以大數(shù)據(jù)為背景的高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與管理

常青

[摘? ? 要] 大數(shù)據(jù)的推廣與應(yīng)用日趨成熟，在此背景下，在高校構(gòu)建順應(yīng)信息化時(shí)代發(fā)展的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室，將實(shí)驗(yàn)、科研、教學(xué)緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、儲存、分析和計(jì)算。本文不僅分析了目前高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)需求，還研究利用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)，搭建了實(shí)驗(yàn)管理平臺的整體架構(gòu)，提出了目前實(shí)驗(yàn)室存在問題的建設(shè)管理解決方案。

[關(guān)鍵詞] 大數(shù)據(jù);云計(jì)算;實(shí)驗(yàn)室

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2019. 05. 086

[中圖分類號] G482? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]? A? ? ? [文章編號]? 1673 - 0194（2019）05- 0218- 02

1? ? ? 高校大數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)需求分析

1.1? ?目前傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)狀

近幾年全國各高校均已建設(shè)了智慧校園，開展了信息化教育，在實(shí)驗(yàn)室的授課過程中共享諸多教育資源，但同時(shí)也存在一些不足。

（1）實(shí)驗(yàn)室所購置的電腦硬件配置不同，個(gè)別實(shí)驗(yàn)室設(shè)備較為陳舊，個(gè)別機(jī)型不適應(yīng)某些教學(xué)軟件的需求。

（2）高校的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室往往承擔(dān)全校的計(jì)算機(jī)公共課程，利用率高，與此同時(shí)，設(shè)備的損壞率也高。

（3）學(xué)生在計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)課上經(jīng)常會使用U盤、移動(dòng)硬盤等存儲設(shè)備，這些存儲設(shè)備可能會存在木馬程序或病毒，導(dǎo)致電腦中毒或是局域網(wǎng)內(nèi)中毒。即便使用殺毒軟件或保護(hù)卡的還原功能，個(gè)別病毒仍防不勝防。

1.2? ?利用現(xiàn)代技術(shù)手段，確保實(shí)驗(yàn)室具備數(shù)據(jù)挖掘和云計(jì)算的能力

高校的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室，主要功能就是滿足課程的基本上機(jī)操作，但是在大數(shù)據(jù)的背景下，實(shí)驗(yàn)室需要在網(wǎng)絡(luò)及數(shù)字化教育資源共享的基礎(chǔ)之上，充分地利用云計(jì)算、通信技術(shù)、智能控制等技術(shù)，創(chuàng)造智能、環(huán)保的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)環(huán)境。因此，對于高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)與管理還需達(dá)到以下幾點(diǎn)：

（1）搭建集數(shù)據(jù)的處理、存儲、分析、采集和資源管理能力的服務(wù)集群，可以利用大數(shù)據(jù)和云計(jì)算技術(shù)進(jìn)行項(xiàng)目管理。

（2）實(shí)驗(yàn)室可以利用大數(shù)據(jù)技術(shù)為學(xué)生提供個(gè)性化的服務(wù)，并提供大數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)資源，運(yùn)用云計(jì)算平臺來為學(xué)生提供一個(gè)教學(xué)與實(shí)踐相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

（3）全方位的圍繞計(jì)算機(jī)的課程特點(diǎn)，在高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室可以實(shí)現(xiàn)不同課程的相互結(jié)合，使實(shí)驗(yàn)室具備教學(xué)和科研相結(jié)合的服務(wù)能力。

2? ? ? 高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)方案

建設(shè)兼具云計(jì)算和大數(shù)據(jù)處理能力的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境是現(xiàn)在教學(xué)模式亟待發(fā)生的一項(xiàng)變革。一項(xiàng)合理的建設(shè)解決方案可以推動(dòng)教學(xué)課程的改革，可以推動(dòng)教學(xué)模式和手段的轉(zhuǎn)變。

按照計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)課程的特性，我們用物聯(lián)層、互聯(lián)層和智能層的三層架構(gòu)模式來構(gòu)建計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室。

（1）物聯(lián)層包括云平臺建設(shè)和物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)兩部分。

云平臺建設(shè)就是將計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的云終端、云服務(wù)器、云系統(tǒng)等實(shí)驗(yàn)室的資源虛擬化，所有的教學(xué)“云”資源，可以隨時(shí)來獲取，提高了資源利用率。實(shí)驗(yàn)室的用戶私有云，不僅可以阻止計(jì)算機(jī)病毒的入侵，還可以更大限度地保護(hù)用戶的隱私。同時(shí)云平臺的搭建，還有效減少了實(shí)驗(yàn)室的管理人員工作量，降低了終端維護(hù)管理的難度。

