基于云模式的裝備教學(xué)系統(tǒng)

摘要：云計(jì)算技術(shù)的發(fā)展為裝備教學(xué)的信息化提供了條件。本文探討了基于云計(jì)算的裝備教學(xué)模式，并對(duì)其特點(diǎn)進(jìn)行了分析;提出了基于云模式的裝備教學(xué)平臺(tái)基礎(chǔ)架構(gòu)，將云教學(xué)系統(tǒng)劃分為七個(gè)層級(jí)并闡述了每個(gè)層級(jí)的功能和作用;構(gòu)建了云教學(xué)平臺(tái)服務(wù)體系，重點(diǎn)分析了以IaaS、PaaS、SaaS和MaaS為主體的服務(wù)模式，并結(jié)合不同服務(wù)模式特點(diǎn)，建立了相應(yīng)裝備教學(xué)資源體系。

關(guān)鍵詞：云計(jì)算;裝備教學(xué);服務(wù)模式

裝備教學(xué)主要講授裝備原理、構(gòu)造、操作、維修、保養(yǎng)等知識(shí)，并普遍結(jié)合裝備或者模擬器開展實(shí)操實(shí)訓(xùn)和虛擬教學(xué)訓(xùn)練。與傳統(tǒng)大學(xué)課程相比，它具有以下獨(dú)特性：①與裝備結(jié)合緊密，通常會(huì)上裝進(jìn)行教學(xué)與操作;②在上裝之前，通常采用模擬器進(jìn)行模擬教學(xué)訓(xùn)練;③普遍通過圖片、視頻、三維模型等直觀形式的內(nèi)容進(jìn)行教學(xué)展示。在裝備教學(xué)中，由于大量工作基于實(shí)裝和模擬器開展，每次只能允許十余人甚至三五人同時(shí)教學(xué)和操作，嚴(yán)重受到教學(xué)場地、裝備內(nèi)部空間、教學(xué)時(shí)間、教學(xué)經(jīng)濟(jì)性的制約[1]，難以實(shí)現(xiàn)成規(guī)模的教學(xué)實(shí)施，教與學(xué)的效率和效果都較差。云計(jì)算[2]的發(fā)展，為傳統(tǒng)模式的裝備教學(xué)提供了新的思路。文獻(xiàn)[3]對(duì)高職教育教學(xué)中的云平臺(tái)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并研究了應(yīng)用情況，總結(jié)了教育云平臺(tái)在高職院校教育教學(xué)中發(fā)揮的重要作用。文獻(xiàn)[4]研究了云教育環(huán)境下的個(gè)性化教學(xué)方法，分析了云教育環(huán)境下的教學(xué)意蘊(yùn)、教學(xué)變革、保障機(jī)制等。文獻(xiàn)[5]對(duì)云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)在教學(xué)思路、教學(xué)方法、教學(xué)實(shí)踐方面的教學(xué)改革做了探討。文獻(xiàn)[6]研究了交互式教學(xué)云平臺(tái)并提出了交互式教學(xué)云平臺(tái)的應(yīng)用模型，給出了交互式教學(xué)云平臺(tái)的應(yīng)用建議。

上述研究在不同程度上啟發(fā)了裝備教學(xué)的新理念，基于此，筆者提出一種基于云模式的裝備教學(xué)系統(tǒng)。基于云模式的教學(xué)以虛擬化、云計(jì)算技術(shù)為依托，將包括硬件資源及各類裝備教學(xué)軟件資源在內(nèi)的資源進(jìn)行服務(wù)化封裝，為用戶提供包括基礎(chǔ)設(shè)施、平臺(tái)、軟件等軟硬件資源在內(nèi)的教學(xué)服務(wù)。通過該模式，可有效解決場地和時(shí)間限制問題，提升教學(xué)自由度，提升學(xué)員的學(xué)習(xí)自主性，使學(xué)員能夠隨時(shí)隨地進(jìn)行新的裝備知識(shí)的學(xué)習(xí)。

模式及特點(diǎn)

