基于云平台的计算机实验室体系的构建

廖明习，饶文碧，袁景凌，熊盛武，王云华

（武汉理工大学计算机科学与技术学院，湖北武汉430070）

0 引言

随着互联网技术的不断发展，传统的计算机实验教学暴露出诸多问题[1-2]，例如软硬件资源管理方式落后、实验时间地点固定以及学生实践能力明显不足。云平台作为一种灵活的资源提供方式，利用虚拟化技术构建虚拟资源池，并通过互联网共享资源，能够有效地提高教学资源的利用率。

1 实验教学云服务平台

以云计算和虚拟化技术为支撑，构建完整的实验教学私有云平台[3-6]，实现基础架构层（IaaS）、平台服务层（PaaS）以及软件服务层（SaaS），平台按需提供服务，可以安装在网络的任何位置。该云平台作为六个综合实验平台的基础，突破了时间与空间的限制，实现虚拟与现实相结合和实验资源的共享。此外，建设基于云计算的“虚拟实验室”体系，通过虚拟实验室，让学生和老师摆脱物理实验室的时间、场地限制，形成不受时间、地点、设备限制的全时段开放虚拟实验环境。通过计算机实验云教育系统为虚拟实验提供在线课程资源、自动记录学生实验过程并进行大数据分析，从而对学生实验实践环节全过程进行动态跟踪与管理。云平台能够为实验教学、实验中心管理、实验中心辐射提供强有力的支持。云平台的技术架构如图1所示。

建设云计算数据中心。为虚拟化实验环境、并行处理系统及云计算平台提供服务管理平台和存储系统，管理各种不同类型的资源，支持各种虚拟技术的异构系统管理，支持计算资源和存储资源及运行支撑环境的自助管理，存储各种类型的公有和私有的OS版本Image文件。

建设学生个人虚拟化实验环境系统。学生可以随时随地使用任何可联网的智能设备，包括智能移动终端、笔记本电脑、台式机等；可以访问实验中心，连接到自己的虚拟实验机；可以随课程进度和自身情况完成各类实验，并将信息存储到云计算数据中心。系统可智能记录学生的实验进度、使用时长、点击课件次数、浏览顺序等参数，提示并督促学生学习，培养其基本的实验技能和良好的学习习惯，同时也为教师改进教学、监督学生学习提供参考依据。

建设海量数据并行处理系统。建设MapReduce并行计算技术的大规模海量数据并行处理等系统，可应用于计算机领域的搜索引擎、文本挖掘、媒体处理以及材料、交通运输、车辆、经济等诸多学科领域的大规模海量数据处理，为学生学习大数据处理提供支撑。

图1 实验教学云平台的技术架构

2 计算机实验室体系构建

围绕计算机学科的科学创新能力、工程创新能力、领域融合应用创新能力的培养目标，结合通识、基础、创新等不同层面实验教学需求，依托高校现有的专业实验室以及校内外实训实习基地，构建综合实验教学平台和技术功能强大、实验环境规范、开放程度高、覆盖全校、并可辐射到校外的实验教学云服务平台。云服务平台能够灵活、快速地搭建实验实训教学环境，提供大规模、开放式实验空间，满足学生自主化学习需要。六个综合实验平台分别是通识通修课程实验平台、系统与软硬件基础教学实验平台、复杂系统设计与开发教学实验平台、虚拟仿真实验平台、科技创新实验实训平台、工程创新实验实训平台。实验室体系结构见图2。

2.1 通识通修课程实验平台

依托高校专业在各行业形成的特色优势，进行计算机基础实验教学改革，探索面向交叉领域特色的分层教学模式与体系，按需组织教学内容，因材施教。建设服务于全校各专业的计算机基础实验教学平台，包括计算机公共基础实验教学和计算机学科各个专业方向共性课程实验教学。在现有的通识教学实验室的基础上，建设同步实时教学平台、开放式学习、练习与测试平台，在云平台上部署计算机基础学测系统，供学生随时随地学习、训练，支持面向全校的计算机基础课程的教学改革。

