计算机课程的“云实验室”实践教学研究

章雅娟

南通大学信息科学技术学院 江苏南通 226019

1 概述

随着“人工智能”“5G”“大数据”和“云计算”等信息技术的快速发展，各类云教育平台层出不穷。学生在线自主学习优质教育资源，线下翻转课堂的教学方式加快了“以学生为中心”的教学改革的步伐。同时，利用虚拟技术将实验室搬到“云端”是现代实践教学的发展模式之一。IT专业的学生的动手实践能力和创新思考水平是企业用人的关键参考点，将理论和实践有机结合，培养适用于市场需求的创新型人才，是每位高校教师义不容辞的职责。国信蓝桥的“实验楼”是国内首家以实验为核心的IT在线教育实验平台，基于虚拟化技术的SimpleCloudTM轻量级云平台软件和SimpleLabTM虚拟实训室[1]，该平台为大学计算机专业课程提供了数据结构与算法、操作系统等几十门课程的在线实验和不同职业方向的技术学习路径以及与“蓝桥杯”大赛相关的实训课程，内容基本覆盖了整个IT技术体系，已经与国内诸多高校合作办学，好评如潮。笔者勇于创新，将蓝桥平台引入专业课程的实验教学中，旨在不断提高教学质量，培育实践能力强的市场需求的人才。

2 实验教学的重要性

大学教育不仅仅是知识教育，还是科学精神、科学方法，包括实验方法的实践教育[2]。知识和理论是前人经验和研究成果的积累和结晶，掌握理论知识就可以“站在巨人的肩膀上”，减少许多重复、低效、盲目的摸索[2]。但是，片面地学习书本知识，对实验实践不予重视，那就是纸上谈兵。有些理论知识在一定的环境和条件下实验验证之后，才能深刻理解，所以“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”“知行合一，学习致用”有助于学生灵活运用知识。其次，实验教学可以培养学生的创新意识和创新能力。学生可以通过实验弄清楚理论的发现过程以及归纳提炼的规律，在这个探究的过程中不知不觉提升自己的思考力和创新力，久而久之，也会提升解决实际问题的能力。所以，如果希望大学生刚毕业就能就业，刚上岗就能出活，就必须重视实验实践，对于要求实践能力强的计算机类学科，实验教学显得尤为重要。

3 计算机实验课研究现状

针对国家“立德树人，全面实施素质教育”的育人方针和企业招聘实践能力强的用人要求，很多高校都对IT专业的课程提高了实验课的比例，但是大部分毕业生的实践和解决问题的能力水平依然较低。主要原因有以下几个方面。

3.1 实验软硬件环境配置更新慢，成本高，限制多

计算机相关课程的实验需要在做实验前准备好必需的软硬件环境，需要在专业机房完成。由于软件的不断更新，硬件也要跟上发展的步伐进行性能的提升。现实是部署实验室机房需要采购大量硬件，也需要专业人员进行维护，人力和物资成本较高；一般学校现有计算机设备更新时间周期长且人均分配率较低，实验机房按课时轮转分配给不同班级的学生共享，资源占用时间远远不能满足实验任务的实际需求；另外，有些实验因为硬件资源的限制无法开展，例如需要多台计算机协同的实验和关于修改操作系统内核的实验，主要侧重于模拟而不是实战。

3.2 教学设计面面俱到，学习目标一刀切，缺乏因材施教

大学专业课程知识体系层次丰富而庞大，教与学都侧重于知识点的覆盖上，轻视了理论的验证和深度理解；学习目标一刀切，有些学生觉得课程难学，产生畏难情绪，甚至缺乏实验加深理解的过程，课后很少主动拓展专业知识和技能，更不用说了解当前流行的新技术，所以感觉在实验课中没有学习到实用的计算机知识。

