在線實驗平臺及教學(xué)輔助策略研究

張召海，韓來權(quán)，韓秀超，雷開春

（1.東北大學(xué)秦皇島分校 計算機與通信工程學(xué)院，河北 秦皇島066004；2.秦皇島市實驗中學(xué)，河北 秦皇島 066004；3.上海社會科學(xué)院 社會學(xué)研究所 上海200000）

1 背 景

很多高校的運算及儲存需求不斷提高，但傳統(tǒng)煙囪式按需獨立的建設(shè)導(dǎo)致服務(wù)器自成一套體系，出現(xiàn)空間不足、數(shù)據(jù)不可相互支撐等尷尬局面，形成了硬件孤島。很多系統(tǒng)普遍存在能效比問題：比如某服務(wù)器性能高有資源剩余，但不能分享多余的資源給緊缺系統(tǒng)使用，造成浪費；在應(yīng)用高峰時，某服務(wù)器的瓶頸會造成整個系統(tǒng)應(yīng)用的癱瘓。某服務(wù)器有幾十個應(yīng)用（如資產(chǎn)管理、教務(wù)管理、郵件系統(tǒng)、教學(xué)教務(wù)等），使用中會有在訪問集中時段，資源頻頻預(yù)警。另外，高校限于設(shè)備所有權(quán)歸屬、需要保留科研實驗環(huán)境等問題而不能借調(diào)給其他項目使用。傳統(tǒng)模式無法適應(yīng)IT資源靈活、快速分配的需要。

更為困難的是，由于實驗要求我們，需要經(jīng)常變更服務(wù)器軟件或操作系統(tǒng)環(huán)境。管理員一臺一臺更新環(huán)境，不僅速度慢，而且非常容易出錯，部署工作量巨大、效率極低。同時，大量的服務(wù)器硬件增加了維護難度。個別單獨建設(shè)的實驗室運維經(jīng)驗不足，好多服務(wù)器直接放在地上，散熱不足，設(shè)備損壞率非常大，安全隱患也大。電源利用率低，大部分學(xué)校對實驗室不設(shè)置單獨電表，電源能效比極低。另外，還有一些隱含的浪費，配套設(shè)施空調(diào)、發(fā)電機、UPS等。即使某學(xué)?；?qū)嶒炇医?jīng)費充足，也不鼓勵傳統(tǒng)方式重復(fù)建設(shè)，也要集中使用云端資源。只有這樣，才能最大限度地發(fā)揮基礎(chǔ)設(shè)施的性能，降低總體投入成本，提高利用率。

2 MOOE研究現(xiàn)狀

MOOC是大規(guī)模在線開放課程的簡稱，是精簡視頻加上配套習(xí)題，按照授課進度呈現(xiàn)的教學(xué)內(nèi)容。經(jīng)歷MOOCs發(fā)展元年之后，世界各地掀起了慕課建設(shè)熱潮[1-3]。從2012年開始，有名的開放在線課程主要有EDX、Coursera、Udacity三大平臺。另外，國外比較流行的較大規(guī)模在線學(xué)習(xí)環(huán)境還有Sakai[4]及Moodle[5]。

在國內(nèi)，2013年被稱為中國的MOOC 元年[6]。國內(nèi)的中國大學(xué)MOOC、慕課網(wǎng)等相繼上線。與此同時，學(xué)堂在線、百度傳課、阿里淘課、騰訊課堂、51CTO學(xué)院、CSDN學(xué)院、網(wǎng)易云課堂、新浪公開課、華為、中興等都建立了自己的教學(xué)平臺。

相比于MOOC風(fēng)風(fēng)火火的發(fā)展，大規(guī)模在線開放實驗MOOE（Massive Open Online Experiment）的發(fā)展相對滯后。MOOE是將學(xué)校實驗室相關(guān)的一切資源（計算/存儲/網(wǎng)絡(luò)），虛擬化變換后，經(jīng)過資源池及資源重組等操作，向教師、學(xué)生、管理部門等提供在線實驗的平臺。

