云計算在網(wǎng)絡(luò)工程實驗教學中的應(yīng)用

劉旋

摘要：隨著大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)的迅猛發(fā)展，應(yīng)運而生的云計算給應(yīng)用型本科院校的教學改革帶來了新的方向。針對目前網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)實驗教學中設(shè)備技術(shù)滯后、實驗內(nèi)容創(chuàng)新性不足和課程編排脫節(jié)等問題，將云計算技術(shù)融入實驗室建設(shè)與教學設(shè)計中，構(gòu)建基于云計算平臺的實驗管理、協(xié)作、設(shè)計教學模式，在大數(shù)據(jù)時代的新起點上實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)實驗教學的改革與創(chuàng)新。

關(guān)鍵詞：云計算;網(wǎng)絡(luò)工程;教學改革

中圖分類號：TP391? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）25-0187-02

1 前言

大數(shù)據(jù)時代的到來，使得大學生能夠通過云課堂、慕課等網(wǎng)絡(luò)教育資源輕松獲取和學習專業(yè)知識，在新型教學模式產(chǎn)生的同時，也給傳統(tǒng)以教室、機房為中心的計算機實驗教學帶來了巨大的挑戰(zhàn)。自教育部于2014年提出了地方本科高校向應(yīng)用型本科轉(zhuǎn)型發(fā)展后，網(wǎng)絡(luò)工程作為計算機學科中實踐和應(yīng)用性較強的工程類專業(yè)，更需要培養(yǎng)具有較強專業(yè)技能和符合“新工科”素質(zhì)的信息應(yīng)用人才[1]。目前，由于地方本科院校資金不足，專業(yè)實驗設(shè)備、技術(shù)和環(huán)境陳舊，使得網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)的教學內(nèi)容和水平相比現(xiàn)有技術(shù)嚴重滯后，出現(xiàn)了教學和市場脫節(jié)的現(xiàn)象，難以滿足大數(shù)據(jù)時代下對該專業(yè)人才的技術(shù)需求[2]。

云計算作為一種分布式資源利用方法，能夠為使用者提供跨越地域與時間的高效計算能力和服務(wù)，從根本上解決在高校實驗環(huán)境、設(shè)備、規(guī)模不足，資金短缺等問題[3]。因此，構(gòu)建基于云計算的實驗教學和管理模式，用低廉的價格換取海量的計算資源服務(wù)，增強網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)的實驗教學能力，是提升大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力、地方本科院校向應(yīng)用型大學轉(zhuǎn)型發(fā)展的突破點。

2 存在的問題

網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)旨在培養(yǎng)具有計算機網(wǎng)絡(luò)、通信技術(shù)基礎(chǔ)知識，掌握校園網(wǎng)、企業(yè)網(wǎng)、大型ISP等多種網(wǎng)絡(luò)拓撲的設(shè)計、配置與調(diào)試技術(shù)的綜合人才[2]。隨著大數(shù)據(jù)時代的到來，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、用戶和數(shù)據(jù)井噴式的增長，以往的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、拓撲結(jié)構(gòu)、實驗軟硬件已經(jīng)難以處理大數(shù)據(jù)所帶來的網(wǎng)絡(luò)問題，導(dǎo)致諸多地方本科院校產(chǎn)學脫節(jié)，主要存在以下問題：

2.1 實驗設(shè)施方面

（1）綜合實驗室較少。雖然辦學規(guī)模不斷擴大，但地方院校受制于經(jīng)費，難以擴建設(shè)備齊全的網(wǎng)絡(luò)工程實驗室[3]。主要包括：構(gòu)建實驗室的工程量龐大、耗資多、建設(shè)周期長，而地方本科院校的實驗室大多只用于科研與教學，所以難以承擔價格昂貴的計算設(shè)備，雖然逐步、階段性建設(shè)能夠減輕院校的財政負擔，但是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展瞬息萬變，等待意味著落后，使得教學發(fā)展事倍功半。

