“云平台+服务”的计算机实践教学模式探索

2017-12-31田绪红刘财兴

计算机教育 2017年3期

关键词：设备实验教学模式

田绪红，刘财兴，黄琼，肖磊

（华南农业大学软件学院，广东广州 510642）

“云平台+服务”的计算机实践教学模式探索

田绪红，刘财兴，黄琼，肖磊

（华南农业大学软件学院，广东广州 510642）

针对计算机实验教学方面存在的问题，探讨“云平台+服务”的计算机实践教学模式构建方法，提出基于云平台的课程实验、创新项目、创业活动“三位一体”的实践教学体系，介绍初步的云实验系统建设与实施情况，结合华南农业大学的实例说明实验教学效果。

云计算；计算机实践教学；云平台+服务

0 引言

当前，计算机技术发展日新月异，计算机实践教学由于各种原因跟不上技术的进步。目前，计算机实践教学主要存在如下问题。

（1）实验设备更新问题。一方面，由于计算机类设备更新换代速度快，许多2～3年前的设备很快就不能满足一些专业性强的实验要求；另一方面，用于学校设备更新的经费经常得不到保障，因此计算机类设备一直存在严重落后问题。

（2）单机实验问题。目前，大多数计算机类设备都是单机设备，而许多学生个人电脑的配置常常高于实验室的设备，导致许多学生不愿意到实验室做实验。这种状况导致学生无法有效利用实验室的许多教学资源及接受教师的指导，同时，学生在单机上无法建立计算机系统观和整体观。

（3）实验形式不灵活问题。目前，大多数的学生实验基本上都要求在固定时间和固定实验室里完成。虽然有开放实验室，但是由于资源有限及缺乏指导，实验室利用率不高。

（4）创新创业问题。学生创新创业通常需要的计算机资源比较多且比较系统，而目前计算机类实验室难以满足学生这方面的需求。

1 “云平台+服务”的计算机实践教学模式

云计算（cloud computing）是分布式计算、并行计算、效用计算、网络存储、虚拟化、负载均衡、热备份冗余等传统计算机和网络技术发展融合的产物，旨在通过网络把多个成本较低的计算实体整合成一个具有强大计算能力的系统[1]。

云计算技术除了在商业上获得巨大成功外，在高等学校教学管理与实践教学方面也得到广泛应用，如文献[2—5]从不同侧面讨论云计算在高等学校教学与管理方面的应用。国内许多IT公司联合高校开展了云实验系统的开发，如阿里云计算有限公司、北京红亚华宇科技有限公司、广东恒电信息科技股份有限公司等公司都开发出相关的云实验产品。西安电子科技大学、南京大学、北京邮电大学、湖南大学、哈尔滨工程大学、上海交通大学、武汉大学、四川大学、北京理工大学、清华大学软件学院、北京航空航天大学、华南师范大学等都分别购买了不同的云实验系统，开展了基于云平台的实践教学活动。

IT行业是一个实践性非常强的领域，实践是驱动学生学习兴趣与创新的最佳手段，而一个好的实践平台有着至关重要的作用。如前所述，目前的实验平台由于设备更新不及时导致设备陈旧，大多数是单机环境，导致无法提供许多新技术和新系统，不仅严重影响学生的学习兴趣，还无法满足学生创新创业的需求。

根据云计算的特点，我们提出一种新的实验教学模式：“云平台+服务”的计算机实践教学模式。通过建立云计算平台，根据不同的实验与实践活动要求，建立不同层次的服务。传统实践教学模式下，一个实验通常给学生提供的是一台设备和相应的场地；“云平台+服务”实践教学模式下，一个实验所需要的各种资源，如处理器、内存、外部存储、网络接口、软件、教学资源、配套的文档等，被打包成一个服务提供给学生，即一个实验对应云平台上的一个服务。由于云平台所有资源都是虚拟化、可共享且可灵活分配的，并且可以根据不同实验要求为学生分配不同的资源，因此不存在传统实验教学模式下的资源浪费问题，也不存在由于设备陈旧而资源不够的问题。由于云平台可以将各种最新的技术和最新的系统融合到一个平台上，因此它既能提供基本实验技能训练服务，又包含提高性的训练服务，更有挑战性的服务与实战型的服务，从而能最大限度地激发学生的学习兴趣和创新创业精神。

