“云平台＋服务”的实践教学体系研究与应用

余宇峰， 张云飞， 邓劲柏， 刘颜君， 余 霖

（河海大学计算机与软件学院，南京 210098）

0 引 言

近年来，云计算、移动互联网等信息技术的快速发展，高校实验教学面临教学资源共享、实践教学服务能力提升等挑战［1-2］。云计算技术资源的虚拟化、动态配置、负载均衡能力不仅能完美契合高校计算机专业实践教学的应用需求［3-5］；还能有效激发学生学习兴趣，提升高校学生的创新与实践能力，推动教学实践体系改革，在高校实验教学中有着显著优势和广泛的应用前景［6-9］。

本文在总结多年计算机专业实践教学案例的基础上，探索“云平台＋服务”的实践教学模式，构建将实验（践）教学、学科竞赛和创新创业（“三位”）统一于实践教学云平台（“一体”）的实践教学体系，为新形势下高校开放实验室教学模式和实践教学体系优化、改革与创新提供新的思路和应用支撑。

1 “云平台＋服务”的虚拟实践教学模式

计算机学院实验中心承担着全校本科专业计算机基础实验教学、信息学科本科专业实践实训教学、学科竞赛组织和指导、创新创业指导等任务。由于学校跨校区办学，开放式实践和自主学习需求对高校实验教学软硬件资源和实验教学环境配置提出新的挑战。结合科研和行业前沿，以大数据课程实践教学为例，探索云环境下虚拟实践教学体系改革和应用方向，为计算机专业培养方案提供实践内容选择。

图1 “云平台＋服务”模式的实践教学模式

（1）实践教学模式探索。探索“云平台＋服务”实践教学模式，采用虚拟化技术和资源共享策略，实现软硬件资源的高效整合、动态调配和集约化管理，解决传统实践教学模式下的资源浪费、服务能力不足等问题，并提供个性化实践服务，最大限度地激发学生的学习兴趣和创新创业精神。

（2）实践教学内容设计。以计算机专业实践教学特点和学校人才培养目标为基础，结合计算机行业和科研发展前沿，设计实验（践）教学、学科竞赛和创新创业“三位一体”的实验教学体系，设计满足学生发展和行业应用需求的实践内容，培养具有自主学习、发现-分析-解决问题、创新创业技能的IT人才。

（3）实验教学云平台构建。借助大数据、云计算和虚拟化技术，构建实验教学云平台，整合理论与实验、实训教学资源，动态、快捷提供虚拟实践教学环境，按需向师生提供IaaS（基础设施即服务）、PaaS（平台即服务）或SaaS（软件即服务）服务，实现教学资源共享、自主化学习和实践教学全过程管理、挖掘和分析；为实验教学管理与服务、实验中心建设与辐射提供技术基础。

2 “云平台＋服务”的实践教学体系构建

2.1 “云平台＋服务”的虚拟实验教学架构

云计算［4］（cloud computing）是分布式并行计算的产物，旨在通过网络将复杂的计算任务分解成若干小任务分派给多计算实体组成的系统进行处理和分析，从而整合成具有强大网络服务系统。将云计算技术引入高校实践、实训教学任务，形成“云平台＋服务”［10-12］的计算机实践教学模式：将实践所需的硬件、软件、教案、配套文档等资源虚拟化为服务，按不同实践任务发布成不同的应用服务供学生调用，不仅能有效缓解实验平台设备陈旧、新技术和新系统更新不及时、教学资源共享性差、实践实训教学体系不完整等问题，还能满足学生实践、学科竞赛、创新创业等多层次实践需求，提升学生的自主学习兴趣与能力。

（1）资源虚拟化。基于CloudStack 等开放、易集成的云计算基础架构，采用虚拟化技术［5，8，11］将服务器集群的计算资源、存储资源等硬件资源池化；借助云计算管理软件实现各资源池中的计算节点、存储节点和网络节点间的协同工作、动态配置与拓展，保证系统高可用性与安全性，有效缓解设备和技术更新不及时、教学资源访问和分配受限等问题。

（2）虚拟实验平台。统一管理资源虚拟化平台采用虚拟化技术构建的资源池，将实践教学环境虚拟化配置至云端［13-15］，实现实践教学所需硬件资源、软件编程环境及案例资源的动态配置和部署，为学生提供实践资源管理和实践实训、学科竞赛和创业等不同层次的实践仿真、项目实训、竞赛和创业服务。

（3）应用服务平台。以系统门户的形式提供教学环境、教学案例、实验工具、教学视频等教学资源申请服务和开放实验室预约、虚拟实践实训、创业模拟、实践过程管理等功能。

在基于云平台的虚拟实验教学模式，教师和学生可以利用教师机、学生机、移动终端在计算机机房、实验室、办公室和宿舍甚至校园任意一个地方自由接入云平台，根据实践需求请求资源服务，由云平台负责按需配置供给，“云平台＋服务”的虚拟实验教学模式如图2 所示。

