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云计算

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云计算实训室解决方案

发布时间：2016-12-22

一、建设背景

（一）政府推动“互联网+”行动，推动云计算飞速发展
2015年中央政府工作报告提出制定“互联网+”行动计划，云计算作为“互联网+”行动计划的重要组成部分，已成为新一代信息技术变革的核心。同时，国务院还对外发布了《国务院关于促进云计算创新发展培育信息产业新业态的意见》，明确指出，云计算是推动信息技术能力，实现按需供给、促进信息技术和数据资源充分利用的全新业态，是信息化发展的重大变革和必然趋势。
“十二五”期间，中国云计算产业链规模可达7500亿至1万亿元人民币。同时，云计算在传统IT信息化行业得到了广泛应用，比如政府、教育、能源、金融、制造、医疗等行业，节省了大量的IT投入和使用成本，据统计，2014年底，中小企业中有60%已经使用了云服务，云计算发展势头强劲、增长速度惊人，未来发展前景大好。（数据来源：中国产业投资决策网）
（二）云计算技术及应用专业将为云计算企业发展提供人才支持
2015年10月，教育部印发了新修订的《普通高等学校高等职业教育（专科）专业目录（２０１５年）》，新增“云计算技术及应用”专业。“目录”是高等职业教育的基本指导性文件，是高校设置与调整高职专业、实施人才培养、组织招生、指导就业的基本依据，是教育行政部门规划高职专业布局、安排招生计划、进行教育统计和人才预测等工作的主要依据，也是学生选择就读高职专业、社会用人单位选用高职毕业生的重要参考。2014-2015年，教育部已经连续两年将云计算列入全国职业院校技能大赛赛项，随着大赛的持续开展，促进了全国一批高职院校开展云计算技术与应用专业实训基地的建设工作，以满足云计算专业师资、教材开发、人才培养方面的需求。
（三）MOOC技术将引发自印刷术之后的第二次教育革命
在线课程技术即MOOC或称为慕课，是信息技术、网络技术与优质教育的结合，通过这个平台可以将教育资源送到世界的各个角落，提供完整的学习体验，展示了信息技术与现行高等教育体制结合的种种可能，是“互联网+教育”带来的一种新变革，开启了崭新的“教”与“学”的时代。
萨尔曼•汗讲解数学原理和知识尤其通俗易懂，把数学教学视频免费分享，颠覆了美国教育，全美国有2万多所学校不需要数学老师讲课，只要看他的视频就行了。截止2015年8月，他创办的教学频道在YouTube已经吸引了221.5万订阅者，教学视频已经被观看5.27亿次。
据学堂在线MOOC统计，清华大学经济管理学院会计系主任、副教授肖星老师主讲的《财务分析与决策》，累积学习人数达200000人，按照普通高等院校一年级3000多学生的数量，已经相当于一位老师50多年的教学总量。
（四）学院发展势头良好，借力云计算技术与应用专业可带动其他专业建设
学院坚持走质量、规模、效益协调发展之路，以教师为主导，以学生为主体，积极探索教学改革，着力提高教育教学质量和办学综合效益。近三年，学生在全国和省市各级各类职业技能大赛上共获取奖项254项，其中国家级奖项24项，省级奖项230项；学院获得国家级教学成果二等奖2项，广东省教学成果一等奖2项、二等奖1项。学院已建有中央财政支持的专业2个，省级示范性专业3个，示范校建设重点专业3个，省高等职业教育重点专业4个，省高等职业教育重点培育专业1个，省品牌专业1个，省特色专业5个；拥有国家级精品课程1门，省级精品课程17门。
云计算技术与应用专业建设可同时为机电学院计算机应用、计算机网络技术等老牌专业提供新的发展方向，重点定位于云计算的基础设置建设（IaaS）、平台搭建（PaaS）、网络存储、虚拟化、云安全等方向；也为软件技术、计算机信息管理等专业注入发展动力，重点定位于软件应用开发（SaaS）、数据处理、数据挖掘与分析等方向；物联网和电子类专业可以定位于智能化和云端感知和应用。通过云计算平台，全面推动电子信息类专业的建设与发展。

