MapGIS綜合云教學平臺的構建和實現

龔文芳， 王 宏， 綦 廣， 簡碧園

(1. 中國地質大學(武漢) 自動化學院 信息技術教學實驗中心， 湖北 武漢 430074；2. 廣州科技職業技術學院， 廣東 廣州 510080)

在當前高等教育的改革大潮中，MOOCs教學[1]、反轉課堂[2]等新型教學方式受到人們的青睞，成為目前研究的熱點。利用在線學習系統和互聯網、物聯網、虛擬現實等技術，可提高教學信息化水平，改善預習、討論、復習、測驗等學習環境，成為推動教學改革的有效手段之一，而計算機實驗室在教學中的地位也不斷提高。但實驗室中計算機配置不統一，軟件安裝、維護任務重，原有的機房管理模式和技術已經無法適應教學改革的要求。實踐表明，采用桌面云技術是提高機房效率的有效方法，特別是在整合現有教學資源、提高資源共享度、加強教學互動等方面具有明顯優勢[3-4]。本文結合GIS課程教學改革，闡述了云計算背景下云學習平臺的構建和實現過程。

1 構建MapGIS綜合云教學平臺的意義

MapGIS是一個專業化地質制圖軟件，是測繪工程、遙感科學與技術、地理信息科學、地球信息科學與技術等專業學生必修的核心課程內容。中國地質大學(武漢)資源學院、地球物理與空間信息學院、信息工程學院、經濟管理學院以及工程學院的多個專業都開設了MapGIS的相關課程。這些課程組成一個集MapGIS理論和應用，涉及多個專業和方向的多角度、立體式的培養體系。MapGIS課程體系包括理論教學和實踐教學兩部分、30多門課程，涵蓋理論教學、實驗教學、專業訓練、能力培養4個層次[5-7](見圖1、圖2)。

目前，中國地質大學(武漢)有2個MapGIS專業機房，多個面向全校的公共計算機房也安裝了MapGIS軟件。雖然機房設備在規模和數量上滿足了教學和科研的需要，但MapGIS實驗教學問題亟待解決。問題主要表現在:

(1) MapGIS教學分屬不同學院、不同專業，分別在各學院獨立進行，缺乏交流和溝通的機制和平臺，不利于MapGIS課程的教學和課程體系的發展；

圖1 MapGIS理論教學課程體系

圖2 實踐教學課程體系

(2) 信息工程學院已經提出實訓教學方案，但整合現有的MapGIS實驗設備和師資力量尚缺乏一個跨專業、跨院系的交流平臺；

(3) MapGIS是本校中地公司開發的軟件，軟件使用者(例如土地資源管理、遙感科學與技術、測繪工程、資源環境與城鄉規劃管理等專業)迫切需要了解MapGIS的未來發展、獲得更多的技術支持。

因此，構建一個校級MapGIS在線云學習平臺，兼顧教學、科研，為全校多個院系的師生服務，促進MapGIS相關學科群的深入發展，是一非常有意義的工作[8-9]。

2 MapGIS綜合云教學平臺的構建

我校現建有2個桌面云機房，每個機房設有100個終端。這些設備滿足了相關專業MapGIS課程的教學需要，也為MapGIS科研開發、教學交流、資源共享等深層次需求提供了可能。但是，由于缺乏基于服務器虛擬化技術的相關軟件，桌面云技術在教學中的優勢沒有得到充分發揮，而開發MapGIS綜合云學習平臺是改善這一現狀的重要舉措之一。

有鑒于此，我校結合在線學習平臺的技術特點和教學需要，整合現有MapGIS課程體系的理論和實驗內容，強化師生互動交流，以服務教師教學方法改革和學生自主學習為目標，構建了一個有機的在線學習系統，具體實現的平臺功能如圖3所示。

圖3 在線云學習平臺功能

該綜合云教學平臺具有以下特點和優勢。

(1) 整合了已有的課程內容，構建不同專業方向的云桌面系統。目前中心有15個公共計算機房，都開設了MapGIS課程，并將眾多的課程內容整合起來，根據專業分類和課程要求，形成了面向測繪工程、遙感科學與技術、地理信息科學、地球信息科學與技術等不同專業的MapGIS課程內容。

(2) 滿足學生個性化學習需求，構建了個性化的MapGIS學習模板。系統為學生提供了一個標準模板并安裝了必要的軟件，允許學生自由安裝程序、配置軟件，形成個性化系統。系統再收集和整理這些模板，形成多個有代表性的桌面系統供學生使用。

(3) 通過虛擬桌面技術，合理規劃和調度服務器的資源，構建了一個兼顧本科教學和教師科研的MapGIS云桌面系統。教師的科研往往需要集中使用服務器的資源和優先分配相關資源。利用虛擬桌面的技術優勢，建立了兼顧教學和科研的統一平臺。

(4) 實現了遠程登錄的認證和管理。虛擬桌面具有遠程登錄、自動認證等技術，基于這一技術，可以為學生和教師提供電子書包、移動備課、移動學習等功能，為MOOC課程的實施和學生交流提供平臺。