3.3 实验方案不利于培养学生的创新思考和主动动手能力

实验指导书从目的、内容、原理、环境及操作步骤介绍得非常详细。每次实验课，教师也许会边讲边演示，或者学生依照实验步骤，在相同的时间段内，用相同方法做同一个实验，最后得到实验结果。这种模式可能会使一些学生依葫芦画瓢，照搬别人的实验过程而得到结论。例如，程序设计类课程实验，只要有一个学生写出代码并调试通过，其他同学便纷纷效仿，实验报告千篇一律，导致部分同学认为实验课不重要。如此下去，没有夯实先修课程的基础，后续课程的学习就存在障碍。这些同学的思维和解决问题的能力也得不到锻炼，更谈不上提升创新水平。

3.4 过程管理松散，缺乏有效监督，学生没有主动学习的积极性

学习过程的监督管理是学习有效性的重要保证。高校教师一般都侧重于理论知识的讲授，没有精力服务所有学生，也就无法实时监测学生的学习状况并给予及时调控。学生也只关心考核点的记忆和理解，对实验课不认真。所以，师生之间缺乏有效的监督与被监督的方式，这种松散的管理导致自律差的学生缺失了学习的动力。

4 蓝桥“实验楼”能够解决的问题

蓝桥“实验楼”创立了一种新颖的IT学习和认证模式，是高校与企业沟通人才培养目标的桥梁。高校可以把IT实验室移到实验楼的云环境中，可以解决以下问题。

4.1 快捷启动的操作环境和图文指导文档，提高学习效率的同时降低了实验成本

该平台在云端构建了机器学习、WebIDE等各种技术练习的虚拟环境，没有实验类型的限制，每位学生可以创建多台虚拟计算机进行实验，环境与真实业务环境相同，如图1所示。目前，已有300多所高校配置了这样的“云实验室”[3]。只要学生拥有一台能够上网的计算机，就能随时随地做实验。这种“点击即用、操作方便”的优点，可以使学习者专注于知识点学习，不会因环境问题而放弃，学习效率也有较大提高。同时，这种环境有效避免了硬件环境差异产生的问题，很大程度上降低了部署实验设备的成本。

(a)机器学习实验环境(深度学习、人工智能等实验)

(b)WebIDE(Java、前端等实验)

(c)图形界面环境(编程开发、信息安全等实验)

(d)字符环境(Linux、操作系统、运维等实验)图1 蓝桥云实验环境

4.2 任务驱动式的实验项目，激励学生不断前进

“任务驱动教学法”是一种建立在建构主义学习理论基础上的教学法，它将以往以传授知识为主的传统教学理念转变为以解决问题、完成任务为主的多维互动式的教学理念，将再现式教学转变为探究式学习，使学生处于积极的学习状态，每一位学生都能根据自己对当前问题的理解，运用共有的知识和自己特有的经验提出方案、解决问题[4]。学生在探究过程中可以不断地获得成就感，从而激发求知欲，进而形成一个感知心智活动的良性循环，增强独立探索、勇于开拓进取的自学能力[4]。基于“任务驱动”的理念，教师对每个实验项目的在线指导文档按“任务驱动”的思想进行规划，由易到难，层层递进。第一，给出实验目的和任务，对预备知识进行剖析；第二，剖析操作步骤，攻克知识和难点障碍；第三，分段操作，掌握和强化技术的关键。每个分段步骤都会检测结果并给出实验成功的环境样图；第四，实验步骤环环相扣，存在一定的关联性。整个实验过程类似游戏的闯关式学习，激励学生不断前进；第五，实验末尾设置挑战题目，要求检查回顾，举一反三，用学到的方法和技巧解决类似的问题。按照这种由浅入深、逐步启迪的方案设置实验指导内容，很大程度上提高了实验的易学性、趣味性和完课率，也能够培养学生自主探索和进取的学习能力。