二、方案说明

（一）业务目标

1、通过建设云计算实训室，为加入高职院校MOOC联盟提供软硬件支持，改善办学条件，顺应“互联网+教育”的新技术发展潮流；
2、为云计算技术与应用专业学生提供实训环境，培养学生的云计算系统设计、初级中级应用开发、部署、现场问题的分析、处理、团队组织及协作能力；
3、通过云计算系统应用，JavaEE应用开发，分布式云系统，大型数据库应用，Android应用开发等带动计算机网络、电子信息、通信技术、计算机应用等专业建设与人才培养，促进教产互动、校企融合，增强高职学校学生软件技术学习能力和就业竞争力；
4、为云计算相关竞赛提供实训和考核平台；
5、为教师进行云计算相关的科研活动提供研究平台；
6、为从事云计算和云安全技术的相关企业提供人员培训和技术服务支持；

（二）技术目标

建成完整统一、技术先进、项目齐全、应用深入、高效稳定、安全可靠的云计算实训室。满足云计算相关专业60名学生同时上课、满足专业中Openstack系统应用，Linux操作系统应用，JavaEE应用开发等课程的教学实训需要，学生在云计算方面的创新设计，云计算技术与应用专业技能大赛等实际应用需求。实现同时120台以上虚拟机、存储空间不低于30TB能够完成年1200课时的教学工作量、800学时的科研工作量和600学时的对社会服务工作量，同时满足视频教学资料的播放，为教学科研提供更好的服务，满足高性能计算的科研要求，提高管理水平和系统运行的安全性。
可开设的实训课程项目主要为：Openstack系统应用，Linux操作系统应用，JavaEE应用开发，信息安全产品配置与应用，Hadoop分布式云系统应用，MongoDB数据库应用，数据存储与容灾技术，云计算基础及应用，Java程序设计，信息安全技术与实施，Windows配置与管理。
提供云计算技术及应用专业的学生开设云计算专业课程及相关实验实训课程，每个班级招收60名学生。本方案基于该需求，设计相应的教学资源和教学实验环境。

（三）实验环境：

为了满足云计算有关专业课程的实验要求，配合师生的自主学习交流，本教学实训场景基于标准化的构建模板，可以按需部署，在几分钟之内就部署实训环境。
1、一体化实训装置配置
云计算一体化实训装置包含机柜、网络模块、云计算控制节点服务器（含软件）、云计算服务节点服务器（含软件）、云安全接入平台等。

模块名称	主要配置
机柜	空间:1600600800mm、集成1个8位PDU、10A输入
网络模块	4个万兆uplink口，实现双上行组网，支持DCN EMVTE增强型多VLAN子网流量工程技术，支持多种安全保护机制，提供对SYN Flood、Land、ICMP Flood等多种DOS类防攻击技术，支持BPDU Guard、Root Guard，支持IPv4/IPv6双栈
云计算控制节点服务器（含软件）	CPU：1颗Intel Xeon E5-2620六核处理器 (主频2.0Hz) 内存：配置16GB ECC REG 1600MHz 硬盘：配置300GB SAS 15000RPM 6.0Gb/s 2块 RAID：1GB缓存 6Gb RAID控制器，支持RAID0,1,10,5
云计算服务节点服务器（含软件）	CPU：1颗Intel Xeon E5-2620六核处理器 (主频2.0Hz) 内存：配置16GB ECC REG 1600MHz; 硬盘：配置SATA 7200RPM 6.0Gb/s 2TB企业级 2块
云安全接入平台	系统提供符合4A(认证Authentication、账号Account、授权Authorization、审计Audit)统一安全管理框架。可支持2名以上用户同时认证接入，包括独立的身份验证系统，为整个云平台提供验证和授权服务。包括身份安全认证、对授权令牌和通信的安全性问题管理、系统统一审计管理。处理器为一颗Xeon E5-2620V2（2.6 GHz,6核心，12线程,15M）；16G DDR3-1866MHz R-ECC。