2 构建“云平台+服务”的实验教学模式，有效地解决目前计算机实践教学问题

基于云平台虚拟化技术，可以实现计算存储网络的虚拟化、资源共享、灵活分配和服务器的整合、调配、集中化以及基于策略的管理。

（1）缓解设备更新问题。一方面，只要设备还可以正常运行，云平台都可以将其纳入统一管理及使用，最大限度地提高设备利用率，同时，新购置的设备只要加入云平台管理，就可以与原有设备统一使用，所有资源都是虚拟化可共享的，具有非常高的扩展性；另一方面，如果某一设备不能正常运行，云平台能自动将其从共享资源中除去，不影响系统的运行，具有非常高的可用性。

（2）由于云平台所有资源都是虚拟化、可共享且可灵活分配的，因此可以根据不同实验要求为学生分配不同的资源，如存储资源、服务器计算资源、网络资源、教学资源等，且学生在校园网覆盖范围内可以随时随地访问这些资源，不仅可以解决学生单机上机问题和上机时间与地点不灵活的问题，还能解决教学资源访问受限的问题。

（3）创新创业问题的解决。由于云平台的资源是集中化的并且可以基于策略的管理，因此需要时分配，不需要时收回。对于IT类创新创业，其需求的资源差别非常大。一个创新项目需要的资源通常比一个课程实验需要的资源多很多，而一个创业项目需要的资源通常又比一个创新项目需要的资源多很多。云平台可以根据学生申请创新创业项目的实际情况个性化地分配资源，以最大限度地满足其创新创业需求；同时，一旦学生不再需要这些资源，也非常方便回收，确保不浪费资源。

3 课程实验、创新项目和创业活动“三位一体”的实践教学体系

1）实践教学理念。

当今世界已进入信息时代，信息技术飞速发展，信息化正深刻地改变着世界的面貌。新技术涌如潮流，发展日新月异。对于IT行业从业者来说，如果不能及时更新自身知识储备，很快就会落后于技术发展的需求，但知识的更新不可能都通过回到学校课堂完成，于是自主学习能力就变得尤其重要；另一方面，在国家大力提倡“大众创业和万众创新”的背景下，互联网与信息技术是目前创新创业最活跃的领域。我们实践教学的目标就是着力提高学生的自主学习能力和创新创业能力。

2）实践教学定位。

我们的实践教学定位是基于云平台的计算机实验中心不再是传统的实验设备与实验场地提供者，而要成为学生实践活动的服务提供者。

3）实践教学改革的思路与方案。

基于前述实验教学定位，我们的实践教学改革思路与方案从两个转变着手。第一，从实验设备与实验条件建设转变为云平台服务建设，构建“云平台+服务”的实践教学模式；第二，从课程实验实习教学为重点的实践教学体系转变为将课程实验、创新项目和创业活动统一起来的“三位一体”的实践教学体系。

通过实践教学体系的实施，不仅能达到一些传统的教学目标，如培养学生的科学思维和创新思维，提高学生独立动手、分析解决问题和进行科学研究的能力，还能实现着力提高学生自主学习能力和创新创业能力的教学目标。

为实现提高学生自主学习能力和创新创业能力的教学目标，我们提出了课程实验、创新项目和创业活动“三位一体”的实验教学体系。“三位”是指课程实验、创新项目和创业活动3种实践活动，其中，课程实验是基础，创新项目是提高，创业活动是实战。“一体”是指“一个平台”，这3种实践活动统一在一个平台即云平台下完成。对于每门课程，在云平台上既建立所有的基本课程实验服务，又建立一些难度较大的适合创新训练的服务；除此之外，还建立一些综合性与实战型的、适合创业训练的服务。学生在这样一个平台下，不仅可以实现3种实践活动的自然过渡，还可以自由申请更多的服务，以完成自己的创新项目，进一步再申请特定的服务开展自主的创业活动。

4）实践教学体系构建。

（1）课程实验。根据课程体系改革要求，优化调整实践教学内容及教学条件。①确保基础实验。对于核心课程，如程序设计、数据结构等，要确保实践环节学时及实验内容的系统性。②整合系统实验。整合部分课程实验内容，建立学生计算机系统观与整体观，如将计算机组成、体系结构、操作系统等整合为计算机系统实验。③完善计算机辅助实验评价与激励系统。强化该系统对学生平时实验情况进行有效监测、考评和管理的功能以及应用该系统督促和激励学生加强平时实验学习的功能。

