高校计算机实验室开展线上教学的实践探讨

刘文艳，沙 飞 ，杨 淼 ，翟阳阳，辛 欣 ，武 博 ，王 珂

（首都医科大学生物医学工程学院，北京 100069）

根据中国互联网络信息中心（CNNIC）2022年2月发布的第49次《中国互联网络发展状况统计报告》[1]，截至2021年12月，我国网民规模达10.32亿，互联网普及率达73.0%，城乡互联网普及率差距继续缩小，贫困地区通信难等问题得到解决。互联网覆盖率的扩展、速率的提升、网费的下降，为即时通信应用包括互联网与教育的结合创造了良好条件。“互联网+教育”这一将互联网科技与教育教学相融合的全新教育生态模式，给传统课堂教学带来了重大变革[2-3]。随着信息技术的快速发展，学生的认知模式和学习方式也在发生转变，除了传统的文本外，视频、动画、语音、虚拟现实等多模态的表征成为学生认知和学习的途径，由传统的强迫式抽象思维方式向适应数字化环境的形象思维方式转变，也应从重视“教”的技术转向重视“学”的技术[4-5]。新冠肺炎疫情暴发，教育部发布延期开学的决定，首都医科大学采取停课不停学方案，将春季学期所有课程教学调整为线上教学。经过教师一学期的授课探索和实践，在线教学基本能实现原有教学目标，学生也逐步适应了线上教学模式。在疫情得到有效控制后，我校大部分学生陆续返校，学校恢复了正常的教学秩序，但仍有部分学生无法返校，我校继续开展线上线下相结合的教学模式。本文主要探讨计算机实验室开展线上教学实践的方法和措施。

1 计算机实验室现状

1.1 基本情况

首都医科大学生物医学工程学院计算机实验室承担全校本科生、研究生及夜大生各层次计算机相关课程的实验教学工作。近几年随着学校对教学设备经费投入的加大，实验室经过改造更新，现有机房8间、台式计算机约500台、服务器若干台，支持线下教学、FTP文件上传下载、虚拟教学实训管理及自由上机预约管理等服务。通过对实验室软硬件升级和优化管理，有效保障了各门课程的顺利进行，同时也为第二课堂、毕业设计及大学生医学技术技能竞赛提供了实验环境支撑。

1.2 软硬件环境配置

面对计算机实验室设备数量多、系统软件种类复杂、使用频率高、维护量大等特点，采用高校计算机实验室普遍使用的保护方式，将保护卡安装到每台计算机上，将系统磁盘设置为每次还原模式，当电脑重启后系统会自动恢复至初始状态；在更换系统或添加应用软件时，不需要逐台操作，只要安装好一台电脑，通过保护卡的网络同传功能，即可完成自动更新，方便进行有效管理和整体维护[6-7]。考虑到通识课和专业课需要的应用软件不同，将不同版本的软件或不支持高版本操作系统的软件安装到不同操作系统中，提前做好部署，将计算机磁盘划为多个分区，分别安装不同的操作系统及应用软件，这样既能满足教学需求，又能保障系统运行正常、资源均衡及性能稳定[8]。

1.3 网络布局划分

计算机间的网络连接状态是决定计算机线上线下教学能否顺利进行的重要因素。实验室每个机房都配有一组网络交换机，将学生机和教师机相互连接，同时通过中心交换机，与校园主干网络连接。将实验室整体网络布局划分为内网连接和外网连接两部分，其中内网连接是指机房内部网络互联，主要用于多个机房设备维护，如进行系统同传时，将各机房网络切换到光纤交换机上，通过光纤接口及光纤电缆进行数据传输，提高网络速度及数据传输的可靠性。外网连接是指进行线上线下教学时，将各机房网络切换到二层交换机上，实现设备互联和访问互联网。

2 线上直播教学平台建设

随着网络教学需求迅猛增加和互联网技术的快速发展，各种线上教学平台纷纷出现，在线视频课堂已经成为“互联网+教育”的一种常见且频繁使用的学习方式，便利了线上教学的同时降低了学习成本，逐步形成了知识传递、师生交互、课程评测及反馈的完整数字化教育生态环境[9-11]。实验室根据在线教学需求，在教师机中安装多种线上直播教学软件，如本科生授课使用的腾讯课堂、腾讯会议及研究生使用的长江雨课堂。

