新工科背景下學術研究與工程實踐相結合的仿真實驗設計方法探討

趙輝 王靜 劉剛 萬波

摘 要：新工科建設下高校課程體系和培養(yǎng)方式需要不斷提高大學生的實踐能力，培養(yǎng)大學生的工程意識和創(chuàng)新意識，進而培養(yǎng)出符合新工科建設的畢業(yè)生。結合我國新工科建設對大學生培養(yǎng)的要求，對新工科背景下大學生仿真實驗設計方法進行了探索。將學術研究與工程實踐相結合，以學術創(chuàng)新為牽引，分析并建立數(shù)學優(yōu)化模型來解決問題，培養(yǎng)大學生的創(chuàng)新意識;以工程實踐為導向，運用所學的專業(yè)技術知識和非技術工程知識，實現(xiàn)相應的仿真實驗，鍛煉大學生的工程實踐能力。

關鍵詞：新工科; 學術研究; 工程實踐; 仿真實驗

中圖分類號：G642.0? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? 文章編號：1006-3315（2020）11-113-002

1.引言

新工科建設是應對新經(jīng)濟的挑戰(zhàn)，從服務國家戰(zhàn)略、滿足產(chǎn)業(yè)需求和面向未來發(fā)展的高度，提出的一項持續(xù)深化工程教育改革的重大行動計劃，其目的是要求工科畢業(yè)生能夠適應、支撐、引領新經(jīng)濟、新技術、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)、新商業(yè)模式的發(fā)展，培養(yǎng)復合型人才和解決復雜工程問題能力的大學生，從而滿足經(jīng)濟發(fā)展的需要[1，2]。新工科建設下的高校課程體系和培養(yǎng)方式需要不斷提高大學生的實踐能力，培養(yǎng)大學生的工程意識和創(chuàng)新意識，進而培養(yǎng)出符合新工科建設的畢業(yè)生。

以計算機學科為例來說，新工科背景下計算機通識性課程和程序設計類課程建設都面臨著教學改革的要求[3，4]。尤其在當今云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能時代，云計算技術為大數(shù)據(jù)應用、人工智能應用等提供基礎計算平臺，計算機學科面臨著創(chuàng)新和實踐互相促進的迫切需求[5]。一方面，基于云計算平臺的學術創(chuàng)新層出不窮，引領著國內外的科技不斷創(chuàng)新;另一方面，云平臺的建設是一個復雜的系統(tǒng)工程，對于高校計算機學科及相近學科的大學生來說，更應該熟悉并掌握云平臺的技術架構、運維管理、商業(yè)模式等，提高基于云平臺的實踐能力，在云計算工程應用的基礎上提出學術創(chuàng)新，從而解決新時代面臨的基于云平臺的新的復雜工程問題。

然而，由于各種不確定因素，讓大學生直接在一個真實的云平臺上進行操作或實驗會帶來很多意想不到的問題。因此，如何在有效的成本投入下，讓計算機及相近專業(yè)的教學實驗跟上新時代的步伐，滿足大學生對云計算技術與服務的個性化設計，以學術創(chuàng)新為牽引，以工程實踐為導向，使大學生能夠運用所學的專業(yè)技術知識和非技術工程知識，設計并實現(xiàn)對云計算技術的仿真實驗，縮短實驗時間和降低實驗費用，減少實際運行環(huán)境等因素對實驗結果的影響，將大學生的學術研究與工程實踐相結合，是計算機學科及相近學科實驗教學需要關注的一個問題。

2.學術研究與工程實踐相結合的云仿真實驗

2.1云仿真實驗背景與意義

對于計算機學科的大學生來說，軟件開發(fā)的工程實踐是十分重要的鍛煉手段，其實踐性很強，與各種主要的程序設計語言、軟件體系架構、軟件工程等密切相關。在以往的培養(yǎng)方案中，往往偏重于對專業(yè)技術知識的教授，培養(yǎng)的畢業(yè)生都擁有一定的專業(yè)技術知識，但缺乏相應的創(chuàng)新意識。新工科要求的解決復雜工程問題的能力不僅僅依賴于專業(yè)技術知識，還需要將學術創(chuàng)新能力與工程實踐能力相融合。將云計算學術研究與軟件工程實踐相結合，設計并實現(xiàn)相應的云仿真實驗，一方面，可以讓大學生了解并深入云計算相關技術前沿，培養(yǎng)大學生的學術創(chuàng)新意識;另一方面，有助于提高大學生編程能力和動手能力，提高大學生的實驗設計能力和工程實踐能力。