2.2 系统与软硬件基础教学实验平台

面向按计算机学科专业大类培养的学生，构建计算机系统与软硬件基础教学实验平台，内容包括计算机学科各个专业方向共性的、具有明显学科特点的专业实验内容，以验证性和设计性实验为主要手段，以部分综合性实验为补充，开设可以覆盖计算机理论、系统（涵盖软、硬件和计算系统）和基础实践能力训练的实验课程。通过自制或引进建设一批专业基础实验教学软件，涵盖所有验证性实验、部分设计性实验和综合性实验。培养计算机专业学生本应具备的专业基础性实践能力，为学生的科研创新能力和工程创新能力培养奠定基础。

2.3 复杂系统设计与开发教学实验平台

面向复杂问题的求解和工程创新能力是计算机类学科人才能力竞争的核心价值所在，具体表现为复杂计算系统的认知、构思、设计、开发与运行能力，从全局高度以计算机专业知识去认识问题、分析问题和解决问题，并实现系统的构建、优化、运维。

图2 实验室体系结构

为有效开展对学生上述能力的培养，建设计算机软硬件贯通（计算机系统能力培养）实验室、软件工程综合实验实训室、物联网工程综合实验实训室、智能家居/车联网实训室、云计算实验室和大数据综合处理实验平台。以实验项目的技术递进和逻辑关联为主线，打破理论课程的内容横向划分的惯例，优化实验项目设置，专门设置计算机软硬件协同设计实践、大型软件工程项目实训、物联网工程综合实训和大数据综合处理四个综合实验课程，旨在解剖其中的细节，训练学生对复杂计算系统的构思、架构、设计和运维能力。

2.4 虚拟仿真实验平台

针对网络工程、网络安全、系统设计教学中存在的不可逆操作实施难的问题，进行环境模拟、原型虚拟、程序模拟，建设实验教学虚拟仿真辅助平台，使学生对已学的理论知识进一步深化，加深体会并增强实践能力。根据高校的行业领域特色，在计算机基础应用能力教学内容的基础上，针对计算机应用于其他学科的复杂问题，如建设面向材料、交通、车辆等领域交叉应用的计算机应用虚拟仿真实验云，设置不同的实验内容，并支持跨学科、跨领域毕业设计，提升学生领域交叉计算机应用能力。

2.5 科技创新实验实训平台

鼓励教师结合科研成果进行实验教学内容改革、软硬件设备或资源的研制，将深层次的科研课题融入实验教学并转换为容易被学生所接受的实验课题，通过设计教学案例融入实验教学、进行项目驱动式的实验教学、联系实际科研项目的毕业设计选题等方式，使学生在动手实践的过程中培养科技创新能力。建设本科生个性化课程及创新项目实践平台、教师科研实验室等。

以第二课堂为保证，以科技创新基地和导师科研实验室为支撑，以培养学生创新素质为目的，以锻炼创新和工程能力为重点，有组织、有计划地分专业、分年级、分层次开展大学生课外科技活动，做到点面结合，全面提高。结合学校的科研优势，每年组织学生进行大学生科技创新训练项目，成立一系列计算机科技创新活动小组，大大提升了学生从事科研创新的兴趣和能力。同时，在云平台中部署众创平台，为师生提供系统的创新创业服务，实现创新与创业相结合、线上与线下相结合，提供良好的网络空间、社交空间和资源共享空间。

2.6 工程创新实验实训平台

工程创新能力培养实验实训秉承“卓越工程师教育培养计划”理念，遵循理论教学与实践教学一体化设计的原则，建立实验、实训、实习循序渐进的工程能力训练课程体系。研究从培养方案的制定、教材的编写到理论教学与实践教学等各个教学环节，以及学校与企业有机结合、相互渗透的合作组织模式；建立理论教学、实验教学、科学研究、工程实践相互渗透的多维度的新型教学组织模式，构建教学—科研、学校—企业双结合的实践教育平台；积极引进优质企业资源，引进实训环境和实训项目，推动校外企业实习计划，进一步深化卓越工程师计划的人才培养，合作建设企业先进技术实验实训平台。

