信息化教學平臺建設模型研究

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摘要：隨著移動網絡和云計算技術的發展，信息化教學平臺的功能日趨完善，在教學、科研、社會服務等方面承擔著越來越重要的任務。結合云計算領域的主流技術和服務形式，探索一個完善的信息化教學平臺建設模型，并提出其質量評價指標體系，為后續的平臺建設提供參考。

關鍵詞：云計算；信息化教學平臺；質量評價

《教育信息化十年發展規劃(2011—2020年)》提出，推進信息技術與教學融合，建設智能化教學環境，提高信息化教學水平[1]。教育部發布的《關于加快建設高水平本科教育全面提高人才培養能力的意見》也提出要推進現代信息技術與教育教學深度融合。由此可見，將信息技術應用于教學環境建設，提升教學質量已經得到了認可和重視。原有的信息化教學平臺以資源數字化為主，使用計算機、網絡等硬件設備解決了校園內的資源數字化和共享問題。隨著教學資源和學生人數的增加，原有信息化教學平臺的擴展會產生較大的人力物力消耗[2]。另外，新型冠狀病毒肺炎疫情(簡稱疫情)促使線上線下混合式教學模式的廣泛開展，對信息化教學平臺在校外的使用產生了迫切需求。云計算技術是近年來發展迅速的一種新興信息技術，它能快速提供教學資源和實現廣泛的網絡接入，彌補了現有信息化教學平臺無法適應資源和訪問人數的增加、無法提供更好共享的缺陷。

1云計算主流技術

1.1虛擬化虛擬化技術的出現源于對系統分時復用的需求，IBM最早將虛擬化技術引入大型機中，解決了大型機利用率低的問題。從廣義上來說，虛擬化代表對各種資源的邏輯表示，這些資源不僅包括硬件資源如CPU、內存、網絡等，也包括操作系統、應用程序等各種軟件資源。目前主流的虛擬化技術包括服務器虛擬化、網絡虛擬化、存儲虛擬化、桌面虛擬化、容器等。在這些虛擬化技術中，用戶最常接觸的是服務器虛擬化。它通過在物理服務器上部署虛擬化軟件，把物理服務器虛擬為若干個虛擬服務器，以提高物理服務器的使用率。每個虛擬服務器上可以安裝不同的操作系統，虛擬服務器可以在不同的物理服務器之間遷移，體現了虛擬化技術良好的封裝性和隔離性。服務器虛擬化根據實現模型分為三種類型：宿主模型、原生模型、混合模型，模型示意如圖1所示。在宿主模型中，虛擬機監視器(VMM)需要運行在一個成熟的操作系統之上，該模型實現相對簡單，但其上的虛擬機運行效率較低，典型的代表產品為VMwareWorkstation；在原生模型中，虛擬機監視器直接運行在硬件之上，該模型的實現比較復雜，但其上的虛擬機運行效率較高，典型的代表產品為VMwareESXi，華為FusionCompute；混合模型結合宿主模型和原生模型的特點，虛擬機監視器直接運行在硬件之上，有一個特權虛擬機用于處理普通虛擬機的外設請求，這樣減少了虛擬機監視器的開發工作量，典型的代表產品為CitrixXenServer。

1.2桌面云桌面云的定義為：可以通過瘦客戶端或者其他任何與網絡相連的設備來訪問跨平臺的應用程序，以及整個客戶桌面[3]。桌面云為服務器虛擬化技術創建的虛擬機提供了一種便捷的訪問形式，虛擬機的桌面通過遠程桌面協議傳輸到瘦客戶端，桌面云的架構如圖2所示。目前主流的桌面云產品有華為FusionAccess，VMwareHorizonView，CitrixXenDesktop，對應的遠程桌面協議分別為HDP，ICA，PCoIP。

2信息化教學平臺建設研究

2.1信息化教學平臺需求信息化教學平臺的定位是為學生實驗、實訓提供資源，在云計算技術出現后，很多高校使用云計算技術對信息化教學平臺進行整合，解決了計算機、網絡等資源由于位置分散、數量龐大帶來的管理問題[4]。隨著大數據、人工智能等新技術的發展，教師的科研任務所需的環境不再是一臺普通計算機，而是借助信息化教學平臺提供更多的資源。隨著產教融合的推進，信息化教學平臺還需要為高校開展社會服務提供資源。2020年初疫情暴發以來，高校倡導“停課不停學”帶來了線上教學模式的大規模應用[5]，這對信息化教學平臺提出遠程訪問的需求。結合以上分析，信息化教學平臺需要支持高效的管理以減輕管理員的負擔、靈活的擴展性以提供多樣化的應用、靈活的訪問方式以滿足校內外的使用需求。