图2 “云平台＋服务”虚拟实验教学体系

2.2 “云平台＋服务”下实践教学组织

实验教学的核心目标是培养学生实践动手能力和创新能力，以达到提升人才培养质量的终极目标；实验教学必须贯彻以目标为导向，探索并优化自主式学习、探究式学习、虚实结合等实验教学组织形式，促使学生随时参与实验进行交流探究活动，提升实践学习的积极性和创造性，为教学方法和理论创新提供实践支撑，实践教学组织形式如图3 所示。

图3 实践教学组织优化策略

（1）“自主式”教学。基于需求和问题牵引，采用研究性、教师教授＋学生自主探索结合的实践教学方法，以学生主动学习和发现解决实际应用问题为目标，学生在指导教师的指导和帮助下，主动学习、自主探索、自主完成系统解决方案，最大限度地发挥学生特长与能力，提升人才培养质量。

（2）“探究式”教学。教师实践教学指导和学生探究学习相结合，为学生的主动实验与积极参与创造条件，并通过设置不同的实验教学环节，引导学生积极思考、实验验证和交流探究，实现发现问题、探究问题、分析问题和解决问题能力的培养。

（3）“项目式”教学。以培养学生实践动手能力和创新能力为核心，融合基础理论和专业知识，采用任务需求驱动和导向的项目式教学方法，通过项目需求分析、系统设计、系统实施和评估分析等工程环节，驱动学生自主学习、知识体系建构，提升学生工程化能力和创新能力。云平台则为“项目式”教学提供实践场景，为学生学习过程中的理论联系实际、多学科知识交叉融合和技术创新提供平台服务支撑，实现理论学习、知识融合和能力培养；极大地丰富了实验教学体系，优化了实验教学资源。

3 基于云平台的大数据实践教学体系与教学内容设计

围绕“以能力培养为主体、以社会需求为导向、以职业素养为核心”的教学理念，以计算机专业实践教学特点和人才培养目标为基础，结合计算机行业和科研发展前沿，提出融实验（践）教学、学科竞赛和创新创业于云平台的“三位一体”实验教学体系，为计算机各专业培养方案提供实验内容选择。

3.1 三位一体的实践教学体系

为实现提高学生自主学习能力和创新创业能力的教学目标，构建将实验（践）教学、学科竞赛和创新创业“三位”统一于实践教学云平台（“一体”）的实践教学体系。在平台上配置不同层次的基础性课程实践（验）任务、难度适中的学科竞赛任务和兼具综合性与实战型的创新训练、创业活动，通过循序渐进的实践（验）教学和实训实战，培养学生的科学思维和创新思维，实现提高学生实践动手能力、发现-分析-解决问题能力和实践创新能力的教学目标。

（1）实践（验）教学。紧扣新工科课程体系改革要求，调整优化实践教学内容和教学环境。强化程序语言设计、数据结构等基础课程的系统性、连续性；整合软件开发环境、软件工程等多门相近或具有连续性的实践课程形成软件综合课程实践；改革学生实验（践）过程和实践结果的评价体系，激励学生实践学习过程的积极性和创造性。

（2）学科竞赛与创新训练。提供不同层次的大学生创新训练项目服务和学科竞赛服务（蓝桥杯、挑战杯、程序设计大赛、“互联网＋”创新创业大赛等），形成“以竞赛（创新）推动教学，以教学促进竞赛（创新）”机制，并动态更新学生竞赛任务的参与情况、完成情况及排名情况，提升学生的学习热情和积极性。

（3）创业。提供创业指导、创业大赛、创客空间、创业孵化等不同类型的创业项目服务指导，平台提供教师咨询论证、技术引导、企业交流、模拟实训等线上线下服务，引导和鼓励大学生通过沟通协助和交流，掌握创业规划编制、创意设计、吸引投资、市场拓展等流程，为学生创新创业提供合理化建议、业务指导和技术帮扶。

3.2 云平台下实验教学内容设计

作为计算机科学与技术专业类的专业实践课程主要内容之一，课程设计是学生掌握软件架构、大数据分析等主干课程过程与方法的主要手段，培养学生创新能力和团队协作的理想渠道。结合构思-设计-实施-运行理念（Conceive，Design，Implement，Operate，CDIO）工程化教育模型［16］，对计算机专业实践教学体系进行一系列的探索，逐步形成如图4 所示基于CDIO 的工程化课程设计教学内容。

图4 基于CDIO的工程化实践教学内容设计

（1）1 个理念。树立思政引领、基础理论与工程化能力并举的教学理念，将工程化素养融进实践教学，构建融理论基础、软件开发技能、工程化素养为一体的培养体系，培养IT 职业能力全面均衡发展、适应现代软件产业需求的IT人才。

（2）2 个阶段。以工程素养培养为主线，将教学内容划分为线下设计和线上实战两个阶段；线下设计以校内教师指导通过实战项目为导引，以开发小组为单位完成数据库、软件开发环境、软件工程等多个实习大作业，实现学生工程能力和职业素质的培养；线上实战基于“教育部-华为智能基座”工程，请具有行业实战经验的IT行业系统分析师、系统构架师进行实践指导和技术交流，并基于华为云开发环境，让学生沉浸式体验企业研发环境和氛围，提升学生的工程化能力和职业素养。