2、教学的特色功能
实训室在实训教学上具备3个方面的特色功能
1）科学性的部署：实训课程遵循开放式网络课程的学习管理模式，课件标准换，课件精品化，实训系统完全基于云计算的课程环境部署，具有工具资源多元化，课程易于使用，受众面广，参与自主性的特点，培养学生独立思考问题，最终自主解决问题的能力。
2）专业性的学习：所部署的云计算课程环境可由学生进行编程开发，将从虚拟桌面、云存储、办公和业务、资源共享、电子商务、科研及教育等进行选择，提供云计算系统应用，JavaEE Web应用开发，分布式云系统，大型数据库应用，Android应用开发等实训项目，虚拟桌面可同时兼容微软windows 、Linux各个平台版本等主流操作系统。
同时，为了保证每位学生的学习效果，不同的实训内容，将会由系统进行自动评分记录，实时性反馈给老师。
3）高效性的授课：实训室极高的学生-教师比例，为学院节省了大量的师资力量，教师可以将更多的精力放在教案研究，对学生的实训成绩进行科学分析，为不同学生做出定制化的学习实验方案。围绕实现某云计算项目为目标，完成某云服务为驱动，教师不但要“言传”，还要“身教”，与学生积极互动，实训的同时将促进教师动手实践，掌握云计算技术的应用，提高教学水平。
可以说云计算实训室的建立，将打破中国高校以往教学中存在的单一性，统一性，理论性的特点，从追求学生个性化发展，重视学生的综合素质培养，同时体现云计算学科的开放性，高效性、科学性、趣味性、专业性的教学实验特色。
3、总体框架
云计算实训室分为两个部分：第一部分是云计算平台，第二部分是云实训平台。云计算平台包括三个层次：云计算基础架构服务层（IaaS）、软件开发平台服务层（PaaS）、软件服务层（SaaS）；云实训平台包括三个系统和一个中心：云在线课程系统（即MOOC）、云计算在线实训系统、云计算在线考试分析系统，所有的标准化科件放在实训课件库中。总体架构图如下：

图：云计算实训室整体框架示意图
1）云计算平台
云计算实训室的技术架构为国际标准的，主流云计算厂商、服务商所采纳的云计算基础架构(IaaS)、云计算平台架构(PaaS)、云计算软件和服务（SaaS）三层架构，每一层所实现的组件都遵循标准的技术规范，IaaS支持管理主流的虚拟化hypervisors，如KVM，XenServer，VMware，Oracle VM，Xen等虚拟化技术，PaaS平台，可在上面构建、测试、部署和运行应用程序，支持Java, Ruby, Node.js, Python, PHP, Perl 等众多语言环境和开发框架，并且支持 MySQL, PostgreSQL, MongoDB 等数据库服务。
云计算平台提供实训环境，实训的课程包括：云平台本身搭建、管理和开发的实训；基于云平台搭建的Web应用系统、高性能、大数据实验实训；还包括基于云平台的科研。云计算平台包括三层：云计算基础架构层（IaaS）、云计算开发服务层（IaaS）、云计算应用服务层（SaaS），云平台提供统一的安全框架。
2）实训系统
实训系统包括在线课程系统，在线实验实训系统和在线考核分析系统。分别提供实训课程课件、实训课件实验和实训的在线考核。
(1)在线课程系统（即MOOC系统）：
定义了云计算相关的精品课程，课件基于标准化的模板进行定义。每一个课件内容可以支持课件演示文档，可以讲解的录屏幕视频，在线互动和分析，内容的实行丰富可以支持HTML、Epub、PDF、PPT和视频等丰富的内容形式。课程划分不同类型和等级。系统支持跨域组建云课堂，实现不同院校间课程资源共享。

图：跨域云课堂
(2) 在线实训系统：
在线实训提供针对课件的实训实验，通过这些是实训实验，学生进行实践云计算的平台的搭建、配置、维护；基于云平台部署的虚拟机、中间件、应用系统和开发环境进行云平台应用的实训。基于云平台模板进行大数据、分布集群、高性能的实验操作。

