创新型实践教学私有云平台的设计与研究

熊昕+熊茂华+晏细兰

摘 要：介绍一种基于云计算的实践教学私有云平台的体系结构，简述高校建设的私有教育云的三个不同层次即SaaS层、PaaS层和IaaS层的应用。

关键词：实践教学；私有云；体系结构；虚拟化技术；教学资源

中图分类号：TP391.41 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2015）21-0084-04

引言

近几年来，云计算已使软件变成了更具吸引力的服务，使世界IT工业对IT硬件设计和购买方式进行重新定义，从而可能引发IT工业大规模的变革。世界的广大IT开发人员不再需要大量的硬件购置和维运成本就可完成各种创新的网络服务。云计算的使用可大大降低投资和运营成本，简化应用程序的部署和管理，提高应用程序和基础设施的灵活性，方便地将应用程序扩展到互联网，高效地处理高峰期流量，增强新功能开发和应用。但在当前的企业级IT平台建设中，大多主要是将业务负载与物理资产紧密耦合，造成IT系统运行效率低；而企事业单位对IT基础架构的动态化、弹性化和自动化要求也越来越高，他们需重新规划信息中心的基础架构，建设高效、灵活、高可用、易管理的新一代信息中心。企事业单位内部可构建内部云平台（私有云），既提供了当前数据中心的可控性和安全性，又提供了业务创新所要求的敏捷性和弹性化，而且大幅降低成本。高校建设创新型实践教学私有云平台可提高高校现有设备的利用率，软硬件相互隔离减少设备依赖性，易于平台模块化设计、提高可扩展性，为用户提供了弹性服务的虚拟资源池，校内资源共享，为广大师生提供24小时开放的实验室和实训基地。

一、实践教学私有云平台的设计方案

实践教学私有云平台以云计算的体系结构为依据，突出了“教、学、练、做、考”五个环节；实践教学平台突出强交互性以适应教学。可提供包括实验手册、教学视频、教师参考答案、学生答案模板、实验素材、多媒体等多种实践教学资源。采用终端云平台、网络技术，实现多存储设备、多应用、多服务协同工作的海量信息服务系统。使用者可通过 PC、手机、移动多媒体等多种设备，实现数据、文档、图片和视音频等内容的集中存储和资料共享；将远程虚拟实训系统、自主学习在线考试系统和在线培训与考证系统引入到实践教学私有云平台中。

1.总体架构

实践教学私有云平台的总体架构如图1所示。

实践教学私有云平台按照云计算的三个不同层次应用，将高校的实践教学信息化资源整合在一起，向用户提供各种实践教学服务。

实践教学的私有云平台包括三个不同层次即SaaS层、PaaS层和IaaS层的应用。

实践教学私有云平台包括了高校内部的各种实践教学资源，平台还引入了教育应用引擎，是一个开放式平台，实践教学客户端、高校的其他教育应用程序都可以通过SaaS层，以SaaS的方式接入到平台上，供高校用户选择使用。

最底层IaaS可通过私用教育云IT资源，包括计算资源、网络资源和存储资源有机地整合在一起，并向上提供基础服务，这些服务包括分布式数据存储、计算服务、负载管理和备份等。其关键技术是服务器虚拟化技术，将分布式计算资源进行整合，统一管理和使用。IaaS可向最终用户提供各种服务，包括把各专业的实验实训室的实践教学和实践应用面向广大用户开放，如软件开发、嵌入式技术应用、电子商务、物联网和3G移动开发等各种实验室，打破时空的限制。同时还可远程开放帮助学生今后就业的“职业档案系统”、先进的“考试认证中心”和SNS的人才社区等。

PaaS层是实践教学业务的调度中心，主要功能包括统一身份认证管理、各种实践教学业务引擎、各种实践教学应用服务器、实践教学资源管理、统一业务访问控制、数据挖掘和分析等。这一层使用了桌面虚拟化技术，而各种开发工具、业务与管理支持工具、实践教学管理工具等有机地整合在一起，对上一层打包进行按需分配。

