基于云平臺的計算機開放式實驗教學與管理模式研究

饒文碧　王云華　楊焱超　袁景凌　熊盛武

摘要：建設基于云平臺的“個人虛擬實驗室”，研究有助于學生自主學習和提高創(chuàng)新能力的開放式實驗教學和管理模式，闡述在云平臺中提供全天候開放式實驗教學服務、學生自助式學習服務、在線透明的實驗資源等功能的建設策略，支持實驗教學過程動態(tài)跟蹤與創(chuàng)新能力成長評測的實施，探索以一種嶄新的教學和管理模式提高實驗教學質量的方法。

關鍵詞：云計算；虛擬化技術；開放式實驗教學；能力成長評測

0引言

近年來，高等教育改革越來越強調教學評估和質量工程建設，更加重視對學生實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，因此建設高效、開放的實驗教學平臺和管理模式在培養(yǎng)創(chuàng)新應用型人才中的作用日益凸顯。云計算作為一種新型資源共享方式，可以應用于教學管理、學生交流與管理、實驗室建設與管理等方面，能有效降低實驗室的建設成本和部署難度，提高教學效率、系統(tǒng)可靠性和開放性?，F(xiàn)有的研究大都是利用云計算技術進行虛擬教學平臺建設和實驗室管理，筆者在吸取這些方法優(yōu)點的基礎上，研究基于云平臺的計算機開放式實驗教學與管理模式。

1面向創(chuàng)新能力培養(yǎng)的開放式實驗教學云服務平臺

圍繞高等院校計算機學科的科學創(chuàng)新能力、工程創(chuàng)新能力和領域融合應用創(chuàng)新能力的培養(yǎng)目標，武漢理工大學結合通識、基礎、創(chuàng)新等不同層面實驗教學需求，按照云計算的理念和技術規(guī)范，建設基于云計算的實驗教學平臺體系，如圖1所示。該平臺具有技術功能強大、能夠提供個性化服務、實驗環(huán)境規(guī)范、開放程度較高等特點。

計算機開放式實驗教學云服務平臺的基礎設施即服務層（IaaS）由物理資源池、虛擬化管理和云業(yè)務管理支撐，通過對物理資源池中的服務器、存儲資源和網絡設備實現(xiàn)虛擬化聚合部署，配合云計算虛擬化管理系統(tǒng)實現(xiàn)一個功能完整、標準開放、方便集成、安全可靠的IaaS服務層。云計算虛擬化管理系統(tǒng)主要是為云計算基礎架構提供最優(yōu)化的虛擬化與云業(yè)務服務解決方案，實現(xiàn)實驗教學云平臺的中央管理控制，統(tǒng)一管理所有的物理資源和虛擬資源，可降低計算環(huán)境的復雜度和管理成本?；A設施即服務層還可為開展云計算IaaS層的研究、教學和實驗提供基礎環(huán)境。

建設平臺即服務層（PaaS）部署虛擬實驗室組件，主要提供統(tǒng)一身份認證管理、業(yè)務訪問控制、大數據挖掘和統(tǒng)計等方面的服務。

建設軟件即服務層（SaaS）主要包括基礎公共服務和實驗教學服務。基礎公共服務集成現(xiàn)有有序和無序信息，為教師和學生提供一個統(tǒng)一的信息共享入口，以便能隨時隨地對實驗教學云平臺進行訪問、共享、管理、使用等；實驗教學服務能為教師教學和學生實驗提供資源、交流和共享平臺、實驗行為記錄、大數據分析工具等。

2基于云平臺的開放式實驗教學模式

2.1開放式虛擬實驗教學模式以學生自主學習為核心

在云計算平臺上，以SaaS模式部署一套虛擬實驗室系統(tǒng)，對實驗教學云平臺的虛擬資源池進行統(tǒng)一管理，為教師教學和學生實驗提供一整套的虛擬主機管理、實驗環(huán)境、資源管理、能力評測等子系統(tǒng)，將傳統(tǒng)教學中在機房中做的實驗搬到云端，使學生和教師擺脫傳統(tǒng)計算機機房的限制，形成不受時間、地點和設備限制的以學生自主學習為核心的全時段開放虛擬實驗教學模式。

