信息化教学平台建设模型研究

摘要：随着移动网络和云计算技术的发展，信息化教学平台的功能日趋完善，在教学、科研、社会服务等方面承担着越来越重要的任务。结合云计算领域的主流技术和服务形式，探索一个完善的信息化教学平台建设模型，并提出其质量评价指标体系，为后续的平台建设提供参考。

关键词：云计算；信息化教学平台；质量评价

《教育信息化十年发展规划(2011—2020年)》提出，推进信息技术与教学融合，建设智能化教学环境，提高信息化教学水平[1]。教育部的《关于加快建设高水平本科教育全面提高人才培养能力的意见》也提出要推进现代信息技术与教育教学深度融合。由此可见，将信息技术应用于教学环境建设，提升教学质量已经得到了认可和重视。原有的信息化教学平台以资源数字化为主，使用计算机、网络等硬件设备解决了校园内的资源数字化和共享问题。随着教学资源和学生人数的增加，原有信息化教学平台的扩展会产生较大的人力物力消耗[2]。另外，新型冠状病毒肺炎疫情(简称疫情)促使线上线下混合式教学模式的广泛开展，对信息化教学平台在校外的使用产生了迫切需求。云计算技术是近年来发展迅速的一种新兴信息技术，它能快速提供教学资源和实现广泛的网络接入，弥补了现有信息化教学平台无法适应资源和访问人数的增加、无法提供更好共享的缺陷。

1云计算主流技术

1.1虚拟化虚拟化技术的出现源于对系统分时复用的需求，IBM最早将虚拟化技术引入大型机中，解决了大型机利用率低的问题。从广义上来说，虚拟化代表对各种资源的逻辑表示，这些资源不仅包括硬件资源如CPU、内存、网络等，也包括操作系统、应用程序等各种软件资源。目前主流的虚拟化技术包括服务器虚拟化、网络虚拟化、存储虚拟化、桌面虚拟化、容器等。在这些虚拟化技术中，用户最常接触的是服务器虚拟化。它通过在物理服务器上部署虚拟化软件，把物理服务器虚拟为若干个虚拟服务器，以提高物理服务器的使用率。每个虚拟服务器上可以安装不同的操作系统，虚拟服务器可以在不同的物理服务器之间迁移，体现了虚拟化技术良好的封装性和隔离性。服务器虚拟化根据实现模型分为三种类型：宿主模型、原生模型、混合模型，模型示意如图1所示。在宿主模型中，虚拟机监视器(VMM)需要运行在一个成熟的操作系统之上，该模型实现相对简单，但其上的虚拟机运行效率较低，典型的代表产品为VMwareWorkstation；在原生模型中，虚拟机监视器直接运行在硬件之上，该模型的实现比较复杂，但其上的虚拟机运行效率较高，典型的代表产品为VMwareESXi，华为FusionCompute；混合模型结合宿主模型和原生模型的特点，虚拟机监视器直接运行在硬件之上，有一个特权虚拟机用于处理普通虚拟机的外设请求，这样减少了虚拟机监视器的开发工作量，典型的代表产品为CitrixXenServer。

1.2桌面云桌面云的定义为：可以通过瘦客户端或者其他任何与网络相连的设备来访问跨平台的应用程序，以及整个客户桌面[3]。桌面云为服务器虚拟化技术创建的虚拟机提供了一种便捷的访问形式，虚拟机的桌面通过远程桌面协议传输到瘦客户端，桌面云的架构如图2所示。目前主流的桌面云产品有华为FusionAccess，VMwareHorizonView，CitrixXenDesktop，对应的远程桌面协议分别为HDP，ICA，PCoIP。

2信息化教学平台建设研究

2.1信息化教学平台需求信息化教学平台的定位是为学生实验、实训提供资源，在云计算技术出现后，很多高校使用云计算技术对信息化教学平台进行整合，解决了计算机、网络等资源由于位置分散、数量庞大带来的管理问题[4]。随着大数据、人工智能等新技术的发展，教师的科研任务所需的环境不再是一台普通计算机，而是借助信息化教学平台提供更多的资源。随着产教融合的推进，信息化教学平台还需要为高校开展社会服务提供资源。2020年初疫情暴发以来，高校倡导“停课不停学”带来了线上教学模式的大规模应用[5]，这对信息化教学平台提出远程访问的需求。结合以上分析，信息化教学平台需要支持高效的管理以减轻管理员的负担、灵活的扩展性以提供多样化的应用、灵活的访问方式以满足校内外的使用需求。