（3）3 项保障。通过工程化教学方法改革、教学质量评估体系重构和同步业界实验环境，保障工程化教学的顺利开展。改革教学方法，加强工程实践环节在实践教学内容比重，强化学生独立思考分析问题、实践创新、团队交流协作、项目管理、文档编制等工程化能力；重构教学质量评估体系，采用团队＋个人相结合的方式进行系统完成度、团队协作参与度、文档编写情况、答辩情况作为考核指标，形成理论基础、开发技能和工程素养并重的考核方式；以工程化培养的理念指导教学实验室建设，同步业界工程化实验教学环境，为实践教学提供和业界无缝对接的基础环境服务支撑。

（4）4 个学期。针对工程化软件人才的应用需求，分别在4 个学期设置不同层次、不同要求的工程化实践教学课程，培养学生个人研发能力、设备环境适配能力、团队协作能力以及创新能力。

（5）5 个环节。结合工程化实践课程教学要求，将实践教学划分为如图5 所示环节。

图5 “三位一体”工程化实践教学培养环节

导引 以科研项目为案例进行导引和讲解，让学生明白课程设计可以做什么，激发学生学习兴趣。

需求分析 通过可行性分析和需求调研，培养学生发现问题、描述问题的能力，系统建模能力和全方位思考能力。

系统设计 通过需求调研、方案编制、系统设计、系统实施和后期维护等工作，培养学生解决问题能力、创新思维和沟通协作能力。

系统实施 通过系统重构、系统实现及模拟验收等工作，培养学生的模块分解与集成能力、交流协作与竞争能力和项目组织管理能力。

评估与反思 通过项目自评、互评等方式，培养学生的评判能力及主动学问的能力。

4 “云平台＋服务”实践教学云平台构建与应用

4.1 实践教学云平台构建

围绕计算机学科的工程实践应用能力、领域融合应用能力、科学创新能力的培养目标，结合通识、基础、创新、创业等不同层面实践实训需求，依托学校大型仪器共享平台、高性能计算平台及信息工程实验中心教学资源，研发技术先进、功能完善、配置灵活方便、共享开放、覆盖各校区的实验教学云服务平台；根据用户的不同需求方便、快捷地配置虚拟实验教学环境，为学生和教师用户随时访问、分享、管理和使用云平台提供个性化、开放式实验空间。

（1）基础实践资源服务。提供实践指导教材、电子教案等教学资源和工程实践实训和案例库等，方便学生在线学习。

（2）软件开发和测试环境服务。提供Hadoop、HDFS等分布式软件开发环境管理部署和分发服务，方便学生进行软件工程项目及大数据处理、高性能计算等虚拟实践课程在线实践模拟和仿真。

（3）科技创新和学科竞赛服务。以创新实验室和导师科研实验室为支撑，部署企业级应用开发、测试及集成实践实训环境和项目，为大学生课外自主创新和参加学科竞赛提供科技创新实践实训服务。

（4）创业创训服务。积极引进优质企业资源，引进实训环境和实训项目，推动校外企业实习计划，提供系统的教学-科研、学校-企业双结合的创新创业服务。

4.2 应用案例

python 语言是面向全校本科生的计算机基础课程，受限于实验课程时间难以统一、物理机房和实验资源有限等问题，一般采用课后实验练习的教学模式，教师对学生实验过程缺乏有效跟踪和评估，难以保证实践教学效果。“云平台＋服务”教学模式下，实践教学云平台为每个学生分配虚拟实验空间，部署python 及WPS等常用软件。学生可随时随地使用移动设备访问实践教学云平台，并根据课程进度访问教学案例资源库和课程资源库进行在线学习，自主完成实验仿真；教师可动态掌握学生的学习情况和实践完成度，并通过平台互动讨论区进行答疑和交流互动，更好地进行实践课程的教学实施。

大数据开发与处理实践是计算机专业的核心课程之一，同样由于实践资源制约，学生一般只能搭建Hadoop伪分布环境模拟多节点各司其职地完全分布式集群。“云平台＋服务”教学模式下，实践教学云平台可根据用户申请动态分配多台虚拟机配置Hadoop实验平台，实现实验环境的集中管理、自动化部署和弹性扩展，为大数据存储HDFS、大数据处理MapReduce等应用提供研究和开发平台，提升大数据开发与处理实践教学效果和学生培养质量。

5 结 语

云计算、大数据和移动互联等技术的快速兴起给教育信息化发展带来了机遇和挑战。随着高校数字化教学的不断推进，采用大数据理念和云计算技术构建实践教学云平台，提供从IaaS 到SaaS 不同层次的云服务，推动高校校区内部和高校间教学资源共享、资源获取智能化、科研等应用共享协作、教学方式个性化多样化；并有助于提升学生学习的自主性、积极性，培养学生创新能力、工程化能力和职业素养。“云平台＋服务”教学体系的建设和完善，能有效地整合实践教学软硬件资源、提升实践教学效率和人才培养质量，为新形势下高校开放实验室教学模式和实践教学体系优化、改革与创新提供新的思路和应用支撑。