课程实验主要由任课教师根据需要，通过云管理平台为每个学生账号分配相对固定的服务，学生登录账号后就可以使用分配的服务完成课程实验。原则上，学生要到指定的实验室在老师指导下完成课程实验。如果学生希望利用其他时间对实验进行完善和提高，那么只要在校园网范围内，学生就可以随时随地使用该服务；同时，学生所有的实验结果均可以保存在系统上，教师可以随时查阅和批改。课程实验结束后，系统自动回收相应的服务。

（2）创新项目。创新项目包括国家级、省级、校级及院级大学生创新项目，还包括各种学科竞赛，如ACM-ICPC国际大学生程序设计大赛、微软“创新杯”Imagine Cup中国区总决赛、全国Java程序设计竞赛、广东省大学生程序设计竞赛、广东省大学生计算机作品大赛、阿里云“天池大赛”等。

对于大学生创新项目，首先，学生需要撰写大学生创新项目申请书，经过学院评审通过后，逐级上报，最终确定是国家级、省级、校级还是院级项目；然后，学生凭项目立项文件，登录云平台管理系统，申请相应的服务。中心配有专门的管理人员对学生申请进行审批，审批通过后，学生就可以随时随地使用该服务，直到项目结题。

对于学科竞赛，由专门的教师负责组织每一种类型的竞赛活动，所有竞赛都建立专门的服务，报名参赛的同学均可使用该服务。对于程序设计类竞赛，我们建立了良好的“以赛带练，以练促赛”机制；还建立了程序设计在线评判系统，通过该系统，学生平时训练时就像竞赛一样，系统会自动对学生提交的程序进行评判，记录每位学生的完成情况并能根据学生完成程序的数量、难度、正确率等实时公布最新排行榜，有效地激发了学生的学习兴趣。

（3）创业活动。对于大学生创业活动，学生需要撰写创业活动计划书。我们组织学院创业指导教师与专业教师共同进行创业项目的论证，并为学生开展创业活动提出一些合理化建议。一旦项目通过论证，中心专门的管理人员就会与创业小组进行沟通，讨论实施该创业项目所需要的服务并确定最终服务分配方案。此后，创业小组就可以一直使用该服务，直到创业活动结束。

4 “云平台+服务”的实验教学模式实施与效果

目前，我们与北京红亚华宇科技有限公司合作共建云实验系统，第一期建设了基于云平台的信息安全实验系统。该系统是专门针对安全人才培养、安全研究等需求设计开发的产品，系统包含两部分，即云计算虚拟化平台和教育培训管理平台。实验系统提供网络攻防、信息安全、计算机基础和网络协议四大体系，43个实验模块，共计940多个实验项目；每一个实验项目均提供实验原理、实验步骤、实验场景和实验报告，大大减少实验教学准备时间，可以提升教学质量，满足学生实践学习的需求[6]。

实验平台由1台管理控制设备、1台云调度设备、多台云资源设备、教师管理系统、学生实训系统和课程包组成。管理控制设备对实验平台的其他设备进行管理控制使用；云调度设备用于调用云资源设备的虚拟环境并具有负载均衡功能；云资源设备负责实验虚拟化，可虚拟各种网络设备及各操作系统的服务器等。

学生使用实验室电脑或者自己的笔记本，通过浏览器访问系统，输入用户名密码后进入系统进行实验；计算资源和实验资源全部在云端进行，本地无需安装客户端，实验方便，可在宿舍、实验室和教室进行操作。

系统为教师提供全面的管理功能，如实验初始化、学生管理、实验课程管理、云管理、远程桌面、远程协助、考核等功能。教师可以根据自己的需求进行实验云平台调度并且支持虚拟化管理、拓扑设计、虚拟模板管理等功能，教师可以按自己的需求设计新的实验项目。

目前，该系统在华南农业大学网络工程专业进行了试验，教师与学生普遍反映实验内容丰富、实验功能强大且实验实战性强、使用与管理非常方便，对于巩固学生的理论知识和培养学生动手能力起到非常大的促进作用。通过该系统的训练，我们组织部分学生参加了网络安全方面的竞赛活动，并取得良好的成绩。在广东省首届“强网杯”网络安全大赛中，由软件学院学子组成的代表队，经过与全省近百支队伍的激烈比拼，在总决赛中攻坚克难连续竞技6小时，勇夺大赛高校组第3名。