物聯(lián)網(wǎng)通過無線互聯(lián)技術(shù)，無線連接傳感器、致動(dòng)器和控制器[1]。利用傳感器來捕捉數(shù)據(jù)，再將視頻信息和數(shù)字信號進(jìn)行精密處理。除此以外，物聯(lián)網(wǎng)還可以針對特定目的進(jìn)行設(shè)計(jì)——可以利用攝像頭監(jiān)測學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)情況;可以利用傳感器傳輸并獲取實(shí)驗(yàn)室的溫濕度;可以設(shè)置門禁系統(tǒng)來保證實(shí)驗(yàn)室的使用安全等等。上述情況只需通過傳感設(shè)備收集數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)傳輸至互聯(lián)層即可進(jìn)行處理、集成和管理。

（2）互聯(lián)層可以通過物聯(lián)層和實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

通過Web服務(wù)或是某種協(xié)議，將物聯(lián)層捕捉到的數(shù)據(jù)傳輸至互聯(lián)層，再將這些數(shù)據(jù)統(tǒng)一匯總至數(shù)據(jù)中心進(jìn)行集中處理。

實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)主要包括實(shí)驗(yàn)設(shè)備的基本信息、實(shí)驗(yàn)課程的相關(guān)信息（比如排課情況，作業(yè)的發(fā)送及回收等）、上機(jī)的登記和統(tǒng)計(jì)、對實(shí)驗(yàn)室內(nèi)每一臺機(jī)器的登錄控制、用戶賬號信息的維護(hù)、統(tǒng)計(jì)、查詢功能。以上數(shù)據(jù)的格式不同，來源也不同，但都會映射至系統(tǒng)事件的服務(wù)中，再結(jié)合存儲于學(xué)校其他相關(guān)系統(tǒng)的信息，對初始數(shù)據(jù)進(jìn)一步過濾。將數(shù)據(jù)建模和數(shù)據(jù)識別相結(jié)合，形成新的數(shù)據(jù)源，并對其進(jìn)行優(yōu)化，以便為實(shí)驗(yàn)室提供更為準(zhǔn)確的信息服務(wù)。

（3）智能層涵蓋了環(huán)境監(jiān)測、開放預(yù)約、遠(yuǎn)程監(jiān)控、電力監(jiān)測和人員監(jiān)測功能。

智能層依托互聯(lián)層提供的數(shù)據(jù)，融合優(yōu)化事件管理和規(guī)則等應(yīng)用程序，提高數(shù)據(jù)的分析和可視化能力。智能層還將提供如自定義管理、預(yù)定義觸發(fā)事件、遠(yuǎn)程通告、遠(yuǎn)程處理等模塊，對各個(gè)類別的對象實(shí)施實(shí)時(shí)的智能化監(jiān)測[2]。利用相關(guān)數(shù)據(jù)，集成統(tǒng)計(jì)工具和數(shù)學(xué)算法， 在智能層做進(jìn)一步的擴(kuò)展。通過面向服務(wù)的架構(gòu)模型來進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與分析，再通過分析功能收集相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)行結(jié)果預(yù)測、數(shù)據(jù)建模、風(fēng)險(xiǎn)評估與決策。

環(huán)境監(jiān)測模塊一方面按照光線的強(qiáng)度和用戶位置，運(yùn)用光線傳感器，來對實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的照明設(shè)施及計(jì)算機(jī)屏幕自動(dòng)的調(diào)節(jié)明亮度。另一方面可以對實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的溫濕度進(jìn)行設(shè)置，以便自動(dòng)調(diào)節(jié)室內(nèi)的通風(fēng)和空調(diào)溫度;根據(jù)系統(tǒng)所顯示的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的空余位置可以采用開放預(yù)約模塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室預(yù)約;遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊可以有效地對照明、空調(diào)和網(wǎng)絡(luò)等儀器設(shè)備的連接及使用進(jìn)行監(jiān)控;為保證實(shí)驗(yàn)室內(nèi)動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，采用對實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的電源、UPS、防雷系統(tǒng)等動(dòng)力設(shè)施進(jìn)行遠(yuǎn)程的電力監(jiān)測模塊;為保證實(shí)驗(yàn)室的安全，可以通過攝像頭對實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的人員進(jìn)行監(jiān)控，制定相關(guān)的安全權(quán)限，對維護(hù)人員實(shí)施授權(quán)，記錄未授權(quán)人員，可采用人員監(jiān)測模塊。

