云计算环境下空间数据库实验教学改革研究

何珍文 郑祖芳 田宜平 邵玉详 王媛妮 刘远兴

摘要：空间数据库实验教学涉及的数据种类繁多、软件环境配置繁琐、评价考核困难。由于传统机房管理模式的限制，上述问题更为突出。以我校空间信息与数字技术专业教学实验室建设为例，采用云计算技术对传统机房进行改造升级，研究构建适应基于云计算环境的空间数据库实验教学模式，提出基于测试驱动的空间数据库实验教学方法。实践表明，该方法可有效提升空间数据库实验教学效率和教学质量。

关键词：云计算；空间数据库；实验教学；教学改革

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）06-0086-03

1引言

云计算（cloud computing）和大数据技术是全球新一轮IT革命最重要的标志性创新，已经成为引领未来信息产业乃至整个经济社会创新发展的战略性关键技术和基础性创新平台，它对于我们带来的机遇和挑战也是全面的。国内外越来越多的学校、教育机构都在大力构建“云”机房，把教学资源或信息处理迁移到云环境。云计算辅助教学的核心是促进低碳型教育的社会化服务和协作学习的理念，将带来教育在环境建设、资源建设、教学方式方面的诸多变化，也给高校教育信息化的建设带来了新契机。目前，中国地质大学（武汉）空间信息与数字技术专业开展了专业机房升级改造以及相关创新科研、教学项目的研究，旨在优化利用云计算环境，对该专业的实验环境、教学资源，以及实验教学模式进行创新与实践，推动该专业相关课程的实验教学改革，培养学生的创新精神与实践能力，以适应高校教育信息化发展的新形势要求。

2云环境下的专业实验教学模式改革

云计算是基于互联网的相关服务的增加、使用和交付模式，通常涉及通过互联网来提供动态易扩展且经常是虚拟化的资源。云环境是云计算环境的简称，包括构建云平台的软硬件平台和终端设备。用户在个人电脑、手机等终端设备登录到云端，运行在互联网上大规模的云计算提供服务器集群中的应用程序，用户所处理的数据也并不存储在本地，而是保存在互联网上云计算服务商提供的数据库中心里。用户可以在任何时间、任何地点，用任何可以连接至互联网的终端设备访问这些服务即可。这一特性为实验教学提供了随时随地地可访问性，在一定程度上消除了上课地点和上课时间的限制；从技术层面提供了学生自主安排学习任务的可能性。

为了适应教学、科研的时效性和计算机技术的飞速发展，实验机房往往需要不断进行设备更新升级，造成软硬件建设和维护成本不断上升。此外，之前的教学机房由于设备固定，远程访问性差，主要供学生上课期间使用，不利于教师远程使用，教师无法利用实际的实验教学环境开展教学、科研创新项目的研究，需要更先进的实践环境和计算资源，这些都是我校空间信息与数字技术专业教学实验室建设中迫切需要解决的问题。以空间信息与数字技术专业教学实验室建设为例，采用云计算技术进行实验机房升级改建与教学模式改革，主要有以下几个方面的优势：

首先，优化了专业实验教学环境，提高了资源使用效率。云计算环境采用虚拟化技术提供计算、存储、平台和服务等各种资源，可以有效支持用户共享软硬件资源。云计算环境下软件也呈现出网络化、服务化、虚拟化和集成化趋势，适合设备的多样性、用户需求的个性化，满足了专业实验教学的需求，有利于为专业教学、科研提供优质的环境、资源和服务，有助于打造专业教学“云”环境。对实验室管理员而言，云环境下的实验机房可以通过虚拟机模板和虚拟机部署软件远程快速部署和重构实验环境；也可以根据不同实验需要的计算资源量的不同，动态调整计算资源分配，实现计算资源的充分利用。对于实验课程教师而言，可以远程上传教案、作业等资源，也可以在本地构建虚拟机，配置本课程所需软件环境，通过VMWare等软件导出OVF虚拟机文件，交给实验室管理员直接部署到云平台上供学生使用。我们利用云计算优势，优化专业实验教学环境并部署在“云”环境上，打破现有实验条件和环境的限制，为解决当前实验资源不足且利用不充分等问题提供了一种可行的解决方案。

