范大鹏，李 丹，张雅君，祝轶欧，孙成发

（黑龙江科技学院计算机与信息工程学院，黑龙江 哈尔滨150027）

引言

随着科技的快速发展，高校实验室计算机设备面临不断更新的问题，而频繁更新设备需要大量的资金投入，对高校是一个不小的负担，有些高校很难承担得起，因而不能满足教学的需要;高校的师资力量、教学实验设备、精品课程等教学与实践资源分布不均，不能充分共享.这些问题都影响着高校教学和人才培养.

正是云计算的出现，可以很好地改善高校教学资源状况，给予高校实验教学以新的生命力.

1 云计算简介

随着云计算技术不断的发展，到目前为止云计算产生了百家争鸣的态势，产生了不同的定义，本文在高校实验教学的基础上定义云计算为:云计算是以普遍的网络应用为基础，采用虚拟化技术、应用软件技术、现有设施即为服务、平台即为服务、软件即为服务等不同技术及概念相结合的商业应用的结果，是一种综合分布式、并行运算、共享服务架构的方法.

云计算技术的基本原理是，用户所需的应用程序并不需要运行在用户的个人计算机、手机等终端设备上，而是运行在互联网的大规模服务器集群中.用户所处理的数据也并不存储在本地，而是保存在互联网的数据中心里面.这些数据中心正常运转的管理和维护则由提供云计算服务的企业负责，并由他们来保证足够强的计算能力和足够大的存储空间来供用户使用.在任何时间和任何地点，用户都可以任意连接至互联网的终端设备.因此，无论是企业还是个人，都能在云上实现随需随用.同时，用户终端的功能将会被大大简化，而诸多复杂的功能都将转移到终端背后的网络上去完成［1］.

2 高校目前实验教学的两种方式

高校实验教学时通过实验室提供的仪器设备，在教师的指导下，学生通过动手实践运用设备完成研制或验证书本上的知识的过程，该过程使学生通过观察、分析、改正、综合以及设计的方法达到掌握相应知识的能力.

高校现有的实验教学方式有以下两种方式.

1）学生单机实验方式

该教学方式是最早的高校实验教学方式，该方式实验教学简单，学生可以灵活的实验，但该方式存在实验教师辅导困难、学生约束力不强、需要设备多等缺点.

2）同屏多机实验方式

该方式是在学生单击实验方式的基础上利用同屏软件进行的实验教学方式，如图1 所示.从图1 可知，教师主控端只要安装主控软件，学生端安装被控软件，就可以实现同屏教学的效果.该方式可以实现教师端的操作和学生端的操作同步，可以很好地解决单击操作的不力因素，教师在给学生讲解教学内容的同时也可以实时地回答学生的问题，并且可以监控学生的操作过程.同样同屏多机实验方式也存在诸多问题:首先学生端被教师端控制之后，学生如果想实践就得等到教师端解除控制之后才可以;其次该方式同样需要每个学生一台计算机，而硬件成本高不利于问题的解决;最后如果实验过程中学生需要安装额外的软件，软件的安装过程需要占用很多的时间，没有解决软件维护的问题.

图1 同屏实验教学方式

3 应用云计算对实验教学的影响

目前，高校各部门尤其是实验室要建立一套适合本校特点的的信息化系统，很大的成本在于需要购买硬件等基础设施，还需要购买相应软件的使用许可证，同时需要专门配备技术人员进行维护.采用何种途径降低硬件更新及软件维护费用?如何根据高校的具体情况定制软、硬件实验室资源的高效利用且可靠性高的服务?带着这些问题，本文以云计算概念和理论研究的最新成果为出发点，将云计算技术应用到高校实验教学中.云计算具有很大的发展前景，将为高校实验室运行模式带来根本性的变化.

3.1 实验教学方式的改变

采用云计算的实验教学方式是利用现有的较成熟的虚拟技术.虚拟技术可以将现有不同物理结构的设备、同时实现不同应用功能的设备虚拟化成一个表现事物的形式，采用不同的虚拟化技术，可以实现主机和物理存储资源的一体化整合，提高主机和物理存储资源的分布式共享，提高资源利用效率，降低软、硬件购置及软件维护费用，大大方便管理.

采用云计算实验教学的总体架构，如图2 所示.采用云计算之后教师上课地点可以随意改变，只要存在网络环境，就可以通过互联网和局域网两种方式访问虚拟服务器，监控学生上实验课的情况;而学生也可以采用集中实验和分散实验两种方式，这样可以极大地方便学生的上课环境，同时降低学校在实验室的投入;引入云计算后，其中心设备群是云计算服务器设备，该服务器群采用虚拟技术为每一个访问终端提供一套虚拟系统，该系统完全模拟单机环境，访问者如同访问单机设备一样，不存在访问适应不良的情况［2，3］.

