基于云平臺的實驗課教學與管理的研究

錢明珠

摘要：計算機類課程的實驗教學在課時量上有一定增加，也加大實驗教學的力度，但由于受時空限制不能全面的掌握學生實驗軌跡，同時簡單依賴考勤、任務清單和實驗報告等評價課程掌握情況缺乏科學性。通過建設基于云平臺的實驗教學環(huán)境，以《數(shù)據(jù)結構》課程為例，改進教學的組織模式、實踐教學體系、創(chuàng)新實踐教學互動反饋機制和教學評價等方面，探索一種以新工科為標準的新型教學和管理模式，旨在提高實驗教學質量，促進學生學習積極性。

關鍵詞：云平臺;新工科;梯度遞增實踐教學;“三線一課”模式

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）17-0134-04

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Research on Experimental Course Teaching and Management based on Cloud Platform

QIAN Ming-zhu1，2

（ 1.Huanggang Normal University，Huanggang 438000，China; 2. Wuhan University of Technology， Wuhan 430070， China）

Abstract： Based on the research of cloud data structure experiment teaching practice at present， the experimental teaching of computer courses although have some improvement on the class hour quantity， also strengthen the experiment teaching at the same time， but due to the limit of time and space can not comprehensive， track of students' experiment and simple rely on attendance， task list and test report master is lack of scientific evaluation course.Through construction based on the cloud platform of experimental teaching environment， taking? Data Structure? course as an example， to improve the teaching organization mode， practical teaching system， the innovation of practice teaching interactive feedback mechanism and the teaching evaluation， etc.， exploring a new engineering as a new standard of teaching and management mode， to improve the quality of experiment teaching， promote students' learning enthusiasm.

Key words： cloud platform; the new engineering; gradient increasing practice teaching; three lines one lesson mode

1 概述

隨著現(xiàn)代技術的不斷發(fā)展以及技術深度融合應用，推動各行各業(yè)發(fā)生巨大變化，對人才的要求也在不斷改變，對教育的深度發(fā)展產生極大影響，逐步引起國家和教育部門的高度重視。2017年教育部在復旦大學和天津大學分別召開了綜合性高校和工科優(yōu)勢高校的新工科研討會，提出培養(yǎng)造就一大批引領未來技術與產業(yè)發(fā)展的卓越工程科技人才，為我國產業(yè)發(fā)展和國際競爭提供智力支持和人才保障。2018年《高等學校人工智能創(chuàng)新行動計劃》 中強調要把智能教育工作融入教育現(xiàn)代化建設這個大局之中，以支撐服務總體實現(xiàn)教育現(xiàn)代化為目標謀劃智能教育更快發(fā)展。2019年《中國教育現(xiàn)代化2035》文件也指出要加快信息化教育變革。雖然國內許多高校在教學信息化的基礎設施建設、教育管理信息化等方面取得較好的成效，但教學資源共建、共享機制還尚待成熟，許多基礎教學資源尚未得到充分利用。信息化對教學改革的促進作用亟待凸顯，急需借助新的信息共享技術對教學模式進行改革。廖明習等人[1]探討基于云平臺計算機實驗室體系構建[2-8];饒文碧[9]等人研究構建基于云平臺的“個人虛擬實驗室”的開放式實驗教學和管理模式;阮順領等人[10]在研究中提出基于云平臺的四元耦合實踐教學體系;楊炎超等人[11-14]研究翻轉課堂教學模式提高實驗教學質量。以《數(shù)據(jù)結構》課程為例，利用計算機學院硬件資源構建實驗教學資源共享云平臺，革新傳統(tǒng)實驗教學模式，同時對革新后的教學采用更科學的衡量體系進行綜合評價。本文在實驗平臺、教學組織模式、實驗教學模式和考核評價機制等方面進行研究。通過改革實踐，教學效果有了明顯的提高，也為新工科人才培養(yǎng)提供了基礎保障。

2 基于云平臺的數(shù)據(jù)結構實驗課教學實踐

2.1 課程實驗教學現(xiàn)狀分析

《數(shù)據(jù)結構》課程是計算機專業(yè)中的一門專業(yè)基礎必修課，主要研究數(shù)據(jù)在計算機中的存儲和處理方法，旨在培養(yǎng)學生分析數(shù)據(jù)、組織數(shù)據(jù)的能力，培養(yǎng)學生如何編寫效率高、結構好的算法。目前培養(yǎng)模式有教學：實踐（1：1）型或（1：2）型，但學生仍處在理論知識儲備的階段，將理論知識轉變成應用能力對學生來說十分不足，極大影響后續(xù)課程的深入學習。探討如何培養(yǎng)學生的理論結合應用能力、提高實踐設計能力，對該課程進行實驗教學改革勢在必行。為了確保改革落到實處，深入調研，全面分析現(xiàn)狀后發(fā)現(xiàn)主要存在以下問題。