2.实践教学体系建设

实践教学体系的示意图如图2所示，实践教学私有云平台采用三段式、立体化的实践教学体系，可实现教学资源数字化、教学管理规范化，实践教学做到可控、可操作、真实。以往教学资源和实践教学的载体，要么在任课教师手里，要么存在学校服务器里，授课内容只是与教师有关，没有成为学校的教学资源，这样教学资源难以统一保存和管理，无法实现共享；学生实验环节需要教师实施监控，学生在离开实验室后就无法进行实验，教师难以及时答疑。实践教学私有云平台能把课程整合在这个教学管理平台中，实现教师教案数字化，利用教学平台的数据库，逐步形成课程实验库、课程设计库、综合实验案例库，实现教学内容的统一保存，实现共享。

在实践教学私有云平台上可实现教师和学生在实验环节交互，网上答疑、布置作业、批改作业，如学生可以向教师在网上提问；教师对学生作业可以在网上进行评价；增加学生自主学习的可能性；在网络环境里实现对学生的实验管理，包括分配任务和学生实验成果的统一归档保存。

为了达到实践教学的目标，课程实验的内容需要通过实际项目标准化、模块化后转变为实验教学资源引进校内，在校内对学生进行项目开发全过程的实际训练和培养。通过“学习—实践—学习”的方式，注重学生实践能力的培养，为学生接下来的职业生涯奠定坚实的理论和实践基础。

实践教学体系依据学生的认知规律，可以采用“项目驱动式”教学方法，使学生在入学时就明确整个大学期间的任务——完成“综合实验项目”；围绕“综合实验项目”学生应该掌握哪些技能；掌握这些技能学生应该学习哪些课程；完成每门课程的学习学生要做哪些课程设计；完成课程设计，学生要做哪些实验。通过一系列的任务分解，将学生从低年级到高年级需要参与的实践学习进行统一安排。

二、实践教学私有云平台核心建设内容

1.实践教学平台建设

实践教学私有云平台，是具有强交互性的基于实践教育为主的自适应教学平台。可提供包括实验手册、教学视频、教师参考答案、学生答案模板、实验素材下载、多媒体播放等多种实践教学资源。平台可以支持云计算、软件开发、嵌入式系统设计、嵌入式应用项目开发、物联网项目开发、移动开发等多个IT领域，可以为高等院校搭建全校范围的全方位互动式整体教育实践平台。

平台技术架构的特点如下：

（1）扩展性强，分布式集群构架可支持全校大用户量的应用。① 平台为富客户端分布式架构，前台是客户端，后台是浏览器。服务器端通过平台应用（用Java和Flex语言编写）Web服务器与后台数据库（MS-SQL Server2003）进行交互。② 平台可适用于单一的或多个服务器架构（取决于用户数量），这与平台内置的 Java Application Server （Nginx+Tomcat）的特性是一致的。③ 平台可以进行多台服务器上的集群安装，以提高平台的整体性能。系统采用富客户端分布式技术，集群的设置具有可扩展性可使响应优化。