云计算实训室运行场景图
(3)在线考核分析：
考核系统是对实训课程和实训操作的一个检验，支持阶段性测试，也支持学期期末测试。同时支持考核评分和分数统计，通过统计可以获取每次实训的效果和改进点。
考核系统可以与学生的学分相对应。使得考核系统对学校的实训结果进行有效的管理和监督。

图：先电在线考核分析系统
实训室可以进行云计算比赛的环境搭建，支持云计算项目技能竞赛。
云计算实训室的总体框架需完全满足我院相关专业的云计算，云存储，云安全、云应用和平台开发等服务应用开发的相关教学活动，包括实验实训、创新设计、相关竞赛和教师科研活动等，并可以为城市高新技术科技园区从云计算技术的相关企业提供人员培训和技术服务支持。
4、技术方案
云计算实训室技术方案，云平台采用业内最广泛使用的基于开源云平台Openstack，OpenShift系统开发，实训系统采用一道云在线实训系统。通过云平台的接口实现实训系统和云平台的无缝接入，实现真实云计算环境的实训技能操作。可以满足统一授课、项目小组实训、个人学习实训、云计算比赛模拟实训和教师从事科研等需求。

（四）实训方案：

学生采用云计算一体化实训装置实际搭建云平台和实践虚拟机技术，以60人班级，每个班级6人一组，设计的实训方案如下：
教学云平台
实训环境由一套云计算一体化实训装置搭建1套实验室教学云平台。该实验室云平台作为整个实训的管理平台，为学生自动部署所需要的环境。该平台的管理由任课老师管理。平台由“IaaS、PaaS、SaaS三个云平台+在线课程、在线实训、考核分析3个系统“构成。

图：教学云平台
基础管理平台

（1）用户、机构、角色管理

基础管理平台可以统一管理云平台的用户、组织机构、角色等公共基础信息。各个子系统分别扩展各自特有的信息，达到个性化的定制。通过统一的入口来修改用户、机构等信息。基础平台给统一认证提供校验用户服务。

图：基础管理平台的用户管理

（2）统一认证、单点登录

系统采用CAS认证服务实现单点登录（SSO），用户一次性进行认证之后，就访问系统中不同的应用；而不需要访问每个应用时，都重新输入密码。实现 “单点登录、全网漫游”。

图：帐户登陆
Saas云平台
云平台提供基于业内最广泛使用的Openstack、OpenShift的各项产品及服务，提供可视化的用户界面，简化用户操作，让用户能通过简易的操作对不同云产品进行管理和监控。实现资源的统一管理，对资源的添加、修改、删除等操作。

（3）域管理

域也可以理解为数据中心，云平台统一管理数据中心，通过图表的形式展现各个数据中心的资源利用情况。选择不同的数据中心可以分别查看各个数据中心的资源使用情况。

图：云平台统一管理数据中心

（4）订单申请

用户可以自由的选择数据中心，来定制自己需要的资源实例。同时可以选择生成模板，对相同的资源申请下次申请的时候可以直接从模板选择生成。订单生成后等待管理员审批。

图：用户选择数据中心

（5）订单审批

订单审批提供资源申请的创建、回收、退回等功能。运营管理员拥有申请、查询、退回、回收权限。

图：订单管理

（6）资源管理

审批通过后，会形成资源实例，会相应生成资源的访问地址，比如IP等。普通用户可以对资源进行管理，包括重起、删除、迁移、挂起等等操作。管理员统一管理所有用户申请的资源实例。

图：资源管理

（7）资源模板

用户可以通过简单的勾选来定制适合自己的资源模板，比如像下面这样的配置，批量的生成资源实例。

图：资源模板
提交后，用户可以在个人中心维护自己定义的模板，当然，云平台会默认提供一批通用的模板，供用户选择。

（8）软件池管理

利用软件池管理，云平台可以非常方便的申请软件资源，在资源申请的时候通过简单的参数配置并提交后，软件将自动完成安装部署工作，避免人工操作带来的错误风险以及技能差异，让应用软件的操作部署真正标准化、工业化。
云课堂
云课堂分老师端和学生端，老师可以定义课程、安排上课计划、设计上课任务、跟学生互动、辅导。学生可以观看老师发布课程，同时提问、做笔记、跟老师，同学交流、互动。

