云计算实验室的建设与创新实践教学
摘 要：为满足计算机实验教学以及创新实践训练对多样化实验环境的需求，提出了云计算实验室的建设规划，开发基于OpenStack的云计算实验平台，提供共享资源，并按需分配实验资源。以云计算实验室为依托，构建创新实践教学体系；通过强化创新项目训练，采用开放自主的实验形式，建立创新实践激励机制等措施，提高学生的实践能力和创新意识。
关键词：云计算实验室； 创新实践教学； 实验室建设； 实验平台
1 云计算实验室建设的意义
目前高校的教育教学更加注重学生的创新精神和实践能力的培养，实践教学对创新人才的培养发挥着重要作用,是培养学生的创新意识、综合素质和实践能力的主要途径和有效手段[1]。云计算技术作为一种具有虚拟化、高扩展性和按需服务特性的新型计算模式，为高校计算机资源的建设和教育教学模式的改革提供了新的解决方案。近年来国内很多高校围绕基于云计算的应用展开研究，在云计算教学资源建设[2-3]、云实验平台设计[4]、云计算辅助教学[5]等方面进行了有益的探索和实践，推动了高校教育教学的创新与发展。构建基于云计算的实践教学环境，是对高校实验资源进行有效管理的现实需要，同时也为实践教学模式的改革和学生创新实践能力的培养提供平台支持。
2 云计算实验室建设的主要内容
我校物联网工程学院把人才培养定位在高素质复合型、创新型高级工程技术人才的高度, 为保持实践教学平台的先进性,学院与云计算企业合作共建云计算实验室，在硬件、实验平台、教学资源等方面进行建设。在实验室建设方案的设计中，就考虑到将先进的设计理念和技术引入到实验教学中,为实验、创新实践活动以及学科竞赛训练等提供环境支持。
2.1 云计算实验室总体结构
云计算实验室的设计目标是通过网络、服务器、存储虚拟化整合计算资源，提供多层次、多种类的实验资源支持，使用户可以随时随地在云客户端获取和定制自己所需的应用环境。实验室采用资源集中部署、平台集中管理、封闭实验环境和开放实验环境相结合的部署方式，总体结构如图1所示。
图1 云计算实验室总体结构图
实验室硬件资源由高性能服务器、存储设备、网络及其他硬件设备组成，采用IBM X360服务器(64 GB内存、1 TB硬盘、24核CPU、2个千兆网卡)构成物理服务器集群，包括一个控制节点，一个存储节点和多个计算节点，各节点之间通过以太网交换机链接，通过使用虚拟化技术使服务器以及存储设备等物理资源形成统一的虚拟资源池。采用开源的云计算解决方案构建云资源管理平台，对实验资源和实验环境进行统一管理，提供用户认证、镜像模板管理、虚拟机实例管理、存储空间服务等。云资源管理平台可以实现有效的教学管理、资源配置和实验部署，还可以实现硬件资源的扩展和软件资源的升级与更新，以及在虚拟化资源之上提供新型的定制应用环境，如各类应用软件、云平台监控系统、大数据应用环境以及云桌面系统等。云计算实验室提供2种实验环境：一是将实验平台通过交换机链接到机房终端，形成集中管理的实验环境；二是通过路由器链接到校园网或广域网环境，实现开放的在线虚拟实验室，用户可以进行远程操作和实验。在云环境下的用户只需在客户端根据需要提出实验请求，云资源管理平台便可以以虚拟机的方式提供实验资源，并在云端运行软件、处理并存储数据。
与传统实验环境相比，云计算实验室提供虚拟化资源池以及多种层次的实验资源支撑，能够根据需求合理分配、使用和回收实验资源，实现对资源的最大化利用和最优化管理。云计算本身具有高性能、高可用性和易用等特点，基于云计算技术构建的云资源管理平台提供统一化多维度的管理功能，能够保证平台管理的可靠性和安全性。
2.2 云计算实验平台构建
