在线实验平台及教学辅助策略研究

张召海，韩来权，韩秀超，雷开春

（1.东北大学秦皇岛分校 计算机与通信工程学院，河北 秦皇岛066004；2.秦皇岛市实验中学，河北 秦皇岛 066004；3.上海社会科学院 社会学研究所 上海200000）

1 背 景

很多高校的运算及储存需求不断提高，但传统烟囱式按需独立的建设导致服务器自成一套体系，出现空间不足、数据不可相互支撑等尴尬局面，形成了硬件孤岛。很多系统普遍存在能效比问题：比如某服务器性能高有资源剩余，但不能分享多余的资源给紧缺系统使用，造成浪费；在应用高峰时，某服务器的瓶颈会造成整个系统应用的瘫痪。某服务器有几十个应用（如资产管理、教务管理、邮件系统、教学教务等），使用中会有在访问集中时段，资源频频预警。另外，高校限于设备所有权归属、需要保留科研实验环境等问题而不能借调给其他项目使用。传统模式无法适应IT资源灵活、快速分配的需要。

更为困难的是，由于实验要求我们，需要经常变更服务器软件或操作系统环境。管理员一台一台更新环境，不仅速度慢，而且非常容易出错，部署工作量巨大、效率极低。同时，大量的服务器硬件增加了维护难度。个别单独建设的实验室运维经验不足，好多服务器直接放在地上，散热不足，设备损坏率非常大，安全隐患也大。电源利用率低，大部分学校对实验室不设置单独电表，电源能效比极低。另外，还有一些隐含的浪费，配套设施空调、发电机、UPS等。即使某学校或实验室经费充足，也不鼓励传统方式重复建设，也要集中使用云端资源。只有这样，才能最大限度地发挥基础设施的性能，降低总体投入成本，提高利用率。

2 MOOE研究现状

MOOC是大规模在线开放课程的简称，是精简视频加上配套习题，按照授课进度呈现的教学内容。经历MOOCs发展元年之后，世界各地掀起了慕课建设热潮[1-3]。从2012年开始，有名的开放在线课程主要有EDX、Coursera、Udacity三大平台。另外，国外比较流行的较大规模在线学习环境还有Sakai[4]及Moodle[5]。

在国内，2013年被称为中国的MOOC 元年[6]。国内的中国大学MOOC、慕课网等相继上线。与此同时，学堂在线、百度传课、阿里淘课、腾讯课堂、51CTO学院、CSDN学院、网易云课堂、新浪公开课、华为、中兴等都建立了自己的教学平台。

相比于MOOC风风火火的发展，大规模在线开放实验MOOE（Massive Open Online Experiment）的发展相对滞后。MOOE是将学校实验室相关的一切资源（计算/存储/网络），虚拟化变换后，经过资源池及资源重组等操作，向教师、学生、管理部门等提供在线实验的平台。

MOOE是对传统实验方法与手段的补充，在一定程度上解决了实践教学中存在的问题[7]。崔贯勋[8]分析了当前MOOC存在的不足，阐述了MOOE教学平台所需的关键技术、平台架构、仿真模型及平台运行模式。刘欢迎[9]介绍MOOE实验室的主要特点，阐述合天实验室关于MOOE的探索及其进展。 Song[10]对比了MOOCs和MOOE在中国的现状，并讨论其他技术和问题。Li[11]以FPGA的多核心计算为例分析了MOOE与MOOC之间的相似与不同，通过MOOE实现了理论课程及相关实验。

3 平台搭建及应用实践

3.1 OpenStack平台搭建

如图1所示，实验云的主要思想是通过OpenStack云计算技术，解决教育孤岛问题；实现实验云平台，并应用于课前实验、课中实验及课后实验等环节，达到提高实验教学的目的。

图1左上部分是最核心的区域：由于三层云计算模型发展得比较成熟，IAAS层面相关的网络、储存和计算虚拟化技术较容易搭建起来；PAAS层面主要通过CAS认证或LDAP轻量级目录访问等技术实现统一身份认证系统。SAAS层面主要设置课程管理、预习备课、测验考试、视频演示、实验报告等子模块。相比PAAS及IAAS两层来说，做好SAAS平台非常费时费力，需要长期的积累。在OpenStack实验平台可以方便地实现虚拟机创建、挂起、暂停、迁移、重启、销毁等操作。OpenStack不仅虚拟化管理现有服务器，而且对新增服务器也方便进行资源池的更新。打通了硬件孤岛，实现了系统的互联互通互认，使得整个实验云平台具备了利旧利管利用的能力。