其次，提升了实验设备的可扩展性，节省了专业实验室建设与维护成本。空间信息与数字技术的专业教学实习采用的软件多是大型软件，如Oracle数据库系统、ArcGIS地理信息系统、Visual Studio 2017 Community，JetBrains IdeaC等編程工具软件、ENVI等图像处理软件、QuantyView等三维地学信息系统软件等，这些软件有的对计算机内存和CPU要求很高，如Ora-cle 12c、JetBrains IdeaC等需要Java虚拟机支持的大型软件；有的对显卡要求很高，如需要进行三维渲染的QuantyView和Arc-GIS等，这些软件运行在单机上都需要很高的内存、CPU、显卡配置。之前的空间信息与数字技术专业实验机房，采用的都是单台工作站的模式进行建设，成本和费用较高。云计算环境下对客户端计算机配置要求很低，用户将可以通过极低的成本按需从基础设施中获得云服务，具有低设备要求、低成本投入、可扩展性强等优势。在专业实验教学过程中，师生只需使用可上网的低配置计算机，通过浏览器或云平台终端即可方便快捷地访问“云”端的应用程序与服务。随着学生人数的增加，在采用云计算技术进行机房升级改造过程中，新增了3台云服务器和35台低端一体机作为客户端计算机，整合了前期购买的35台工作站。将上述大型专业实验软件都安装到云服务器，客户端只提供云计算接入功能。后期随着学生人数的增加，只需要购买低端一体机即可。如果服务器端存储资源或计算资源不足，则可以直接加硬盘或CPU节点就可以方便地进行服务器端配置升级与扩展。这样不仅节省了实验机房建设成本，同时也提高了实验设备的可扩展性。

3云环境下空间数据库课程实验教学改革

空间数据库是空间信息与数字技术专业的主干课程之一，它以数据库基础理论为基础，主要从理论和实践的角度系统地阐述空间数据库的基本概念、原理、方法及技术。通过本课程的学习，要求学生掌握空间数据库的基本原理与建设方法，主要包括：空间现象抽象表达、空间数据模型、空间数据组织管理、空间数据索引技术、空间数据查询、时态空间数据库、空间数据共享、空间数据库设计与建立等。经过课程学习和上机实践训练，使学生掌握空间数据库的基本原理以及建立空间数据库的技术方法，具有使用、管理以及建立空间数据库的基本能力。该课程包含32学时的讲授课时，16学时的课程附带实验学时，外加2周的空间数据库课程设计实践。从课时的安排上可以看出，该门课程非常重视学生的实际动手能力。

3.1云环境下空间数据库实验教学环境构建

空间数据库实验教学环境基于空间信息与数字技术专业改造升级后的云计算环境构建。软件部分主要包括四个部分：

1）空间数据编辑软件，采用ArcMap和QGIS对人库之前的空间数据进行编辑处理。实验数据主要从OpenStreetMap网站获取。

21空间数据库入库软件，采用ArcCatalog和Oracle公司提供的MapBuilder进行空间数据建库与入库。

3）空间数据库系统采用Oracle 12c（含Oracle Spatial组件），空间数据库服务器端的操作和程序开发采用Oracle SQLDeveloper、Navicat或Sqlplus，主要用于SQL以及PL/SQL的编程实验。

4）数据库应用程序开发工具软件，主要提供高级语言如Java，C++等的数据库应用程序开发，采用Visual Studio Commu-nity和JetBrains Idea Community。

这样构成了空间数据库系统从建库、入库、管理到空间数据库服务器端程序开发以及客户端应用程序开发的综合实验环境。其中，Oracle 12c Database位于一台虚拟服务器上，配置有较高的CPU和内存；其他软件则都安装在客户端虚拟机模板上。

为了模拟原有工作站的单机工作环境，在Oraclel2c数据库服务器上采用可插拔数据库（Pluggable Database）技术为每个学生构建了单独的空间数据库。首先，在服务器端编写一个存储过程，用于构建可插拔数据库，大致实现如下：

然后，调用该存储过程，例如：

BEGIN

CREATE_PLUGGABLE_DATABASE（′PDBORCL003′）；

END；

这样就可以为每个学生生成一个单独的可插拔数据库。在创建可插拔数据库的时候，需要根据学生人数和数据量大小预估需要使用的存储空间。在数据量不大的情况下，每个学生预留4GB的空间即可。由于空间数据库实验大部分操作都转移到了一台虚拟的数据库服务器上，这就要求该服务器有足够的性能支持多名学生同时连接和操作数据集，特别是对于IO性能要求较高，在构建该虚拟服务器时要尽可能把该虚拟机的磁盘存储采用固态高速存储。

3.2云环境下空间数据库实验教学改革

从本质上讲，空间数据库是属于信息类的课程，其课程实验涉及实验数据（实验初始数据、实验结果数据）、实验软件（建库与人库工具软件、数据库客户端应用程序开发工具软件、数据库服务器端应用程序开发工具、数据库系统软件等）、实验文档（实验教程、实验讲义、实验报告）。云环境下空间数据库实验教学改革主要从实验数据、实验软件、实验文档、实验方式、考核方式等方面进行。

