計算機課程的“云實驗室”實踐教學研究

章雅娟

南通大學信息科學技術學院 江蘇南通 226019

1 概述

隨著“人工智能”“5G”“大數據”和“云計算”等信息技術的快速發展，各類云教育平臺層出不窮。學生在線自主學習優質教育資源，線下翻轉課堂的教學方式加快了“以學生為中心”的教學改革的步伐。同時，利用虛擬技術將實驗室搬到“云端”是現代實踐教學的發展模式之一。IT專業的學生的動手實踐能力和創新思考水平是企業用人的關鍵參考點，將理論和實踐有機結合，培養適用于市場需求的創新型人才，是每位高校教師義不容辭的職責。國信藍橋的“實驗樓”是國內首家以實驗為核心的IT在線教育實驗平臺，基于虛擬化技術的SimpleCloudTM輕量級云平臺軟件和SimpleLabTM虛擬實訓室[1]，該平臺為大學計算機專業課程提供了數據結構與算法、操作系統等幾十門課程的在線實驗和不同職業方向的技術學習路徑以及與“藍橋杯”大賽相關的實訓課程，內容基本覆蓋了整個IT技術體系，已經與國內諸多高校合作辦學，好評如潮。筆者勇于創新，將藍橋平臺引入專業課程的實驗教學中，旨在不斷提高教學質量，培育實踐能力強的市場需求的人才。

2 實驗教學的重要性

大學教育不僅僅是知識教育，還是科學精神、科學方法，包括實驗方法的實踐教育[2]。知識和理論是前人經驗和研究成果的積累和結晶，掌握理論知識就可以“站在巨人的肩膀上”，減少許多重復、低效、盲目的摸索[2]。但是，片面地學習書本知識，對實驗實踐不予重視，那就是紙上談兵。有些理論知識在一定的環境和條件下實驗驗證之后，才能深刻理解，所以“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”“知行合一，學習致用”有助于學生靈活運用知識。其次，實驗教學可以培養學生的創新意識和創新能力。學生可以通過實驗弄清楚理論的發現過程以及歸納提煉的規律，在這個探究的過程中不知不覺提升自己的思考力和創新力，久而久之，也會提升解決實際問題的能力。所以，如果希望大學生剛畢業就能就業，剛上崗就能出活，就必須重視實驗實踐，對于要求實踐能力強的計算機類學科，實驗教學顯得尤為重要。

3 計算機實驗課研究現狀

針對國家“立德樹人，全面實施素質教育”的育人方針和企業招聘實踐能力強的用人要求，很多高校都對IT專業的課程提高了實驗課的比例，但是大部分畢業生的實踐和解決問題的能力水平依然較低。主要原因有以下幾個方面。

3.1 實驗軟硬件環境配置更新慢，成本高，限制多

計算機相關課程的實驗需要在做實驗前準備好必需的軟硬件環境，需要在專業機房完成。由于軟件的不斷更新，硬件也要跟上發展的步伐進行性能的提升。現實是部署實驗室機房需要采購大量硬件，也需要專業人員進行維護，人力和物資成本較高；一般學校現有計算機設備更新時間周期長且人均分配率較低，實驗機房按課時輪轉分配給不同班級的學生共享，資源占用時間遠遠不能滿足實驗任務的實際需求；另外，有些實驗因為硬件資源的限制無法開展，例如需要多臺計算機協同的實驗和關于修改操作系統內核的實驗，主要側重于模擬而不是實戰。

3.2 教學設計面面俱到，學習目標一刀切，缺乏因材施教

大學專業課程知識體系層次豐富而龐大，教與學都側重于知識點的覆蓋上，輕視了理論的驗證和深度理解；學習目標一刀切，有些學生覺得課程難學，產生畏難情緒，甚至缺乏實驗加深理解的過程，課后很少主動拓展專業知識和技能，更不用說了解當前流行的新技術，所以感覺在實驗課中沒有學習到實用的計算機知識。

3.3 實驗方案不利于培養學生的創新思考和主動動手能力

實驗指導書從目的、內容、原理、環境及操作步驟介紹得非常詳細。每次實驗課，教師也許會邊講邊演示，或者學生依照實驗步驟，在相同的時間段內，用相同方法做同一個實驗，最后得到實驗結果。這種模式可能會使一些學生依葫蘆畫瓢，照搬別人的實驗過程而得到結論。例如，程序設計類課程實驗，只要有一個學生寫出代碼并調試通過，其他同學便紛紛效仿，實驗報告千篇一律，導致部分同學認為實驗課不重要。如此下去，沒有夯實先修課程的基礎，后續課程的學習就存在障礙。這些同學的思維和解決問題的能力也得不到鍛煉，更談不上提升創新水平。

