中小学云教室解决方案

2020-06-04 01:39
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中小学云教室解决方案


背景概述

为了实现智慧校园应用体系建设,中小学每年都会增配不少电脑装备,一方面可推进基础教育的均衡发展,另一方面可大幅提高中小学校生机比,从而使得信息技术更好服务于现代教育,培养学生信息化能力。但是,传统计算机应用教育还是以PC为主,这类设备属于“胖终端“(独立运算和管理),在教育信息化对安全、高效、节能、环保等新要求下,胖PC显然不是最佳载体。

近几年,桌面云因具备资源按需分配、安全可控、数据可靠、节约成本、提高资源利用率、统一管理、系统冗余等多种特性,在智慧校园建设阶段得到广泛应用,通过基于云架构的校园桌面基础设施将信息技术与教育教学深度融合,实现无处不在的校园学习、高效经济的校园IT治理、教育资源共享与应用、信息技术与教学模式创新等,最终构建一个安全、高效、节能、环保的智慧校园,让学生享受更优质的教育服务。

为此,结合国家教育信息化发展规划和智慧校园建设指导,推出智慧校园桌面云解决方案,为计算机教室、教师办公等多种业务场景提供全新的云IT建设方案,从而实现教学集中化、管理智能化、维护简单化、校园绿色化,将师生桌面计算机带入云时代,同时也进一步加速义务教育均衡发展和中小学生机比的建设进程。

需求分析

当前遇到的挑战

传统PC是中小学重要的教育技术装备,服务于学校的信息技术应用教育,但同时也面临着不少难题,主要如下:

教学环境部署困难:随着智慧校园建设的逐步深入,学校往往需要频繁进行教学应用软件升级或购置新的计算机装备,此时在桌面部署和系统更新方面会占用电脑老师大量的时间精力,甚至还会因为上机环境无法及时就绪而影响正常的授课进度。

故障率高、维护麻烦:电脑机房中的PC属于公用性设备,学生好奇心强,可能会不经意破坏系统文件或硬件设备,导致学生桌面软硬件故障非常多,即使采用远程克隆、硬盘还原卡等技术,维护工作量依然很大。同时,学生PC运行时间久了会变慢、且恢复麻烦,影响上课效果和学生积极性。

能耗高、噪音大:校园教学用地十分有限,分配用于计算机教室的空间较小,而PC占用空间较大,影响教学环境的美观性。另外,传统PC功耗200W,电费成本高,而且噪音干扰和机体辐射较为严重,不利于学生的健康学习、影响教学效果,也不符合国家对“节能环保“的战略发展要求。

教育资源共享性差:据统计,教学PC的平均性能利用率不到15%,资源严重浪费,不匹配教育部对“优质教育资源共享与应用“的指导原则,同时还导致长期运行成本居高不下。另外,当设备老化,或者教学需求变更,就必须全部更换所有PC,造成教育资源浪费。

学生桌面可控性差:传统PC无任何管控措施,学生偷偷打游戏或看视频,导致课堂纪律不可控,影响教学效果。同时,学生可能会在上课过程中随意上网或使用U盘、移动硬盘等设备,这样容易使得PC感染病毒,自动弹出一些“限制性“网站,影响学生身心健康,而老师还需要定时清除病毒、工作量大。

教学应用灵活性低:学校教职工在日常办公或教学过程中,需要在办公室、家里及出差等多个不同的计算机应用/办公环境中切换,这时会面临个人桌面不统一、应用环境不一致、浏览器兼容性差、个人数据易丢失等问题,而这些问题不仅会影响教职工办公效率,同时也增加了IT维护难度。

所以,为了降低综合维护成本,提升教育信息化管理水平,推出VDesk桌面云解决方案,提供了革新教育教学模式的全新IT建设思路。

建设目标和思路

VDesk桌面云解决方案的总体目标是利用最先进的云计算技术解决传统模式存在的各类问题,为学校打造云计算机教室、移动教学与备课。本方案通过在学校数据中心部署高性能桌面云服务器(预装VDI系统软件),集中托管学生桌面和教师桌面,然后在计算机教室和教师办公区放置零维护、精致小巧的桌面云终端,实现在校师生更优质的上机体验,并能够统一管理和控制,从而降低TCO,帮助学校建设“安全、高效、节能、环保“的智慧校园,引领学校走上”云教学“的步伐。