值得一提的是学生端可以不受环境的限制，在不同的环境下都可以做实验，如在寝室、家里等，还可以在任何地点温习实验内容，强化课程的知识，有利于学生对知识的掌握.

图2 云计算实验教学的总体架构

3.2 实验教学中硬件投入的改变

以70 台计算机的大型机房为例，传统实验室和云计算实验室配置情况，见表1.

表1 传统实验室和云计算实验室配置资金对比 元（人民币）

从表1 可以看出，采用云计算技术之后，计算机教学实验室所需费用大约是传统方式的23%.在实验教学规模扩大时，采用云计算平台技术方案，只需要适当地扩充服务器上的物理内存，添加适当容量的硬盘，进行云终端软件更新等;而传统方式不仅要增加计算机主机，还要购置各个机算机设备上的软件，因而费用高.从计算机的能耗上看，传统方式下计算机主机的能耗（如果采用均值约300W 电源功率），产生的消耗量也远远大于云计算（设均值＜5W 电源功率）的总能耗量.应用云计算机架构的网络基础设施，构建出云计算平台，通过采用虚拟化技术形成的应用平台，实现网络应用资源平台、计算资源共享、存储资源分布式以及安全资源并行，根据不同业务或者不同用户的需要量进行适当的分配，这样就可以实现同一个基础网络平台，实现广泛的教学应用、科研运算、管理统一、服务均衡等各项业务，这将是今后教育行业实现信息化的发展方向.

3.3 实验教学中软件维护的改变

在云计算环境中，操作系统在服务器中的虚拟机上运行，服务器应用本身是虚拟化的，但是虚拟化的服务器在功能上跟正常的物理服务器是一样的，可以安装和实现任何的需要与应用.服务器虚拟化技术应用有很长的历史，很早就应用于小型PC 机的虚拟化分区上，目前将该技术运用于云计算平台取得了很好的效果.当前比较流行的服务器虚拟化软件主要有VMWare，提供免费的是ESXi 服务，同时提供收费的是vSphere 服务;思杰虚拟机提供免费的是XenServer 服务，同时提供收费的是Essen-tials 服务;KVM、微软也有相应的虚拟化软件如Hyper－V 等，较别的虚拟化软件，VMWare 的vSphere软件由于适应范围广、相对比较成熟，可以安装大多数操作系统上.通过采用服务器虚拟化技术，可以将一台物理服务器当做n 台虚拟服务器来使用，比如一台性能和价格都很高的物理服务器，可以通过虚拟软件虚拟出数台服务器，这样对于计算能力要求不高和资金短缺的系统和单位，就可以实现多个系统在一台物理服务器上同时运行而不会互相影响，同时大大降低了软件维护的工作量和硬件采购的费用［4，5］.

3.4 学生学习方式的改变

云计算环境下，以学习者为中心的个人学习环境将是网络学习的发展趋势，网络学习已不再被局限在学校机构的范围内，而是更广泛的、学习者可自行创建和管理的空间，学习活动也更多地由学习者自己而不是学校机构来控制，利于云计算服务器虚拟平台，学生可以脱离实验室环境学习.云计算增强了网络学习的灵活性和敏捷性，能够使学习资源和学习工具随时随需而用，降低传统实验室实验教学的学习资源与服务的费用，创建灵活的学习方式，创设丰富的学习情境，提高学习效果［6］.

4 结论

通过上述分析，可以看出在云计算日益普及的今天，采用云计算技术无论是从改变传统实验教学方式、节约高校设备投入成本，还是从优化教学方式来看，将云计算技术应用到高校实验教学中势在必行.

［1］张健.云计算概念和影响力解析［J］.电信网技术，2009，（1）:15－18.

［2］王玉芬，郭晓娟.云计算对高校教学资源影响解析［J］.实验技术与管理，2009，（5）:111－113.

［3］钱进，苗夺谦，张泽华.云计算环境下知识简约算法［J］.计算机学报，2011，34（12）:2332－2343.

［4］刘鹏.云计算［M］.北京:电子工业出版社，2010.

［5］刘国明，夏祖勋.基于云计算架构的高校实验室设计与实施［J］.漳州师范学院学报:自然科学版，2011，（3）:25－29.

［6］朝乐门.浅谈高校ERP 实验课程建设［J］.计算机教育，2006，（3）:30－33.