構(gòu)建一種基于云模式的裝備教學(xué)環(huán)境，如下頁圖1所示。其基本特征是教學(xué)資源統(tǒng)一部署在軍事互聯(lián)網(wǎng)/校園網(wǎng)上的云中心，用戶在終端通過統(tǒng)一的網(wǎng)上教學(xué)門戶遠(yuǎn)程訪問中心的資源，進(jìn)行遠(yuǎn)程教學(xué)。“中心”包含了教學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施資源、教學(xué)平臺(tái)及其他教學(xué)軟件資源，通過虛擬化技術(shù)，將上述資源虛擬化封裝為虛擬教學(xué)服務(wù)并向外發(fā)布，通過遠(yuǎn)程傳輸協(xié)議最終將服務(wù)推送給用戶。“終端”按照功能可分為兩大類即教學(xué)終端和開發(fā)終端，在硬件上均可采用瘦客戶端，以減少終端用戶的基礎(chǔ)設(shè)施部署與維護(hù)成本，提高開發(fā)與教學(xué)效率。“中心”和“終端”通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián)，終端用戶通過遠(yuǎn)程傳輸協(xié)議與云中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，開發(fā)終端將開發(fā)的教學(xué)項(xiàng)目資源發(fā)布到云中心，中心調(diào)度服務(wù)將教學(xué)項(xiàng)目封裝為服務(wù)，通過遠(yuǎn)程傳輸協(xié)議將項(xiàng)目服務(wù)傳送至教學(xué)終端。

云中心可以部署在軍事互聯(lián)網(wǎng)（如軍訓(xùn)網(wǎng)）上，向教室、教研室、裝備專修室等提供裝備教學(xué)服務(wù)，從而支持大規(guī)模、多人次、全任務(wù)的裝備在線教學(xué)。同時(shí)，通過管理調(diào)度模塊對(duì)教學(xué)資源的監(jiān)控、管理與調(diào)度，實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源的最優(yōu)化管理，提升資源利用率，保證教學(xué)的高效合理進(jìn)行。與傳統(tǒng)裝備教學(xué)相比，基于云模式的裝備教學(xué)突破了傳統(tǒng)裝備教學(xué)時(shí)一套裝備同時(shí)只供一組人員使用、難以多人同時(shí)上裝的限制，在相同的平臺(tái)上可完成包括裝備維修、裝備操作和裝備指揮在內(nèi)的多種教學(xué)任務(wù)，達(dá)到“有網(wǎng)就能教、有網(wǎng)就能學(xué)”的普適化教學(xué)效果，軍事和經(jīng)濟(jì)效益高。

歸納起來，基于云模式的裝備教學(xué)系統(tǒng)具備以下特點(diǎn)。

普適化：在虛擬化及云計(jì)算技術(shù)的支持下，裝備教學(xué)資源部署在云端，用戶可將數(shù)據(jù)上傳至云端，也可靈活使用云端的資源，從而充分實(shí)現(xiàn)了教學(xué)資源基于人、基于類型、基于系統(tǒng)的共享。同時(shí)，降低了學(xué)習(xí)準(zhǔn)入條件、學(xué)習(xí)環(huán)境成本，本系統(tǒng)覆蓋了學(xué)員活動(dòng)的主要場所，學(xué)員可在任何能夠連接軍網(wǎng)的地點(diǎn)登錄云教學(xué)平臺(tái)，獲取學(xué)習(xí)資源，進(jìn)入學(xué)習(xí)情境，讓學(xué)習(xí)不受空間、時(shí)間的限制，從而實(shí)現(xiàn)了裝備教與學(xué)的普適化。

一站式：本系統(tǒng)提供了教學(xué)系統(tǒng)開發(fā)、上傳，教學(xué)資源構(gòu)建、組合、獲取，以及教學(xué)系統(tǒng)監(jiān)控、教學(xué)資源調(diào)度管理等一系列教學(xué)資源和環(huán)境，使得學(xué)員能夠基于本系統(tǒng)完成課程的全部學(xué)習(xí)。

自主性：基于本系統(tǒng)，學(xué)員除了課上學(xué)習(xí)，課下還可根據(jù)自己的學(xué)習(xí)情況有選擇地進(jìn)行學(xué)習(xí)，查漏補(bǔ)缺、鞏固提高，如對(duì)裝備拆裝技能要求較高，則可針對(duì)該課程進(jìn)行課下自主學(xué)習(xí)和練習(xí)，從而提高學(xué)習(xí)的自主性，提升專業(yè)技能。

高效性：系統(tǒng)提供的在線學(xué)習(xí)服務(wù)，可快速選擇感興趣的學(xué)習(xí)任務(wù)，或者組織大規(guī)模的教學(xué)活動(dòng)，使學(xué)員和教員省去煩瑣的學(xué)習(xí)和組學(xué)流程，提升學(xué)習(xí)效率。另外，云教學(xué)系統(tǒng)還可根據(jù)需要，對(duì)軟硬件資源進(jìn)行調(diào)度，改善教學(xué)環(huán)境，提升教學(xué)系統(tǒng)處理效率。