具体建设思路如下:

1.    在学校的机房,或者电教室内部署桌面云一体机服务器(VDesk桌面云一体机),分别将电脑机房、教师办公的桌面和数据迁移上去,实现智慧校园一朵云。

2.    学生机配套多媒体教学管理软件,实现流畅屏幕和视频广播,满足课堂教学所需,并为师生提供互动教学模式,提升教学效率。

基于此,智慧校园桌面云解决方案符合“三通两平台“将优质教育资源带入课堂的建设要求,并且实现现代教学装备的资源整合与使用,有利于提升整体教学效率和质量。当然,建设过程中,我们紧密结合了广大学校的实际情况、师生上机习惯和生机比达标部署建议,提出更为合适的方案,不仅满足师生高效上课需求,更为师生提供无处不在的上机体验、实现”移动课堂“战略愿景。


桌面云建设方案

学生云教室

场景分析

目前中小学计算机教室面向的学生多、流动性大,且PC使用频繁,所以严重影响了教学系统稳定性,并且设备老化很快、淘汰率高,即便采取硬盘还原卡的方式进行管理与维护,但该方法设置复杂、易损坏,甚至还会被学生破解,所以系统问题依然很多,增加了管理难度,降低了教学效率,不利于学生日常学习。

另外,学校计算机教室一般都会要求同时满足普通教学、考试、课外培训及实验课程等不同场景的使用。由于传统模式通常需要到现场对PC进行单独维护,环境部署工作量很大,尤其是每逢重要考试、教学场景切换等时期,往往需要提前一周停课,老师对所有PC设备逐个进行环境变更,然后在考试或教学任务结束后,又要逐个进行环境复原,因此造成了设备利用率低、维护成本高、容易出现差错。

经总结,计算机教室需求特点如下:

1.    学生机数量虽然很多,但桌面环境都是高度标准化的,无个性化需求。

2.    中小学生IT水平较弱、操作自由度大,易损坏教学系统,管理困难,所以需要通过技术手段执行必要的控制。

3.    需要兼容教材中的各类教学软件(包括电子教室软件等),满足课外使用、考试、教学等不同业务需求。

4、不同课程可能会对桌面系统有不同的要求,要求能够快速的切换桌面系统。

推荐方案

基于计算机教室的需求特点和未来愿景,我们推荐采用ARM云终端和VDesk桌面云一体机作为解决方案,使用“公用桌面池”来管理学生桌面。

云终端部署建议:

每个计算机教室有1台教师机、56台学生机,建议采用ARM云终端,或者ARM云终端显示器一体机,通过设备加电自启、定时开关机、单点登录等功能特性,实现上课时的全自动化开关机,无需学生人为介入,整体操作更为简便。

云服务器部署建议:

如果无需为学生桌面分配存储空间,推荐部署云课堂一体化服务器,采用全闪存磁盘设计方式,为上层桌面提供强大的IO支持,确保卓越的用户体验。如果需要为学生桌面分配存储空间,推荐部署桌面云一体化服务器,采用SSD+HDD混合磁盘设计方式,其中SSD用于热点数据缓存加速,HDD用于存储个人数据,从而以较低成本的方式获得高IO支持,提升学生上机体验。

学生桌面采用1:N还原模式部署,系统重启自动还原为初始状态,电脑老师只需维护一个模板镜像,即可一键发布教学软件、更新系统等,从而为提升教学效率保驾护航。

系统的特色功能:

VDesk桌面云一体机结合电教室的需求,开发了很多特色的需求。

1)快速制作模板

云教室管理员无需借助第三方工具,可以通过系统向导,自助进行模板的制作和编辑。

价值收益

高效管理:老师可在全web化界面轻松制定不同课程模板,方便不同年级、不同场景自由选择,打造更弹性、更灵活的上课模式。当学校办学规模扩大(新增PC)和教学课程变更时,桌面云可实现一键式桌面部署和系统快速更新,不仅节省老师时间,更加速了均衡教育、生机比达标等国家政策建设进程。

促进教学:全闪存设计和SSD缓存加速技术可大幅提升上机体验,确保学生的上课积极性。配套专业的多媒体教学软件,老师可轻松控制学生上课行为,比如同步课件、分发文件、限制上网和游戏、收发作业、分组教学、随堂小考等,这样有利于严肃课堂纪律,让学生专心上课,提升教学质量。

节省成本:桌面云可以降低学校的长期运行成本,包括技术支持成本、运行维护成本、硬件升级成本、电力成本等,一方面云终端和服务器总体故障率较低,节省硬件维保和支持成本,另一方面,当桌面性能不足时,无需淘汰原有硬件资源,只需添置部分服务器来实现性能提升,保护已有教育资源。

绿色节能:桌面云终端功耗小、无噪音,可为学校建设整洁美观的教学环境,不仅响应了国家“绿色节能”的倡导要求,而且有利于提升学校的整体办学形象,还可以为学生创造安静舒适的上课环境,保障教学效果。

教师云办公与教学

场景分析

学校会为每位老师配备一台办公PC,所有的教学资料都存放在本地电脑硬盘(信息孤点),不利于随时备课、教案交流、素材管理、经验分享等。同时,PC使用过程中也逐渐暴露出不少问题,比如管理难、运营成本高等。

同时,为了方便教学,学校还会在教学楼中每一间教室(包括多媒体教室、计算机教室)均部署了教学PC,教师可以通过U盘、移动硬盘方式拷贝课件进行教学。可一旦U盘、移动硬盘感染病毒,会迅速感染到每间教室的桌面机,又或者由于老师的使用习惯不同,往往会导致教室PC的桌面环境混乱,这些都会严重影响正常教学。而且,如果U盘出现损坏、文档版本不兼容等问题,教师也只能通过黑板等传统方式进行教学,影响教学效果。

经总结,教师办公和教学环境需求特点如下:

1.    老师业务场景比较复杂,除了教学,还要备课、制作课件、浏览网站、素材下载等,所以对桌面环境的个性化要求很高。

2.    老师需要经常使用U盘、打印机、摄像头等外设,以及存储各种教学课件和资料,并且这些课件要方便在教室、办公区、家里调用。

智慧校园对教师云办公与教学的未来愿景:

每位老师都有专属于自己的桌面和云中存储空间,他们只需要记住一套账号密码,在教室、家里等不同地方可以接入桌面、随需调用课件,上课再也不需要携带U盘和资料,打造移动化教学模式、也方便在家备课。同时,桌面可以实现充分个性化,老师能够自主安装软件和连接外设。

推荐方案

基于教师云办公/教学的需求特点和未来愿景,我们推荐采用云终端+基于高可用集群的VDesk桌面云方案

云终端部署建议:

教师办公区,既可以部署ARM瘦终端,也可以使用老师自己的笔记本。然后,每个老师分配一个云账号密码,后端绑定一个独立的桌面虚拟机和教学存储空间,老师可以在虚拟机上自主安装软件、连接外设、存储各类教学资料,并且在策略许可情况下,可不受网络限制,随时接入桌面云进行教学、办公、备课等。

云服务器部署建议:

本方案推荐采用桌面云一体化服务器,出厂时预装全套系统软件,降低调试难度和时间,建议每台服务器配备1块SSD硬盘,xx块HDD硬盘,其中SDD用于缓存加速,保障教师办公体验,HDD存储每位教师的虚拟机和存储空间,并采用双副本技术来保障数据的安全性。

价值收益

提升效率:无论模板制作、更新、还原等日常管理操作,都只需点击几个按钮,老师足不出户即可实现对全校PC的运维管理,效率相对PC模式提升10倍以上,从而提升课堂教学效率,并以云化管理促进教育信息化的优质发展。

