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云计算在实验室建设及管理中的应用探究—北京科技大学信息工程学院发表日期:2011/12/15 9:45:18   

  云计算在实验室建设及管理中的应用探究

  王国霞 徐银梅 鲁亿方

  北京科技大学信息工程学院 北京 100083

  摘 要:目前的实验室建设中基础设施建设和实验室管理当中存在一些问题,而这些问题在一定程度上影响了实验室建设进程及实验教学的效果。云计算的相关技术为解决实验室建设及管理方面存在的相关问题提供了好的解决方案。本文提出了实验室建设及管理方面存在的问题,也阐述了云计算的概念优势,并讨论了云计算如何解决实验室建设及管理方面存在的问题。

  关键词:云;云计算;实验室建设;实验室管理;实验教学

  一、实验室建设及管理中存在的问题

  1.基础设施建设存在的问题

  实验教学过程中,基础设施的好坏直接影响着教学质量。为提高教学质量,各实验室每年都投入大量的资金进行基础设施建设,但实验室基础设施建设中存在的一些问题还是延缓了实验室建设的进程,存在的主要问题有以下几个:

  (1)成本高。由于专业发展迅速,为让学生了解当前的专业技术发展现状,并能进行一定的实践操作,实验设备在满足技术稳定性和课程要求的前提下,实验设备要具有一定的先进性,所以实验设备更新换代比较快。一方面被淘汰的设备闲置造成了很大的浪费,另一方面购置新设备需要投入大量的资金,使得实验室基础设施建设投入的成本太高,从而延缓了基础设施建设的进程。另外教学软件也要不断升级更新,这也增加了成本。同时在不同部门、不同院系在进行实验室基础设施建设时,都是根据自己的需求购置设备,导致了重复投入,这也增加了建设成本。

  (2)投入不均衡。购置设备时受到资金的限制,很难保证各个院系都能满足教学要求,会出现不同实验室建设投入不均衡。另一方面,多数高校在进行实验室建设时普遍存在重硬件投入、轻软件建设的问题,为提高自身的竞争力,大量购置实验设备,而软件建设相对滞后,需要大量的技术支持,这也减缓了实验室建设进程。

  2.实验室管理方面存在的问题

  管理体制和方式也是影响高校实验建设和实验教学质量的一个关键因素。虽然各院校在这方面做了不懈的努力取得了一定成效,但也存在很多不足。在实验室管理和实验教学过程的管理方面存在一些问题。

  实验室管理方面存在的问题主要是管理信息系统集成不畅。各院系的实验室基本上都是基于自身需要建立各自的管理信息系统,可能采用了不同操作平台,并在其上建立自己的应用,这使得不同院系的实验室之间的信息沟通不畅,形成了各自为政的想象,这造成很多资源的浪费,导致了“信息孤岛”现象的产生。

  实验教学过程的管理主要涉及到教学过程中教师和学生之间的沟通和协调,主要存在问题有:

  (1)师生之间的沟通和交流平台还有待建设。目前,由于现有的实验环境所限,从实验内容的制定、实验方法的制定到实验结果的处理等学生都是被动的接受者,学生的实践需求较难反映给教师,学生和教师很难进行实时交流,出现了学生迷惑实验初衷,教师也较难把握实验效果的两难境地,影响了实验教学的质量。

  (2)实验室开放时间和实验平台受限制。目前由于人员短缺,实验室不可能随时开放,一方面是实验资源的浪费,一方面是课余时间学生对实验环境的需求无法得到满足。

  (3)学生创新平台不足。高校教师和学生之间的沟通和交流渠道不畅,导致了学生的创新意识缺乏引导。学生在进行创新时,无法获取教师的实时指导,教师也无法实时掌握学生的研究状况。

  (4)管理成本高。实验室教师在对实验室进行管理时,最担心的是肆虐的病毒导致整个实验室的瘫痪,不得不不断升级病毒防护软件,有时还要采取必要的硬件防护措施,这就增加了管理成本。

  二、云计算的技术

  云计算是目前受关注度很高的词,它因为其清晰的商业模式而受到工业界和学术界的广泛关注,成为2009年最受关注的IT技术之一,并在今后一段时间里会吸引越来越多的人和企业进驻该领域。