2.2信息化教学平台规划云计算集中管理硬件资源，虚拟化技术为资源的灵活伸缩提供基础。虚拟资源通过互联网访问带来了资源的灵活共享，因此，云计算技术适用于目前高校信息化教学平台建设。云计算技术在不断发展中，其提供的服务形式也在不断丰富。根据云计算提供的资源形式，将云计算的服务模型分为IaaS(基础设施即服务)，PaaS(平台即服务)和SaaS(软件即服务)[6]。在信息化教学平台建设中，按照云计算服务的三个模型提供不同层次的资源，供不同的用户使用。对于IaaS模型，通过集群技术把多个物理服务器组成一个集群服务器，在集群服务器上部署虚拟化软件，将其按需划分为若干个虚拟机。如果后续有人员增加需求，则增加虚拟机划分即可。在虚拟机和用户终端之间部署桌面云协议，用户可以像使用本地机器一样使用虚拟机。虚拟机使用的存储资源除了作为虚拟机硬盘外，还能够作为共享存储存放师生的软件、工具等资源，这需要在存储设备上部署存储虚拟化软件，把物理存储空间划分为若干个虚拟存储空间。PaaS模型能够为大数据和人工智能等专业提供教学科研服务，在服务器进行集群、虚拟化后生成的虚拟机上部署分布式计算框架，为大数据应用开发提供基础；对服务器的GPU进行虚拟化后分配给虚拟机，在虚拟机上部署人工智能开发平台，增强其科学计算能力。在信息化教学平台建设中，以虚拟机或Docker为基础，部署考试软件给大批量用户使用，可以看成是SaaS模型的一种，使用软件虚拟化为多个用户提供便捷的软件使用服务。

2.3信息化教学平台部署结合笔者所在单位的计算机学院信息化教学平台建设，本文提出的平台建设模型如图3所示。对于平台提供的不同资源，管理员可以限制其使用地点和范围，如需要在校外使用资源，用户先通过VPN接入校园网络后再使用。在信息化教学平台具体实施中，笔者认为最重要的是做好功能层次划分及访问隔离，便于平台后续扩展和安全运行。信息化教学平台功能层次自下而上依次为物理资源层、逻辑资源层、云桌面管理层、用户管理层，每层涵盖的功能如图4所示。其中，物理资源层管理硬件设备包括服务器、存储设备和网络设备，逻辑资源层管理虚拟机、容器、虚拟存储、虚拟交换机等逻辑资源，云桌面管理层负责用户权限、虚拟机或容器的镜像、虚拟机模板、软件资源等管理，用户管理层负责对本地用户、VPN用户、管理员进行权限管理，控制用户对资源的访问。为保证信息化教学平台的安全运行，除了用户的访问权限管理外，还应在网络层面通过VLAN、网段划分、端口隔离等措施，将教学、科研、社会服务资源分隔，避免不同类型用户在平台使用中相互影响。

2.4信息化教学平台评价指标信息化教学平台作为高校最重要的基础设施之一，其方案因具体场景不同会有差异，构建一个指标评价体系来评估平台质量至关重要。评价的首要指标是功能满足性，包括功能、容量、安全等。信息化教学平台要满足教学、科研、社会服务等方面的功能需求，平台的容量要满足建设时规划的规格指标，平台资源要通过IP地址、身份认证等方法保证安全访问，避免遭受外部攻击。第二个指标是可扩展性。这要求在平台设计之初就有一定的余量考虑并给出平台的扩展方案，管理员能够根据用户数量的变化及时给出应对措施。第三个指标是共享性。信息化教学平台资源应满足校内任何地方使用的需求，便于师生利用碎片时间学习。同时为支撑师生线上教学开展，平台还应满足师生通过VPN认证访问的需求。此外，为充分利用平台资源、实现高效社会服务功能，平台设计还应考虑通过互联网开通校际共享通道。

3结语

随着云计算技术的迅速发展，以虚拟化和桌面云为主流技术的云计算为硬件资源的弹性扩展和便捷使用提供了技术保障。基于此，我校对信息化教学平台建设进行了研究，开展了需求调研、基于云计算服务形式的平台建设规划、部署以及信息化教学平台的评价指标制订等工作，为后续的平台建设提供参考。

参考文献

[1]翟雪松,史聪聪.《教育信息化十年发展规划(2011—2020年)》的实施现状、挑战与展望[J].现代教育技术,2020,30(12):20-27.

[2]李勇,杨华芬.教育资源云虚拟化平台模型构建研究[J].实验室研究与探索,2017,36(10):135-139,152.

[3]覃冯,黄善斌,覃卫玲,等.基于桌面云的多媒体计算机实验室管理研究[J].实验技术与管理,2015,32(3):164-166,170.

[4]余久方,杨帆.产教融合视域下的综合云平台设计与实现[J].沈阳师范大学学报(自然科学版),2020,38(3):283-288.

[5]张倩,马秀鹏.后疫情时期高校混合式教学模式的构建与建议[J].江苏高教,2021(2):93-97.

[6]杨青峰.云计算时代关键技术预测与战略选择[J].中国科学院院刊,2015,30(2):148-161,169.

作者:余久方 单位:南京工业职业技术大学