CloudSim[6]是一個以面向對象程序設計技術設計的、Java語言編寫的開源云計算仿真平臺軟件，能夠支持云平臺的組件級建模和行為級建模，例如數(shù)據(jù)中心管理、資源管理、虛擬機管理、任務調度等。CloudSim功能完備，擴展靈活，許多研究人員都基于CloudSim來完成云計算相關的仿真實驗。以工程實踐為導向，讓大學生完成基于CloudSim的仿真實驗，入門相對簡單，工程量適中，靈活性較強，可以設計不同的仿真實驗，有助于培養(yǎng)大學生的創(chuàng)新意識，鍛煉大學生的開發(fā)實踐能力等。

本實驗根據(jù)計算機及相近專業(yè)的課程安排，結合相關課程的專業(yè)技術知識和非技術工程知識，如Java程序設計、面向對象程序設計、軟件工程及工程概論等課程知識，基于CloudSim云計算仿真實驗平臺，采用開放式實驗教學。一方面，通過繼承、重載等面向對象程序設計技術對CloudSim進行二次開發(fā)，擴展原有的模塊和類，設計并實現(xiàn)算法，完成仿真實驗，有助于提高計算機及相近專業(yè)大學生的編程實踐能力，加深對專業(yè)技術知識的理解。另一方面，以工程實踐為導向，將仿真實驗當成一個具體的軟件項目，在仿真設計及仿真編碼實現(xiàn)過程中可以實踐軟件工程項目具體活動，如軟件需求分析、軟件設計、軟件測試等，有利于加強計算機及相近專業(yè)大學生的工程實踐能力，在實踐中更容易理解專業(yè)技術知識和非技術工程知識。

綜上，將學術研究與工程實踐相結合，開展基于CloudSim的云仿真實驗，其意義有：一、能夠結合計算機相關學科的專業(yè)特色，實踐Java程序設計、面向對象程序設計等課程專業(yè)技術知識，有助于提高大學生編程能力和動手能力，加深大學生對Java程序設計和面向對象程序設計等專業(yè)技術知識的理解;二、結合云計算、人工智能等高新技術應用，以學術研究為牽引，建立數(shù)學優(yōu)化模型，并采用智能化算法如遺傳算法、蟻群算法等求解，培養(yǎng)本科生的學術創(chuàng)新意識;三、以工程實踐為導向，結合軟件工程和IT項目管理等課程非技術工程知識，實踐軟件開發(fā)過程和IT項目管理活動，有利于提高大學生對軟件工程和IT項目管理的認識和理解。

2.2云仿真實驗主要內容

基于CloudSim云計算仿真平臺，開展學術研究與工程實踐相結合的云仿真實驗，其實驗內容主要分為如下兩個階段。

第一階段：對CloudSim功能簡單擴展，通過繼承等面向對象程序設計技術擴展CloudSim現(xiàn)有模塊和類，設計基于CloudSim的虛擬機管理、任務調度等仿真實驗，具體內容如下：

（1）結合Java程序設計、面向對象程序設計等課程專業(yè)技術知識，通讀CloudSim仿真平臺源碼，理解CloudSim各個模塊和類的關系，為仿真實驗的設計與實現(xiàn)做準備;（2）調研云計算等研究現(xiàn)狀，并分析其存在的問題，以學術創(chuàng)新為牽引，建立數(shù)學優(yōu)化模型，改進現(xiàn)有云計算資源管理與調度方法，設計求解算法和仿真實驗，指導編碼實現(xiàn);（3）結合軟件工程等課程專業(yè)技術知識和工程概論IT項目管理等課程非技術工程知識，以一個具體的仿真實驗為案例，制定仿真實驗涉及到的軟件開發(fā)過程，如軟件設計、軟件測試等，以及項目過程管理計劃，如范圍管理、時間管理及質量管理等。