  1.云计算的概念

  云计算定义的关键在于什么是“云”,云由大量互连的计算机及其网络设备组成,这些计算机和网络设备即可以是实际存在的实体,也可以是虚拟的,可以是普通的客户机,也可以是网络服务器,既可以是公共的,也可以是私人的(比如Google的云是Google私有,但用户可以通过网络使用该云)。组成云的网络设备可以来自不同的公司或企业,在云中的应用和数据可以被获得授权的任何用户通过网络来访问和使用,但云的技术和架构组成对用户而言是不需要知道。

  有关云计算的定义,许多计算机领域专家和学者从不同高的角度对其进行了说明,比如维基百科、IBM、加州大学伯克利分校的Michael Armbrust等、中国科技大学的陈国良院士等都给出了云计算的定义。浙江大学的吴吉义等综合上述的定义给出了云计算的定义如下:

  云计算是以虚拟化技术为基础,以网络为载体提供基础架构、平台、软件等服务为形式,整合大规模可扩展的计算、存储、数据、应用等分布式计算资源进行协同工作的超级计算模式。

  云计算是一种新的计算模式,它是虚拟化、效用计算(utility computing)、IaaS(基础设施即服务)、PaaS(平台即服务)、SaaS(软件即服务)等概念混合演进并跃升的结果,也是分布式计算、网格计算和并行计算的最新发展,或者说是这些计算机科学概念的商业实现。

  就抽象层次而言,云计算的架构包括四个层次,分别是基础设施云、软件云、应用云和商务云。如图1所示。

  (1)基础设施云。这一层包括硬件以及IT架构管理。在该层上,云计算提供商为用户提供存储资源和计算资源,并将空闲的基础设施通过虚拟化技术提供给用户,用户只需支付相关费用,而不用关心这些设施的构建问题。

  (2)软件云。包括SaaS软件即服务和传统的CRM服务。用户可以在不同地点通过浏览器获得这些服务。

  (3)应用云。该层包括应用程序即服务、UML建模工具即服务、社会网络即服务。通过该层开发人员可以建立大规模、全功能的应用程序。

  (4)商务云。该层主要包括商务处理即服务。

                                                                                                

  图1 云计算的架构

  2.云计算的优势

  相比较传统的计算模式,云计算的优势主要体现在如下方面:

  (1)成本低。对个人用户而言,云计算的数据和应用都在云中完成,用户的计算机只需小硬盘,小内存低价的计算机即可。对公司和企业而言,通过支付一定的费用,使用云提供的基础设施,而不需要投资大量的计算机及昂贵的网络设备等基础设施,大大降低了投资成本。同时云中的基础设施有云服务提供商负责维护,这可以为用户极大的降低了维护成本。

  许多单位和个人可以通过租用云中的应用程序,和使用从软件公司买来的软件一样而无需购买,甚至有些公司(比如Google)还提供免费的在线软件,为用户减低了软件投入成本。而且云服务的提供商会定期更新软件,用户永远都在使用最新的软件,而无需为软件的升级承担费用,而且云服务提供商会负责软件的维护,用户还节省了软件维护费用。

  (2)高性能。就用户的计算机而言,由于应用程序不运行在自己的机器上,而是运行在云中,用户的计算机的开机和运行速度会大大提升。云用户所使用的资源不再仅限于单独一个计算机,而是整个云中的资源和整个云的运算能力,用户就可以完成单独一台计算机所不能完成的任务,其计算能力大大提升。

  云用户还可以获得无限的存储能力,用户可以利用云提供的无限的虚拟存储空间进行数据存储。同时用户的数据安全性能也会得到提升,因为用户的数据存放在云中,云会自动备份数据,用户不用担心因个人计算机的故障而丢失数据。

  (3)高兼容性。首先是操作系统的兼容性提升,云中的用户即使使用的windows操作系统,也可以云中Linux\Unix等操作系统共享文档等资源。其次是云中文档格式的兼容性提升。在云中用户不用担心用word2007编辑的文档不能和word2003兼容,所有通过基于Web的应用程序创建的文档能够被其他的用户阅读,没有兼容性问题。

  (4)方便合作性。云给需要群组合作来完成一项任务的用户提供了一个流畅的沟通、交流和合作的平台。通过云这个平台,合作者可以同时接触到项目文档,当一方在进行编辑时,另一方可以通过显示器看到对方的工作情况,而且只要参与该项目的人员可以随时随地查看在云中存放的项目信息及进展情况,并完成自己的工作。

