實驗云：理論教學與實驗教學深度融合的助推器

胡翠云　朱志　孫磊

[摘 要]實驗教學作為高等教育教學的重要組成部分，普遍存在資源分配不均、更新慢、共享程度低、教學質量低等問題。云計算憑借高共享性、高可靠性、高安全性和低能耗性等優勢，在國內外教育領域被廣泛應用，現已已成為國家教育發展的戰略方向。論文在分析實驗教學現實困境的基礎上，指出實驗云突破困境的獨特優勢，構建包括實驗云建設模式、實驗教學組織模式、實驗教學管理和保障模式在內的基于實驗云的教學模式，促進理論教學與實驗教學的深度融合，提高學生創新能力，深化教學改革。

[關鍵詞]實驗云；云計算；實驗教學；教學模式

[中圖分類號] G64 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2016）09-0157-03

一、引言

實驗教學是高等教育教學的重要組成部分，是培養學生動手能力和創新能力的重要途徑。具有實踐性、工程性、實用性等特征的計算機專業對實驗教學提出了更高的要求：理論與實踐深度融合。然而，由于硬件建設、教育理念和教學組織等方面的局限，目前很多高校在實驗教學中存在大量的現實問題，嚴重影響了教學質量和人才培養質量的提高。[1]

云計算以共享性、高可靠性、高安全性和低能耗性等優勢，在國內外教育領域受到廣泛關注，成為我國教育發展的戰略方向。實驗云則是云計算技術在實驗教學中的高級運用，是借助云桌面技術對實驗資源進行虛擬化處理，形成虛擬資源池，根據教學需求進行組合，形成不同規格的虛擬機，最終以服務的方式為學生、教師提供遠程虛擬實驗室，為實驗教學提供靈活、便利的技術支持。[2]目前，國內外各大高校和企業都在積極研究和建設實驗云的教學平臺，并不斷投入使用。[2] [3] [4]然而，目前的研究基本上都是從計算機技術的角度出發，研究云計算平臺建設的原則、技術方案和技術手段，大多局限在個別課程的研究，缺乏對云計算環境下實驗教學模式整體、系統的研究，無法解決實驗教學中的大量現實問題，與迅猛發展的云計算實驗教學平臺建設形成強烈的反差。

為此，論文研究并構建了基于實驗云的實驗教學模式，以期從理論上為云計算環境下高校實驗教學環境的建設、管理和保障提供指導，并從實踐操作上為云計算環境下高校實驗教學的實施提供指南，推動云計算技術在高等院校實驗教學中的應用，提高人才培養質量、深化實驗教學改革。

二、實驗教學的現實困境分析

（一）實驗基礎設施的建設和使用困境

目前，大部分高等院校的實驗室還主要依靠各學院和專業進行建設，其最大的困境就是實驗資源有限與利用率低共存的矛盾。一方面，一些基礎性實驗課，如計算機基礎實驗課，往往需要在相對集中的時間內為大量學生安排實驗，但由于實驗室資源有限，無法有效滿足短時間里的大量需求。[5]另一方面，一些專業比較強的實驗室由于其軟件環境配置的不同，往往由各學院或專業獨立進行建設，此類實驗課程不多，但實驗資源由于其配置的專用性，導致無法共享，造成各院系“資源孤島”現象廣泛存在。同時，多數院校采用先理論講授、后實驗驗證的教學模式，造成實驗課往往集中在學期中后期進行，學期后期更是實驗課的高峰，這突顯了實驗資源數量不足和利用率不高的問題。

此外，實驗設備落后是高等院校實驗基礎設施建設的另一個主要困境。計算機軟硬件技術發展迅猛，高等院校由于資金問題決定了實驗資源的更新周期比較長，這導致實驗基礎設施往往技術落后、性能不高，嚴重影響了學生的實驗體驗，制約了教師跟蹤新技術并基于此開展實驗課程，從而阻礙了教學質量的提高。因此，受實驗資源更新周期的限制，高等教育的實驗內容難以做到“與時俱進”。

（二）實驗基礎設施的管理與維護困境

高校實驗室的計算機往往使用系統還原軟件，在電腦重啟后，刪除所有的操作信息和數據，便于下次教學使用。這種管理方法可以有效簡化實驗基礎設施的管理，降低計算機因為感染病毒而癱瘓的情況，但會導致學生的練習與作業無法保存，尤其是計算機因軟件故障重啟，會清空學生所做的實驗，嚴重打擊學生的積極性。

