基于虛擬化的計(jì)算機(jī)類課程云智慧學(xué)習(xí)空間的構(gòu)建

梁慧娜 羅旭

摘 ?要：為滿足高職學(xué)生在混合式教學(xué)平臺(tái)中能進(jìn)行計(jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)的需求，基于云計(jì)算的虛擬化容器技術(shù)構(gòu)建了計(jì)算機(jī)虛擬實(shí)訓(xùn)環(huán)境，結(jié)合混合式教學(xué)平臺(tái)的常用功能，搭建了云智慧學(xué)習(xí)空間。對(duì)學(xué)習(xí)空間的云計(jì)算架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)及其主要功能進(jìn)行了介紹。學(xué)生在學(xué)習(xí)空間里可獲得課程的學(xué)習(xí)視頻、課件、素材等資源，并在其提供的計(jì)算機(jī)虛擬實(shí)訓(xùn)環(huán)境中進(jìn)行自主實(shí)操，提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告、進(jìn)行測(cè)試和問題交流。云智慧學(xué)習(xí)空間提供的虛擬實(shí)訓(xùn)環(huán)境，為計(jì)算機(jī)類課程的混合式教學(xué)提供了有效的支撐，有一定的創(chuàng)新性和應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：云計(jì)算;混合式教學(xué);教學(xué)平臺(tái);學(xué)習(xí)空間;高職

中圖分類號(hào)：G710 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2096-000X（2020）22-0062-04

Abstract： To meet the needs of vocational college students for computer training in hybrid teaching platform， the virtual computer training environment is constructed based on virtual container technology and the cloud intelligent learning space is built combined with the common functions of the hybrid teaching platform. Researches to the cloud computing framework， the key technologies and the major functions of the learning space are represented in this paper. Students can obtain learning videos， courseware， materials and other resources of the course in the learning space. They can also carry out independent practical operations， submit training reports， conduct tests and exchange questions in the computer virtual training environment provided by the learning space. The computer virtual training environment provided by the cloud intelligent learning space provides effective support for hybrid teaching of computer courses. It has certain innovation and application value.

Keywords： cloud computing; hybrid learning; teaching platform; learning space; vocational college

一、支撐混合式教學(xué)的云智慧學(xué)習(xí)空間

心理學(xué)家布魯姆指出任何學(xué)生只要給予適當(dāng)?shù)臅r(shí)間及適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)資源，就可以學(xué)會(huì)教材。傳統(tǒng)的課堂教學(xué)，學(xué)生數(shù)量大，課時(shí)、授課內(nèi)容、節(jié)奏都相同，難以解決學(xué)生學(xué)習(xí)差異性的問題，不能滿足不同學(xué)生的個(gè)性化需求[1]。在“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代，教師通過(guò)各種網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，為學(xué)生提供豐富的學(xué)習(xí)資源，讓學(xué)生“線上”（網(wǎng)上）自主學(xué)習(xí)，使學(xué)生的學(xué)習(xí)空間和時(shí)間得到擴(kuò)展[2]?！熬€下”（課堂）教師指導(dǎo)學(xué)生開展能力提升的教學(xué)活動(dòng)，最大程度提高課堂效率和教學(xué)質(zhì)量。這種線上線下的混合式教學(xué)已成為當(dāng)前高職課程改革和發(fā)展的趨勢(shì)[3]。

混合式教學(xué)中“線上”學(xué)習(xí)是重要組成部分。混合式教學(xué)是否能順利實(shí)施，效果怎樣，很大程度上取決于支撐它的線上學(xué)習(xí)環(huán)境。構(gòu)建支撐混合式教學(xué)的智慧學(xué)習(xí)空間，為學(xué)生提供豐富的自主學(xué)習(xí)的資源和環(huán)境，在重要的意義和價(jià)值。教師在學(xué)習(xí)空間里發(fā)布學(xué)習(xí)任務(wù)、微課視頻、學(xué)習(xí)資料、試題測(cè)試等。學(xué)生根據(jù)自身情況安排充分的時(shí)間進(jìn)行線上學(xué)習(xí)，通過(guò)觀看學(xué)習(xí)空間里的微課視頻，完成學(xué)習(xí)任務(wù)，進(jìn)行測(cè)試。教師課前通過(guò)測(cè)試和反饋的情況了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，從而有針對(duì)性地組織課堂教學(xué)。目前，國(guó)內(nèi)比較常用的教學(xué)平臺(tái)有學(xué)堂在線、雨課堂、藍(lán)墨云班課、對(duì)分易、智慧職教云、得實(shí)易學(xué)、網(wǎng)易云課堂等[4-5]。