即時(shí)性：基于本系統(tǒng)，教學(xué)資源可在第一時(shí)間進(jìn)行更新及推送，而學(xué)員遇到問題也可第一時(shí)間登錄云平臺(tái)進(jìn)行學(xué)習(xí)和復(fù)習(xí)，從而保證學(xué)習(xí)的即時(shí)性，使知識(shí)在第一時(shí)間吸收，問題在第一時(shí)間解決。

規(guī)模化：通過云教學(xué)系統(tǒng)，支持批量學(xué)員同時(shí)接入并獲取教學(xué)資源，從而可以開展大規(guī)模裝備教學(xué)，解決傳統(tǒng)裝備教學(xué)中依托實(shí)裝教學(xué)時(shí)難以展開、人員難以同時(shí)獲取知識(shí)的問題。

知識(shí)可視化：針對(duì)裝備教學(xué)中常見的操作、維修、指揮等常見的課目，結(jié)合多媒體、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)、3D建模等技術(shù)，并將經(jīng)驗(yàn)、態(tài)度、觀點(diǎn)和見解等融入其中，以形成形象、直觀的教學(xué)資源，從而促進(jìn)學(xué)員能夠正確記憶并重構(gòu)這些知識(shí)。

便于評(píng)估：系統(tǒng)具備監(jiān)控功能，對(duì)各類教學(xué)資源使用情況、學(xué)員的課堂參與情況、課程和資源的反饋情況、考核情況等進(jìn)行全面監(jiān)控，并將數(shù)據(jù)記錄到云中心數(shù)據(jù)庫中，通過大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)員學(xué)習(xí)情況的評(píng)估，以不斷改善系統(tǒng)，形成良性循環(huán)。

系統(tǒng)架構(gòu)

云教學(xué)系統(tǒng)承擔(dān)了云教學(xué)服務(wù)提供、資源管理調(diào)度等主要功能，如圖2所示，其層次結(jié)構(gòu)劃分為7層，由下至上分別是物理架構(gòu)層、虛擬化層、虛擬架構(gòu)層、資源管理層、服務(wù)層、應(yīng)用層、門戶層。

物理架構(gòu)層涵蓋了計(jì)算資源、圖形處理資源、存儲(chǔ)資源、網(wǎng)絡(luò)帶寬資源、數(shù)據(jù)資源等多種類型的資源，這些資源在邏輯上構(gòu)成一個(gè)資源池，為整個(gè)云教學(xué)系統(tǒng)的運(yùn)行提供基礎(chǔ)設(shè)施資源。

虛擬化層主要指虛擬化平臺(tái)Hypervisor，它創(chuàng)建了一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)操作系統(tǒng)及應(yīng)用程序與底層硬件資源之間相互隔離的抽象層，可有效降低應(yīng)用軟件對(duì)硬件設(shè)備以及驅(qū)動(dòng)的依賴性，是資源共享和調(diào)度管理的必要條件。

虛擬架構(gòu)層主要是各類虛擬硬件資源，包括虛擬CPU、虛擬網(wǎng)絡(luò)、虛擬內(nèi)存、虛擬存儲(chǔ)和虛擬GPU等資源。它們是借助虛擬化技術(shù)，對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施層中的物理資源進(jìn)行虛擬化，可由多用戶共享的細(xì)粒度虛擬資源。

資源管理層是對(duì)云教育平臺(tái)基礎(chǔ)軟硬件資源進(jìn)行管理的關(guān)鍵層。對(duì)于上層用戶來說，云中心對(duì)虛擬機(jī)的管理是透明的，用戶只需根據(jù)教學(xué)需求獲取相關(guān)訓(xùn)練服務(wù)，無需關(guān)注所使用服務(wù)資源的管理和維護(hù)。管理層提供了用戶信息管理、服務(wù)器運(yùn)行監(jiān)控與管理、虛擬機(jī)運(yùn)行監(jiān)控與管理、容器管理、虛擬資源動(dòng)態(tài)調(diào)度與管理、服務(wù)管理等功能。

服務(wù)層主要包括基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（Infrastructure as a Service，IaaS），平臺(tái)即服務(wù)（Platform as a Service，PaaS）、軟件即服務(wù)（Software as a Service，SaaS）、模型即服務(wù)（Model as a Service，MaaS）等服務(wù)模式。借鑒上述服務(wù)模式，為用戶提供從基礎(chǔ)設(shè)施到教學(xué)模型的一系列教學(xué)服務(wù)模式。

