浅谈STEM课程网络学习平台的构建与应用

杨瀚盛

【摘要】STEM是科学、技术、工程、数学四门学科英文首字母的缩写，STEM课程往往涉及的知识点多，知识面广，需要多学科知识的综合运用，因此，STEM课程的开展并不容易。本文将根据作者在STEM课程开发与实施中的实践经验，浅析如何有针对性地通过构建网络学习平台，为学生构建网络学习环境，运用现代化、信息化的手段辅助教师更高效地开展STEM课程。

【关键词】STEM;网络学习平台;Python;JupyterHub; Moodle

【中图分类号】G632.4 【文献标识码】A

【文章编号】1992-7711（2020）24-043-02

一、平台应用的背景

2019年，我校承担的十三五广州市教育科学规划课题《基于OpenMV的AI特色STEM课程开发与实施研究》顺利开题，并马上投入到课题的研究工作中。课题中所使用的OpenMV是一套开源的、基于Python的嵌入式计算机视觉架构，它最大的特色是在主板上提供了一个摄像头，并封装了大量计算机视觉算法，学生只需要用Python语言编程调用视觉库函数，再结合一些硬件便能开发出诸如追球小车、二维码识别器，甚至物品分拣机器人等具有人工智能特色的创意小制作。这些小制作对中学生而言是相当有趣且极具吸引力的，以至于我们在课堂上展示这些作品时，学生都兴奋不已，无不踊跃报名参加这门校本课程。

最初，我们的设想是开发一门有趣的AI特色STEM课程，让学生在“做中学”、“玩中学”，学生“玩着玩着”就能学会Python、人工智能、OpenMV……但是，随着课程实施的不断深入，这门课程却变得越来越“看着好玩，做起好难”。我们分析主要存在两大主因：

1.虽然Python语言被誉为一门易学的语言，但是语言的学习毕竟有难度，学生普遍觉得Python“不好玩”。但是，Python是基础，程序设计贯穿整个课程，Python没学好，后面 “好玩”的人工智能、OpenMV根本“玩不动”。

2.课程涉及知识点多，知识面广，然而，校本课程每周只有一个课时，学生对知识的遗忘率高，教师每节课都必须花费大量时间用于知识温故，课堂效率低下。

为此，我们发挥信息技术教师的优势，有针对性地为本STEM校本课程构建了以JupyterHub多用户在线Python开发环境和Moodle课程管理系统为基础的网络学习平台，运用现代化、信息化手段解决了上述两大难道，为课题的研究铺平了技术上的道路。

二、操作系统的选择与部署

由于学校经费的限制，学习平台以免费的Proxmox VE（下称PVE）和Ubuntu系统为基础进行构建。PVE的作用有点类似于VMware的ESXi，它是一个开源的企业级虚拟化平台，与ESXi相比，PVE是全免费的，使用也非常方便，可以用web管理虚拟机。PVE的部署更是采用了“傻瓜式”的安装方法，只需在官网（www.proxmox.com）下载ISO镜像文件，刻录成光盘后在服务器上按提示进行安装，如果没有特殊要求，一直 “下一步”直至完成即可。

操作系统我们选用著名的Ubuntu，因为是用作服务器的，所以选择它的Server版本。有了PVE虚拟化平台和Ubuntu操作系统，接着需要在PVE上部署Ubuntu，首先网页登录PVE，通过web上传Ubuntu镜像文件到PVE服务器，然后点击“创建虚拟机”按钮创建台虚拟机，按提示配置CPU、内存、硬盘、网络等虚拟机硬件，接着启动虚拟机，安装Ubuntu，因为Ubuntu是非常普及的Linux发行版，所以，它的安装方法不再过多赘述。另外，因为我们的网络学习平台使用了2套开源软件系统，为了方便管理，我们在PVE上分别创建2台Ubuntu虚拟机，部署完成效果如图一。

三、学习平台的构建和应用

1.JupyterHub多用户在线Python开发环境

1.1、JupyterHub让Python编程变得更轻松

按照官方的说法，JupyterHub其实就是Jupyter Nootbook的多用户版本，而Jupyter Notebook 则是一个以网页为基础的交互式计算环境，可以创建Jupyter文档，支持如Python、C/C++等多种语言。与传统的Python IDE或者PyCharm等开发环境相比较，Jupyter支持实时代码、可视化和 Markdown，正是因为上述3点，我们选择使用Jupyter作为学生学习Python语言的首选学习平台。

首先，是实时代码与可视化，它讓学生在学习之初对语言还不熟悉时，能够把程序进行分解，就像程序调试时单步执行一样，逐条语句执行并观察运行结果，且运行结果能即时在相应代码下方展示。这种所见即所得的开发环境让学习变得非常直观、容易，每条语句的作用也一目了然，语言的学习变得更加轻松，学生的学习积极性也随之上来，慢慢觉得原来Python也“挺好玩的”。

