弹性云服务器（ECS）在实验课程中的应用探索——以《工业机器人操作编程》课程为例

赵丽宁，张凯，雷安格，张建桃

（1.广东省华侨职业技术学校，广州510520；2.华南农业大学，广州510642）

0 引言

发挥中等职业类院校学科优势及强化广东省华侨职业技术学校特色模式，在进行学科建设的时候，建设专门的工科类教学实验室，用以培养学生的实践动手操作能力。不同的学科、不同的课程，甚至相同的课程名称不同的学分，都需要安装配置不同类型不同版本的软件，如Auto⁃CAD、Visual Studio、MATLAB、Robot Studio等大型平台类软件，然而，此类大型工程应用软件安装配置较为复杂，操作系统独占性较强，多种软件安装后由于功能重叠、硬件资源独占等因素易发生冲突从而导致软件失效，因此工科类实验室管理情况较为复杂，管理效率低下。另外，由于准入准出课程的安排设置，导致部分实验室上半学年和下半学年实验室占用情况完全不同，甚至有一些专业自建实验室一段时间完全处于空闲状态，导致实验室资源设备浪费严重。为此需要探索一种新的工科类实验课程实训方法，提高大型实验设备利用率，减轻管理人员劳动强度，提高教师授课效率及学生学习效率。

1 工科类实验室管理现状

长期以来，工科类实验室在实际运行过程中，由于监管不到位，管理人员不重视，教师受限于实验室硬件“老化”，学生“走过场”等形式，导致上课效果一直以来广受诟病。为此，利用信息技术把传统实验室本地化教学的优势和网络在线实验平台的教学优势结合起来，采取线上线下混合式教学的模式。实际执行过程中，应考虑使用混合式教学的基本设计思路和方法，采用基于教育大数据的精准教学评估与学习行为预测方法，指导教学实践。

目前广东省华侨职业技术学校实验室管理现状如下：

（1）采用完全本地化的集中控制实验平台教学模式。通过前期调研得知，目前大部分学校机房采用的也是此类方式，包括广东省华侨职业技术学校机电专业部的2个实验室和华南农业大学公共基础课实验中心，教师需要学会操作管理平台，管理平台对学生透明。教师授课的时候，把《工业机器人操作编程》授课PPT及所需软件推送到学生端并自动安装，解决了教师端授课端推送安装问题，但针对专业大型软件底层冲突、软件安装授权失效等问题难以解决，学生无意中插入U盘等引入的木马病毒肆虐泛滥，导致管理难度极大。

（2）计算机更新成本、专业建设资金及时间成本均难以承担。随着硬件技术和网络技术的发展，各种新设备、新技术层出不穷，为了适应社会的人才需求，学校开设机器人专业课程并配套实验设备。2020年，广东省华侨职业技术学校机电专业部的两间计算机实验室已进入老化期，硬件已达不到《工业机器人操作编程》教学软件的要求，严重影响了实验课程的展开。

（3）后续实验课程评价和反馈机制不健全。学生针对《工业机器人操作编程》实验课程的反馈，仅能通过发放问卷方式的评教反馈，但是实验过程的逻辑性及严谨性，实验最终效果分析，没有采用科学的信息化手段及时合理反馈给教师，导致学生对实验课的评教较差。

2 ECS在实验课程中的特点

云计算（cloud computing）是目前较为热门的一种商用服务模型，是一种基于互联网的计算方式，通过这种方式，共享的软硬件资源和信息可以按需求提供给计算机各种终端和其他设备。云服务器（elastic compute service，ECS）是云计算商业模型的一种，采用云桌面方式连接云平台进行远程操作。云平台一般提供4种模式的服务：

（1）基础设施即服务（infrastructure-as-a-ser⁃vice，IaaS）。远程用户通过Internet可以从完善的计算机基础设施获得服务，通常IaaS服务提供商把几个IaaS服务进行组合，以产品目录的形式告知IaaS使用者能够提供何种产品服务；

（2）平台即服务（platform-as-a-service，PaaS）。一般面向互联网应用开发者，把端到端的分布式软件开发、测试、部署、运行环境以及复杂的应用程序托管当作服务，依托IT基础设施云平台使开发者可以从复杂低效的环境搭建、配置和维护工作中解放出来，提高软件开发的效率；

（3）软件即服务（software-as-a-service，SaaS）。它是一种通过Internet提供软件的模式，用户无需购买软件，而是向提供商租用基于Web的软件，来管理学校教学等活动。相对于传统的软件，SaaS解决方案有明显的优势，包括较低的前期成本，便于维护，快速部署投入使用等；