1）實驗教學資源共享性不足。學校雖然對基礎硬件實驗環(huán)境建設投入較大，但對共享平臺建設投入相對有限，致使云計算技術在教學實踐中沒有得到充分應用，同時也阻礙了實驗案例資源庫建設和推進的步伐。

2）實驗教學過程系統(tǒng)性不足。實驗雖然有相應的實驗指導書，指導學生如何完成實驗。由于課堂上學時有限，實驗內容解析難以細化，學生為了完成當堂實驗內容更多只是做復現(xiàn)操作，很難做到深入理解，更難做到創(chuàng)新。實驗結束要求提交實驗資料，但部分學生存在偷工減料。課后學生對實驗內容深入研究的軌跡也無法跟蹤。

3）實驗教學資源個性化服務不足。由于課堂實驗的同步性，導致無法更多為學生提供個性化和針對性的指導。對某些學生存在“吃不飽”，對某些學生存在“吃不了”。雖然之前也做了部分改進，如梯度任務分配法。根據(jù)學生掌握情況分配不同任務單，但這僅僅只能在現(xiàn)有課堂進行指導，對學生個性化培養(yǎng)的促進作用仍有限。指導老師無法更多了解學生課后的學習軌跡。

4）教學互動反饋靈活性不足。在現(xiàn)有教學模式中，師生密切交互的機會僅局限在教學時間窗口內，但在這個時間點上學生更多在完成既定任務，無暇參與溝通，等需要溝通時，課堂時間基本結束。雖然現(xiàn)在可以借助各類聊天工具彌補些許不足，但畢竟參與學生有限，而且不能共享。已有的實驗資源與交流渠道無法實現(xiàn)更高效的互動。

5）學生考核文檔化管理不足。現(xiàn)有實驗考核主要通過學生上交實驗任務源代碼、實驗報告以及上機考勤來評價，而以上資料在學生獲知過程的關鍵活動中很難留下有效的、系統(tǒng)的文檔和記錄，無法科學、合理評價學生是否具備應用知識能力與素養(yǎng)，缺乏實踐全過程考核。

6）考核評價機制全面性不足。對課程教師存在主體多元化程度不高、評價指標的選擇自主性不夠、評價結果的數(shù)據(jù)處理缺乏科學性等不足。雖然采用學生、同行、督導、領導等多主體評價，但在最終綜合量化計算結果卻忽略某些主體的評價結果?，F(xiàn)有評價指標事先確定，教師只能在既定范圍內選擇，不能凸顯教師教學風格方面的差異。在數(shù)據(jù)處理方面為了簡化操作，一般采用算術平均或加權平均法等簡單數(shù)學模型完成計算，極大忽略相關因素的權重，最終影響教學評價結果的科學性。對學生學習評價存在課程考核命題單一、考核方式單一、缺乏學生動手能力的考核、過程軌跡考核等不足。導致現(xiàn)有學生考核仍以考勤分、作業(yè)分、實驗分、筆試分等構成學生課程成績屬性（特征），為學生構建課程畫像。

針對以上問題急需利用現(xiàn)有技術，構建實驗教學云資源共享平臺，采用實驗教學課堂組織和課后跟蹤交流進行融合的模式，改進現(xiàn)有實驗模式;構建梯度任務實驗教學資源案例庫，對實驗內容進行合理改進;學生的實驗過程能夠被全程跟蹤實現(xiàn)動態(tài)評價考核，達到對現(xiàn)有考核靜態(tài)的考核的改進;通過平臺數(shù)據(jù)可以科學分析教師的投入和效果比，完成更合理的教師評價。

2.2 云平臺技術介紹

隨著云計算技術在商業(yè)界成功被應用后，現(xiàn)在逐步遷移到教育領域。針對“互聯(lián)網+”教育策略，牟萍用網聯(lián)網、云計算和大數(shù)據(jù)等新技術構建高校智能化教學環(huán)境[15]。通過云端平臺或客戶端實現(xiàn)了多維教學評估和智慧考勤等，高義棟等將融合場所學習理論和虛擬實現(xiàn)技術運用到高校課程教學之中。目前，虛擬仿真技術和云計算技術在實驗教育領域越來越受歡迎和重視。而虛擬仿真技術對投入成本有較高要求。而云計算技術可操作性更強，更適合普通高校的應用。云計算技術就是把許多計算資源集合起來，通過云計算虛擬管理系統(tǒng)實現(xiàn)自動化管理，只需要很少的人參與，就能讓資源被快速提供利用的一種網格計算。主要特點：（1）能動態(tài)分配虛擬資源、彈性負擔大數(shù)據(jù)處理;（2）能快速部署應用、大大提高資源應用能力;（3）能極大降低實驗室管理維護工作量。通過建設云平臺能夠有效整合教學資源，推動實踐教學體系改革，為“以本為本”，服務學生，構建學生“個人虛擬實驗室”提供可能，也為培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力和實踐能力提供舞臺[9]。