3 基于云平台的计算机实验室体系的优势

3.1 有助于提高学校的实验实训教学质量，改善教学环境

目前各个学校普遍存在教学实验仪器陈旧的问题，学校实验实训室设备更新不及时,相对落后的实验实训设备满足不了现代学科内容的更新和发展。云平台基础设施的维护以及软件的更新都是由云端提供，实验室只需要配置云终端，通过虚拟化、自动化等云计算技术，智能、动态地调配计算、存储等各种资源，不但能够充分利用教育资源，具有更高的灵活性，而且不再受传统设备模式的限制，从而节约大量的基础设施建设投资，有利于改善办学条件和提高教学水平。

3.2 免受实验室空间和时间的限制，推动学生自主式学习

实验教学云平台接入基于网络的各种智能节点，包括智能开关、灯光、安防系统、门禁、监控等，通过网关进行数据汇集并传输给云平台管理系统，从而实现对开放实验室的智能化、远程化在线管理和监控，实现网络环境下的实验课程、实验项目的365×24开放模式，支持实验室全天候开放。

借助实验教学中心的虚拟化实验环境,学生可随时随地使用任何可联网的智能设备访问实验中心，连接到自己的虚拟桌面，登录到相应实验课程，根据课程进度和自身情况，在线完成各类实验，学生得到了更好的服务，有助于学生的自主学习。

3.3 有效整合实验教学资源

根据自身特点在不断完善实验教学基础设施的基础上，结合通识、基础、创新等不同层面实验教学需求，采用云计算技术构建实验教学资源库，分类构建了六大综合实验平台，实现对实验室资源的有效整合，便于在更大范围实现实验教学资源的开放共享。

各种实验数据上传并保存到云端服务器中，将学生、教师、设备和实验课程的各种信息进行链接和整合，改变以往的粗放管理模式，极大提高了实验教学的管理效率。学生的实验过程或结果可实时上传保存到云端服务器上，在所保存的实验测量数据的基础上，学生可在课内或课下随时随地完成实验报告，教师可随时随地评阅实验报告，并可以公正地评定学生的实验效果和成绩，从而激发学生的参与感，满足学生的公平感，提高学生实验的积极性。

3.4 构建能力评估体系，提升人才培养质量

依托云平台整合各类资源，建立学生实践创新能力培养的个人实验室，对学生的实验/实训/竞赛/创新活动等进行记录和轨迹跟踪，并跟踪统计学生的培养过程及就业创业导向，构建学生个性化需求—实践项目（培养层次）—能力达成度—就业创业能力等信息反馈和持续改进机制，最终促进学生实践创新能力培养，提升人才培养质量。

4 结语

武汉理工大学依托目前现有的专业实验室和校内外实习基地，构建了实验教学云平台和六个综合实验教学平台。2016年12月，武汉理工大学计算机实验教学中心成功获批湖北省实验教学示范中心。加大实验改革力度，进一步集聚学科优势，整合校、院计算机实验教学资源，扩大实验室功能，与科研、工程实践、技术创新相结合，融入科技创新和实验教学的改革成果，不断更新实验教学内容，深化实验教学改革，取得了明显的教学效果。目前，武汉理工大学逐步形成分层次、分类别、分阶段、分方向的计算机实验室体系，改革了学习模式、丰富了学习内容，提升了学生的创新能力。

[1]张宏莉,史建焘,翟健宏.基于云环境的计算机实验教学平台[J].智能计算机与应用.2015,5(3):33-36.

[2]崔贯勋.基于云计算技术的计算机实验教学平台[J].实验室研究与探索.2013(10):463-466

[3]孟宏源,叶勇.浅析基于云平台的计算机实验教学中心建设[J].电子技术与软件工程,2016(10):179-179.

[4]杨焱超,熊盛武,饶文碧,等.基于云计算的计算机类实验教学平台搭建与应用[J].实验技术与管理,2016,33(10):147-151.

[5]叶娜,董丽丽,张维琪,等.面向多校区的计算机学科实验云平台建设研究[J].现代计算机,2015(21):38-40.

[6]袁景凌,饶文碧,熊盛武.以学生为中心的计算机实践创新能力培养云平台[J].计算机教育,2016(5):28-31.