此外，網絡對拷技術，如“增霸卡”等，雖然可以對機房軟件進行更新和維護，但由于實驗室教學任務較多且十分集中，將占用幾乎全部的白天時間和部分晚上時間，這迫使實驗室管理人員只能利用少數晚上和周末時間，通過加班加點來維護系統。而且由于管理員有限，一個管理員往往需要同時負責幾個實驗室，造成管理員維護任務重、工作壓力大、維護效果不佳。同時，由于實驗設備使用頻率高、人流量大，造成電腦硬件故障率較高，而硬件的維修周期較長，這大大降低了實驗室的有效使用率。[6]

（三）實驗教學課程內容設計與教學組織困境

實驗教學在課程內容設計上的主要困境就是實驗課時有限和實驗內容陳舊。由前面的分析可知，一方面，由于實驗資源有限，在教學過程中教師重理論、輕實驗，重講授、輕操作的現象嚴重，于是課時偏少、實驗內容不足是實驗教學在課程內容設計上面臨的主要困境之一。另一方面，由于實驗設備的更新周期長，實驗設備陳舊導致實驗內容陳舊，而且多數實驗課程是驗證性或模仿性的，創新性和設計性嚴重不足。

在教學組織上，實驗課往往安排在固定的時間、固定的地點，這不利于發揮學生的積極性和主動性。此外，實驗教學課程缺少科學、規范的評價體系，這是教學組織模式面臨的另一困境。目前的實驗教學評價主要是依據學生對實驗系統的演示以及在課程結束后所提交的實驗報告，但系統演示、報告抄襲嚴重。教師無法對學生的實驗過程進行監控，無法在整體上了解學生對相關知識的掌握和運用情況，從而無法根據教學過程的及時反饋對教學內容進行實時調整。

三、基于實驗云的實驗教學模式構建

根據實驗教學的理論分析和實踐需要，基于實驗云的實驗教學模式包括建設模式、組織模式、管理和保障模式三個子模式。

（一）基于實驗云的實驗教學建設模式

多數高校已經建設了基本的網絡基礎設施，包括校園網、校園WIFI，甚至教學專用網。根據節省教學投資的原則，實驗云建設應該盡量利用各高校現有的計算機或網絡基礎設施，盡量減少新硬件設備的采辦投入。依據共有云、私有云和混合云三種常見的云計算部署模式，結合高校實際情況和實驗課程的需求，實驗云的建設模式可以分為：基于公有云、私有云和混合云的實驗教學環境。1.基于公有云的實驗教學環境。針對一些經費有限的高校，基礎的、通用的課程，如計算機基礎、計算機網絡、面向對象程序設計等，實驗教學任務重，虛擬實驗機需求量大。此類課程實驗教學環境可以采用公有云的模式，租用企業或其他大型高校的云服務器，從而有效降低建設成本，提升教學效益。2.基于私有云的實驗教學環境。針對一些專業課程，尤其是研究生類課程，由于此類課程多源于教師的研究課題，出于保護知識產權的目的，教師往往不愿將相關資料隨意放置到互聯網上。針對該類課程，院校可以購置新的服務器、重建局域網，建設基于私有云的實驗教學環境。此外，針對一些資金充足的高等院校也可以構建應用于本校實驗教學的私有云。3.基于混合云的實驗教學環境。基于混合云的實驗教學環境是指高校針對一些基礎類、沒有保密要求的課程采用公有云的形式；而對一些具有保密要求的專業實驗課采用私有云的模式，這是上述兩種云教學環境的綜合運用。

（二）基于實驗云的實驗教學組織模式

按照教師主導、學生主體的實驗教學思路，充分利用云計算技術帶來的靈活性和便利性，基于實驗云的實驗教學組織模式可分為：集中式實驗教學模式、課堂式實驗教學模式和開放式實驗教學模式。

1.集中式實驗教學模式：類似于傳統的實驗室，建設云終端實驗室，有固定的場所，集中時間組織學生進行相關的實驗教學。與傳統實驗室不同的是：云終端實驗室中存放的是云終端，機器性能要求比較低，而且學生可以通過任一云終端與云端的專屬實驗機進行連接。此外，教師通過實驗平臺管理系統可以實時監控學生的實驗過程：一方面，教師可以實時發現學生在實驗中出現的問題或錯誤，從而實現針對性的指導；另一方面，教師可以實現對學生的實時監督，防止學生不按教學要求進行學習，如玩游戲等，從而提高教學質量。