（2）實驗室設(shè)備與技術(shù)滯后。分布式計算集群、云計算網(wǎng)絡(luò)、5G網(wǎng)絡(luò)等新技術(shù)層出不窮，但地方院校的網(wǎng)絡(luò)工程教學依舊采用思科模擬軟件、普通PC機路由器進行教學，大多數(shù)實驗也都停留在虛擬環(huán)境模擬和理論教學上，并未真操實練，導(dǎo)致學習積極性不高。

（3）虛擬技術(shù)尚未完善。目前，地方高校多采用虛擬仿真軟件（虛擬實驗室EVE-NG、思科模擬器CPT、網(wǎng)絡(luò)模擬器gns3）模擬真實網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進行實驗，但虛擬軟件受控于PC機顯示操作，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的實際環(huán)境、細節(jié)與操作問題無法顯示，與真實的網(wǎng)絡(luò)布線、拓撲設(shè)計的大相徑庭，導(dǎo)致學生的創(chuàng)新、動手能力受到較大限制。

2.2 實驗教學方面

（1）部分專業(yè)實驗學時較少，且無法在實驗室完成，例如：網(wǎng)絡(luò)集群部署、網(wǎng)絡(luò)綜合布線調(diào)研、無線網(wǎng)絡(luò)信號勘測等，需要到企業(yè)機房、現(xiàn)場進行實驗。

（2）路由交換、網(wǎng)絡(luò)安全等實驗項目缺乏設(shè)計性和創(chuàng)新性，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)推陳出新，老師與學生沒有轉(zhuǎn)變依賴教材的“教與學”思維模式，在等待新技術(shù)教材出版的過程中，該技術(shù)可能已經(jīng)淘汰，導(dǎo)致實驗教學始終無法跟上網(wǎng)絡(luò)技術(shù)更新的步伐。

3 云計算模式的優(yōu)勢

針對網(wǎng)絡(luò)工程實驗教學所面臨的問題，需要依賴以“互聯(lián)網(wǎng)+”、云計算和大數(shù)據(jù)為主的新一代信息技術(shù)，將傳統(tǒng)教學模式與在線課堂教學模式融合。

3.1 云計算的概念

云是基于互聯(lián)網(wǎng)的一種抽象比喻，表示大規(guī)模、虛擬化的互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施資源集合，是新興的計算與存儲模式。云計算通過分布式計算、并行計算與虛擬化技術(shù)，將分布在各地的互聯(lián)網(wǎng)資源整合并共享服務(wù)。因此，高校能夠通過低廉的價格從云計算服務(wù)商中獲得大規(guī)模、高性能的計算資源[3]。

3.2 云計算在實驗教學中的優(yōu)勢

（1）規(guī)模大、可靠性高

云計算服務(wù)提供方一般擁有大量服務(wù)器，例如騰訊、阿里巴巴等大型互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的“云計算”代表數(shù)十萬臺服務(wù)器，能給予高校實驗室強大的計算與存儲能力。此外，云計算采用數(shù)據(jù)多副本容錯、計算節(jié)點同構(gòu)可互換等方法為學校用戶提供了安全可靠的服務(wù)，降低了人為誤操作引起的損害。

（2）成本低、擴展性高

云計算資源通常由大量的廉價計算機節(jié)點構(gòu)成，其共享式的資源管理使得高校無需購買價格高昂的設(shè)備，便可隨時隨地使用云計算的資源與服務(wù)，節(jié)省了購買設(shè)備、搭建實驗室以及維護管理的成本。

（3）高效的虛擬化服務(wù)

云計算利用虛擬化技術(shù)使用戶可以通過多種終端設(shè)備獲取應(yīng)用服務(wù)，且數(shù)據(jù)資源存儲在云服務(wù)器中心，用戶操作不受時間、空間限制。不僅能夠滿足高校大型科研項目的實驗環(huán)境，而且能夠支持不間斷的訪問服務(wù)[4]。

