通用开放实验平台的数字化升级

抖音热门 2025年09月05日 10:39 2 admin

建设背景

信息技术发展迭代迅速，与信息技术相关的学科领域所制定的人才培养方案与课程体系也紧随社会对人才需求导向不断跟进调整，相应实验教学环境也必须与主流技术保持一致，本文以信息化赋能通用实验平台构建为例展开探索。

2020年，大数据技术课程在开设实验时遇到如下困难：使用CDH集群、Flink、Kafka等软件作为实验环境，当时尚无成熟的实验平台产品；CDH集群搭建对技术要求较高，学院实验员在短时间内无法接手技术环境的运行管理工作；实验室通用PC硬件难以单台完成CDH集群环境安装，且因其他排课而无法兼顾实验室PC既有的开机还原运维管理模式；大数据技术作为热门技术吸引了较多选课人数，学院实验室既有的服务器无法支持该实验开设所需的计算资源；申请专项经费用于软件平台和硬件资源还涉及立项、采购周期等客观条件，无法赶上实验开设的时间；任课教师希望由统一入口作为操作界面，从而减少客户端软件在实验PC上的安装，尽量不参与实验密码维护，并在学校网络安全原则下适当兼顾因疫情防控、极端天气等条件下的远程实验开放。

梳理分析该实验开设需求，发现构建该实验环境的技术细节与信息化基础设施环境存在较多重叠，具体表现在以下几个方面。

第一，至少3节点Linux系统部署一套集群，仅节点1开放http等多个端口进行实验操作，这与信息化基础设施环境安装部署高度重叠。

第二，一套集群环境若多人共用，因相同实验项目和操作步骤易产生相互影响，更适宜按人分配独占集群环境，相同的集群对应到虚拟机或容器便于批量管理。容器部署更节约计算资源，但k8s运维管理相较虚机更为繁琐，容易增加实验保障的不确定性，选用虚拟化来构建实验平台可与信息化资源池形成统一管理模式。

第三，实验在期中前后短周期开放约6周，属于可动态释放的资源占用，对内存的消耗更为突出，对性能和稳定性的要求弱于生产环境，信息化的利旧设备与冗余计算资源都可调剂作为实验开设的运行资源。

第四，CDH操作界面是web控制台，学生开发使用IntelliJ IDEA教育版作为IDE工具，若提供Linux桌面环境，则所有操作都可以在服务器端完成，操作流畅度比实验室PC更优，实验用到的网络端口也无须开放到集群之外的网络，对实验室PC或远程实验依赖条件降低。

第五，利用开源的堡垒机作为实验平台的统一入口，堡垒机全web的操作界面能够更好地适配学生各类终端进行登录，堡垒机具备命令行与桌面连接的html5发布，可以将实验的虚机环境全部纳管，所有实验操作过程都能保留录屏或命令记录，由任课教师对可疑的实验行为进行复核，并且堡垒机能够屏蔽Linux主机端口到终端的开放，代为托管连接密码，以及集成统一身份认证，使实验开放的灵活性和安全性都能得到提升。

第六，CDH集群节点间须保持时间同步，部分实验项目还需要在线获取maven包，都可以复用信息化基础环境的镜像站与时间校准服务，进一步发挥信息化基础设施效用。

面对来自教学一线的技术支援诉求，教育信息化绝不仅是提供学习资源与工具、增进学生体验与互动、拓展教学时间与空间，对教学活动的直接支持更是数字化转型的应有之义。

设计与实施

根据实验开设项目所要进行的操作，结合信息化已具有的基础平台与公共应用服务，组合固定硬件资源与共享信息化资源，基于虚拟化技术构建通用开放实验平台，主要包含通用资源、应用组件与用户终端三个部分，如图1所示。

图1 通用开放实验平台架构示意

通用资源层主要由服务器与存储等硬件构成，其中固定实验资源池对学院既有服务器进行虚拟化改造，同时调剂信息化和校内闲置的旧设备作为资源供给，开课期间不足的资源从信息化资源池动态占用。实验VM使用的存储空间主要来自信息化资源池的分布式全闪存储，确保实验运行的数百虚机获得更优的重删与并发I/O性能。固定资源池使用开源的KVM虚拟化和cockpit作为基础环境，与信息化使用的商用虚拟化平台独立运行互不纳管。

