淺談STEM課程網(wǎng)絡學習平臺的構(gòu)建與應用

楊瀚盛

【摘要】STEM是科學、技術(shù)、工程、數(shù)學四門學科英文首字母的縮寫，STEM課程往往涉及的知識點多，知識面廣，需要多學科知識的綜合運用，因此，STEM課程的開展并不容易。本文將根據(jù)作者在STEM課程開發(fā)與實施中的實踐經(jīng)驗，淺析如何有針對性地通過構(gòu)建網(wǎng)絡學習平臺，為學生構(gòu)建網(wǎng)絡學習環(huán)境，運用現(xiàn)代化、信息化的手段輔助教師更高效地開展STEM課程。

【關(guān)鍵詞】STEM;網(wǎng)絡學習平臺;Python;JupyterHub; Moodle

【中圖分類號】G632.4?【文獻標識碼】A

【文章編號】1992-7711（2020）24-043-02

一、平臺應用的背景

2019年，我校承擔的十三五廣州市教育科學規(guī)劃課題《基于OpenMV的AI特色STEM課程開發(fā)與實施研究》順利開題，并馬上投入到課題的研究工作中。課題中所使用的OpenMV是一套開源的、基于Python的嵌入式計算機視覺架構(gòu)，它最大的特色是在主板上提供了一個攝像頭，并封裝了大量計算機視覺算法，學生只需要用Python語言編程調(diào)用視覺庫函數(shù)，再結(jié)合一些硬件便能開發(fā)出諸如追球小車、二維碼識別器，甚至物品分揀機器人等具有人工智能特色的創(chuàng)意小制作。這些小制作對中學生而言是相當有趣且極具吸引力的，以至于我們在課堂上展示這些作品時，學生都興奮不已，無不踴躍報名參加這門校本課程。

最初，我們的設想是開發(fā)一門有趣的AI特色STEM課程，讓學生在“做中學”、“玩中學”，學生“玩著玩著”就能學會Python、人工智能、OpenMV……但是，隨著課程實施的不斷深入，這門課程卻變得越來越“看著好玩，做起好難”。我們分析主要存在兩大主因：

1.雖然Python語言被譽為一門易學的語言，但是語言的學習畢竟有難度，學生普遍覺得Python“不好玩”。但是，Python是基礎，程序設計貫穿整個課程，Python沒學好，后面 “好玩”的人工智能、OpenMV根本“玩不動”。

2.課程涉及知識點多，知識面廣，然而，校本課程每周只有一個課時，學生對知識的遺忘率高，教師每節(jié)課都必須花費大量時間用于知識溫故，課堂效率低下。

為此，我們發(fā)揮信息技術(shù)教師的優(yōu)勢，有針對性地為本STEM校本課程構(gòu)建了以JupyterHub多用戶在線Python開發(fā)環(huán)境和Moodle課程管理系統(tǒng)為基礎的網(wǎng)絡學習平臺，運用現(xiàn)代化、信息化手段解決了上述兩大難道，為課題的研究鋪平了技術(shù)上的道路。

二、操作系統(tǒng)的選擇與部署

由于學校經(jīng)費的限制，學習平臺以免費的Proxmox VE（下稱PVE）和Ubuntu系統(tǒng)為基礎進行構(gòu)建。PVE的作用有點類似于VMware的ESXi，它是一個開源的企業(yè)級虛擬化平臺，與ESXi相比，PVE是全免費的，使用也非常方便，可以用web管理虛擬機。PVE的部署更是采用了“傻瓜式”的安裝方法，只需在官網(wǎng)（www.proxmox.com）下載ISO鏡像文件，刻錄成光盤后在服務器上按提示進行安裝，如果沒有特殊要求，一直 “下一步”直至完成即可。