图1 基于OpenStack的实验云平台架构图

图1右侧部分是课前、课中及课后3个主要实验的场景体现。在课前实验环节，实验云涉及教学终端，教师可以进行充分的备课。教师可以给学生发布预习任务，线上分配实验资源，达到课前摸底的效果。在课中实验环节，实验云发生的场所是在实验教室，教师和学生双方都可以连接到实验云平台进行实验或指导教学。在课后实验环节，实验云主要的使用者是学生。如果学生家里或者宿舍没有接入校园网的环境，可以经由VPN虚拟专用网技术接入校园网。

3.2 实验云平台应用及实践

笔者从实际的教学工作出发，在教育部产学合作协同育人项目合作单位合天智汇有限公司、NSFC-广东联合基金（第二期）超级计算科学应用研究专项和国家超级计算广州中心联合资助下，对计算机网络实验课程进行了应用及实践。如图2所示，“计算机网络”选修人数81人，实验所需资源是OpenStack虚拟化的云端资源。搭建的OpenStack系统会从资源池中动态划拨资源，这里的资源包括CPU核资源、内存资源、存储资源及带宽网络资源等。

每一个实验都需要1台或多台计算机，根据创建环境的数量不同，启动实验时间也不等。教师点击实验进度控制区域的“准备实验环境”按钮，自动跳到课程主界面，进入详细的实验环境准备界面。学生端连入实验云，实验环境只要具备一个浏览器即可。课程主界面如图3所示。

课程主界面划分为4个主要的区域。

（1）课程列表区域：这是教师的课程列表，通过添加课程操作生成。右侧的信息是根据当前课程列表的选中课程进行显示。

（2）课程管理区域：显示选中课程的简介信息，并提供课程管理功能。

图2 从资源池为学生准备实验环境

图3 课程主界面

（3）实验管理区域：显示选中课程的实验列表。这部分是整个平台的核心和关注点。

（4）教学互动区域：显示选中课程的动态信息。所谓动态包括本班师生之间的问答、笔记等信息。

如图4所示，云端系统自动进行实验报告的收集等功能。在课程列表区域，点击课程下面的“课程考核”选项即可打开课程考核界面，课程考核功能一般在学期末，所有教学实验都已经完成的情况下进行。每个学生都可以在自己的账号下查询成绩。对于学生而言，学生提交完实验结果后，能看到这次实验的平均得分、大家实验时间等统计信息。

3.3 实验云平台带来的好处

从图5标识①②两处时间（非授课时段）可以看出，2个学生请假不能实验，后来可以自己找时间补上。使用实验云平台过程中发现意想不到效果——身教重于言教！笔者每天都起得很早给学生批改作业及答疑解惑，学生端可以看到具体的答复时间。教务组织学生评教的反馈显示：由于老师总是起得很早，很多同学不好意思睡懒觉，带动了一批学生早起的习惯；另外，笔者搭建的实验云平台支持外网VPN接入，教师可以在任何时间、任何地点登入系统。笔者出差火车中的答疑、刚下课下楼过程中对学生疑问的秒回，不但使学生的疑难点得到了及时的解答，而且极大地提高了学生自主学习的积极性。教育信息化“十三五”规划提出“人人皆学、处处能学、时时可学”的发展目标，基于OpenStack的实验云平台，给出了强有力的佐证。

图4 课程考核界面

图5 从实验时刻看实验云平台的好处

4 结 语

针对现有高校普遍存在的实验孤岛现象，提出基于OpenStack的解决方案。通过整合已有的各种软硬件资源，实现集约化实验云平台，充分利用实验室及机房建设产生的冗余闲置资源。对课前实验、课中实验、课后实验都进行了积极思考，充分调动学生的学习积极性。在实践中积极搭建实验平台，不仅提高教师及学生的动手能力，提高实验相关技能，而且带动周边高校的实验建设，将有助于改善教学效果，提升教学质量。