4 云計算在實驗教學中的應(yīng)用

4.1 實驗設(shè)施方面

（1）利用云計算獲取實驗教學資源

實驗環(huán)境方面：通過購買云計算服務(wù)商的基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（IaaS），從而獲得完善的計算機基礎(chǔ)設(shè)施（服務(wù)器、企業(yè)級路由器、企業(yè)級交換機等），然后基于在線資源安裝相應(yīng)實驗軟件，為網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)提供實驗管理平臺。通過Telnet遠程登錄云計算服務(wù)器，利用虛擬化技術(shù)，使師生在通過本地設(shè)備便可操作真實的網(wǎng)絡(luò)集群。

實驗安全方面：傳統(tǒng)實驗課的實驗內(nèi)容均存儲在本地，為了防止計算機出現(xiàn)故障導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，需要經(jīng)常進行備份和整理，轉(zhuǎn)移與訪問過程較復(fù)雜。采用云存儲技術(shù)保存實驗教學內(nèi)容，通過HDFS分布式文件系統(tǒng)存儲，能夠保證數(shù)據(jù)的安全性，節(jié)約存儲空間，支持隨時隨地訪問和下載實驗資源。

（2）結(jié)合云計算搭建分布式網(wǎng)絡(luò)實驗室

設(shè)計一種基于云計算的分布式網(wǎng)絡(luò)工程實驗平臺建設(shè)方案，該實驗室平臺主要包括：基礎(chǔ)設(shè)施區(qū)，由網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（路由器、交換機、防火墻）組成，為云計算服務(wù)器穩(wěn)定、安全的連接提供保障;本地實驗區(qū)，線下實驗教學機房;對外實驗區(qū)，支持外部網(wǎng)絡(luò)遠程登錄分布式的實驗室，可通過任意智能設(shè)備登錄到云計算虛擬機進行實驗;綜合管理區(qū)域，該區(qū)域負責管理并維護上述區(qū)域的設(shè)備、實驗教學內(nèi)容。具體部署分布如圖1所示。

4.2 實驗教學方面

（1）制定云計算網(wǎng)絡(luò)工程實驗計劃

縮減部分網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)基礎(chǔ)課程量和學時，引進大數(shù)據(jù)與云計算相關(guān)專業(yè)教師，制定云計算網(wǎng)絡(luò)工程師實驗計劃。實驗?zāi)繕耍号囵B(yǎng)能在互聯(lián)網(wǎng)信息產(chǎn)業(yè)從事網(wǎng)絡(luò)通信、云計算、分布式等工作的高級應(yīng)用型人才;實驗方向：網(wǎng)絡(luò)工程、云計算技術(shù)方向;實驗課程內(nèi)容，如圖2課程體系分布所示。

（2）結(jié)合云計算提供網(wǎng)絡(luò)課程平臺

云課堂、慕課等新興網(wǎng)絡(luò)課程模式的產(chǎn)生為廣大師生提供不受時間、地點限制的教學服務(wù)[5]。云計算中心能夠為在線實驗課堂提供龐大且穩(wěn)定的實驗環(huán)境和數(shù)據(jù)，以及更安全、更高效的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。通過O2O雙模式教學，使學生與老師都能夠通過云課堂在外地、課余時間，學習感興趣的實驗課程，再結(jié)合本地課堂鞏固實驗項目，進而提升課堂效率。

5 總結(jié)

網(wǎng)絡(luò)工程作為未來互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵方向與專業(yè)，通過結(jié)合云計算技術(shù)，改進實驗室教學與管理水平，構(gòu)建新型的實驗平臺和教學體系，能夠更好地服務(wù)高校進行人才培養(yǎng)。如何進一步改革網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)的課堂教學模式，是未來研究的重點，也是地方本科高校向應(yīng)用型本科轉(zhuǎn)型的著力點。

參考文獻：

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[3] 張睿.基于云計算的高校教學改革與應(yīng)用[J].高教學刊， 2016（11）：158-159.

[4] 陳慧芬，盧慶武.云計算在高校機房管理中的應(yīng)用[J].實驗室研究與探索，2013，32（7）.

[5] 崔勇，宋健，繆蔥蔥.移動云計算研究進展與趨勢[J].計算機學報， 2017，40（2）：273-295.

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