移动课堂:桌面云为每位老师量身定制专属的虚拟课堂,不仅轻松实现桌面在不同教室、不同办公区漫游,而且在其他场合,老师使用PC、笔记本、云终端、Pad等设备也可以打开自己的“工作桌面”办公。由于桌面和资料访问的统一化,老师不再需要担忧课件获取/拷贝麻烦、文档不兼容等问题。

安全教学:老师办公和教学相关操作都在受控、统一安全规范的云桌面下进行,更有利于保障教学业务和课件及其他资料的安全性与可靠性。同时,桌面云化之后,可根据办公人员的岗位和课件资料的重要程度,设计数据的备份计划与备份频率,确保学校重要教学资源的安全性。

资源共享:学校优质文档、图片、音频、视频、课件等教学资源共享非常便捷,所以能够为班班通、校校通的信息化战略落地提供基础支撑,同时也为名师课堂、名校课堂、专递课堂的开展提供信息化平台。


项目总体架构与选型方案

方案整体架构

假设一个学校有100个教师办公,三个电教室,每个教室56个桌面。方案的总体架构如下:

三个教室,每个教室分别部署一套VDesk系统,56个云终端,1台教室机。

100个办公用户,部署三台服务器,按照N+1的冗余配置。每台服务器支持50用户的办公用户。在一台服务器故障时,剩余的两台服务器能够支撑100个用户的桌面运行。

三个教室分别在一个二层网络内,进行屏幕广播时,广播流量不会相互影响。教师办公的桌面云也在一个独立的二层网络内。各个二层网络之间通过三层交换机连接。

选型说明及方案

虚拟机配置参数


业务场景

场景说明

虚拟机配置

计算机教室

电子教室软件、Office、金山打字、360浏览器等

2vCPU/2G内存/系统盘20G+数据盘30G/20个IOPS

教师办公

Office、金山打字、360浏览器等

2vCPU/3G内存/系统盘40G+数据盘60G/20个IOPS


云终端选型方案


适用场景

终端型号

详细配置参数

规模(人)

计算机教室(1个,每教室56人)

J70195

ARM 2.0G四核/1G内存/4G存储/4*USB/19.5显示器

56

教师办公

J50

ARM 2.0G四核/1G内存/4G存储/4*USB/VGA/HDMI

100


云服务器选型方案


云服务器型号

主要配置

数量

JY201-D08RH

19英寸工业标准2U机架式服务器;Intel C600芯片组;

CPU:E5-2660V4 2.0Ghz x 2

内存:124GB(16GB DDR4 * 8)

SSD:480GB Intel S3510/S3520 SSD

硬盘:2TB * 1

电源:1+1冗余电源

网卡:GE*4

3台

JY201-D08RH

19英寸工业标准2U机架式服务器;Intel C600芯片组;

CPU:E5-2620V4 2.1Ghz x 2

内存:192GB(16GB DDR4 * 12)

硬盘:150G SSD * 1 [Intel S3510/S3520]

硬盘:800GB * 1 [Intel S3510/S3520]

硬盘:2TB * 3"

3台



其他设备选型方案

每个教室配置三台24口千兆交换机。

办公桌面云配置1台三层交换机,5台24口千兆交换机。


产品组件介绍

瘦客户机

J50是自主研发的瘦客户机(Thin Client),是目前业界性能最强的ARM云终端产品,采用4核ARM Cortex A9嵌入式方案,支持双显示接口,内嵌定制的Linux内核和优化的微软RDPRemoteFX图形增强协议,以及SPICE客户端协议,提供人性化交互设置界面,以卓越的性能满足用户桌面虚拟化的业务需求。J50规格如下:


系统配置

详细说明

CPU

ARM Cortex A53 2.0GHz, 4 Cores

内存

DDR31GB

Flash

NAND Flash 4GB

以太网络

10/100/1000M自适应RJ45接口

无线网络(选配)

WIFI 802.11B/G/N(可选配置)