Ø 教师端

（9）课程管理

老师可以发布课程，可根据需要修改、删除课程、增加课程班次等，当删除一门课程时，则级联删除所有与该课程相关的课程数据。

图：课程管理

（10）班次管理

在课程管理里面，可以增加课程班次。课程班次允许循环利用课程资源，在不同的班次里面添加班次特有的课程属性。同时每个班次可以管理课程相关的内容，包括课时、资料、教师、学生通知、题目、任务等等。最后每个班次还对上课过程中产生的数据做了统计说明。

图：班次管理

（11）课时管理

课时是课程里面的最小单元，每个课时可以用不同的形式来展现，支持视频、文档（包括pdf，office办公文档等）、图文、实训、试卷、任务

增加完课时后，可以自由调整课时的次序，可以点击预览查看播放效果。

（12）资料管理

教师可以通过该功能上传课程学习材料，供学生下载、阅读；包括：各种pdf、office文档等。

图：资料管理

（13）人员管理

一个班次里面可以管理老师，添加助教辅导老师等，可以增加学生，可以查看学生的学习进度等情况。

图：人员管理

（14）课程通知

课程通知可以发布课程相关的信息，让学员们及时的了解课程相关的信息。

图：课程通知

（15）试卷、任务管理

在课时定义过程中，老师可以布置一个任务，发布一张试卷，让学生来完成。最后再统计数据里面可以查看学生的完成情况。了解课程学习的相关情况。

（16）课程导入、导出

课程按照标准定义，支持导入导出的功能。方便课程资源的存档、交流共享。

图：课程导入

（17）数据统计

数据统计是学生在上课的过程当中产生的数据的分析情况。包括试卷的成绩，任务的完成情况，视频观看的时长等等信息。老师可以查看学生成绩，进度等等情况。同时每个同学的学习痕迹都以时间轴的形式展现出来。

图：数据统计

（18）互动交流

在老师的教学区，可以看到学员的问答，老师自己需要批阅的试卷等等，可以实时的跟学员互动教学。

图：互动交流
Ø 学生端

（19）课程列表

学生可以从课程列表页面看到所有老师发布的课程，选择自己感兴趣的课程加入学习，跟这门课程的老师，同学进行互动学习。

图：课程列表

（20）加入课程

学生选择加入课程后，可以查看课程的相关课时，课程的资料以及课程的基本信息。也可以在讨论区提问，跟老师，同学互动交流。

图：加入课程
切换到资料区可以获得课程相关的资料。

图：课程相关资料

（21）我的课程

在我的课程里面，是学生自己的课程学习情况。包括正在学习中的，已经完成的。以及在学习过程中产生的相关数据，比如问答，对知识点的笔记等等。

学生实训
实训系统由在线实训前台、管理后台两部分组成。其中在线实训前台由首页、课程展示、我的课程、个人中心组成。管理后台由用户管理、机构管理、课程管理组成。在线实训系统用户分为学生、老师、系统管理员三类。
10组学生，每组通过1套云计算一体化实训装置接入教学云平台，构建一个自己的实训云，当学生具体学习某课程后，可以在课程实训章节中进行实训。在线实训系统中的实训不是单独存在的，它作为课时章节插入到课程中，通过课程资源库，使用者可以通过课程分类或课程的标签寻找自己需要的课程进行学习。