3 MapGIS在線云學習平臺功能的實現

3.1 資源共享，數據統一管理，提高資源利用率

采用桌面云技術，改變了傳統分布式機房管理模式，將操作系統和應用軟件安裝在4臺服務器中，所有運算都由服務器集中完成，從而實現桌面環境的集成管理。教師和學生可以使用云終端、客戶機、傳統PC或筆記本電腦等設備訪問虛擬機，方便資源共享。此外，系統管理員根據教學和科研的需求，面向師生分配不同的虛擬機，動態分配教學資源，提高了資源的利用率[10]。

3.2 有效控制教學環節，促進師生互動交流

在線平臺通過微信、論壇、郵件和即時通信等多種方式，為師生課上、課下的動態交流提供了友好環境。搭建的平臺強化了師生之間互動，方便了教師開展課前預習、課后答疑等教學活動；學生在自主學習、課外活動中也可以借助平臺資源和討論組及時獲得輔導和幫助，提高學習效率。實踐證明，這一平臺在課程實習和課外活動中具有明顯優勢。

3.3 采用資源優化技術，彈性調度軟、硬件資源

桌面云是符合云計算的一種服務模式，可以使用戶按需要定制桌面環境，集中化管理所有桌面，通過客戶端訪問自己的桌面環境，并且采用多項技術提高服務器中軟、硬件使用效率。其中負載均衡、動態遷移和彈性升級技術保證了硬件資源合理調度使用，而系統的集中化管理、自動排課以及應用虛擬化技術滿足了不同場景的需求，提高了設備的使用率[11]。具體而言，可以利用云平臺技術構建桌面云實驗平臺，即教育桌面云E-VDI，全面整合課表和云端環境，實現桌面云智能化啟動和關閉，實現不同的課程啟動不同桌面，滿足實驗課的差異化需求。當系統因為軟件升級、更新，或當硬件配置無法滿足需求時，可彈性分配資源(如彈性升級內存、CPU等)而無需更換終端硬件。

此外，利用動態遷移功能可手動或自動將虛擬機遷移到其他服務器，系統可自動平衡各服務器利用率，在保證業務流暢的同時最大化利用硬件資源[12-13]。

3.4 采用無線互聯網技術，提高資源獲取效率

基于無線互聯網技術的桌面云系統兼容多種終端設備。學生可隨時隨地獲得教學資源，使得MOOC、反轉課堂等新型教學形式得以應用。為了適應這些新型教學方式，構建了MapGIS專業課程綜合學習平臺和MapGIS專業課程體系(見圖4)。結合專業的發展，我們整合和優化了MapGIS教學內容，并根據內容的內在聯系，把教學內容分成從基礎到應用的6個層次，每個層次確立了核心課程，明確每門課程培養目標、教學方法和教學重點、難點，注重課程之間的銜接，去除冗余內容，形成科學體系。

圖4 MapGIS專業課程體系

為了服務MOOC、反轉課堂的需求，注重實現教學形式多樣化。每門課程提供視頻教案、動畫、預習輔導、參考資料等教學資源。

地理信息系統(GIS)是一個實踐性很強的學科，MapGIS綜合云教學平臺的構建在強化實習的預習、輔導以及管理方面有明顯效果。通過優化實習內容，綜合規劃了實驗、實習、實訓教學環節，充分發揮平臺的優勢，綜合6個層次的教學內容形成2個綜合實訓實驗，構建了一個包括校內實驗，校外實習、實訓的立體式實驗基地。

3.5 多樣化內容體系，滿足多種教學環節和活動需求

MapGIS綜合云教學平臺包括教師教學資源、實驗資源、學生課外活動資源、創業資源、教育資源監控和分析模塊等多層次、立體式的教學資源資料庫，適應了現代教學發展。資料庫具有4個主要功能。

(1) 為教學互動、資源共享，提供一個信息發布和交流的行業門戶。

(2) 自主學習是平臺的主要功能。平臺支持自主學習或者“反轉課堂”教學方式。教學內容主要是課程的“微課”資源、課件等，它包括視頻、動畫、PPT等教學資源。學生登錄自主學習模塊后，可以自由檢索和下載學習資源，自主安排學習時間，完成在線學習或反轉課堂學習。

(3) 進行教學評價和教學互動。平臺分成網上作業系統和網上考試系統，兩者都基于云計算技術。用戶可以通過云平臺、客戶端來設定自己的作業和系統功能。圖5、圖6顯示了作業模塊和考試模塊的詳細內容。

圖5 考試系統

圖6 作業系統

(4) 協助交流功能。通過平臺，學院與學院、學院與企業、教師與教師、教師與學生之間可進行零距離交流，促進了知識的傳播與創新，促進了資源共享。這些交流主要包括教學科研、課堂教學、學生活動等。通過這個協作互動平臺，可以建立功能強大的內容與信息發布管理，為教學互動、數據共享提供一個門戶。

4 結語

經過3個學期的運行，MapGIS綜合云教學平臺已面向多個學院開放，提高了資源的利用率，減少了數據冗余且運行穩定和流暢，滿足了不同使用者的需要，給使用者創造了一個平靜舒適的在線學習環境。無論是公共機房的使用者，還是MapGIS專業的學習者，都對虛擬桌面的教學效果表示滿意。由于虛擬桌面可以進行統一的部署、維護和升級，減少了軟硬件維護和管理的時間與成本，從而大大提升了IT運行與維護效率。從服務教學的角度來看，這種機房在綜合服務教學上能滿足學生自主學習和交流互動的需求，滿足反轉課堂的教學需要，能夠將有效整合的優質教學資源方便、快捷地提供給用戶。

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