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摘 要 阐述数学实验云平台的设计和实现过程及开发过程中使用的关键技术。数学实验云平台是支持分布式计算并放置于互联网上的集成数学实验环境，具有开放性、即时性和易接触性，能为学生和教师提供在线数学实验和科学计算服务，并具备完成大型科学计算任务的能力。该平台的建立实现了数学实验室优质计算资源的校内和校际共享，为探索数学实验室的未来发展做有益的尝试。
关键词 数学实验；云平台；分布式计算；MATLAB
中图分类号：G642.423 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2017）04-0012-03
Abstract This article elaborates design and implementation of the cloud platform of mathematical experiments， and the key technologies used in the process of platform development. The cloud platform is an integrated environment of mathematical experiments on the internet with openness， real-time and accessibility and capable of executing distributed computations. It is able to provide the online service of mathematical experiments and scientific computations for teachers and students， moreover solve complex computation problems. The cloud platform is a way to share the computational resources of high quality in mathematical laboratory within and between campuses， and explore the development road of mathematical laboratory in future.
Key words mathematical experiments； cloud platform； distributed computing； MATLAB
1 前言
目前国内众多高校的数学实验室是基于局域网的以微机为主体的机房，难以将其计算资源共享给广大师生或者科研人员使用，不具备开展大型实验项目和执行大型计算任务的能力，如大数据的分析处理。如何整合数学实验室的计算资源，使之能够提供高性能的计算服务，并将计算服务方便快捷地提供给广大师生使用，是数学实验室建设中亟待解决的问题[1]。
因此，一些学者提出基于网络的虚拟数学实验室，具有网络执行MATLAB程序的功能，能进行简单的数学实验，具有一定的实验教学管理功能；还有一些研究提出基于Web和MATLAB的虚拟实验系统，这些系统针对特定的数学实验项目编制，允许学生通过网络修改模型参数进行演示[2-3]。目前这种基于网络的数学实验室或者虚拟实验系统，不能进行分布式计算，难以开展大型的数学实验项目和完成复杂的科学计算任务，难以处理大规模的并发访问，离实际应用还有一段距离。
本文应用云计算的技术理念，提出构建基于J2EE（Java 2 Platform， Enterprise Edition）和MATLAB分布式计算技术的数学实验云平台，实现数学实验室的多核、多处理器、多台微机和大型数值计算软件等优质计算资源的校内和校际共享，满足广大师生日益增长的科学计算需求，特别是在分布式计算和大数据处理方面的计算需求。
2 数学实验云平台的设计
系统概述 云计算既指在互联网上以服务方式提供的应用系统程序，又指在数据中心用来提供这些服务的硬件和系统软件。云计算可理解为并行计算、分布式计算和网格计算的发展，或者说是这些计算机科学概念的商业实现[4]。
实验云是远程实验技术与云计算技术的融合，将改变传统的教育模式。数学实验云平台应用云计算的技术理念，将数学实验和科学计算理解为可以提供给用户的服务，数学实验室的软硬件资源为生产该服务的基础设施。因此，数学实验云平台定义为云计算技术下的集成数学实验环境，为学生、教师和其他用户提供即时的云端数学实验和科学计算服务，如并行计算、分布式计算和大数据处理等计算服务，让传统数学实验室的计算和服务能力有质的飞跃。
功能模块设计 数学实验云平台是一个集成的数学实验环境，在此环境中主要的操作对象有教师、学生、执行特定计算的科研人员和平台管理人员，该平台主要功能集中在数学实验、课程管理、科学计算、协作交流和资源共享等，具体的功能模块有：
1）数学实验，用户通过该模块接收数学实验任务、在线进行数学实验、查看实验结果及实验成绩、撰写并提交实验报告和储存及查看历次实验记录；
2）科学计算，用户通过该模块提交计算任务、编写计算程序、上传相关数据和获取计算结果，进行项目管理；
3）课程管理，该模块使用者主要为数学实验教师，主要功能有发布实验任务、收集并查看实验报告、评定实验成绩等；
4）协作圈子，该模块帮助用户完成需要团队合作的实验或者科研项目，在一个圈子里，圈子成员共享实验空间、代码空间，在线讨论交流等；
5）文件管理与共享，该模块提供讲义、辅助材料、课程录音、录像等课程资源的存储和共享；
6）人员管理，该模块用于管理教师、学生和其他人员的个人信息，包括所上课程、所屬班级实验小组或者科研机构、参与项目、项目角色等信息。
关键词 数学实验；云平台；分布式计算；MATLAB
中图分类号：G642.423 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2017）04-0012-03
Abstract This article elaborates design and implementation of the cloud platform of mathematical experiments， and the key technologies used in the process of platform development. The cloud platform is an integrated environment of mathematical experiments on the internet with openness， real-time and accessibility and capable of executing distributed computations. It is able to provide the online service of mathematical experiments and scientific computations for teachers and students， moreover solve complex computation problems. The cloud platform is a way to share the computational resources of high quality in mathematical laboratory within and between campuses， and explore the development road of mathematical laboratory in future.