應(yīng)用層主要指基于各類服務(wù)模式部署的一系列教學(xué)應(yīng)用資源，包括裝備多媒體教學(xué)資源、VR系統(tǒng)、虛擬仿真資源等在內(nèi)的教學(xué)資源。

門戶層為用戶提供訓(xùn)練服務(wù)接入控制，向用戶發(fā)布虛擬訓(xùn)練服務(wù)，是用戶獲取資源的接口。用戶通過登錄平臺(tái)門戶，選擇相應(yīng)教學(xué)資源與服務(wù)來實(shí)施教學(xué)等。

服務(wù)與資源體系

云教學(xué)提供IaaS（Infrastructure as a Service，基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)）、PaaS（Platform as a Service，平臺(tái)即服務(wù)）、SaaS（Software as a Service，軟件即服務(wù)）和MaaS（Model as a Service，模型即服務(wù)）四種服務(wù)形式實(shí)現(xiàn)裝備教學(xué)資源共享。上述四類教學(xué)資源中，基礎(chǔ)設(shè)施資源的對(duì)外交互形式固定，采用相對(duì)固定的IaaS服務(wù)化實(shí)現(xiàn)技術(shù)即可向?qū)W員用戶發(fā)布。而公共平臺(tái)資源的服務(wù)化，根據(jù)其具體使用模式，可以是一般意義上的PaaS模式服務(wù)，即將交互接口以服務(wù)的形式公布，也可以借助IaaS模式服務(wù)，將資源部署在虛擬機(jī)內(nèi)部，用戶訪問虛擬機(jī)桌面，并直接使用平臺(tái)軟件資源的GUI界面。訓(xùn)練軟件資源共享既能以SaaS模式服務(wù)實(shí)現(xiàn)，也可以使用IaaS模式服務(wù)。對(duì)于教學(xué)模型資源，如典型裝備模型資源、公共題庫資源等，可采用基于Web服務(wù)的教學(xué)模型服務(wù)化，也可基于IaaS服務(wù)的虛擬機(jī)和PaaS的容器實(shí)現(xiàn)模型的服務(wù)化。云訓(xùn)練的資源共享方式如圖3所示。

IaaS模式下，主要是“重量級(jí)”教學(xué)資源，采用虛擬機(jī)為載體提供裝備教學(xué)服務(wù)。例如，對(duì)于裝備虛擬仿真系統(tǒng)、多媒體教學(xué)系統(tǒng)等，需要較高的圖形、計(jì)算任務(wù)處理能力，主要以虛擬機(jī)為載體向用戶提供服務(wù)。

對(duì)于“輕量級(jí)”教學(xué)資源和平臺(tái)級(jí)教學(xué)資源，主要采用PaaS模式的容器為載體提供訓(xùn)練服務(wù)。例如，對(duì)于基礎(chǔ)教學(xué)平臺(tái)、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、考核平臺(tái)等，主要以輕量級(jí)容器為載體向用戶提供服務(wù)。對(duì)于部分通用軟件或者課件，如多媒體課件、視頻資源、音頻資源等，可采用SaaS模式對(duì)外提供服務(wù)。對(duì)于典型裝備模型資源、公共題庫資源等類型資源來說，MaaS模式則是提供服務(wù)的首選。

總結(jié)

隨著云計(jì)算的發(fā)展，基于云計(jì)算的裝備教學(xué)模式應(yīng)當(dāng)是今后發(fā)展的主要方向之一。筆者深入探討了云教學(xué)的模式及特點(diǎn)，完整描述了平臺(tái)架構(gòu)，構(gòu)建了基礎(chǔ)服務(wù)與資源體系，以期為云模式下的裝備教學(xué)組織與運(yùn)用奠定基礎(chǔ)，為部隊(duì)裝備教學(xué)的網(wǎng)絡(luò)化、規(guī)模化、普適化提供思路。

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作者簡介：陳志佳（1986—），男，陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)裝備模擬訓(xùn)練中心，博士，講師。邸彥強(qiáng)（1973—），男， 陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)裝備模擬訓(xùn)練中心，博士，教授。馮少?zèng)_（1981—），男，陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)裝備模擬訓(xùn)練中心，博士，講師。張煒棟（1982—），男，92677部隊(duì)，碩士，工程師。袁紅麗（1982—），女，陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)裝備模擬訓(xùn)練中心，碩士，講師。

本文受陸軍工程大學(xué)教育教學(xué)研究課題（JTJD2019-25）資助。