云计算实验平台是为教学、科研以及创新实践训练提供实验环境和展示服务的系统，要求能根据用户的需求快速创建实验环境，并对实验资源的分配和使用情况进行有效的管理和监控。实验室基于“IBM OpenStack Solution for System X”云平台解决方案构建基于OpenStack的实验教学平台[6]，提供资源共享、按需分配的弹性计算服务。在云平台中部署了用于系统资源监控和云环境配置的管理工具，以及满足实验需求的应用服务，包括虚拟桌面、大数据处理环境、云应用开发支撑系统等。云计算实验平台的架构如图2所示，包括基础设施层、系统服务层、应用服务层、用户访问层。
图2 云计算实验平台架构图
(1) 基础设施层为云平台提供硬件支持，包括网络、计算和存储设备等，通过使用虚拟化技术KVM使物理设施资源形成统一的虚拟资源池。
(2) 系统服务层提供对云平台的资源管理、服务配置、实时监控等功能。通过部署OpenStack的核心服务组件，包括存储服务(Glance，Cinder)、计算服务(Nova)、认证服务(Keystone)以及网络服务(Neutron)等提供对云资源的管理；配置开源的网络资源监控工具Ganglia和 Nagios，对云平台的主机运行状况、服务状态以及性能进行实时监控；设置自动化配置管理工具，对OpenStack的服务进行组织和安装，实现云环境的快速配置。
(3) 应用服务层通过对镜像、云主机、云存储等资源的开发和管理，为用户提供不同需求的应用服务。通过部署大数据应用平台Hadoop，提供分布式数据处理和存储环境；采用VDI(virtual desktop structure，虚拟桌面架构)模式构建桌面云系统，便于用户自主创建和管理虚拟实验环境；针对不同的教学和实验要求，配置多种实验环境的镜像模板；按照创新实践项目的训练要求部署虚拟服务器和软件开发环境，构建相应的创新实践训练平台。
(4) 用户访问层提供云平台的访问接口，用户可以通过浏览器、桌面云客户端的方式登录云实验平台，申请云资源并定制个性化实验环境。
云平台可以按照不同的需求提供不同资源类型的虚拟主机，云平台下的虚拟实验环境具有快速部署、易于备份和恢复的优点。用户能够通过云平台提供的虚拟机快照功能实现对数据的备份，并基于该快照重新启动虚拟机，将数据恢复到某个可用的时间点状态[7]。
2.3 实验教学资源建设
(1) 基础实验资源建设。实验室围绕“云计算与大数据技术”“移动互联网技术”“物联网应用”3个重点课程群，设计相应课程的实验教学内容，并在云实验平台配置包括主流操作系统、数据库管理系统、软件开发语言环境、分布式数据处理以及移动应用程序开发等在内的多种实验资源，满足相关课程的实验需要。学生可以随时通过校园网登录实验平台，自主创建和管理虚拟实验环境，提高了实验过程的连续性。
(2) 拓展训练平台建设。随着学生科技创新活动及各类学科竞赛的开展，学生对实验资源的需求表现出多样化、多层次的特点。实验室与企业单位合作，结合不同专业的实践要求和行业工程背景，在云环境下构建能够提供专业实训环境的拓展训练平台，如大数据项目实践平台、云计算应用训练平台、移动流媒体应用开发平台等，学生通过此类平台可以申请并获得专业实践训练所需的软硬件资源，提升学生的动手能力和项目操作能力。大数据项目实践平台提供分布式数据存储和处理环境，用户可以在云环境下快速创建一个虚拟机集群，并利用高性能的集群节点执行分布式应用程序，完成大数据处理任务；云计算应用训练平台提供了IaaS、PaaS云平台应用实验的开发环境，涵盖目前广泛采用的主流开发语言和数据库支持，学生可以通过模拟实现行业云应用案例，训练云计算实战能力；移动流媒体应用开发平台提供移动视频直播系统的服务端环境和流媒体软件开发包，学生可以基于该平台设计实现基于云环境的实时移动视频应用实验。