4.3 客观科学的过程管理数据帮助教师实时监控和因材施教

在线实验课堂，如果缺乏教师面对面的监督和同学一起学习的氛围，一些自律性差的学生很容易成为“网课学困生”，但在蓝桥“实验楼”的“教师工作台”，教师可以观察到每位学生的学习过程数据。如图2，(a)图可以掌握每个实验的完成率，(b)图可以掌握每位学生的完成进度、实验报告数量和有效学习时间。教师凭借这些数据提醒进度落后的学生，并对他们的学习态度和课程考核做出客观的评判以杜绝“网课学困生”的诞生。此外，通过学习过程的监控数据，可以区分学困生和优等生，根据他们的能力差异对课程实验目标进行难度层次设计，将实验过程设计成阶梯层次阶段，让学生自由选择实验的阶段，这样不同水平的学生都能对所学的内容进行巩固，也能从中体会到学习和成功的乐趣，做到真正意义上的“因材施教”。从图2的(c)图和(d)图可以看出，虽然实验课程在12月23日之前已经考核评分结束，但依然有部分学生在线做实验，可见这些学生主动探究的积极性较高。

(a)学生完成实验数

(b)学生学习详情

(c)近一月在线实验用户

(d)实验报告与问答图2 过程管理数据

4.4 实验报告采用Markdown语法[5]在线撰写，提高教学过程的趣味性

用具有HTML格式的Markdown语法撰写报告可以很方便地保存实验过程中的笔记、截图及代码的完整记录。其语法简洁明了，易于掌握，所以用它来撰写实验报告是件既效率又舒服的事情，实验过程也变得非常新鲜有趣。

5 实践反馈分析

2020和2021年的秋季学期，蓝桥平台进行了《汇编语言程序设计》的实验教学，笔者对参与的学生进行了课程满意度的问卷调查。

参与问卷的有效人数105人，整体满意度的平均分是8.65分(总分10分)，其中选择满意度8分以上的有87人，占比82.86%，6分和7分的占比为13.33%。有62.86%的人喜欢“一键进入实验环境的模式”；91.43%的人喜欢“一步一步指引实验步骤的模式”；65.24%的人喜欢“用MarkDown语法撰写在线实验报告的方式”；67.62%的人认为“示例程序难度适中，不需要调整”；71.43%的人认为“自主程序设计部分难度适中”；99.05%的人认为“在做实验的过程中感到学习的理论知识得到了巩固和加深”；96.19%的人觉得“喜欢这种交互方式的实验模式”；93.33%的人觉得“实验过程中有成就感”；82.86%的人“有主动完成实验的欲望”。

在平台的问答区和评论区，学生认为这门课“很有收获”“很有感触、很好的解释”“通过实验对本章有了深刻的理解”“很有交互感、体验感强”“实验引导清晰，学习效率高”等，可以看出学生对这种实验模式具有很高的热情和兴趣。

6 存在问题

根据调研和实践，学生体会到蓝桥实验楼具有简便易学、方便易用、课程丰富和交互感强等特点。当然也存在一些问题。问题一，实验环境的保存只服务于VIP会员，如果学生在做实验的过程中被上课或其他事情打断，在限定的时间内没有延时且没能完成实验，那么实验环境就会丢失，实验就得从头开始。解决方法是学校与企业沟通谈判，达成互惠互利的协议，为老师和学生提供会员级别的服务。问题二，实验课程内容与理论课堂内容存在差异。解决方法是开课教师依据本校学生的特点和课程教学大纲，进一步探索理论课程与实验教学完美组合的方法，尝试自编在线实验课程指导书，让实验和课堂教学无缝对接。

结语

科学技术是第一生产力，人类伟大的科学发明创造，无一能离开科学实验[6]，实验课程的教育毋庸置疑能够提高学生的探究与创新能力。蓝桥实验教学平台操作简单，按“任务驱动法”设置的实验步骤，非常有助于理论知识的巩固和动手能力的提高。从连续两年秋季学期的“汇编语言程序设计”期末理论考试成绩来看，学生的理论成绩平均分和优秀率比往年都有一定程度的提升，不及格率也有所下降。事实证明，学生们通过不断的Coding和循序渐进的学习，编程能力和自主学习能力都有提升，这种以“学生为中心，教师在线监督，实践与理论相辅相成”的实验模式激发了学生的学习动力，值得提倡。