二、計(jì)算機(jī)類課程對(duì)學(xué)習(xí)環(huán)境的特定要求

我國(guó)正處于信息化建設(shè)的第三次浪潮，“云大物智”類專業(yè)受到學(xué)生的熱捧，這些專業(yè)中大部分課程都涉及計(jì)算機(jī)類課程，這類課程的學(xué)習(xí)以實(shí)驗(yàn)操作為主，需要在特定的實(shí)驗(yàn)環(huán)境才能進(jìn)行實(shí)操。如：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)類課程需要搭建集群進(jìn)行配置，計(jì)算機(jī)編程類課程需要安裝和配置相應(yīng)軟件環(huán)境。上述所提的常用教學(xué)平臺(tái)主要提供發(fā)布課程學(xué)習(xí)資料，練習(xí)測(cè)試、論壇討論、成績(jī)匯總等通用功能，并不能提供實(shí)操所需的環(huán)境。同學(xué)通過(guò)教學(xué)平臺(tái)獲取教師提供的視頻和資料，對(duì)理論知識(shí)進(jìn)行學(xué)習(xí)，如需實(shí)操，只能自己搭建軟硬件實(shí)驗(yàn)環(huán)境，每位學(xué)生的硬件資源和能力不同，所搭建的實(shí)驗(yàn)環(huán)境不一定能滿足要求，而且有些實(shí)驗(yàn)環(huán)境學(xué)生自己是難以搭建的。如果能構(gòu)建一個(gè)針對(duì)計(jì)算機(jī)類課程使用的云智慧學(xué)習(xí)空間，教師在布置任務(wù)和提供微課視頻的同時(shí)，提供相應(yīng)的軟件實(shí)驗(yàn)環(huán)境，將更有利于學(xué)生的自主學(xué)習(xí)。

三、基于云計(jì)算技術(shù)的智慧學(xué)習(xí)空間架構(gòu)

（一）云計(jì)算

在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)中為學(xué)生遠(yuǎn)程提供實(shí)驗(yàn)環(huán)境，在云計(jì)算技術(shù)發(fā)展不斷成熟的條件下，已經(jīng)成為可能[6]。云計(jì)算是把計(jì)算機(jī)物理資源集中起來(lái)形成一個(gè)巨大的資源池，根據(jù)用戶的需求進(jìn)行資源配置，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交付給用戶使用[7]。云計(jì)算可通過(guò)虛擬化技術(shù)在服務(wù)器上創(chuàng)建多個(gè)虛擬主機(jī)，用戶終端通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接到服務(wù)器上的虛擬主機(jī)，使用上面的資源[8-9]。在虛擬主機(jī)上根據(jù)課程的實(shí)驗(yàn)要求安裝配置好相應(yīng)的軟件環(huán)境，就能構(gòu)建出滿足計(jì)算機(jī)類課程實(shí)驗(yàn)的虛擬計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，再融合到教學(xué)平臺(tái)中，搭建出智慧學(xué)習(xí)空間，總體架構(gòu)如圖1所示。

（二）容器虛擬化

云計(jì)算技術(shù)最重要的技術(shù)之一就是虛擬化技術(shù)，傳統(tǒng)虛擬化技術(shù)是在硬件物理資源池的基礎(chǔ)上，虛擬出多個(gè)操作系統(tǒng)，然后在每個(gè)操作系統(tǒng)上構(gòu)建虛擬機(jī)。虛擬化容器技術(shù)是在操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行虛擬，每個(gè)容器都共享主機(jī)操作系統(tǒng)的內(nèi)核等資源。這使得容器特別輕量，大小一般以M（兆）為單位，只需要幾秒鐘就可以啟動(dòng)完成，而傳統(tǒng)虛擬機(jī)常常需要幾分鐘才能啟動(dòng)完成[10]。雖然兩種技術(shù)的構(gòu)建大不相同，但對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，所感受的操作環(huán)境是相同的，為了方便教師和學(xué)生理解，在學(xué)習(xí)空間中以“虛機(jī)”進(jìn)行表述。