操作系統(tǒng)我們選用著名的Ubuntu，因為是用作服務器的，所以選擇它的Server版本。有了PVE虛擬化平臺和Ubuntu操作系統(tǒng)，接著需要在PVE上部署Ubuntu，首先網(wǎng)頁登錄PVE，通過web上傳Ubuntu鏡像文件到PVE服務器，然后點擊“創(chuàng)建虛擬機”按鈕創(chuàng)建臺虛擬機，按提示配置CPU、內(nèi)存、硬盤、網(wǎng)絡等虛擬機硬件，接著啟動虛擬機，安裝Ubuntu，因為Ubuntu是非常普及的Linux發(fā)行版，所以，它的安裝方法不再過多贅述。另外，因為我們的網(wǎng)絡學習平臺使用了2套開源軟件系統(tǒng)，為了方便管理，我們在PVE上分別創(chuàng)建2臺Ubuntu虛擬機，部署完成效果如圖一。

三、學習平臺的構(gòu)建和應用

1.JupyterHub多用戶在線Python開發(fā)環(huán)境

1.1、JupyterHub讓Python編程變得更輕松

按照官方的說法，JupyterHub其實就是Jupyter Nootbook的多用戶版本，而Jupyter Notebook 則是一個以網(wǎng)頁為基礎的交互式計算環(huán)境，可以創(chuàng)建Jupyter文檔，支持如Python、C/C++等多種語言。與傳統(tǒng)的Python IDE或者PyCharm等開發(fā)環(huán)境相比較，Jupyter支持實時代碼、可視化和 Markdown，正是因為上述3點，我們選擇使用Jupyter作為學生學習Python語言的首選學習平臺。

首先，是實時代碼與可視化，它讓學生在學習之初對語言還不熟悉時，能夠把程序進行分解，就像程序調(diào)試時單步執(zhí)行一樣，逐條語句執(zhí)行并觀察運行結(jié)果，且運行結(jié)果能即時在相應代碼下方展示。這種所見即所得的開發(fā)環(huán)境讓學習變得非常直觀、容易，每條語句的作用也一目了然，語言的學習變得更加輕松，學生的學習積極性也隨之上來，慢慢覺得原來Python也“挺好玩的”。

其次，JupyterHub允許教師在Notebook文檔中加入Markdown標記語言，而這正是Notebook的精髓。用Jupyter編寫的文檔不再是只有枯燥的代碼或者呆板的注釋，它允許教師輕松地加入圖片、注解、鏈接、指引……，當然還有代碼，讓文檔變成一個交互性很強的教學課件（見圖二）。教師只需把文檔分發(fā)給學生，學生即能按照自己的進度學習、編寫、運行代碼，實時查看結(jié)果，降低了學習難度，另外，Jupyter文檔也可以作為自主學習的材料和復習的資料，當學生對某個知識點有所遺忘時，他們可以自行查看文檔自主學習，提高了學習效率，解決了課堂效率低下的問題。

1.2構(gòu)建JupyterHub平臺

JupyterHub可以作為Python語言的開發(fā)環(huán)境，同時，它也需要Python的支持，所以，安裝JupyterHub必須先安裝Python。另外，為了方便管理Python環(huán)境，我們選擇使用Conda而非直接安裝Python，Conda 是一個為 Python 程序創(chuàng)建的、開源的軟件包管理系統(tǒng)和環(huán)境管理系統(tǒng)，使用Conda能夠更容易管理Python包和環(huán)境。另一個使用Conda的好處是JupyterHub所需要依賴的nodejs和npm均已包含在Conda中，不需要再單獨安裝。平臺構(gòu)建步驟如下：

首先，安裝Conda，進入Ubuntu虛擬機，使用wget下載conda安裝包，安裝包地址可以在官網(wǎng)找到或者使用清華源速度更快。Conda安裝包是以腳本形式發(fā)布的，下載完成后修改腳本文件權(quán)限為可執(zhí)行并使用bash安裝文件。安裝完成后把Conda路徑：export PATH="/root/anaconda3/bin：$PATH"加入. bashrc文件中并更新一下.bashrc.

接著，創(chuàng)建Python環(huán)境，JupyterHub不需要其它包的支持，安裝Python3.x即可：conda create -n JupyterHub python=3.7，完成后激活環(huán)境：conda activate JupyterHub.

