高校計算機實驗室開展線上教學的實踐探討

劉文艷，沙 飛 ，楊 淼 ，翟陽陽，辛 欣 ，武 博 ，王 珂

（首都醫(yī)科大學生物醫(yī)學工程學院，北京 100069）

根據(jù)中國互聯(lián)網(wǎng)絡信息中心（CNNIC）2022年2月發(fā)布的第49次《中國互聯(lián)網(wǎng)絡發(fā)展狀況統(tǒng)計報告》[1]，截至2021年12月，我國網(wǎng)民規(guī)模達10.32億，互聯(lián)網(wǎng)普及率達73.0%，城鄉(xiāng)互聯(lián)網(wǎng)普及率差距繼續(xù)縮小，貧困地區(qū)通信難等問題得到解決?；ヂ?lián)網(wǎng)覆蓋率的擴展、速率的提升、網(wǎng)費的下降，為即時通信應用包括互聯(lián)網(wǎng)與教育的結(jié)合創(chuàng)造了良好條件。“互聯(lián)網(wǎng)+教育”這一將互聯(lián)網(wǎng)科技與教育教學相融合的全新教育生態(tài)模式，給傳統(tǒng)課堂教學帶來了重大變革[2-3]。隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，學生的認知模式和學習方式也在發(fā)生轉(zhuǎn)變，除了傳統(tǒng)的文本外，視頻、動畫、語音、虛擬現(xiàn)實等多模態(tài)的表征成為學生認知和學習的途徑，由傳統(tǒng)的強迫式抽象思維方式向適應數(shù)字化環(huán)境的形象思維方式轉(zhuǎn)變，也應從重視“教”的技術(shù)轉(zhuǎn)向重視“學”的技術(shù)[4-5]。新冠肺炎疫情暴發(fā)，教育部發(fā)布延期開學的決定，首都醫(yī)科大學采取停課不停學方案，將春季學期所有課程教學調(diào)整為線上教學。經(jīng)過教師一學期的授課探索和實踐，在線教學基本能實現(xiàn)原有教學目標，學生也逐步適應了線上教學模式。在疫情得到有效控制后，我校大部分學生陸續(xù)返校，學?；謴土苏５慕虒W秩序，但仍有部分學生無法返校，我校繼續(xù)開展線上線下相結(jié)合的教學模式。本文主要探討計算機實驗室開展線上教學實踐的方法和措施。

1 計算機實驗室現(xiàn)狀

1.1 基本情況

首都醫(yī)科大學生物醫(yī)學工程學院計算機實驗室承擔全校本科生、研究生及夜大生各層次計算機相關(guān)課程的實驗教學工作。近幾年隨著學校對教學設備經(jīng)費投入的加大，實驗室經(jīng)過改造更新，現(xiàn)有機房8間、臺式計算機約500臺、服務器若干臺，支持線下教學、FTP文件上傳下載、虛擬教學實訓管理及自由上機預約管理等服務。通過對實驗室軟硬件升級和優(yōu)化管理，有效保障了各門課程的順利進行，同時也為第二課堂、畢業(yè)設計及大學生醫(yī)學技術(shù)技能競賽提供了實驗環(huán)境支撐。

1.2 軟硬件環(huán)境配置

面對計算機實驗室設備數(shù)量多、系統(tǒng)軟件種類復雜、使用頻率高、維護量大等特點，采用高校計算機實驗室普遍使用的保護方式，將保護卡安裝到每臺計算機上，將系統(tǒng)磁盤設置為每次還原模式，當電腦重啟后系統(tǒng)會自動恢復至初始狀態(tài)；在更換系統(tǒng)或添加應用軟件時，不需要逐臺操作，只要安裝好一臺電腦，通過保護卡的網(wǎng)絡同傳功能，即可完成自動更新，方便進行有效管理和整體維護[6-7]?？紤]到通識課和專業(yè)課需要的應用軟件不同，將不同版本的軟件或不支持高版本操作系統(tǒng)的軟件安裝到不同操作系統(tǒng)中，提前做好部署，將計算機磁盤劃為多個分區(qū)，分別安裝不同的操作系統(tǒng)及應用軟件，這樣既能滿足教學需求，又能保障系統(tǒng)運行正常、資源均衡及性能穩(wěn)定[8]。