腾讯会议在疫情期间向用户免费开放300人的不限时在线会议功能，教师和学生都可共享各自的屏幕，非常适合需要计算机操作演示的课程，学生也可通过聊天区向教师提问及反馈情况，缺点是教师不能随堂发布测试题，课程内容也不能回看。为解决未参加直播教学的学生需要回放观看课程这个问题，通过安装一唯科技公司的桌面录屏软件，教师授课的同时进行屏幕录制，课后将直播视频上传到网盘中，学生可自行下载，通过回看课程完成学习。

腾讯课堂是一款功能强大专门用于线上教学的专业软件。目前使用的极速版，教师界面操作简洁，可播放PPT、视频及电脑的截屏画面，学生通过教师分享的二维码进入在线课堂。教师直播时可通过简单的互动环节（如讨论、签到、测试等）提升学生专注力和学习积极性。软件自带录播功能，生成的课程回放视频，学生可自行下载，方便进行反复观看。

长江雨课堂经典版是安装在教师机PowerPoint软件中的一个插件，学生电脑无需安装，根据微信雨课堂的公众号或小程序接收课程相关信息。直播时学生可通过弹幕来提问，教师也可发布限时测试题，及时了解学生上课状态和学习效果。课程结束后自动生成回放视频，学生可观看课程回放随时学习。

为评估各种线上直播教学平台的效果和适应性，于学期结束时，对2020级本科生开展计算机应用技术课程的问卷调查，在“你认为哪种线上直播教学平台更适合线上教学？（单选题）”的调查中，57.44%的学生认为腾讯会议更适合线上教学（见表1）。

表1 线上直播教学平台适用性的调查结果（n=585）Table 1 Investigation results of the applicability of online live teaching platform（n=585）

3 虚拟实验平台搭建

计算机类课程与其他课程相比，更加注重学生在计算机上的实训操作。根据疫情下学生电脑能否访问机房服务器的不同情况，搭建了两种虚拟实验平台，协助学生登录机房服务器或在本地计算机上搭建环境开展线上实训操作。

3.1 基于OpenStack架构的教学实验平台

针对能在校园内访问机房服务器的学生，搭建了一套基于OpenStack架构的教学实验平台。OpenStack是目前最热门的开源项目，是一个可以控制整个数据中心的计算、网络和存储资源的分布式云操作系统[12]。OpenStack由多个组件构成，其中的核心组件有Nova（计算服务）负责管理云实例的计算资源及生命周期；Neutron（网络服务）负责管理虚拟机间网络通信；Keystone（认证服务）提供用户的身份和身份验证；Horizon（UI服务）提供一个Web前端的图形管理界面，对云环境进行管理；Glance（镜像服务）存储计算镜像库，所有计算实例都从镜像启动。

根据不同课程，制作多个不同操作系统和不同应用软件组合的镜像文件，利用这些镜像文件在云平台上创建多个虚拟机，可启动一个或多个虚拟机的实例，学生只需要远程登录平台，访问相应实例，就可开展与真实环境一样的实训操作（见图1）。目前平台上开放的实训课程有Ubuntu操作系统、计算机应用技术、Python程序设计语言等，在“通过教学实验平台，可仿真出课程各章节的实验环境，通过远程Web访问方式，你愿不愿意在该平台上开展相关实验项目？（单选题）”的调查中，74.70%的学生表示愿意，25.30%的学生表示不愿意。

图1 基于OpenStack架构的教学实验平台Figure 1 Teaching experiment platform based on OpenStack architecture