如果每個(gè)實(shí)驗(yàn)都為每位學(xué)生實(shí)時(shí)提供一臺(tái)或多臺(tái)虛機(jī)，將需要大量的虛機(jī)，如果虛機(jī)的配置要求較高，對(duì)云計(jì)算資源的壓力將非常大。學(xué)生實(shí)驗(yàn)使用完虛機(jī)環(huán)境退出后，如下次無(wú)需在當(dāng)前的基礎(chǔ)上繼續(xù)實(shí)驗(yàn)，可將使用的虛機(jī)進(jìn)行銷毀，將硬件資源釋放。如果下次的實(shí)驗(yàn)需在當(dāng)前基礎(chǔ)上繼續(xù)完成，可將當(dāng)前環(huán)境進(jìn)行鏡像保存，下次再加載進(jìn)行使用。云智慧學(xué)習(xí)空間使用的是虛擬化容器技術(shù)，能更快捷地創(chuàng)建和銷毀虛機(jī)，使云計(jì)算的硬件資源得到高效合理的使用。

四、計(jì)算機(jī)類課程云智慧學(xué)習(xí)空間功能構(gòu)建及應(yīng)用

根據(jù)混合式教學(xué)的要求，結(jié)合計(jì)算機(jī)類課程的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了云智慧學(xué)習(xí)空間。學(xué)習(xí)空間使用者分為管理員、教師、學(xué)生三種類型，不同類型的用戶擁有不同的功能和權(quán)限。

（一）管理員端

管理員端主要功能是對(duì)用戶、課程、班級(jí)、虛機(jī)、教學(xué)、交流等進(jìn)行管理，擁有最高的管理權(quán)限。能為教師、學(xué)生開設(shè)帳戶、初始化密碼，為教師和學(xué)生分配課程。

（二）教師端

教師端的主要功能是教師根據(jù)教學(xué)設(shè)計(jì)，為學(xué)生提供學(xué)習(xí)資源、準(zhǔn)備虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境、制作題庫(kù)、生成試卷、進(jìn)行問題交流，對(duì)教學(xué)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，主導(dǎo)整個(gè)教學(xué)活動(dòng)實(shí)施，包括以下六個(gè)模塊。

創(chuàng)建課程。教師對(duì)高職學(xué)生基本學(xué)情進(jìn)行分析，如學(xué)生是高中還是中職背景，根據(jù)人才培養(yǎng)方案的要求，設(shè)定學(xué)生需要達(dá)能的技能目標(biāo)和能力目標(biāo)，設(shè)定課程的內(nèi)容和難度。

教師在學(xué)習(xí)空間中創(chuàng)建課程，創(chuàng)建章節(jié)內(nèi)容。如果該課程之前已有開設(shè)，可選用以前部分章節(jié)的內(nèi)容直接使用或修改后重新組合。創(chuàng)建的章節(jié)內(nèi)容分為理論課和實(shí)驗(yàn)課，理論課可添加學(xué)習(xí)課件、微課視頻、學(xué)習(xí)材料、單元作業(yè)/測(cè)試等。實(shí)驗(yàn)課可添加實(shí)驗(yàn)手冊(cè)、實(shí)驗(yàn)演示視頻、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、實(shí)驗(yàn)素材、配置虛機(jī)環(huán)境等。制作完章節(jié)資料后，可將其進(jìn)行保存，在生成新的課程時(shí)，可進(jìn)行快速重組，教師可將制作完成的課程章節(jié)發(fā)布給學(xué)生，也可共享給其他教師重復(fù)修改使用。

虛機(jī)管理。配置虛機(jī)環(huán)境是創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)課章節(jié)的重要環(huán)節(jié)，系統(tǒng)預(yù)先設(shè)置好生成的虛機(jī)＼集群的配置，如CUP的核數(shù)、內(nèi)存大小等，教師配置時(shí)根據(jù)實(shí)驗(yàn)的要求進(jìn)行硬件環(huán)境的選擇。系統(tǒng)還提供了一些通用的軟件模板，教師可直接選擇使用，或在此基礎(chǔ)上進(jìn)行更改，生成新的模板，作為實(shí)驗(yàn)使用的軟件環(huán)境。教師將虛機(jī)硬件配置和軟件模板進(jìn)行結(jié)合，即可生成實(shí)驗(yàn)環(huán)境使用的虛機(jī)環(huán)境。