3? ? ? 建設(shè)方案總體框架

具有高效、安全、可靠、開放和可擴(kuò)展性能的面向服務(wù)型架構(gòu)，是計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室所需遵循與搭建的總體框架。綜合實(shí)驗(yàn)室的硬件設(shè)施與軟件平臺，可以分為四層建設(shè)，即應(yīng)用層、云服務(wù)平臺層、虛擬資源層和基礎(chǔ)設(shè)施層[3]。

（1）應(yīng)用層主要包括教師和學(xué)生在計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)課程中的教學(xué)活動(dòng)，以及對教學(xué)資源的應(yīng)用處理。

（2）云服務(wù)平臺層就是軟件的項(xiàng)目管理平臺，主要通過云計(jì)算服務(wù)來進(jìn)行項(xiàng)目管理、任務(wù)管理、代碼管理和日志管理。

（3）虛擬資源層包括對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的管理、網(wǎng)絡(luò)儲存設(shè)備管理和計(jì)算機(jī)云資源的虛擬管理。

（4）基礎(chǔ)設(shè)施層是指實(shí)驗(yàn)室的計(jì)算機(jī)、存儲設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、分析處理設(shè)備和服務(wù)器等物理設(shè)備。

對上述四層建設(shè)進(jìn)行重點(diǎn)規(guī)劃，高校的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)才能更為合理，實(shí)驗(yàn)室的資源調(diào)配和使用才能達(dá)到最佳效果，實(shí)施統(tǒng)籌規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)資源共享，可以極大限度地提高教育教學(xué)的成果。建設(shè)大數(shù)據(jù)型計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室，可以促進(jìn)教學(xué)與實(shí)踐的改革，利用這種新的教學(xué)手段和教育模式，可以采集和處理學(xué)生的學(xué)習(xí)行為信息，為學(xué)生打造一個(gè)更為實(shí)用更為完善的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

4? ? ? 實(shí)驗(yàn)室的管理方案

在大數(shù)據(jù)的背景下，若需提高計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的管理水平，應(yīng)結(jié)合實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際情況，規(guī)劃并完善出從實(shí)際情況出發(fā)，與時(shí)俱進(jìn)的實(shí)驗(yàn)室管理方案。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室管理方案，要充分考慮到實(shí)驗(yàn)室的課程、資源調(diào)配、用戶所具有的資源權(quán)限、實(shí)驗(yàn)考核等多方面內(nèi)容。與此同時(shí)，也需要建設(shè)云服務(wù)平臺、云資源管理平臺和虛擬平臺[4]。

（1）云服務(wù)平臺：可以對云數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理。對實(shí)驗(yàn)課程中任務(wù)的發(fā)布、分解、測試、驗(yàn)收等多方環(huán)節(jié)實(shí)施線下管理，提高了教師的教學(xué)與學(xué)生的實(shí)踐能力。

（2）云資源管理平臺：該平臺可以為計(jì)算機(jī)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供素材和數(shù)據(jù)資源，也可以重復(fù)利用設(shè)計(jì)素材、設(shè)計(jì)案例、測試庫等過程性資源，提高了資源庫的利用率，保障了教育教學(xué)活動(dòng)的順利展開。

（3）虛擬平臺：在云計(jì)算數(shù)據(jù)中心將計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)和存儲資源 ，通過虛擬平臺，結(jié)合數(shù)字化技術(shù)，由物理資源向虛擬化資源轉(zhuǎn)換，同時(shí)按照用戶要求提供云桌面服務(wù)。虛擬平臺可以支持云桌面的基礎(chǔ)架構(gòu)，可以支持云技術(shù)的異構(gòu)模式，使云接入更為穩(wěn)定，云技術(shù)的移動(dòng)能力更強(qiáng)。對跨學(xué)院、跨學(xué)科、跨專業(yè)的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)課程管理、發(fā)布和融合，提供了更為安全可靠的技術(shù)支持。

5? ? ? 結(jié)? ? 語

在大數(shù)據(jù)的背景下，高校的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)摒棄以往的管理與建設(shè)模式，需要建設(shè)具備配套高開放性和高擴(kuò)展性的管理平臺。構(gòu)建安全可靠的管理平臺，可以提高學(xué)生的工程意識和實(shí)踐能力。同時(shí)，將云技術(shù)與計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的有機(jī)融合，充分發(fā)揮了實(shí)驗(yàn)室的功效，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室的智能化，可以為高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科研活動(dòng)提供最佳的服務(wù)。

主要參考文獻(xiàn)

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