基于OpenStack架构的教学实验平台可支持教学各环节的开展及满足师生个性化的需求，逐步从被动式学习向线上自主式学习转化，提高了学习的灵活性和学习效率。

3.2 基于VMware的虚拟实验平台

通常情况下学生都是到机房进行线下实训操作，也可选择登录机房通过基于OpenStack架构的教学实验平台进行自主学习，这些实验环境都是提前统一安装好的，但由于属于校园网内部环境，不能返校的学生无法正常访问。针对这一部分学生，需要其根据课程要求，在自己的本地计算机中搭建实验环境，而对一些刚接触计算机或实际操作水平不高的学生，安装系统软件既费时又会碰到各种问题，很难独立完成或搭建与教材匹配的实验环境。在“你认为线上教学不可以替代线下教学的原因有哪些？（多选题）”的调查中，61.02%的学生认为软件安装有困难，72.38%的学生认为软件安装不统一（见表2）。为解决这个问题，利用虚拟化技术及目前主流的虚拟化技术厂家VMware公司开发的软件VMware Workstation Player 16搭建虚拟实验平台[13]。在平台中安装操作系统、应用程序，最后使用平台自带的迁移功能，将虚拟环境的镜像文件上传至百度网盘，学生只需在自己的计算机中下载这个文件，利用VMware Workstation Player的加载功能打开这个文件，就可以还原真实教学场景，不需要逐一安装多个应用软件，操作简单便捷。同时，录制并撰写相关的安装操作视频及文档，能更好地帮助学生完成实验环境的搭建。届时通过直播，学生可在线无风险地进行同步实训操作。通过搭建实验环境，锻炼了学生的动手实践能力，也有助于培养其独立思考能力、发现及解决问题能力，对其今后运用信息技术辅助解决专业问题大有裨益。

表2 线上无法代替线下教学原因调查结果（n=449）Table 2 Investigation results of the reasons why online teaching cannot replace offline teaching（n=449）

3.3 远程协助

当学生遇到实验环境搭建或计算机系统软件运行不正常等问题，我们也会协助解决。根据学生描述的现象及问题，做出分析，并通过QQ软件，告知具体解决的方法。若学生仍不能解决，将开启QQ远程协助功能控制学生电脑桌面，手把手地演示具体操作步骤，帮助其排除故障，顺利开展实验。

4 线上教学的优势与不足

疫情期间线上教学解决了部分学生无法返校参与课程教学的问题，计算机类课程开展线上教学较其他课程更容易实现。由于计算机设备的普及，大部分学生都会配备一台电脑，并预装好操作系统，如Windows 10及常用的办公软件（如Office 2016系列），这两个软件与我校本科生必修课程计算机应用技术的教学内容相符。另外，计算机类课程内容也有很多是介绍开源软件，如Linux操作系统、R语言、Dec C++、Python等，这些软件学生都可通过相应官网自行下载安装，便于实验环境的搭建。通过学生反馈，线上教学模式较为轻松自由，可反复回看课程教学视频，时间也更加灵活，能有效调动学生学习主动性。

线上教学模式仍存在一些不足，如授课过程受网络环境的影响较大，直播教学有时不够流畅甚至会被迫中断；线上教学时师生不能面对面互动，教师不能及时看到学生的操作过程和结果，无法精准了解授课效果；虽通过机房搭建的虚拟实验平台在很大程度上帮助了学生完成实训操作，但学生对平台的使用需要前期花一些时间去熟悉等。

5 总结与探讨

计算机实验室充分利用现有资源和信息技术优势开展了线上教学，具体工作流程见图2。教师在计算机实验室通过线上直播教学平台进行授课，学生根据能否访问机房服务器情况，登录相关平台或在本地虚拟环境中进行实训操作。针对学生在环境搭建及计算机软件安装中遇到的问题，通过远程协助给予针对性指导，有效解决了疫情期间教学和实训问题，较好地保证了相关课程的正常开展和教育教学质量。

图2 计算机实验室线上教学工作流程Figure 2 Online teaching workflow of computer lab

在“互联网+教育”背景下，利用科技推动教学发展，将信息技术与教育教学深度融合才能促进教学效果的不断提升。实验室在线上教学方面应积极探索虚拟桌面及云端技术二者的结合，消除教与学的壁垒，提升教育资源的利用率[14-15]。不仅可实现线下教学场景还原，还可增强师生间的互动。同时，教师发现学生求助后，可及时连麦并进入学生电脑桌面进行一对一的指导等。

总之，我们将进一步探讨如何更好地完善线上教学与线下教学相互补充、相互促进的教学模式，发挥线上线下各自优势，促进教学相长，这也是高校教学发展特别是实验室建设需要长期研究的课题。