（2）系统部署采用负载均衡技术，数据存储的负载均衡强化了系统运行的稳定性。

（3）友好的界面和可供用户设置的配置：软件设计人性化，易于操作，同时具有安装及卸载方便、运行稳定、移植性强等特点。

2.实践教学平台技术功能

实践教学私有云平台软件的主要技术和功能要求如下：

（1）技术要求

①平台应为B/S与富客户端相结合的系统，前后台分离，前台使用B/S架构，后台使用主流的富客户端技术。

②为了安全稳定和性能需要，能部署在Windows和Linux服务器上。

③数据库和应用程序都能实现多服务器的负载均衡部署。

④平台可支持学校资源库的建设，除了支持计算机相关专业的系科使用外，也可以扩展为支持非计算机专业的系科，除了支持实训外，还必须能辅助日常课程教学。

⑤平台能支持绑定项目实训所需的开发工具和开发环境。

（2）后台管理系统功能

①模块一，基础数据管理，包括用户管理、权限管理、角色管理、机构管理。

②模块二，教学资源管理，包括资源分类管理、课程基础实验管理、课程设计实验管理、综合案例实验管理、学习导向管理。

·教学资源分类支持多层次、多分支灵活配置；

·课程基础实验和课程设计实验有内在的逻辑关系；

·综合案例实验能分拆到课程中训练，同时还能确定训练顺序，形成可编辑的学习导向图；

·案例的源代码和答案能按工程文档方式展示，同时控制是否开放给学生；

·资源文档必须支持PPt、视频等多种格式的导入。

③模块三，课程资源管理，包括课程管理、课程章节管理、课程资源配置管理。

·课程必须与课程任务书对接；

·课程配置允许一门课程由多个教师授课，教师配置课程案例后系统能自动分配任务，而不需要人工操作。

④模块四，课程实施管理，包括学生管理、教师管理、课程计划管理，学年学期管理。

·教学计划管理必须与学校教学计划无缝对接；

·学生管理既要支持自然管理还要支持教学大班管理；

·教学计划的执行自动完成，不需要人工干预。

（3）教师端功能

①即时通讯，支持教师实时在线和学生聊天并实时交流。

②实训管理，支持个人资料维护、教学资源检索、教学任务的微调管理、分组训练配置、综合案例角色化、流程化任务分配。

③作业管理，支持提交作业流程管理（包含催缴作业功能）、学生作业情况监控、学习导向图查看、修改密码和密码取回、学生作业相似度比较、学生作业评价。

④实训项目检查，支持远程实时浏览学生实训项目运行情况。

（4）学生端功能

①即时通讯，支持学生与教师或同学在线实时聊天进行技术沟通。

②可支持在线调用并使用项目所需开发工具及环境，在线展示自己的作业并部署。

③支持实训任务的接受、在线实验结构展示、课程列表、教学资源检索、学习导向图、个人资料维护、修改密码和密码取回。

三、平台开发重点解决的关键问题

本实践教学私有云平台重点解决以下关键问题：

（1）创新型实践教学私有云平台的建设方案中如何构建学校的实践教学“私有云”，制定相关流程和标准来保证客户的数据安全，根据不同的需要，搭建符合自身要求的私有云平台，打造学校私有的“公共资源云”，以便更好地为本校师生服务。

（2）建立实践教学私有云平台的技术规范，建立共同的技术标准，按照相同的规范来搭建数据库平台，防止出现数据不兼容的情况。

（3）与“公共云”紧密缝合，实现最大范围的共享，在云计算环境下，实现各种实践教学私有云的数字化教学资源库无缝连接，云与云直接形成网络，扩宽资源的共享宽度和广度。

（4）建立创新型实践教学私有云平台，在云计算的实践教学数字化资源库建设中，充分利用资源库开放性的特点，增加其使用的交互性。各种实践教学资源虽然存储在云端，但是用户可以很轻松地检索各种资料信息，设置资源入库、编辑、调用、查询、下载等。

（5）开发基于移动设备的客户端软件，方便随时随地访问云端资源，使移动学习成为了可能，并在使用过程中实现最大范围的交流和交互。

四、结论

本文开发的实践教学私有云平台是以云计算体系结构为依据，突出“教、学、练、做、考”五个环节；硬件资源虚拟化和自动化，服务器、存储和网络等都在一个统一管理、分配的资源池中，根据业务要求具备弹性的伸缩能力，应用程序真正做到可扩展，侧重在满足实践教学的服务上，使应用程序屏蔽了底层硬件架构的复杂性。通过虚拟化与弹性化，组织内部云减少了对硬件设备的需求；通过对底层资源的屏蔽和高可管理、高可用等特点，内部云降低了运维难度和管理的成本。实践教学私有云平台具有很好的实用性。

参考文献：

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（编辑：王天鹏）