最后，安裝并運行JupyterHub：

①conda install -c conda-forge jupyterhub

②conda install notebook

③也可以使用Jupyter Lab：conda install jupyterlab

④運行JupyterHub：jupyterhub[1]

2.Moodle課程管理系統(tǒng)

2.1 Moodle助力提升STEM課堂效率

Moodle是目前國內(nèi)應該最廣泛的免費開源在線課程管理系統(tǒng)之一。教師可以借助Moodle發(fā)布課程內(nèi)容，如：教學課件、文件資源、網(wǎng)站鏈接、微課視頻等，并創(chuàng)建課程活動，如：作業(yè)、測驗、資源、論壇、投票、問卷調(diào)查等（見圖三）。Moodle為學生提供了一個自主學習的平臺，通過豐富的課程內(nèi)容與課程活動，讓學生更快地進入課堂角色，同時，Moodle課程活動的應用使得學生的學習過程得以記錄與保留，這些活動的痕跡就像一本STEM課程的“筆記本”，當學生對某個知識點有所遺忘時，他們可以隨時、隨地通過翻查“筆記本”自主解決，大大提高了課堂學習效率。另外，Moodle強調(diào)學習過程中學生的互動、交流與協(xié)作，要求生生之間、師生之間共同探索，合作解決問題，這個與STEM教育理念不謀而合。

2.2 Moodle平臺的部署

Moodle的安裝依賴于LAMP（Linux + Apache + MySQL + PHP），然而，手動搭建Apache + MySQL + PHP比較麻煩，因此，為了更方便地安裝和管理LAMP，我們采用了寶塔Linux面板。寶塔Linux面板是一款提升運維效率的服務器管理軟件，支持一鍵LAMP、集群、監(jiān)控、網(wǎng)站、FTP、數(shù)據(jù)庫等100多項服務器管理功能。具體部署方法如下：

首先，安裝寶塔Linux面板，進入Ubuntu虛擬機，寶塔Linux面板的安裝極其簡單，只需在命令行輸入wget -O install.sh http：//download.bt.cn/install/install-ubuntu_6.0.sh && sudo bash install.sh即可。安裝過程一般耗時較長，安裝完成后系統(tǒng)會顯示面板登錄的網(wǎng)址、用戶名及密碼信息，打開瀏覽器，輸入以上信息登錄寶塔Linux面板，首次登錄會提示一鍵安裝LAMP，里面的軟件都要安裝，軟件版本盡量選擇新一點的即可。

LAMP安裝完成后，側(cè)邊欄點擊“網(wǎng)站”，在網(wǎng)站管理面板點擊“添加站點”按鈕，按提示輸入域名，如沒有域名可輸入服務器IP地址，根目錄可用默認目錄，按提示創(chuàng)建FTP方便Moodle安裝包上傳，創(chuàng)建MySQL，并設置用戶名、密碼，提交后設置網(wǎng)站目錄去掉“防跨站攻擊”選項。然后，在Moodle官網(wǎng)下載zip格式安裝包到本地，通過FTP上傳到寶塔Linux面板網(wǎng)站根目錄，打開寶塔Linux面板網(wǎng)頁，側(cè)邊欄點擊“文件”，找到剛上傳的Moodle安裝包，選擇解壓縮。找到“/www/wwwroot”目錄，設置權(quán)限為所有者可讀、寫、執(zhí)行。

瀏覽器輸入剛添加站點的域名或者IP，開始Moodle引導安裝，選擇語言后點擊“向后”按鈕，文件夾默認使用設置即可，數(shù)據(jù)庫使用添加站點時設置的用戶名、密碼，點擊“向后”，然后選擇“安裝”，Moodle即可自動安裝。

四、平臺的不足與改進

JupyterHub+Moodle網(wǎng)絡學習平臺在我校運作已有一年時間，為我校STEM課程的順利開展提供了有力的保障。但是，隨著平臺、系統(tǒng)的不斷增多，使用每個系統(tǒng)均需重復輸入登錄信息，這樣的用戶體驗不夠友好。因此，下一步我們將搭建OpenLDAP服務器，把用戶信息統(tǒng)一管理起來，做到一次登錄即可使用多個系統(tǒng)，解決用戶體驗差的問題。

【參考文獻】

[1]Jupyter.How to install JupyterHub[EB/OL].https：//github.com/jupyterhub/jupyterhub，2019.

[2]張爽.基于Moodle平臺的項目化教學研究[J].軟件導刊，2014，13（12）：180-182.