MOOE是對傳統(tǒng)實驗方法與手段的補充，在一定程度上解決了實踐教學(xué)中存在的問題[7]。崔貫勛[8]分析了當(dāng)前MOOC存在的不足，闡述了MOOE教學(xué)平臺所需的關(guān)鍵技術(shù)、平臺架構(gòu)、仿真模型及平臺運行模式。劉歡迎[9]介紹MOOE實驗室的主要特點，闡述合天實驗室關(guān)于MOOE的探索及其進展。 Song[10]對比了MOOCs和MOOE在中國的現(xiàn)狀，并討論其他技術(shù)和問題。Li[11]以FPGA的多核心計算為例分析了MOOE與MOOC之間的相似與不同，通過MOOE實現(xiàn)了理論課程及相關(guān)實驗。

3 平臺搭建及應(yīng)用實踐

3.1 OpenStack平臺搭建

如圖1所示，實驗云的主要思想是通過OpenStack云計算技術(shù)，解決教育孤島問題；實現(xiàn)實驗云平臺，并應(yīng)用于課前實驗、課中實驗及課后實驗等環(huán)節(jié)，達(dá)到提高實驗教學(xué)的目的。

圖1左上部分是最核心的區(qū)域：由于三層云計算模型發(fā)展得比較成熟，IAAS層面相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)、儲存和計算虛擬化技術(shù)較容易搭建起來；PAAS層面主要通過CAS認(rèn)證或LDAP輕量級目錄訪問等技術(shù)實現(xiàn)統(tǒng)一身份認(rèn)證系統(tǒng)。SAAS層面主要設(shè)置課程管理、預(yù)習(xí)備課、測驗考試、視頻演示、實驗報告等子模塊。相比PAAS及IAAS兩層來說，做好SAAS平臺非常費時費力，需要長期的積累。在OpenStack實驗平臺可以方便地實現(xiàn)虛擬機創(chuàng)建、掛起、暫停、遷移、重啟、銷毀等操作。OpenStack不僅虛擬化管理現(xiàn)有服務(wù)器，而且對新增服務(wù)器也方便進行資源池的更新。打通了硬件孤島，實現(xiàn)了系統(tǒng)的互聯(lián)互通互認(rèn)，使得整個實驗云平臺具備了利舊利管利用的能力。

圖1 基于OpenStack的實驗云平臺架構(gòu)圖

圖1右側(cè)部分是課前、課中及課后3個主要實驗的場景體現(xiàn)。在課前實驗環(huán)節(jié)，實驗云涉及教學(xué)終端，教師可以進行充分的備課。教師可以給學(xué)生發(fā)布預(yù)習(xí)任務(wù)，線上分配實驗資源，達(dá)到課前摸底的效果。在課中實驗環(huán)節(jié)，實驗云發(fā)生的場所是在實驗教室，教師和學(xué)生雙方都可以連接到實驗云平臺進行實驗或指導(dǎo)教學(xué)。在課后實驗環(huán)節(jié)，實驗云主要的使用者是學(xué)生。如果學(xué)生家里或者宿舍沒有接入校園網(wǎng)的環(huán)境，可以經(jīng)由VPN虛擬專用網(wǎng)技術(shù)接入校園網(wǎng)。

3.2 實驗云平臺應(yīng)用及實踐

筆者從實際的教學(xué)工作出發(fā)，在教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目合作單位合天智匯有限公司、NSFC-廣東聯(lián)合基金（第二期）超級計算科學(xué)應(yīng)用研究專項和國家超級計算廣州中心聯(lián)合資助下，對計算機網(wǎng)絡(luò)實驗課程進行了應(yīng)用及實踐。如圖2所示，“計算機網(wǎng)絡(luò)”選修人數(shù)81人，實驗所需資源是OpenStack虛擬化的云端資源。搭建的OpenStack系統(tǒng)會從資源池中動態(tài)劃撥資源，這里的資源包括CPU核資源、內(nèi)存資源、存儲資源及帶寬網(wǎng)絡(luò)資源等。