  三、云计算在实验教学中应用

  云计算和传统的计算模式相比具有很多的优势,它提供出的功能可以很好的解决目前实验教学中存在的很多问题。

  1.云计算对实验室基础设施建设的影响

  针对基础设施建设过程中成本投入高的问题,可以利用云计算技术充分利用现有的基础设施组建实验室的私有云,也可以利用云服务提供商的基础设施,这样就可以大幅度减少了更新换代的成本,而计算能力却能得到提升。实验室需要的价格昂贵的巨型机,可以利用数量足够多的PC、PDA等低价的设备构建云来获得相应的计算能力。就连学生需要的PC不需要多高的配置和性能就可满足需求。

  利用云服务提供商提供的云中的应用软件,即不用不断购买应用软件,也无需承担软件升级的费用,更不需要对其进行维护,而实验室得到的却是最新的应用软件,如此大大减少了软件投入、升级和维护的成本。

  针对投入不均衡的问题,通过云计算可以得到根本性的解决。通过各个院系自己组建的云,甚至是所有高校合作组建的云,所有学生和教师都能访问并使用云中对等的、更加优质的基础设施和各种丰富的应用服务。

  2.云计算对实验教学管理的影响

  针对管理信息系统集成不畅的问题,云计算给出了很好的解决办法。在云中操作系统具有兼容性,文档格式也有兼容性,各实验室在进行管理信息系统开发时,可以忽略操作平台及开发平台的选择,通过浏览器就可以建立自己的应用,从而使得开发的各类管理信息系统可以完全兼容,减少了信息孤岛的产生,同时管理层可以对实验室的人和设备进行统一调度,也为管理层进行数据分析、决策提供一个很好的平台,避免重复建设等问题的出现。

  对于实验室的管理人员来说,实验数据等数据存放在云中,使用的应用软件也在云中,同时云会对数据进行自动备份,所以不用担心因计算机瘫痪带给实验的影响。

  3.云计算为师生提供了一个通畅的交流平台

  通过各个实验事构建的云以及无线网络的普及,学生只要有一台造价不高的PC,甚至是一个可以上网的PDA或手机,可以随时随地访问和使用实验室的云,利用云中实验设备进行实验,实验数据存放在云中,随时访问使用。

  无论学生身在何处,同时使用实验设备的学生可以通过云进行交流合作,共同完成实验任务。如此云计算不仅给在学生之间架起了沟通的桥梁,还能提高学生的团结协作精神。

  对教师而言,无论其身在何处可以通过云提供的平台,看到学生使用实验设备进行实验的情况,还可以对学生的实验进行实时指导。同时,教师也可以发现学生的兴趣和需求,并对这些兴趣和需求给予及时的引导和促进,这样云不仅在师生之间架起了沟通交流的桥梁,还为学生提供一个良好开放的创新平台。

  四、结束语

  云计算是一种很有前景的计算模式,得到了商界和学术界的广泛关注。云计算不仅在实验教学中具有广阔的应用前景,它可以解决实验教学中基础设施建设的问题、实验教学管理方面的问题以及实验教学师生沟通交流等等问题,同时云计算对整个教育领域也产生重大而深远的影响。

  但云计算也有一定的缺点,比如云计算必须有网络的支持会限制一部分用户与云之外。同时云计算的安全性是所有用户很关注的问题,这是因为一方面存放在云中数据可能被其他用户获得给安全性带来危害,另外,存放在云中的数据一旦丢失,用户没有自己的物理硬盘对数据进行备份,那将是很可怕的事。这些问题将是用户需要面对,并是未来一个时期的研究重点。

  对于云计算在实验教学中应用问题而言,云计算如何影响实验室信息化进程,如何充分发挥云计算在实验教学领域的特点和优势,实验教学如何应对新的变化,也将是未来研究的重点。

  参考文献:

  [1]吴吉义,平玲娣,潘雪增,李卓. 云计算:从概念到平台(J).电信科学,2009,12:23-30.

  [2]杨克戎,韩兴顺. 云计算与高校信息化建设中问题的解决方案(J).电脑知识与技术,2009,5(20):5571-5573.

  [3] Michael Miller, Cloud Computing: Web-Based Applications That Change the Way You Work and Collaborate Online. the United States of America: Que Publishing,2009.

  [4]王闯,焦树国,管刚. 云计算下的信息教育(J). 电脑知识与技术,2010,6(3):763-764.

  [5]郑良仁,邵开丽,赵文安. 浅析高校在云计算时代的机遇与挑战(J).福建电脑,2010,1:31-40.

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