（4）桌面即服务（desktop-as-a-service，DaaS）。通过云计算理念，将桌面作为服务的形式提供给最终用户。

通过IaaS架构和桌面虚拟化技术，可以将用户的桌面构建在IaaS架构上，通过桌面虚拟化协议，将构建在IaaS架构上的桌面分发给最终用户。DaaS工作原理是在数据中心托管一大批运行桌面操作系统的虚拟机，并且使用某种远程显示协议，提供对这些虚拟机的远程访问，用户无论采用何种终端，面对的都是熟悉的终端桌面。

广东省华侨职业技术学校机电专业部实验室作为一种工科类教学实验平台，不但承担着专业实验课程的教学，而且承担着学生的计算机信息化实验平台包括计算机程序分区、格式化等通识训练，亦包括一部分专业课程的大型专业软件的安装配置维护，因此只能选择IaaS平台作为基础架构，可安装Windows、Linux等操作系统，并在此基础上安装SQL Server、Oracle、RobotStudio、Visual C++、在线学习编程系统等平台类软件形成PaaS平台，在此平台上还可以安装一些应用类软件，包括Chrome及Firefox浏览器、WPS Office软件、文本编辑器、开发助手类软件等形成SaaS平台，采用DaaS流式桌面推送给终端教师和学生，以更好的使用不同平台的不同软件完成课程训练任务。广东省华侨职业技术学校阿里公有云实验教学平台云服务层次结构如图1所示。

图1 广东省华侨职业技术学校阿里云实验教学平台云服务层次结构

3 ECS在实验课中的实施与应用探索

3.1 基于阿里云桌面的实验室方案设计

目前，学校招收学生除了广东省本土学生，还有一部分国外学生。另外，学校部分教师同国外学校有教学或者学术交流，在ECS选购初期，就要考虑云平台跨境访问的需求，重点考虑选择带有国际IDC加速服务的ECS作为实验室教学搭建平台。通过走访调研兄弟院校如华南农业大学数学与信息学院已有云平台建设案例，综合考虑能争取到的资金及后续投入，提高机房管理效率和保证数据安全性，选择更适合的阿里云桌面方案。

实验室终端采用旧PC安装云桌面登陆软件构成云终端，云终端通过网线连接到汇聚层交换机；汇聚层交换机通过光纤连接到核心路由器，最后再由核心路由器通过光纤连接到阿里云VDI服务器。云桌面实验室方案架构设计如图2所示。

图2 广东省华侨职业技术学校阿里云桌面架构设计

3.2 基于阿里云桌面的实验课程建设方案

（1）《工业机器人操作编程》资源库建设。《工业机器人操作编程》课程为广东省华侨职业技术学校老牌课程，经过多年积累，包括如下众多课程资源：①PPT课件，包括教材和参考教材的多媒体课件，教师授课课件等；②WORD文档和PDF参考教材文档等，包括教案，教学参考资料，教师搜集的课程案例等；③C语言和C++语言程序源码，包括工业机器人操作编程实验源代码，课后习题源代码和教师自己开发的课程源代码等；④音频和视频文件，包括教师授课录像，搜集的案例资源，国内外最新研究前沿音视频等；⑤Flash试题库，虽然目前Flash技术已经不再更新维护，但是因本课程试题库建设时间较长，资源较为丰富，暂时不能完全替代，因此平台必须能迁移运行Flash试题库；⑥课程专业软件。包括ABB公司的RobotStudio机器人虚拟仿真软件，Visual C++6.0软件开发运行C和C++源代码，工业机器人综合实验平台软件（该平台软件最高只能运行于Windows 7操作系统），机器人考试系统平台软件。根据上述软件特点，阿里云桌面客户端需采用Windows 7操作系统，兼容比较老旧的软件和实验平台，服务器端能同时推送文档、流媒体音视频等功能，采用前后端分离的混合式架构部署。

（2）实验软件远程桌面流推送。《工业机器人操作编程》课程所需平台软件众多，单独流推送某个APP，会导致教学过程割裂，课程实验效果不好，因此可以直接采用阿里云桌面的桌面推送服务，直接投射整个云桌面到客户端。学生采用PC机、手机终端、平板电脑等手持设备，安装阿里云桌面或者微软远程桌面，均可接入并流推送云桌面。根据使用效果，阿里云桌面在1080 P效果下需要保证约5 Mbps的带宽，当带宽低于该值的时候，整个桌面就会出现大块的马赛克，影响使用者体验，瞬时突发贷款能达到9 Mbps，而微软的远程桌面带宽占用，一般从普通鼠标点击操作的40 kbps到全屏观看流媒体视频的20 Mbps，用户可根据实际需求选择，如果不观看流媒体视频，一般建议选择微软远程桌面效果更好，占用网络带宽更低。

