果回馈给Web层，在线数学实验是本辅助教学平台提供的核心云端服务，该服务面向广大师生，经常会出现大规模的并发访问，因此在这一层将应用Hadoop的MapReduce并行计算框架，将多个数学实验服务请求发送给集群内不同的计算机并行处理，并将处理结果返回给Web层。这样不仅可以完成小型数学实验项目，还可以完成大数据处理和耗时的科学计算等特殊实验项目。数据层使用MySql和HBase结合的方式存储大量的数据，对外提供一致的数据接口。数学实验辅助教学平台的资源存储访问模块基于Hadoop的HDFS实现。

2.3数学实验云计算辅助教学平台的集群架构

云计算系统之所以具有超强计算能力和存储能力，是因为背后有集群计算机的支撑，云计算下的数学实验教学辅助平台通过Hadoop框架，可以将数学实验室的普通PC机组织成起来，以集群方式向广大师生提供高性能和高质量的服务，高效利用实验室设备，并可以进行大型的并行计算和分布式计算，如大数据处理。由于数学实验室的每台计算机上都安装了数学软件，在每台机器上部署Hadoop系统，则每台PC都可以成为一个计算服务器，并为Hadoop系统的调度器调用。

参考文献：

[1]孙苏菁，白占兵.关于数学实验室建设的若干思考[J].科技视界，2013（11）：41，104.

[2]Barrie Sosinsky.Cloud Computing Bible[M].电子工业出版社，2013.10.