1）學生“個人虛擬實驗室”。

虛擬實驗室系統(tǒng)為每個學生創(chuàng)建“個人虛擬實驗室”，讓學生的學習脫離實驗室的空間和時間限制，實現(xiàn)使用任何可以連入網絡的設備在任何時間通過Web方式或云桌面方式都能訪問“個人虛擬實驗室”并查看當前所有實驗項目列表的功能。學生開始虛擬實驗時，系統(tǒng)會自動根據教師選擇的虛擬機模板創(chuàng)建出學生虛擬實驗機，學生虛擬實驗機已安裝好實驗所需的軟件并配置好所需的環(huán)境，這樣學生就可以將有限的時間專注于實驗本身。

虛擬實驗室系統(tǒng)可以按需為每個學生分配多個虛擬機模板，每個虛擬機模板啟動后就相當于一臺實驗主機。只要管理員不注銷該虛擬機，這臺虛擬機就可被學生長期獨占，因此學生可以對主機上的軟件進行定制、對開發(fā)環(huán)境進行配置、保存實驗操作信息、留存過程數據及學習資料。

2）教師“虛擬工作室”。

利用虛擬實驗室系統(tǒng)，任課教師可以為每節(jié)實驗課配置不同的虛擬機模板，虛擬機模板包含操作系統(tǒng)、實驗開發(fā)環(huán)境等并與課程資源和知識點關聯(lián)。同一個實驗室可以為眾多的課程提供實驗環(huán)境，無需考慮這些課程所需使用資源與實驗環(huán)境的差異，這和傳統(tǒng)實驗室有著本質的區(qū)別。另外，教師還可以對所有參與該課程學習學生的虛擬實驗桌面進行管理，幫助學生解決實驗過程中出現(xiàn)的問題。

虛擬實驗室系統(tǒng)不僅是一個虛擬實驗的平臺和載體，還通過教師“虛擬工作室”提供一種創(chuàng)新性的電子教學資源整理、編輯和匯聚的開發(fā)工具，使老師能快速有效地組織知識點和開展實驗教學，同時提高學生的學習和實驗操作效率。

2.2實驗過程動態(tài)跟蹤與能力成長評測

為監(jiān)控計算機實驗教學的質量，SaaS層還部署了一套計算機實驗云教育系統(tǒng)。該系統(tǒng)與虛擬實驗室系統(tǒng)無縫集成，能為虛擬實驗提供在線課程資源、自動記錄學生實驗過程并進行大數據分析，從而對學生實驗實踐環(huán)節(jié)全過程進行動態(tài)跟蹤與管理。

1）實驗過程動態(tài)跟蹤。

記錄和跟蹤學生的實驗、實訓、競賽、創(chuàng)新活動等信息和軌跡，并通過實驗教學云平臺的大數據分析和挖掘技術，可以幫助老師掌握學生的學習路徑、學習情況等信息，構建學生社會需求一實踐項目一能力達成度一創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力等信息反饋和持續(xù)改進機制，為教學過程的持續(xù)改進提供數據依據，最終促進學生實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)。

2）卓越工程師崗位能力評估。

基于實驗教學云平臺構建面向行業(yè)實際崗位的卓越工程師崗位能力成熟度模型，該模型借鑒軟件工程的CMMI模型，詳細定義達成相應崗位各級能力所應該具備的技術能力和水平。利用基于崗位能力成熟度模型的能力評估工具，可將學習路徑流程化和圖形化，通過云端行為記錄和大數據分析自動對模型中學生的學習過程進行記錄和統(tǒng)計，并與崗位素質模型的要求進行比較，為學生的學習和教師的授課提供科學的指引，讓學生能夠在學習過程中明確自身的能力水平與行業(yè)需求的差距，提高學生的內驅力。