Key words mathematical experiments； cloud platform； distributed computing； MATLAB
1 前言
目前国内众多高校的数学实验室是基于局域网的以微机为主体的机房，难以将其计算资源共享给广大师生或者科研人员使用，不具备开展大型实验项目和执行大型计算任务的能力，如大数据的分析处理。如何整合数学实验室的计算资源，使之能够提供高性能的计算服务，并将计算服务方便快捷地提供给广大师生使用，是数学实验室建设中亟待解决的问题[1]。
因此，一些学者提出基于网络的虚拟数学实验室，具有网络执行MATLAB程序的功能，能进行简单的数学实验，具有一定的实验教学管理功能；还有一些研究提出基于Web和MATLAB的虚拟实验系统，这些系统针对特定的数学实验项目编制，允许学生通过网络修改模型参数进行演示[2-3]。目前这种基于网络的数学实验室或者虚拟实验系统，不能进行分布式计算，难以开展大型的数学实验项目和完成复杂的科学计算任务，难以处理大规模的并发访问，离实际应用还有一段距离。
本文应用云计算的技术理念，提出构建基于J2EE（Java 2 Platform， Enterprise Edition）和MATLAB分布式计算技术的数学实验云平台，实现数学实验室的多核、多处理器、多台微机和大型数值计算软件等优质计算资源的校内和校际共享，满足广大师生日益增长的科学计算需求，特别是在分布式计算和大数据处理方面的计算需求。
2 数学实验云平台的设计
系统概述 云计算既指在互联网上以服务方式提供的应用系统程序，又指在数据中心用来提供这些服务的硬件和系统软件。云计算可理解为并行计算、分布式计算和网格计算的发展，或者说是这些计算机科学概念的商业实现[4]。
实验云是远程实验技术与云计算技术的融合，将改变传统的教育模式。数学实验云平台应用云计算的技术理念，将数学实验和科学计算理解为可以提供给用户的服务，数学实验室的软硬件资源为生产该服务的基础设施。因此，数学实验云平台定义为云计算技术下的集成数学实验环境，为学生、教师和其他用户提供即时的云端数学实验和科学计算服务，如并行计算、分布式计算和大数据处理等计算服务，让传统数学实验室的计算和服务能力有质的飞跃。
功能模块设计 数学实验云平台是一个集成的数学实验环境，在此环境中主要的操作对象有教师、学生、执行特定计算的科研人员和平台管理人员，该平台主要功能集中在数学实验、课程管理、科学计算、协作交流和资源共享等，具体的功能模块有：
1）数学实验，用户通过该模块接收数学实验任务、在线进行数学实验、查看实验结果及实验成绩、撰写并提交实验报告和储存及查看历次实验记录；
2）科学计算，用户通过该模块提交计算任务、编写计算程序、上传相关数据和获取计算结果，进行项目管理；
3）课程管理，该模块使用者主要为数学实验教师，主要功能有发布实验任务、收集并查看实验报告、评定实验成绩等；
4）协作圈子，该模块帮助用户完成需要团队合作的实验或者科研项目，在一个圈子里，圈子成员共享实验空间、代码空间，在线讨论交流等；
5）文件管理与共享，该模块提供讲义、辅助材料、课程录音、录像等课程资源的存储和共享；
6）人员管理，该模块用于管理教师、学生和其他人员的个人信息，包括所上课程、所屬班级实验小组或者科研机构、参与项目、项目角色等信息。