服務教學的云技術平臺的總體架構（如圖1）：以云存儲構建大數(shù)據(jù)中心，通過整合資源平臺，實現(xiàn)線上、線下、移動終端等多種形式共享服務。該平臺便于教師對教學過程進行挖掘和分析;便于學生在不受時間限制的情況下，隨時在校內利用智能終端接入，獲取IaaS（Infrastructure as a Service），PaaS（Platform as a Service）或SaaS（Software as a Service）云服務[16]。

云平臺管理通過該平臺云管理員為各實驗教師設置管理權限，實驗教師在本人權限內調用IaaS底層資源構建自己的虛擬教室，同時構建若干虛擬機，配套OS、管理工具、實驗環(huán)境等。實現(xiàn)將現(xiàn)有固定機房遷移到云端，并統(tǒng)一為每個學生虛擬化一個屬于自己的個人實驗室。實現(xiàn)按需分配實驗空間、靈活訪問、配套教學資源和過程軌跡跟蹤的教學管理。

2.3 基于云平臺的數(shù)據(jù)結構課程的教學設計

首先，數(shù)據(jù)結構中許多概念比較抽象，難以吃透，需要大量的實驗實踐加以理解。現(xiàn)有數(shù)據(jù)結構實驗學時根據(jù)專業(yè)不同分，實驗學時和理論學時數(shù)也有不同。其次，實驗需要某種計算機語言支撐（如C語言），學生雖在大一時學過C語言，但對其理解不夠透徹，更加阻礙學生學習數(shù)據(jù)結構的積極性。針對以上問題構建基于云平臺的數(shù)據(jù)結構課程的教學設計。從實踐教學的課堂組織模式、實踐教學體系、創(chuàng)新驅動機制和考核評價方式進行設計，并借助云平臺資源將教學設計進行融合，實現(xiàn)創(chuàng)新型實驗教學模式。

2.3.1 實踐教學組織模式

實驗教學采用“三線一課”模式組織（如圖2），即課前在線平臺教學、云端輔導教學、線上導師一對一教學和課堂實踐討論教學。在云平臺上，以SaaS服務部署一套虛擬實驗管理系統(tǒng)，對實驗教學云計算平臺的虛擬資源池進行統(tǒng)一管理。為教師和學生實驗提供一套完整的設備、環(huán)境、資源、軌跡跟蹤和能力測評等子系統(tǒng)。教師的教室由實體遷移到云端;學生共享的機房變成不受時間、地域限制的“個人實驗室”，只要系統(tǒng)管理員不收回資源，個人實驗室將長期被獨享。在教師管理的課程云平臺中設立共享資源區(qū)、大眾討論區(qū)、題庫選擇區(qū)、反饋資料回收區(qū)。學生課前利用共享在線資源完成課前學習，收集學習疑難點，提交系統(tǒng)，借助系統(tǒng)大數(shù)據(jù)分析功能篩選共性問題反饋給教師;云端實驗通過先選擇題庫，自己根據(jù)在線學習嘗試實驗，遇到瓶頸難以繼續(xù)，就可以申請云端輔導功能，完成關鍵技術講解，輔助完成實驗全過程，保證學生能有收獲感，增強學習積極性和參與性。題庫采用梯度設置，滿足不同層次學生的需求。在云端輔導教學不能完成實驗，可以繼續(xù)申請線上導師一對一教學，實現(xiàn)交互式學習，最終確保學生完成既定實驗任務。在云端輔導教學和線上導師一對一教學環(huán)節(jié)學生都要提交學習過程報告，并反饋給系統(tǒng)，經過深入分析，系統(tǒng)把分析結果推送給教師。教師再組織實驗課堂教學，圍繞系統(tǒng)反饋的報告設計教學、答疑解惑。通過“三線一課”完成一次實驗后，學生普遍收獲感提升，對數(shù)據(jù)結構的學習也不再畏懼，主動學習研究后續(xù)內容的積極性增強了。學生討論的頻率提高了，大眾討論區(qū)也活躍，學生交流的能力逐步提升。