2.3實驗教學資源云在線開放

系統(tǒng)還支持教學資源共享的功能，為建設實驗教學資源云和形成開放式實驗教學模式提供有力的支撐；在教師“虛擬工作室”嵌入實驗教學資源聚合開發(fā)與分享平臺，利用多媒體和網絡技術將網上各種教學資源、教學要素和教學環(huán)節(jié)整理組合、相互融合，創(chuàng)設出豐富生動的教學資源。我們把這些計算機類實驗教學資源分成基礎實驗教學資源、專業(yè)實驗教學資源、綜合實驗教學資源、虛擬仿真實驗教學資源、創(chuàng)新實驗教學資源等。同時，實驗教學資源聚合開發(fā)與分享平臺還可以將實驗教學發(fā)布和分享到云端，形成實驗教學資源云。對于資源云上共享的實驗課程及教學資源，任何老師可以直接下載并用于教學，所有學生也可以在線學習這些課程資源。

3基于云平臺的開放式實驗教學管理模式

武漢理工大學云架構實驗教學平臺具有良好的可擴展性和可維護性，具有大存儲量、虛擬化等特點，能夠將全校的計算機課程資源和數據集中，形成全方位的開放實驗教學管理模式。

1）基于云平臺的實驗教學資源與過程管理。

具有管理權限的教師可以隨時隨地登錄系統(tǒng)，進行系統(tǒng)配置管理，了解實驗室的使用情況，通過監(jiān)控系統(tǒng)查看實驗室的當前授課畫面；任課教師基于云端的課程編輯系統(tǒng)和在線作業(yè)提交及批改系統(tǒng)，隨時隨地都可以備課、閱卷和批改作業(yè)；實驗教學資源云上匯聚了老師授課、學生學習所需要的所有資料，實驗課堂上老師和學生能通過不同客戶端實現(xiàn)在線互動。

2）網絡環(huán)境下實驗課程、實驗項目的365×24開放。

通過使用實驗教學云平臺和虛擬實驗室系統(tǒng)，學生可以隨時隨地使用任何終端連接進入云平臺完成在線學習、實驗準備、作業(yè)提交、微課程學習等活動，實現(xiàn)實驗課程和實驗項目全時段開放，為學生提供個性化的進行創(chuàng)新實踐的時間和空間，如圖2所示。

3）基于云平臺的實驗教學自助式服務及跨學期彈性實施。

實驗教學資源云匯集學校的所有計算機類課程包，學生可以隨時登錄系統(tǒng)，選擇自己必修或想要學習的課程并提交課程學習申請。任課老師同意后，學生即可開始學習該課程并做該課程相關的所有虛擬實驗，實現(xiàn)實驗的自助式服務。此外，基于云平臺的實驗教學還支持實驗課程跨學期彈性實施。

4）開放實驗室的智能化、遠程化在線管理和監(jiān)控。

武漢理工大學計算機實驗教學云平臺還接入基于網絡的各種智能節(jié)點，包括智能開關、燈光、安防系統(tǒng)、門禁、監(jiān)控等，通過網關進行數據匯集并傳輸給云平臺管理系統(tǒng)，從而實現(xiàn)對開放實驗室的智能化、遠程化在線管理和監(jiān)控。

4結語

2015年10月，武漢理工大學計算機學院完成開放式實驗教學與管理云服務平臺的部署，共使用12臺高性能服務器，光纖磁盤整列有效容量約100TB。建成后的平臺開始承載計算機學院計算機基礎課程、獨立實驗課程、國際化教育課程、Hadoop大數據基礎、軟件測試實訓、自主創(chuàng)新項目等教學實踐任務，并且部署了教學資源共享庫。任課教師普遍反映平臺使用方便、系統(tǒng)穩(wěn)定、性能較好，能夠高效地組織實驗教學，提高了學生的學習效率和學習效果，實現(xiàn)了實驗課程和實驗項目的全天候開放；同時也較好地解決以往分散建設、重復投資、信息孤島等問題，實現(xiàn)各類資源整合與共享，為實驗教學管理改革提供全方位的支持。

（編輯：宋文婷）