应用组件层由虚拟机构成，实验VM仅节点1安装xrdp与gnome桌面，在Linux桌面使用浏览器、IDEA等图形工具，实验操作时减少与本地桌面反复切换；实验VM按选课人数一对一克隆创建，非开课期间，固定资源池还为学科竞赛与科研提供计算资源，这使通用开放平台能够持续发挥资产价值；开源的Jumpserver堡垒机与统一身份认证LDAP集成后作为用户和实验VM之间的统一入口网关，使实验平台用户管理与校园信息化平台融为一体，也通过集成简化弱密码、密码重置等管理事务；堡垒机运维权限管控功能能够实现如截屏水印、上传文件到实验，以及从本地复制代码粘贴到实验等操作行为的管控，满足了教师对实验过程的管理；开源的seafile网盘作为实验报告与实验程序包提交的文档管理平台，提高文件的分发与收集效率，也便于实验文件的归档保存；实验过程所用到的软件包镜像、域名解析、时间校准等通用服务直接使用信息化公共基础设施服务，使实验平台能够脱离互联网的依赖性而独立运行。

堡垒机对连接方式支持丰富，用户终端仅需浏览器或远程桌面客户端就可开始实验，对终端类型适配宽容度高，因程序运行全在服务器上，终端不做本地计算、无专用客户端程序，对终端性能要求也相应降低，学生进入实验界面同操作本地PC无异。实验平台部署在校园网中，任一种泛在连入校园网的途径都能便捷开始实验，极大地满足实验开设的灵活性及开放实验室的要求。

基于校园信息化的赋能，通用开放实验平台成为校园信息化的组成部分，不仅为实验教学，还为以计算资源为依托的实践教学提供了朴实无华的技术底座，其功能模块如图2所示。

图2 通用开放实验平台功能示意

实验入口与网盘面向使用者实现可视化的实验功能，任课教师根据课程安排自行管理和配置；平台运维对技术环境进行管理，由信息技术部门承担运维和开课时的保障，一定程度上缓解了学院实验员的紧缺，也拉近了信息化与教学的距离；信息化已投用的企业微信、超星学习通等公共平台纳入通用开放平台功能体系，保持原有运行和管理模式，既避免了同质功能的重复建设，也是对既有平台和使用习惯的延续。

实施成效

通用开放平台自投入使用3年来，累计开设实验虚机1500余个，对应动态分配虚拟CPU内核3000余个、内存10TB、磁盘空间146TB，累计服务学生630余人次；为教师和学生开设学科竞赛与科研虚机20余人次，累计动态分配虚拟CPU内核96个、内存464GB、磁盘空间9300GB。通用开放实验平台构建了“你中有我，我中有你”的资源池融合共享模式，在保障信息化运行不受影响的条件下，不仅将分散的硬件资源实现了统筹管理，还将通用实验使用场景的需求进行了统一和集中，是跨越实验室与信息技术部门协同合作育人模式的成功样例，也是践行三全育人的工作常态。

首先，对实验实践提升了开放能力。以通用系统作为实验载体的实验项目并不局限于大数据技术这一门课程，其他具备相似性的实验项目都可逐步迁移至平台并整合相应的硬件资源，有利于数字化学习的开展与不限时间地点的开放，其开放性也赋予翻转实验、混合教学等数字化学习模式的推行，为构建开放、高效的实验资源共享体系贡献了数字化力量。

其次，对硬件设备提升了使用绩效。平台在确保运行安全的前提下消解了信息化设备与实验室设备的使用界限，一方面将不同管理归属的资源进行技术转换，实现共同为教学服务，确保了教学中心地位的落实；另一方面将动态释放的闲置资源转变为统一、规范的资源服务为科研与学科竞赛提供支持，服务学科建设，既盘活了老旧资源使用，提升国有资产管理效能，也响应了勤俭办一切事业的国有资产管理要求。

最后，提升了人员梯队的技术能力。以编程、计算、软件使用等为侧重的实验环境与信息化存在较多的技术重叠，构建通用平台克服了“等、靠、要”的惯性思维，通过开源工具与利旧资产大幅节约了购置经费，也激活实验技术人员的自主性和动手实践能力，在确保实验目标的条件下灵活地运用技术积累，兼顾实验开设与日常运行使用，拓展了实验技术人员的梯队，对提升信息化队伍实践能力与创新意识有着积极促进作用。

来源：《中国教育网络》2025年6月刊

作者：高杰欣张淼（中南民族大学信息化建设管理处）

责编：陈茜