2.3.2 實踐教學體系

云計算平臺采用“梯度遞增實踐教學”體系結構（如圖3）。不同階段采用不同子系統(tǒng)和資源庫，實現(xiàn)培養(yǎng)目標。第一梯度主要進行基礎理論知識再鞏固學習，平臺主要提供相關課件和微視頻等資源庫。旨在理論能力培養(yǎng)。第二梯度進行基礎實驗訓練，平臺提供課程實驗案例分析庫和習題選擇庫，通過習題的實踐，培養(yǎng)學生理論轉化實踐的能力，同時也培養(yǎng)學生問題歸納總結、交流互動能力。第三梯度進行進階訓練，主要提供專項案例庫和高階選題庫，滿足能力強的學生的需求，達到高層次人才培養(yǎng)的目標。第四梯度工程訓練，主要提供優(yōu)化算法和智能算法以及綜合訓練庫，旨在通過訓練熟悉和優(yōu)化已有系統(tǒng)著重培養(yǎng)工程實踐開發(fā)能力，鍛煉學生整體邏輯思維能力和吃苦耐勞的精神[17]。

2.3.3 創(chuàng)新實踐教學互動反饋機制

在教學環(huán)節(jié)合理的互動反饋能極大促進教師和學生的教與學的熱度，尤其是實驗教學更需要互動反饋。百度百科解釋實驗，是人為地變革、控制或模擬研究對象，使某一些事物（或過程）發(fā)生或再現(xiàn)，從而去認識自然現(xiàn)象、自然性質、自然規(guī)律。對于數(shù)據(jù)結構課程實驗，通過實現(xiàn)相關算法，重現(xiàn)理論要點，實現(xiàn)對理論知識的掌握和升華。通過實驗可以更好地掌握計算機思維，實現(xiàn)對計算機的控制。在這個過程中會產生很多的疑問和不解，及時互動反饋可以幫助學生解惑，為學生后續(xù)內容的理解掃清障礙，更有利于學生深入學習，激發(fā)學習積極性。借助云平臺構建（如圖4）所示的互動反饋機制。首先，學生對所產生疑問和費解的問題，通過自身努力仍無法解決時，就可以把問題提交到云平臺的公共討論區(qū)或私聊交流區(qū);接下來團體可以參與討論，學生參考討論結果，獲取自己的反饋，與此同時教師也可以參與討論，對團體的結果給予評價;或者學生通過私聊交流區(qū)請求和教師進行個性化交流，獲取反饋。健全的互動交流反饋機制勢必極大的促進學生主動性和探究性。

2.4 基于云平臺的數(shù)據(jù)結構課程的考核機制

課程考核是教學的最后一個必不可少的環(huán)節(jié)。針對《數(shù)據(jù)結構》課程的特點，采用項目式考核方式。圍繞課程內容設計若干典型案例，并設定難度系數(shù)。通過云平臺在規(guī)定的時間范圍內完成并項目提交，在此過程中，學生可以與實驗指導教師、助教進行在線互動進行部分問題的答疑。項目軌跡考核、實驗經驗交流構成新考核內容。

3 教學效果評價

數(shù)據(jù)結構實驗課是面向計算機專業(yè)所有方向的專業(yè)公共課程。參與實驗的學生眾多。通過云計算平臺為每個學生構建”個性化實驗室”，學生隨時隨地使用智能終端訪問自己的實驗室，并根據(jù)課程進度進行梯度實驗，學生根據(jù)自身情況保質保量完成相關實驗。教師可以實時看到學生已做哪些實驗項目，完成效果等，實現(xiàn)對實驗過程進行跟蹤的效果。實時掌控學生動態(tài)，提醒學生、鼓勵學生、激勵學生。不斷激發(fā)學生自主學習的積極性。通過采用云平臺進行數(shù)據(jù)結構實驗教學比傳統(tǒng)課堂教學更能提高學生的學習能力和學習效率，同時也提高學生交流能力，增強學生學術氛圍，增進學生之間的感情。

4 結束語

鑒于傳統(tǒng)實驗教學模式對數(shù)據(jù)結構實驗教學的時空性限制、學生實驗過程軌跡跟蹤，評價考核等有一定局限性。研究基于云平臺數(shù)據(jù)結構實驗教學實踐改革，突破時空限制、借助云管理系統(tǒng)實現(xiàn)教學、實驗、軌跡跟蹤、實驗相關數(shù)據(jù)統(tǒng)計、實現(xiàn)對學生立體考核，客觀評價學生對本課程的掌握情況，完成該課程的教學目標。

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【通聯(lián)編輯：王力】