其次，JupyterHub允许教师在Notebook文档中加入Markdown标记语言，而这正是Notebook的精髓。用Jupyter编写的文档不再是只有枯燥的代码或者呆板的注释，它允许教师轻松地加入图片、注解、链接、指引……，当然还有代码，让文档变成一个交互性很强的教学课件（见图二）。教师只需把文档分发给学生，学生即能按照自己的进度学习、编写、运行代码，实时查看结果，降低了学习难度，另外，Jupyter文档也可以作为自主学习的材料和复习的资料，当学生对某个知识点有所遗忘时，他们可以自行查看文档自主学习，提高了学习效率，解决了课堂效率低下的问题。

1.2构建JupyterHub平台

JupyterHub可以作为Python语言的开发环境，同时，它也需要Python的支持，所以，安装JupyterHub必须先安装Python。另外，为了方便管理Python环境，我们选择使用Conda而非直接安装Python，Conda 是一个为 Python 程序创建的、开源的软件包管理系统和环境管理系统，使用Conda能够更容易管理Python包和环境。另一个使用Conda的好处是JupyterHub所需要依赖的nodejs和npm均已包含在Conda中，不需要再单独安装。平台构建步骤如下：

首先，安装Conda，进入Ubuntu虚拟机，使用wget下载conda安装包，安装包地址可以在官网找到或者使用清华源速度更快。Conda安装包是以脚本形式发布的，下载完成后修改脚本文件权限为可执行并使用bash安装文件。安装完成后把Conda路径：export PATH="/root/anaconda3/bin：$PATH"加入. bashrc文件中并更新一下.bashrc.

接着，创建Python环境，JupyterHub不需要其它包的支持，安装Python3.x即可：conda create -n JupyterHub python=3.7，完成后激活环境：conda activate JupyterHub.

最后，安装并运行JupyterHub：

①conda install -c conda-forge jupyterhub

②conda install notebook

③也可以使用Jupyter Lab：conda install jupyterlab

④运行JupyterHub：jupyterhub[1]

2.Moodle课程管理系统

2.1 Moodle助力提升STEM课堂效率

Moodle是目前国内应该最广泛的免费开源在线课程管理系统之一。教师可以借助Moodle发布课程内容，如：教学课件、文件资源、网站链接、微课视频等，并创建课程活动，如：作业、测验、资源、论坛、投票、问卷调查等（见图三）。Moodle为学生提供了一个自主学习的平台，通过丰富的课程内容与课程活动，让学生更快地进入课堂角色，同时，Moodle课程活动的应用使得学生的学习过程得以记录与保留，这些活动的痕迹就像一本STEM课程的“笔记本”，当学生对某個知识点有所遗忘时，他们可以随时、随地通过翻查“笔记本”自主解决，大大提高了课堂学习效率。另外，Moodle强调学习过程中学生的互动、交流与协作，要求生生之间、师生之间共同探索，合作解决问题，这个与STEM教育理念不谋而合。

2.2 Moodle平台的部署

Moodle的安装依赖于LAMP（Linux + Apache + MySQL + PHP），然而，手动搭建Apache + MySQL + PHP比较麻烦，因此，为了更方便地安装和管理LAMP，我们采用了宝塔Linux面板。宝塔Linux面板是一款提升运维效率的服务器管理软件，支持一键LAMP、集群、监控、网站、FTP、数据库等100多项服务器管理功能。具体部署方法如下：

首先，安装宝塔Linux面板，进入Ubuntu虚拟机，宝塔Linux面板的安装极其简单，只需在命令行输入wget -O install.sh http：//download.bt.cn/install/install-ubuntu_6.0.sh && sudo bash install.sh即可。安装过程一般耗时较长，安装完成后系统会显示面板登录的网址、用户名及密码信息，打开浏览器，输入以上信息登录宝塔Linux面板，首次登录会提示一键安装LAMP，里面的软件都要安装，软件版本尽量选择新一点的即可。

LAMP安装完成后，侧边栏点击“网站”，在网站管理面板点击“添加站点”按钮，按提示输入域名，如没有域名可输入服务器IP地址，根目录可用默认目录，按提示创建FTP方便Moodle安装包上传，创建MySQL，并设置用户名、密码，提交后设置网站目录去掉“防跨站攻击”选项。然后，在Moodle官网下载zip格式安装包到本地，通过FTP上传到宝塔Linux面板网站根目录，打开宝塔Linux面板网页，侧边栏点击“文件”，找到刚上传的Moodle安装包，选择解压缩。找到“/www/wwwroot”目录，设置权限为所有者可读、写、执行。

浏览器输入刚添加站点的域名或者IP，开始Moodle引导安装，选择语言后点击“向后”按钮，文件夹默认使用设置即可，数据库使用添加站点时设置的用户名、密码，点击“向后”，然后选择“安装”，Moodle即可自动安装。

四、平台的不足与改进

JupyterHub+Moodle网络学习平台在我校运作已有一年时间，为我校STEM课程的顺利开展提供了有力的保障。但是，随着平台、系统的不断增多，使用每个系统均需重复输入登录信息，这样的用户体验不够友好。因此，下一步我们将搭建OpenLDAP服务器，把用户信息统一管理起来，做到一次登录即可使用多个系统，解决用户体验差的问题。

【参考文献】

[1]Jupyter.How to install JupyterHub[EB/OL].https：//github.com/jupyterhub/jupyterhub，2019.

[2]张爽.基于Moodle平台的项目化教学研究[J].软件导刊，2014，13（12）：180-182.