1.3 網(wǎng)絡布局劃分

計算機間的網(wǎng)絡連接狀態(tài)是決定計算機線上線下教學能否順利進行的重要因素。實驗室每個機房都配有一組網(wǎng)絡交換機，將學生機和教師機相互連接，同時通過中心交換機，與校園主干網(wǎng)絡連接。將實驗室整體網(wǎng)絡布局劃分為內(nèi)網(wǎng)連接和外網(wǎng)連接兩部分，其中內(nèi)網(wǎng)連接是指機房內(nèi)部網(wǎng)絡互聯(lián)，主要用于多個機房設備維護，如進行系統(tǒng)同傳時，將各機房網(wǎng)絡切換到光纖交換機上，通過光纖接口及光纖電纜進行數(shù)據(jù)傳輸，提高網(wǎng)絡速度及數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。外網(wǎng)連接是指進行線上線下教學時，將各機房網(wǎng)絡切換到二層交換機上，實現(xiàn)設備互聯(lián)和訪問互聯(lián)網(wǎng)。

2 線上直播教學平臺建設

隨著網(wǎng)絡教學需求迅猛增加和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，各種線上教學平臺紛紛出現(xiàn)，在線視頻課堂已經(jīng)成為“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的一種常見且頻繁使用的學習方式，便利了線上教學的同時降低了學習成本，逐步形成了知識傳遞、師生交互、課程評測及反饋的完整數(shù)字化教育生態(tài)環(huán)境[9-11]。實驗室根據(jù)在線教學需求，在教師機中安裝多種線上直播教學軟件，如本科生授課使用的騰訊課堂、騰訊會議及研究生使用的長江雨課堂。

騰訊會議在疫情期間向用戶免費開放300人的不限時在線會議功能，教師和學生都可共享各自的屏幕，非常適合需要計算機操作演示的課程，學生也可通過聊天區(qū)向教師提問及反饋情況，缺點是教師不能隨堂發(fā)布測試題，課程內(nèi)容也不能回看。為解決未參加直播教學的學生需要回放觀看課程這個問題，通過安裝一唯科技公司的桌面錄屏軟件，教師授課的同時進行屏幕錄制，課后將直播視頻上傳到網(wǎng)盤中，學生可自行下載，通過回看課程完成學習。

騰訊課堂是一款功能強大專門用于線上教學的專業(yè)軟件。目前使用的極速版，教師界面操作簡潔，可播放PPT、視頻及電腦的截屏畫面，學生通過教師分享的二維碼進入在線課堂。教師直播時可通過簡單的互動環(huán)節(jié)（如討論、簽到、測試等）提升學生專注力和學習積極性。軟件自帶錄播功能，生成的課程回放視頻，學生可自行下載，方便進行反復觀看。

長江雨課堂經(jīng)典版是安裝在教師機PowerPoint軟件中的一個插件，學生電腦無需安裝，根據(jù)微信雨課堂的公眾號或小程序接收課程相關(guān)信息。直播時學生可通過彈幕來提問，教師也可發(fā)布限時測試題，及時了解學生上課狀態(tài)和學習效果。課程結(jié)束后自動生成回放視頻，學生可觀看課程回放隨時學習。

為評估各種線上直播教學平臺的效果和適應性，于學期結(jié)束時，對2020級本科生開展計算機應用技術(shù)課程的問卷調(diào)查，在“你認為哪種線上直播教學平臺更適合線上教學？（單選題）”的調(diào)查中，57.44%的學生認為騰訊會議更適合線上教學（見表1）。

表1 線上直播教學平臺適用性的調(diào)查結(jié)果（n=585）Table 1 Investigation results of the applicability of online live teaching platform（n=585）