（3）《工业机器人操作编程》实验课程评价。①从教学督导、管理人员来看，因整个实验过程完全可控，整个实验课程可以回放，并且可以采用阿里云提供的分析工具，横向对比其它类似开设课程如《物联网技术与应用》等，给出更加科学合理的建议。②从教师端来看，整个实验课程从学生登录、根据课程时间完成不同的实验任务节点，学生开始任务时间、完成任务时间、完成任务率等，均可以从教师管理端直观的显示出来，教师可以根据每名学生的进度，有针对性的加以辅导，提高学生学习积极性。③从学生端来看，整个实验课程只需要使用云桌面随时随地就可以登陆系统进行学习，教学视频可以随时随地回放，实验软件可以随时随地打开电脑和手机进行操作，避免了学生需要提前预约机房，按时到机房使用，导致机房使用时间严重不均衡的现象，大大提高了学生的兴趣，提升了学校购买大型软件的利用率，这些效果仅仅依靠课堂的45分钟实验教学是远远达不到的。实验课程受限于学生没有实验设备，一般不安排课后作业，采用阿里公有云平台后，学生可以在课室、宿舍或者家里继续练习，学生实验课程任务完成度较高。④从课后评教反馈来看，以前实验课程评教排名基本在最后几位，导致实验课程没有老师愿意接手，通过采用阿里云平台，使用现代化的信息手段，评教一跃到了中等，以后随着云平台的资源越来越多，基于云桌面的实验课程设计越来越完善，相信平台一定会让更多学生喜欢。

4 ECS在工科类实验课程试用效果及分析

通过在广东省华侨职业技术学校机电专业部实验室引入ECS及云桌面，并经过《机器人操作编程》课程一段时间的试用，学生在实验课程中遇到的实验室机房软件类如操作系统类问题及网络安全木马病毒类问题基本消失，学生亦不再抱怨实验运行环境如操作系统运行缓慢，软件版本陈旧等问题，云平台运行整体较为稳定。ECS和云桌面技术的联合应用，能够不受不同批次不同型号电脑的影响进行统一配置部署，可对不同的老师采用不同的虚拟实验环境，甚至对不同的老师定制不同的软件版本而完全不用考虑兼容性的问题，学生可以在自己的手机上随时随地操作使用云桌面，提高了学生学习兴趣及实验频率。虽然在工科类实验室建设ECS有诸多优点，但是在实际运行中亦发现存在以下问题：

（1）对带宽及并发链接数要求较高。《工业机器人操作编程》课程有许多案例视频，每虚拟桌面最少具备5 Mbps以上的稳定带宽才能保证课程视频全屏播放流畅，平时实例45台，突发实例180台客户端若同时登录云端，考虑部分余量，那么至少需要1 Gbps的带宽，虽然目前机房出口带宽为双万兆，但是学校出口带宽为11 Gbps（中国电信+教育网），若同时有大量学生看网络视频等，易导致带宽不足，部分学生容易登录不上，可以考虑在后续使用中逐步扩展性能。

（2）针对某些软件不能完全兼容。比如《工业机器人操作编程》附带在线编程考试软件，因需使用加密狗软件，在分发试卷授权的时候会失败，软件经官方确认不能用于ECS云平台。另外，在正常安装好天翼云会议软件进行在线教学时候，双击打开软件失败，界面一闪而过，软件经官方确认后续升级解决或者暂时关闭硬件渲染功能。

（3）ECS云平台针对一些大型3D图形运算支持不是特别好。比如《工业机器人操作编程》课程使用3DMAX实时渲染时卡顿明显，究其原因是，受限于采购成本，教育云平台没有采用带有vGPU直通功能的高档显卡，导致3D性能稍显不足，可在以后的使用当中逐步扩展。

5 结语

采用阿里公有云平台建设实验课程，同传统的自建实验机房相比，虽然有兼容性有待提高、网络连接速率要求较高、数据流量较大等缺点，但是随着国家网络“提速降费”和“5G”工程实施，这些缺点都将在短时间内解决；但是云平台具有计算和数据资源集中管理，教学系统软件多样化，教学软件版本可自由更改的优点，云桌面给管理人员带来的便捷维护手段，给教师和学生带来多样化的教学手段，实实在在的减少了管理人员的工作量及维护成本，提高了教师授课效率。