图：教师实训管理界面

图：学生实训界面
云考试
在云课堂学习，实训结束后，老师可以定义这门课程的一次考试，来检测学生的学习情况。系统提供自动判分，摆脱传统的老师批卷模式。
Ø 教师端

（22）定义考试

由主考老师来定义一场考试，设置相关的出卷老师，评分老师等，然后组织学生考试，最后得出考试结果。

图：定义考试

（23）出卷

命题老师出卷，试卷由章、内容这样的结构构成，可以添加单选题、多选题、判断题、填充题、论述题。

图：出卷

（24）评分

学生考试完毕，评分老师进入评分。系统实现100%自动判分，对有异议的题目老师可以选择修改分值。

从定义考试——>出卷——>评分，最终得出考试成绩。

图：定义考试至评分过程

（25）试卷管理

跟组织一场考试类似的，老师也可以定义一些试卷，通过增加试卷来实现。试卷是可以反复练习的，学生平时可以选择老师定义的试卷来反复的考试，直到完全掌握试卷上的知识。

图：试卷管理

（26）导入导出

试卷可以导入导出，同时可以导出为word格式的文档，用于打印试卷，存档使用。

图：试卷导出

（27）题库

题库根据年级、课程（章节来组成课程）、教材版本、学级、知识点等来分类管理。由题型、难度等标签来区分各个题目。最终形成包含各个方面的题库。老师可以利用题库来进行组卷，进行练习、考试。学生可以筛选知识的薄弱的试题进行练习。

图：题库管理
Ø 学生端

（28）试卷列表

学生可以在试卷列表查看各个试卷，选举自己需要练习的试卷进入考试，练习。

图：试卷列表

（29）试卷历史

练习完试卷后，在我的试卷里面可以查看试卷历史，点击查看分析，可以进入试卷历史界面，查看练习情况以及参考答案等信息。

图：试卷历史

（30）选题篮

在题库页面学生可以根据各种分类及标签选择自己需要练习的题目，添加进选题篮，然后组卷进行练习。

图：利用选题篮组卷
云计算教学资源库系统
教学资源库整合了云平台，提供以下功能：教学课程管理和学生学习跟踪。课件内容视频（微课）、ppt等资源管理和在线播放。实验环境的自动部署（模板）：包括物理机的网络自动安装；虚拟机的自动部署；实验环境的物理机系统备份和恢复。
实验目的
学生通过实验室的实训课程能够掌握计算机技术、计算机网络通信、信息处理、云安全等基础知识，具备服务器、资源虚拟化、数据存储和云安全等基本技术
通过云计算系统的部署、调试和开发充分锻炼学生的动手能力和编程水平，通过训练，学生将具备云计算系统设计、平台搭建、安装、调试、二次开发的必备能力。
学生能架设云计算平台，能对云计算平台进行运维及性能优化，对云计算产品进行推广、部署和技术支持。

三、部署方案如下

（一）部署方案

网络拓扑图
部署说明
部署教学云平台
由1套云计算一体化装置搭建，对外提供虚拟机，进行云平台控制节点和计算节点的部署安装。
学生实训分组
60名学生分成10组，每组6名学生通过云计算一体化装置接入云平台，进行实训云平台的部署。

实训室布置图
（二）实训课程

1．实训课程资源列表

编号	课程名称	教材 (pdf /doc)	课程 (pptx)	试题 (pdf /doc)	操作录屏 (mp4)	讲解视频 (mp4)	在线课程
1	云计算基础架构平台（IaaS基础篇）	1	8	1	8	8	1
2	云计算基础架构平台（IaaS扩展篇）	1	6	1	6	6	1
3	云计算基础架构平台（IaaS开发篇）	1	5	1	5	5	1
4	云计算开发服务平台	1	9	1	9	9	1
5	云计算软件服务平台网盘Android客户端开发	1	7	1	7	7	1
汇总		5	35	5	35	35	5

课程教材：1个pdf文件（包含原生doc格式文件）
试题：1套期末试题文件pdf文件（包含原生doc格式文件）。
每章简报：7个pptx文件
每章实操录屏：7个MP4文件。
每章讲解视频：7个MP4文件，每个视频包括简报讲解和操作录屏讲解。
在线课程：1个在线课程。（以上课程资源除以电子文件形式提供，同时在云课堂实训系统中以在线课程形式提供）。