3 虛擬實驗平臺搭建

計算機類課程與其他課程相比，更加注重學生在計算機上的實訓操作。根據(jù)疫情下學生電腦能否訪問機房服務器的不同情況，搭建了兩種虛擬實驗平臺，協(xié)助學生登錄機房服務器或在本地計算機上搭建環(huán)境開展線上實訓操作。

3.1 基于OpenStack架構(gòu)的教學實驗平臺

針對能在校園內(nèi)訪問機房服務器的學生，搭建了一套基于OpenStack架構(gòu)的教學實驗平臺。OpenStack是目前最熱門的開源項目，是一個可以控制整個數(shù)據(jù)中心的計算、網(wǎng)絡和存儲資源的分布式云操作系統(tǒng)[12]。OpenStack由多個組件構(gòu)成，其中的核心組件有Nova（計算服務）負責管理云實例的計算資源及生命周期；Neutron（網(wǎng)絡服務）負責管理虛擬機間網(wǎng)絡通信；Keystone（認證服務）提供用戶的身份和身份驗證；Horizon（UI服務）提供一個Web前端的圖形管理界面，對云環(huán)境進行管理；Glance（鏡像服務）存儲計算鏡像庫，所有計算實例都從鏡像啟動。

根據(jù)不同課程，制作多個不同操作系統(tǒng)和不同應用軟件組合的鏡像文件，利用這些鏡像文件在云平臺上創(chuàng)建多個虛擬機，可啟動一個或多個虛擬機的實例，學生只需要遠程登錄平臺，訪問相應實例，就可開展與真實環(huán)境一樣的實訓操作（見圖1）。目前平臺上開放的實訓課程有Ubuntu操作系統(tǒng)、計算機應用技術(shù)、Python程序設計語言等，在“通過教學實驗平臺，可仿真出課程各章節(jié)的實驗環(huán)境，通過遠程Web訪問方式，你愿不愿意在該平臺上開展相關(guān)實驗項目？（單選題）”的調(diào)查中，74.70%的學生表示愿意，25.30%的學生表示不愿意。

圖1 基于OpenStack架構(gòu)的教學實驗平臺Figure 1 Teaching experiment platform based on OpenStack architecture

基于OpenStack架構(gòu)的教學實驗平臺可支持教學各環(huán)節(jié)的開展及滿足師生個性化的需求，逐步從被動式學習向線上自主式學習轉(zhuǎn)化，提高了學習的靈活性和學習效率。

3.2 基于VMware的虛擬實驗平臺

通常情況下學生都是到機房進行線下實訓操作，也可選擇登錄機房通過基于OpenStack架構(gòu)的教學實驗平臺進行自主學習，這些實驗環(huán)境都是提前統(tǒng)一安裝好的，但由于屬于校園網(wǎng)內(nèi)部環(huán)境，不能返校的學生無法正常訪問。針對這一部分學生，需要其根據(jù)課程要求，在自己的本地計算機中搭建實驗環(huán)境，而對一些剛接觸計算機或?qū)嶋H操作水平不高的學生，安裝系統(tǒng)軟件既費時又會碰到各種問題，很難獨立完成或搭建與教材匹配的實驗環(huán)境。在“你認為線上教學不可以替代線下教學的原因有哪些？（多選題）”的調(diào)查中，61.02%的學生認為軟件安裝有困難，72.38%的學生認為軟件安裝不統(tǒng)一（見表2）。為解決這個問題，利用虛擬化技術(shù)及目前主流的虛擬化技術(shù)廠家VMware公司開發(fā)的軟件VMware Workstation Player 16搭建虛擬實驗平臺[13]。在平臺中安裝操作系統(tǒng)、應用程序，最后使用平臺自帶的遷移功能，將虛擬環(huán)境的鏡像文件上傳至百度網(wǎng)盤，學生只需在自己的計算機中下載這個文件，利用VMware Workstation Player的加載功能打開這個文件，就可以還原真實教學場景，不需要逐一安裝多個應用軟件，操作簡單便捷。同時，錄制并撰寫相關(guān)的安裝操作視頻及文檔，能更好地幫助學生完成實驗環(huán)境的搭建。屆時通過直播，學生可在線無風險地進行同步實訓操作。通過搭建實驗環(huán)境，鍛煉了學生的動手實踐能力，也有助于培養(yǎng)其獨立思考能力、發(fā)現(xiàn)及解決問題能力，對其今后運用信息技術(shù)輔助解決專業(yè)問題大有裨益。