(3) 课程教材资源建设。实验室应用先进的“互联网+”教育理念和模式，对云计算技术应用类课程和专业综合实践类课程进行在线开放课程的开发建设，整合包含视频、PPT课件、文字等多种媒体形式的实验素材，实现优质资源共享，方便学生随时进行在线学习活动。以学生就业和社会实际需求为导向，针对云计算应用产品开发、算法设计与程序实现、数据库等实际案例，编著出版了多本实验实践教材[8-9]，并根据需要和教学实际情况进行适当的修订和优化，通过设计具体案例引导学生独立自主完成实验项目。
3 云计算实验室教学实践
云计算实验室承担了计算机软件类大部分实践教学任务，如课程实验、课程设计、毕业设计等，提供多种课内实验和课外拓展训练实践环境，涵盖了公共基础实践、学科专业实践、拓展创新实践环节，建立了以“基础-应用-创新”为主线的多层次递进式的实践教学课程体系[10]。公共基础实践主要通过基础实验和验证型实验来培养学生的基本实践能力。学科专业实践以培养学生的专业素质和初步的科研能力为目的，通过研究型实验项目来强化综合应用训练，结合企业案例开展学科专业实践能力培训；拓展创新实践通过提供创新创业训练平台和学科竞赛训练平台，支持学生开展自主创新实践活动，着重培养学生的学术品格和创新素质。
3.1 实验项目的设置和实施
实验室根据不同课程的教学和实验要求，在云平台中配置了多种镜像模板，用户可以根据实验需要创建不同的桌面虚拟机并搭建个性化的实验环境。依托云计算实验平台，物联网工程、计算机科学与技术等专业本科开设了云计算技术应用、移动应用开发、专业综合应用等实践课程，将云计算理论、实验平台和实际的应用案例相结合，设计开发课程的实验项目。在实验类型上增加综合性、研究性实验的比例，强化学生的实践创新能力，通过系统的云计算实战训练，培养适合企业需要的专业性云计算人才。云计算实验室部分综合性实验项目的设置如表1所示。
实验教学始终以学生为本，从实验内容、教学方法和管理手段等方面的设计上突出学生的主体作用，注重发挥学生的主动性和创造性。学生除了按已有的实验项目进行实验外，还可以自行设计实验方案，教师引导学生在实验中发现问题、解决问题，并对学生实验提出的建议给予反馈[11]，对实验进行总结、改进和创新。以云计算技术应用课程为例，课程设置的实验项目包括基础实验和综合应用实验，实验形式采用“封闭实验+开放实验”模式，通过理论和实践相结合，帮助学生对云计算理论建立完整的知识体系，培养对云计算环境的认知、分析、设计和运用能力。基础性实验采用机房集中实验的方式，按照课程教学的进度实时安排实验项目，内容涵盖云平台的搭建、云平台基本操作、虚拟化技术、云资源管理以及分布式计算等关键技术，使学生掌握基本的云平台实践技能。综合应用实验采用开放实验形式，学生以小组形式进行提高学习，结合行业云应用案例进行云计算应用系统的设计开发，实验项目可以是IaaS/PaaS平台的搭建配置和应用开发，或者设计一套从底层到应用的云计算解决方案，要求学生完成实验方案设计、实验实施、实验结果的分析讨论等环节，训练学生的思维能力和综合实践能力。
表1 云计算实验室部分综合性实验项目
云计算实验室也为学生参加学科竞赛提供了基础条件和训练平台，参赛学生根据赛事的历年试题和自身的实际情况进行系统的培训，培训内容分为基本训练项目和专题训练项目。基本训练的目的是巩固学生的基础理论知识和基本的实践技能，如公共云平台配置、数据库设计、算法实现等基础训练，由历届参赛的高年级学生集中指导低年级学生进行实验练习并传授经验，提高学习效率；专题训练是由指导教师组织相应的专题培训，如移动终端应用开发、云计算数据处理机制、交互式App、虚拟现实应用等，并指导学生在实验平台进行开发和测试，同时对学生的科技思想与科研方法进行系统的训练和培养，以提高竞赛作品的质量。近年来学生在省部级以上学科竞赛如“中软杯”“蓝桥杯”软件设计大赛、全国高校云计算应用创新大赛中都有突出表现，获得多项奖项。
3.2 创新实践教学的实现