2.2信息化教學平臺規劃云計算集中管理硬件資源，虛擬化技術為資源的靈活伸縮提供基礎。虛擬資源通過互聯網訪問帶來了資源的靈活共享，因此，云計算技術適用于目前高校信息化教學平臺建設。云計算技術在不斷發展中，其提供的服務形式也在不斷豐富。根據云計算提供的資源形式，將云計算的服務模型分為IaaS(基礎設施即服務)，PaaS(平臺即服務)和SaaS(軟件即服務)[6]。在信息化教學平臺建設中，按照云計算服務的三個模型提供不同層次的資源，供不同的用戶使用。對于IaaS模型，通過集群技術把多個物理服務器組成一個集群服務器，在集群服務器上部署虛擬化軟件，將其按需劃分為若干個虛擬機。如果后續有人員增加需求，則增加虛擬機劃分即可。在虛擬機和用戶終端之間部署桌面云協議，用戶可以像使用本地機器一樣使用虛擬機。虛擬機使用的存儲資源除了作為虛擬機硬盤外，還能夠作為共享存儲存放師生的軟件、工具等資源，這需要在存儲設備上部署存儲虛擬化軟件，把物理存儲空間劃分為若干個虛擬存儲空間。PaaS模型能夠為大數據和人工智能等專業提供教學科研服務，在服務器進行集群、虛擬化后生成的虛擬機上部署分布式計算框架，為大數據應用開發提供基礎；對服務器的GPU進行虛擬化后分配給虛擬機，在虛擬機上部署人工智能開發平臺，增強其科學計算能力。在信息化教學平臺建設中，以虛擬機或Docker為基礎，部署考試軟件給大批量用戶使用，可以看成是SaaS模型的一種，使用軟件虛擬化為多個用戶提供便捷的軟件使用服務。

2.3信息化教學平臺部署結合筆者所在單位的計算機學院信息化教學平臺建設，本文提出的平臺建設模型如圖3所示。對于平臺提供的不同資源，管理員可以限制其使用地點和范圍，如需要在校外使用資源，用戶先通過VPN接入校園網絡后再使用。在信息化教學平臺具體實施中，筆者認為最重要的是做好功能層次劃分及訪問隔離，便于平臺后續擴展和安全運行。信息化教學平臺功能層次自下而上依次為物理資源層、邏輯資源層、云桌面管理層、用戶管理層，每層涵蓋的功能如圖4所示。其中，物理資源層管理硬件設備包括服務器、存儲設備和網絡設備，邏輯資源層管理虛擬機、容器、虛擬存儲、虛擬交換機等邏輯資源，云桌面管理層負責用戶權限、虛擬機或容器的鏡像、虛擬機模板、軟件資源等管理，用戶管理層負責對本地用戶、VPN用戶、管理員進行權限管理，控制用戶對資源的訪問。為保證信息化教學平臺的安全運行，除了用戶的訪問權限管理外，還應在網絡層面通過VLAN、網段劃分、端口隔離等措施，將教學、科研、社會服務資源分隔，避免不同類型用戶在平臺使用中相互影響。

2.4信息化教學平臺評價指標信息化教學平臺作為高校最重要的基礎設施之一，其方案因具體場景不同會有差異，構建一個指標評價體系來評估平臺質量至關重要。評價的首要指標是功能滿足性，包括功能、容量、安全等。信息化教學平臺要滿足教學、科研、社會服務等方面的功能需求，平臺的容量要滿足建設時規劃的規格指標，平臺資源要通過IP地址、身份認證等方法保證安全訪問，避免遭受外部攻擊。第二個指標是可擴展性。這要求在平臺設計之初就有一定的余量考慮并給出平臺的擴展方案，管理員能夠根據用戶數量的變化及時給出應對措施。第三個指標是共享性。信息化教學平臺資源應滿足校內任何地方使用的需求，便于師生利用碎片時間學習。同時為支撐師生線上教學開展，平臺還應滿足師生通過VPN認證訪問的需求。此外，為充分利用平臺資源、實現高效社會服務功能，平臺設計還應考慮通過互聯網開通校際共享通道。

3結語

隨著云計算技術的迅速發展，以虛擬化和桌面云為主流技術的云計算為硬件資源的彈性擴展和便捷使用提供了技術保障。基于此，我校對信息化教學平臺建設進行了研究，開展了需求調研、基于云計算服務形式的平臺建設規劃、部署以及信息化教學平臺的評價指標制訂等工作，為后續的平臺建設提供參考。

參考文獻

[1]翟雪松,史聰聰.《教育信息化十年發展規劃(2011—2020年)》的實施現狀、挑戰與展望[J].現代教育技術,2020,30(12):20-27.

[2]李勇,楊華芬.教育資源云虛擬化平臺模型構建研究[J].實驗室研究與探索,2017,36(10):135-139,152.

[3]覃馮,黃善斌,覃衛玲,等.基于桌面云的多媒體計算機實驗室管理研究[J].實驗技術與管理,2015,32(3):164-166,170.

[4]余久方,楊帆.產教融合視域下的綜合云平臺設計與實現[J].沈陽師范大學學報(自然科學版),2020,38(3):283-288.

[5]張倩,馬秀鵬.后疫情時期高校混合式教學模式的構建與建議[J].江蘇高教,2021(2):93-97.

[6]楊青峰.云計算時代關鍵技術預測與戰略選擇[J].中國科學院院刊,2015,30(2):148-161,169.

作者:余久方 單位:南京工業職業技術大學