每一個實驗都需要1臺或多臺計算機，根據(jù)創(chuàng)建環(huán)境的數(shù)量不同，啟動實驗時間也不等。教師點擊實驗進度控制區(qū)域的“準(zhǔn)備實驗環(huán)境”按鈕，自動跳到課程主界面，進入詳細(xì)的實驗環(huán)境準(zhǔn)備界面。學(xué)生端連入實驗云，實驗環(huán)境只要具備一個瀏覽器即可。課程主界面如圖3所示。

課程主界面劃分為4個主要的區(qū)域。

（1）課程列表區(qū)域：這是教師的課程列表，通過添加課程操作生成。右側(cè)的信息是根據(jù)當(dāng)前課程列表的選中課程進行顯示。

（2）課程管理區(qū)域：顯示選中課程的簡介信息，并提供課程管理功能。

圖2 從資源池為學(xué)生準(zhǔn)備實驗環(huán)境

圖3 課程主界面

（3）實驗管理區(qū)域：顯示選中課程的實驗列表。這部分是整個平臺的核心和關(guān)注點。

（4）教學(xué)互動區(qū)域：顯示選中課程的動態(tài)信息。所謂動態(tài)包括本班師生之間的問答、筆記等信息。

如圖4所示，云端系統(tǒng)自動進行實驗報告的收集等功能。在課程列表區(qū)域，點擊課程下面的“課程考核”選項即可打開課程考核界面，課程考核功能一般在學(xué)期末，所有教學(xué)實驗都已經(jīng)完成的情況下進行。每個學(xué)生都可以在自己的賬號下查詢成績。對于學(xué)生而言，學(xué)生提交完實驗結(jié)果后，能看到這次實驗的平均得分、大家實驗時間等統(tǒng)計信息。

3.3 實驗云平臺帶來的好處

從圖5標(biāo)識①②兩處時間（非授課時段）可以看出，2個學(xué)生請假不能實驗，后來可以自己找時間補上。使用實驗云平臺過程中發(fā)現(xiàn)意想不到效果——身教重于言教！筆者每天都起得很早給學(xué)生批改作業(yè)及答疑解惑，學(xué)生端可以看到具體的答復(fù)時間。教務(wù)組織學(xué)生評教的反饋顯示：由于老師總是起得很早，很多同學(xué)不好意思睡懶覺，帶動了一批學(xué)生早起的習(xí)慣；另外，筆者搭建的實驗云平臺支持外網(wǎng)VPN接入，教師可以在任何時間、任何地點登入系統(tǒng)。筆者出差火車中的答疑、剛下課下樓過程中對學(xué)生疑問的秒回，不但使學(xué)生的疑難點得到了及時的解答，而且極大地提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性。教育信息化“十三五”規(guī)劃提出“人人皆學(xué)、處處能學(xué)、時時可學(xué)”的發(fā)展目標(biāo)，基于OpenStack的實驗云平臺，給出了強有力的佐證。

圖4 課程考核界面

圖5 從實驗時刻看實驗云平臺的好處

4 結(jié) 語

針對現(xiàn)有高校普遍存在的實驗孤島現(xiàn)象，提出基于OpenStack的解決方案。通過整合已有的各種軟硬件資源，實現(xiàn)集約化實驗云平臺，充分利用實驗室及機房建設(shè)產(chǎn)生的冗余閑置資源。對課前實驗、課中實驗、課后實驗都進行了積極思考，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。在實踐中積極搭建實驗平臺，不僅提高教師及學(xué)生的動手能力，提高實驗相關(guān)技能，而且?guī)又苓吀咝５膶嶒灲ㄔO(shè)，將有助于改善教學(xué)效果，提升教學(xué)質(zhì)量。