教學(xué)管理。教師可查看班級(jí)作業(yè)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告提交的進(jìn)度，查看、批閱作業(yè)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告、下載學(xué)生完成的虛機(jī)鏡像文件。作業(yè)中的客觀題系統(tǒng)自動(dòng)評(píng)分，主觀題教師手工批改。教師可設(shè)置各項(xiàng)內(nèi)容的權(quán)重和分值，生成導(dǎo)出成績(jī)。

課中，教師也可使用學(xué)習(xí)空間進(jìn)行教學(xué)。教師通過(guò)學(xué)習(xí)空間的“分享桌面”功能將操作演示分發(fā)到學(xué)生機(jī)的電腦屏幕，利用測(cè)試功能完成課堂小測(cè)，對(duì)同學(xué)們存在的問題進(jìn)行講解演示。

試題管理。教師可通過(guò)逐條錄入、批量導(dǎo)入等方式共同完成題庫(kù)的組建。教師設(shè)定各種題型的數(shù)量及每種題型的分?jǐn)?shù)、考試時(shí)間、考試班級(jí)等參數(shù)，即可生成試卷。開始考試后，學(xué)生從學(xué)生端進(jìn)入即可進(jìn)行考試，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)時(shí)，考試結(jié)束后試卷自動(dòng)提交。選擇題、判斷題系統(tǒng)自動(dòng)批閱，教師只需要批閱填空題、簡(jiǎn)答題即可。

教師根據(jù)學(xué)生在學(xué)習(xí)空間里提交的作業(yè)、測(cè)試、實(shí)驗(yàn)報(bào)告等情況，分析學(xué)生對(duì)知識(shí)和技能的掌握情況，更好地安排課堂教學(xué)。

問題交流。用于教師對(duì)學(xué)生的提問進(jìn)行答疑解惑。教師可在此模塊搜索并查看到班級(jí)學(xué)生提出的課程問題并進(jìn)行解答，同時(shí)也可在此模塊提出問題，便于學(xué)生學(xué)習(xí)交流。學(xué)生與學(xué)生之間的交流也可在問題交流模塊中進(jìn)行。

教學(xué)統(tǒng)計(jì)。教師在學(xué)習(xí)空間里可對(duì)課程、班級(jí)、學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。包括查看課程的成績(jī)、作業(yè)提交率、實(shí)驗(yàn)報(bào)告提交率、問題交流的次數(shù)、實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)等。也可查看某個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，包括學(xué)生登錄次數(shù)、閱讀課件次數(shù)、實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)、考試情況等，打包下載學(xué)生的作業(yè)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、考試試卷等學(xué)習(xí)情況資料。學(xué)習(xí)空間通過(guò)大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)還能生成相應(yīng)的圖表，使各種統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)更為直觀。

（三）學(xué)生端

學(xué)生通過(guò)自己的帳號(hào)密碼進(jìn)入學(xué)習(xí)空間，查看教師發(fā)布的課程內(nèi)容和要求。理論知識(shí)通過(guò)課件、視頻等進(jìn)行學(xué)習(xí)。實(shí)操通過(guò)查看實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書、觀看微課視頻，在教師配置好的虛機(jī)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中進(jìn)行。學(xué)生可將實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行鏡像保存，分多次完成，完成后提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告或虛機(jī)文件。學(xué)生還需完成教師發(fā)布的試題，遇到問題可在交流區(qū)與教師、同學(xué)進(jìn)行溝通交流。學(xué)生還可以學(xué)習(xí)空間中查看自己學(xué)習(xí)情況的分析統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)界面如圖2所示。

五、結(jié)束語(yǔ)

學(xué)習(xí)空間提供的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使得學(xué)生在“線上”也能完成實(shí)操，有效彌補(bǔ)了普通混合式教學(xué)平臺(tái)在計(jì)算機(jī)類課程中使用的不足?？紤]到網(wǎng)絡(luò)傳輸速度和安全性，現(xiàn)該學(xué)習(xí)空間只能在校園網(wǎng)中使用，效果良好?，F(xiàn)只有電腦版，如果將部分功能開發(fā)成移動(dòng)版，并多增加一些互動(dòng)功能，將更為靈活和完善。

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