2.課堂式實驗教學模式：傳統教學往往采用先理論講授、后實驗教學的模式，這造成了理論教學與實驗教學的嚴重脫節。基于實驗云的實驗教學環境允許教師在課堂上登錄虛擬實驗室，根據理論講解的需要隨時進行實驗演示，以加深學生對理論的理解。此外，學生在課堂上還可以利用自己的筆記本電腦通過校園WIFI連接虛擬實驗室，進行實驗操作。在這種情況下，教師可以實現理論講授與實驗體驗的有機結合。如在第一節課進行理論講授，第二節課讓學生通過電腦進行相關的實驗體驗和操作，真正實現理論教學與實驗教學的相輔相成，互相促進。這不僅可以通過實驗體驗加深學生對理論的理解，還可以提高學生的學習積極性，提高教學質量。

3.開放式實驗教學模式：傳統實驗教學的突出問題之一就是實驗室在固定的時間、固定的地點開放，不利于學生利用課余時間進行學習。實驗云實現了全天候、全地域開放，學生可以不受場所和時間的限制，隨時隨地訪問虛擬實驗室。為了充分發揮學生的積極性，滿足不同層次學生的學習需求，教師可以設置必做和選做的實驗。這樣一些能力強的學生，可以利用課余時間，使用個人電腦連接云端實驗機進行實驗，并通過選做更精深的復雜實驗進一步提高實踐動手能力。

（三）基于實驗云的實驗教學管理和保障模式

基于實驗云的實驗教學管理和保障模式主要是基于角色進行分工，各盡其職，其角色主要包括管理員、技術維護人員、教師和學生。1.管理員：主要負責實驗教學的日常管理。實驗云作為一個新生事物，其技術要求比較高，很多教師，尤其是一些老教師，可能對實驗云下實驗教學的組織、實驗教學內容的設置以及教學平臺的使用不是很熟練，需要管理員人員進行相關指導和對一些簡單的問題進行解答。2.技術維護人員：與傳統的每個實驗室都有幾百個計算機不同，基于云計算的實驗環境只需要維護云端的服務器。技術維護人員主要負責基于云計算的實驗教學平臺的技術維護，這包括主要軟件的升級以及一些技術問題等。3.教師：主要是基于實驗管理平臺設置實驗內容，通過云監控平臺對學生實驗過程進行監控，以及對學生實驗效果進行評價等。4.學生：主要是基于為其提供的專人專用虛擬實驗機完成相應的實驗內容，同時可以通過網上渠道實時與教師進行溝通。

四、總結

云計算技術為突破當前實驗教學困境提供了科學的途徑。與傳統模式相比，實驗云可以有效降低成本、簡化管理維護，基于實驗云進行實驗教學可以更加靈活開放，這弱化了實驗室和教室的差異，深度推進了理論教學與實驗教學的融合，實現了理論教學與實驗教學的交叉、同步進行，為提高教學質量、深化教學改革打下了良好基礎。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 曾明星，王曉波，周清平，郭鑫.基于云計算的軟件工程專業校企合作實訓平臺構建研究[J].現代教育技術，2013（1）：107-112.

[2] 陸洪毅，唐玉華，肖儂.計機硬件綜合“實驗云”[J].計算機教育，2014（5）：36-38.

[3] 王軍鋒，張亞斌.云計算環境中的“四學”遠程開放教學模式的建構[J].中國電化教育，2012（11）：54-61.

[4] Jose A.Gonzalez-Martínez，Miguel L.Bote-Lorenzo，Eduardo Gomez-Sanchez，Rafael Cano-Parra.Cloud computing and education：A state-of-the-art survey[J].Computers & Education.2015（80）：132-151.

[5] Alexey Dukhanov，Maria Karpova，Klavdiya Bochenina.Design Virtual Learning Labs for Courses in Computational Science with use of Cloud Computing[J].Procedia Computer Science，2014（29）：2472-2482.

[6] 孫韓林，王忠民.基于云平臺的計算機實踐教學系統研究[J].計算機教育，2015（13）：67-71.

[7] 陳益全.基于桌面云的計算機基礎實驗室建設模式研究[J].蘭州教育學院學報，2015（6）：104-105.

[責任編輯：陳 明]