第二階段：目前CloudSim僅支持單CPU架構的虛擬機仿真等，面對大數(shù)據(jù)處理、人工智能深度學習等海量計算時還需要其他異構計算資源如GPU的支持。因此，需要對CloudSim進行深度開發(fā)，增加GPU等異構計算資源的模擬仿真功能，再針對計算機專業(yè)及其它相近專業(yè)的大學生，設計異構計算環(huán)境下基于CloudSim仿真實驗，具體內容如下：（1）進一步深化Java程序設計、面向對象程序設計等課程專業(yè)技術知識理解，擴展CloudSim功能，增加GPU功能模塊，使之能夠支持異構計算資源的模擬仿真等;（2）調研CPU/GPU異構云平臺等研究現(xiàn)狀，并分析CPU/GPU異構云平臺資源管理與調度存在的問題，以學術創(chuàng)新為牽引，建立數(shù)學優(yōu)化模型，面向CPU/GPU異構云平臺改進現(xiàn)有云計算資源管理與調度方法，設計求解算法和仿真實驗，指導編碼實現(xiàn);（3）結合軟件工程等課程專業(yè)技術知識和工程概論IT項目管理等課程非技術工程知識，以一個具體的仿真實驗為案例，制定仿真實驗涉及到的軟件開發(fā)過程，如軟件設計、軟件測試等，以及項目過程管理計劃，如范圍管理、時間管理及質量管理等。

2.3云仿真實驗主要特色

本實驗的主要特色是：利用大學生的“理論知識+編程實踐+科學研究”能力完成仿真實驗設計與實現(xiàn)，具體包括：（1）理論知識：通過對CloudSim源碼的研讀，使大學生對Java程序設計、面向對象程序設計、軟件工程等專業(yè)技術知識有更深入的理解;在仿真實驗過程中融入項目管理等非技術工程知識，加強大學生的工程意識和對項目管理的理解。（2）編程實踐：采用Java語言和面向對象程序設計技術對CloudSim進行二次開發(fā)及深度開發(fā)，擴展相關模塊和類，擴展CloudSim功能，提高大學生的編程能力和面向對象程序設計的能力;融合軟件工程和項目管理等課程專業(yè)技術知識非技術工程知識，鍛煉大學生解決實際工程問題的實踐能力。（3）科學研究：通過閱讀國內外云計算、異構計算等最新的相關文獻，了解云計算、異構計算環(huán)境下的資源管理、虛擬機管理及任務調度等方面的現(xiàn)狀，豐富大學生的學術視野，同時分析領域內存在的問題，提出解決問題的方法，為大四本科生畢業(yè)設計或繼續(xù)讀研深造打基礎。

3.結束語

新工科建設背景下，對高校大學生的創(chuàng)新能力和實踐能力的培養(yǎng)提出了新的要求。將學術研究與工程實踐相結合，開展基于CloudSim的云仿真實驗，對于大學生來說，有助于大學生貫穿本科階段所學知識，加深大學生對軟件工程和項目管理的理解，提高大學生編程能力和解決工程問題的實踐能力，豐富大學生的學術視野，初步培養(yǎng)大學生的學術科研能力。對于高校教師來說，有利于教學與科研相互促進，科研反哺教學，為教師提供更好的教學實驗案例。

西安電子科技大學2019教改新實驗開發(fā)重點項目。

參考文獻：

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[2]王穎，陳偉，林琢.“新工科”背景下應用型本科院校復合型人才培養(yǎng)探索與研究[J]科學大眾·科學教育，2018（11）：155+177

[3]伍李春，李廉.新工科背景下的計算機通識性課程建設[J]中國大學教學，2017（12）：62-69

[4]于莉莉，蘇曉光，李晶.新工科背景下計算機程序設計類課程案例教學改革研究[J]電腦知識與技術，2018，14（15）：158-159

[5]李貴洋，李曉寧，郭濤.新工科背景下計算機專業(yè)新生工程教育與創(chuàng)新素質培養(yǎng)的改革與實踐[J]成都中醫(yī)藥大學學報（教育科學版），2019，21（03）：41-44

[6]CloudSim[DL]http：//www.cloudbus.org/cloudsim/