音频输入

MIC输入口,直径3.5mm

音频输出

音频输出口,直径3.5mm

USB

5USB端口

VGA

最高1920 x 108060 Hz;色深:32 bpp

HDMI

最高1920 x 108060 Hz;色深:32 bpp

电源

外接电源适配器

输入:AC100~240V50~ 60Hz

输出:DC5V2000mA

主机电源输入

直流5V2000mA

电源开关

轻触开关

功耗

< 5W

冷却

自适应散热、无风扇

噪音

0分贝

工作温度

0~45摄氏度

工作湿度

20 % 80 %冷凝

10 % 95 %非冷凝

挂件

1件,显示器背挂架,VESA标准




杰云桌面云方案特点与优势

提供基于浏览器的图形化管理界面

同时为系统初始化提供了全程的向导,管理系统自动引导用户完成初始配置和用户桌面的创建。VDesk不需要管理员有额外专业背景知识,绝大多数情况下,管理员可以自助完成。

图42 简单明了的主控界面

提供公用桌面和专用桌面

公用桌面:在用户使用完桌面后,桌面虚拟机可以根据策略回收,适合学生上课桌面。公用桌面的创建由VDesk依据桌面池配置自动化完成;同时公用桌面的回收(销毁)也是依据桌面池的配置策略执行。

专用桌面:指用户拥有的个人虚拟桌面,不会被系统自动回收,用户的个人数据被持久化保存,比较适合教师办公桌面。

图43 专用桌面和公用桌面


支持与Active Directory域用户管理的无缝集成

企桌面办公环境,通常会使用域管理服务,VDesk可以无缝的集成AD域管理服务,用户登录VDesk虚拟桌面系统和虚拟桌面,只需一次AD域用户认证。

支持多存储资源池,内存去重和IO加速

多存储资源池,方便用户对现有的存储资源进行扩容,也不必改变原有的存储资源,实现不断业务的存储扩容。多级存储资源,可以为不同的桌面池配置不同的存储资源,提供差异化的存储性能。也可以为母盘镜像指定单独的高速存储介质,提供极好的母盘镜像访问性能。

图43 多存储池和分级存储

基于虚拟化层的内存去重技术,可以为非持久化桌面提供高IO性能保证和高压缩比的存储空间利用。通常情况下,虚拟机密度越高的部署场景,内存去重的收益越明显。同时由于去重后的大量主镜像数据可以缓存在内存中,虚拟机开机、用户体验原来受硬盘IO限制的情况大为改善,不仅可以提供极速的开关机体验,还大大降低由于磁盘操作带来的桌面操作延时。

图44 基于内存的数据去重和IO加速

快速的桌面获取和一键还原

业界超快的桌面获取速度,VDesk服务器开机3分钟内即可获得可用的桌面。如果开启桌面还原功能,每次下课后系统在3分钟内还原全部桌面,所有桌席又是全新的干净的桌面。

图52 快速桌面发放与还原

图53 桌面池的课程表调度

教师控制台直接到终端的屏幕广播

在虚拟化的电子教学环境中,最大的区别在于使用虚拟化主机代替了原来的物理PC主机,学生使用的Windows桌面被虚拟化到了数据中心的服务器上。原来PC教学环境中,教师台和学生PC的互动,演化成教师控制台和学生虚拟桌面的互动。虚拟化PC相比传统的物理PC而言带来了许多便利,例如集中管控,快速桌面发放,快速应用发放,桌面快速回收,快速还原等等,包括低功耗、绿色环保等优势。但是由于虚拟化桌面需要通过远程桌面协议和云终端在学生台面呈现Windows桌面,教师控制台和虚拟化桌面大画面互动,会带来延时体验,同时增加服务器的处理压力。其中最重要的就是教师控制台的屏幕广播功能。

通过优化系统架构,将教师控制台的屏幕广播数据直接广播到云终端,不仅可以降低服务器的压力,还可以获得高清和低延时的学生端体验。该特性作为VDesk云教学平台的重要组成部分,可以为虚拟化电子教学系统提供1080p级别的极速广播体验。


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