实验室在教学实践中遵循学生创新素质培养的基本规律，对实验环节进行不断地改革和探索，融入创新培养的基本理念和教学要素[12]，在内容设置上体现启发性、过程管理中体现能动性和参与性、考核方法上注重提升学生的积极性，还专门针对创新训练制定培训大纲和培训项目，开放实验资源，尽可能多地激发学生的创新意识和科研潜力。
(1) 根据年级知识基础与特点，制定针对性的创新实践培训计划和培训大纲。创新实践培训计划充分考虑到不同年级的学生知识层次和实践能力的不同，按照循序渐进的培养规律制定训练目标，充分调动学生的潜力和积极性。对于低年级学生主要是开展课外拓展实践和各级大学生创新创业训练计划，或者参加数学建模、电子设计等基础课程的竞赛，并派专业教师进行指导，以项目训练的形式锻炼学生的实践技能；对于高年级学生，为他们参加国际、国内高端学科竞赛，或者参与教师团队的科研项目提供指导和实验平台，以学科竞赛和科研活动带动创新实践能力的培养。
(2) 产学合作共建创新实践训练项目。实验室与云计算领域知名企业合作，通过教师培训以及企业提供共享资源和数据的方式共建实践训练项目。结合企业的技术背景和成熟平台，通过设计和发布具有企业工程背景的创新性实验项目，以学生申请立项的形式，支持学生进行开放式的实践创新训练。学生结合行业应用案例，在云环境下开展各类综合实验和创新项目，自主完成创新性实验方法的设计、开发环境的准备、实施、数据处理与分析，充分锻炼学生的工程实践能力及适应力，为走向工作岗位做好提前演练。
(3) 开放的实验形式。开放型实验为学生从事创新实践提供时间、空间和资源的便利，打破了传统实验方式下学生被动学习的弊端，更能适应新时期提高学生综合素质、培养高素质创新人才的需要[13]。实验室开放共享的云实验平台为学生提供了主动学习的新型实验环境，实验所需的软硬件资源可以远程登录到云实验平台申请分配，并通过虚拟桌面的方式获取。学生只要获得云平台使用权限，在校园网中可以随时随地登录自己的账户空间，创建所需的实验环境，完成科研项目或创新训练，课余时间也可以进行实验练习操作。借助在线开放课程和云实验平台，学生在线进行预习、讨论、实验作品提交以及实验拓展环节，教师在云平台管理和验证学生提交的实验作业，在线完成评定工作。
3.3 创新实践教学的激励机制
创新实践教学注重对学生能力的培养，实验项目的难度较大，对学生的自主学习能力也有较高的要求。为了保障创新实践教学的质量，提升学生参与创新实践活动的积极性，实验室制定了创新实践活动的管理制度，建立了相应的激励和评价机制。实验室制定并发布开放创新性实验项目，学生可以申请实验立项，也可以自带项目，以团队形式开展实验活动。实验室为学生提供实验资源并配备辅导教师，建立创新实验过程管理手册，记录包括课题背景、研究目的及意义、实验中期检查报告、实验结题报告及总结等在内的过程管理信息。学生在实验完成后可以获得素质拓展的必修学分，在奖学金评定和免试研究生推荐方面也会获得加分，优秀的实验作品还可以参加各类科技竞赛，以提升学生的荣誉感和成就感来激发学生的参与热情，吸引更多学生开展创新实践活动，逐步在学生中间形成创新风气。
4 结语
把云计算的技术和方法运用到高校教学和实验室建设中，可以充分利用、整合高校优质的网络、信息资源，更好地为师生服务。云计算实验室具有开放共享的资源优势，提供服务于课程教学和创新实践体系的实验资源，在创新实践教学内容以及教学方法的支持下，满足了学生自主研学和创新实践的要求，提高了本科生的综合素质和创新能力。为了更好地满足教学实践的多样化服务需求，实验室未来将继续加强与企业合作，进一步强化创新实践能力的训练和实践教学的过程管理，使创新实践教学达到更理想的效果。
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