针对实验数据与实验文档的存储管理，采用云存储方式实现资源共享与共建。系统为每个学生和教师分配了云存储空间。学生可以用自己的学号登录自己的云存储空间，也可以访问教师云存储空间中的共享目录，获取实验数据和文档资料。学生的云存储空间主要供学生自己使用，主要存储学生自己在实验过程中产生的中间数据和文档。教师云存储空间为每个专业教师也分配了云存储空间，主要用于存储和共享实验教材、实验讲义和实验初始数据，同时也提供了学生提交实验结果和实验报告的存储空间。实现随时、随地在云环境上协作分享，达到学习资源和学习工具的“按需而用、即需即用、快速聚合”，实现最大化资源共享，更有效地支持空间数据库实践教学活动。

在空间数据库这门课程持续期间，机房为每一位上课的学生建立了一个单独的空间数据库系统（Oracle 12c Pluggable Da-tabase）和虚拟客户端桌面系统，学生在校园内可以在任何有网络的地方，通过本地Navicat、Oracle SQL Developer或SQLPlus直接登录到数据库服务器，进行数据库服务器端的操作与编程开发；同时学生也可以远程登录到虚拟桌面，进行客户端相关软件操作。专业教师可以远程登录到空间数据库服务器端布置实验环境，主要包含实验数据和实验软件配置等。在空间数据库实践教学过程中大量使用了OpenStreetMap的免费数据进行教学；教师可以登录空间数据库服务器直接远程下载Open-StreetMap的数据放在服务器上进行共享。实验软件的部署可以登录到云服务器，构建相应的虚拟机模板，然后发布虚拟机即可。这些设备和技术为学生进行远程实验和教师教学提供了软件和硬件环境，打破了传统基于实验室的模式局限，推动空间数据库课程建设与教学改革，发挥了云计算环境在实验教学中应用的优势，提高了实验教学效率和教学质量，培养了学生的创新精神和实践能力。

基于上述实验环境，我们进行了教学模式改革方面的研究。由于学生实习的空间数据库都位于一个容器数据库中，这为教师编程快速实习学生作业批改提供了可能性。為实现这一目标，我们提出了一种基于测试驱动的实践教学方法。该方法的基本思想是，教师针对各个实验的知识点，设计一系列的测试案例。测试案例调用规定的必须首先处理好的数据集、过程和函数接口。学生则按照测试案例要求的数据和功能，进行相关数据处理生成符合规则的数据集，并编程实现相关的函数接口。例如：

为了让该测试案例能通过测试，则学生必须正确的完成以下几个方面的事情：

1）采用IMP命令导入MVDEMO.DMP到自己对应的可插拔数据库（假设为PDBORCL35）中；

2）编写存储过程或函数实现州信息的查询；

3）编写存储过程或函数实现多边形以WKT格式输出；

4）在taskTODO函数中调用自己设计编写的函数。

这样学生的目标也很明确，只要完成上述四步，使得测试案例运行通过即完成了学习任务。老师也可以通过运行测试案例快速检查学生是否完成了指定任务。

3.3云环境下空间数据库实验评价

云环境下的空间数据库实验可以有效支持学生和教师的远程访问与操作。教师可以远程部署实验环境与实验内容；学生可以远程连接空间数据库进行建库、数据入库、空间索引创建、空间查询访问、空间数据库备份等操作，还可以在本地或云端虚拟机上采用高级语言，如Java、C++等编写空间数据库应用程序。通过实验任务接口设计，学生负责实现该接口，教师则可以经过简单的Java编程调用该接口获取学生实验练习的结果，自动判断学生实验是否完成以及完成得是否正确。此外，借助网络通信交流工具，教师可以远程进行网上辅导和答疑，给予学生实验评价与总结，及时反馈教学的效果，实现师生之间互动交流，同学之间互帮互学，形成良好的实验教学与学习氛围。

4结论

空间数据库实验教学由于其管理的是空间数据，涉及矢量数据、栅格数据、属性数据、元数据等多种数据源，其数据量大、种类繁多，需要借助Oracle、Hadoop、spark、Idea、ArcGIS、QGIS、SQL Developer等多款大型软件进行实验，软件环境配置非常繁琐。由此，也带来了考核评价困难的问题。由于传统机房管理自动化程度不高、基本都要本地操作的管理模式的限制，使得上述问题更为突出。针对上述问题，以我校空间信息与数字技术专业教学实验室建设实践为例，采用云计算技术对传统机房进行了改造升级，构建了适应基于云计算环境的空间数据库实验教学模式，实现了基于测试驱动的空间数据库实验教学方法，有效提升了空间数据库实验教学效率和教学质量。