表2 線上無法代替線下教學原因調(diào)查結(jié)果（n=449）Table 2 Investigation results of the reasons why online teaching cannot replace offline teaching（n=449）

3.3 遠程協(xié)助

當學生遇到實驗環(huán)境搭建或計算機系統(tǒng)軟件運行不正常等問題，我們也會協(xié)助解決。根據(jù)學生描述的現(xiàn)象及問題，做出分析，并通過QQ軟件，告知具體解決的方法。若學生仍不能解決，將開啟QQ遠程協(xié)助功能控制學生電腦桌面，手把手地演示具體操作步驟，幫助其排除故障，順利開展實驗。

4 線上教學的優(yōu)勢與不足

疫情期間線上教學解決了部分學生無法返校參與課程教學的問題，計算機類課程開展線上教學較其他課程更容易實現(xiàn)。由于計算機設備的普及，大部分學生都會配備一臺電腦，并預裝好操作系統(tǒng)，如Windows 10及常用的辦公軟件（如Office 2016系列），這兩個軟件與我校本科生必修課程計算機應用技術(shù)的教學內(nèi)容相符。另外，計算機類課程內(nèi)容也有很多是介紹開源軟件，如Linux操作系統(tǒng)、R語言、Dec C++、Python等，這些軟件學生都可通過相應官網(wǎng)自行下載安裝，便于實驗環(huán)境的搭建。通過學生反饋，線上教學模式較為輕松自由，可反復回看課程教學視頻，時間也更加靈活，能有效調(diào)動學生學習主動性。

線上教學模式仍存在一些不足，如授課過程受網(wǎng)絡環(huán)境的影響較大，直播教學有時不夠流暢甚至會被迫中斷；線上教學時師生不能面對面互動，教師不能及時看到學生的操作過程和結(jié)果，無法精準了解授課效果；雖通過機房搭建的虛擬實驗平臺在很大程度上幫助了學生完成實訓操作，但學生對平臺的使用需要前期花一些時間去熟悉等。

5 總結(jié)與探討

計算機實驗室充分利用現(xiàn)有資源和信息技術(shù)優(yōu)勢開展了線上教學，具體工作流程見圖2。教師在計算機實驗室通過線上直播教學平臺進行授課，學生根據(jù)能否訪問機房服務器情況，登錄相關(guān)平臺或在本地虛擬環(huán)境中進行實訓操作。針對學生在環(huán)境搭建及計算機軟件安裝中遇到的問題，通過遠程協(xié)助給予針對性指導，有效解決了疫情期間教學和實訓問題，較好地保證了相關(guān)課程的正常開展和教育教學質(zhì)量。

圖2 計算機實驗室線上教學工作流程Figure 2 Online teaching workflow of computer lab

在“互聯(lián)網(wǎng)+教育”背景下，利用科技推動教學發(fā)展，將信息技術(shù)與教育教學深度融合才能促進教學效果的不斷提升。實驗室在線上教學方面應積極探索虛擬桌面及云端技術(shù)二者的結(jié)合，消除教與學的壁壘，提升教育資源的利用率[14-15]。不僅可實現(xiàn)線下教學場景還原，還可增強師生間的互動。同時，教師發(fā)現(xiàn)學生求助后，可及時連麥并進入學生電腦桌面進行一對一的指導等。

總之，我們將進一步探討如何更好地完善線上教學與線下教學相互補充、相互促進的教學模式，發(fā)揮線上線下各自優(yōu)勢，促進教學相長，這也是高校教學發(fā)展特別是實驗室建設需要長期研究的課題。