3.4 過程管理松散，缺乏有效監督，學生沒有主動學習的積極性

學習過程的監督管理是學習有效性的重要保證。高校教師一般都側重于理論知識的講授，沒有精力服務所有學生，也就無法實時監測學生的學習狀況并給予及時調控。學生也只關心考核點的記憶和理解，對實驗課不認真。所以，師生之間缺乏有效的監督與被監督的方式，這種松散的管理導致自律差的學生缺失了學習的動力。

4 藍橋“實驗樓”能夠解決的問題

藍橋“實驗樓”創立了一種新穎的IT學習和認證模式，是高校與企業溝通人才培養目標的橋梁。高校可以把IT實驗室移到實驗樓的云環境中，可以解決以下問題。

4.1 快捷啟動的操作環境和圖文指導文檔，提高學習效率的同時降低了實驗成本

該平臺在云端構建了機器學習、WebIDE等各種技術練習的虛擬環境，沒有實驗類型的限制，每位學生可以創建多臺虛擬計算機進行實驗，環境與真實業務環境相同，如圖1所示。目前，已有300多所高校配置了這樣的“云實驗室”[3]。只要學生擁有一臺能夠上網的計算機，就能隨時隨地做實驗。這種“點擊即用、操作方便”的優點，可以使學習者專注于知識點學習，不會因環境問題而放棄，學習效率也有較大提高。同時，這種環境有效避免了硬件環境差異產生的問題，很大程度上降低了部署實驗設備的成本。

(a)機器學習實驗環境(深度學習、人工智能等實驗)

(b)WebIDE(Java、前端等實驗)

(c)圖形界面環境(編程開發、信息安全等實驗)

(d)字符環境(Linux、操作系統、運維等實驗)圖1 藍橋云實驗環境

4.2 任務驅動式的實驗項目，激勵學生不斷前進

“任務驅動教學法”是一種建立在建構主義學習理論基礎上的教學法，它將以往以傳授知識為主的傳統教學理念轉變為以解決問題、完成任務為主的多維互動式的教學理念，將再現式教學轉變為探究式學習，使學生處于積極的學習狀態，每一位學生都能根據自己對當前問題的理解，運用共有的知識和自己特有的經驗提出方案、解決問題[4]。學生在探究過程中可以不斷地獲得成就感，從而激發求知欲，進而形成一個感知心智活動的良性循環，增強獨立探索、勇于開拓進取的自學能力[4]。基于“任務驅動”的理念，教師對每個實驗項目的在線指導文檔按“任務驅動”的思想進行規劃，由易到難，層層遞進。第一，給出實驗目的和任務，對預備知識進行剖析；第二，剖析操作步驟，攻克知識和難點障礙；第三，分段操作，掌握和強化技術的關鍵。每個分段步驟都會檢測結果并給出實驗成功的環境樣圖；第四，實驗步驟環環相扣，存在一定的關聯性。整個實驗過程類似游戲的闖關式學習，激勵學生不斷前進；第五，實驗末尾設置挑戰題目，要求檢查回顧，舉一反三，用學到的方法和技巧解決類似的問題。按照這種由淺入深、逐步啟迪的方案設置實驗指導內容，很大程度上提高了實驗的易學性、趣味性和完課率，也能夠培養學生自主探索和進取的學習能力。

4.3 客觀科學的過程管理數據幫助教師實時監控和因材施教

在線實驗課堂，如果缺乏教師面對面的監督和同學一起學習的氛圍，一些自律性差的學生很容易成為“網課學困生”，但在藍橋“實驗樓”的“教師工作臺”，教師可以觀察到每位學生的學習過程數據。如圖2，(a)圖可以掌握每個實驗的完成率，(b)圖可以掌握每位學生的完成進度、實驗報告數量和有效學習時間。教師憑借這些數據提醒進度落后的學生，并對他們的學習態度和課程考核做出客觀的評判以杜絕“網課學困生”的誕生。此外，通過學習過程的監控數據，可以區分學困生和優等生，根據他們的能力差異對課程實驗目標進行難度層次設計，將實驗過程設計成階梯層次階段，讓學生自由選擇實驗的階段，這樣不同水平的學生都能對所學的內容進行鞏固，也能從中體會到學習和成功的樂趣，做到真正意義上的“因材施教”。從圖2的(c)圖和(d)圖可以看出，雖然實驗課程在12月23日之前已經考核評分結束，但依然有部分學生在線做實驗，可見這些學生主動探究的積極性較高。

(a)學生完成實驗數

(b)學生學習詳情

(c)近一月在線實驗用戶

(d)實驗報告與問答圖2 過程管理數據

4.4 實驗報告采用Markdown語法[5]在線撰寫，提高教學過程的趣味性

用具有HTML格式的Markdown語法撰寫報告可以很方便地保存實驗過程中的筆記、截圖及代碼的完整記錄。其語法簡潔明了，易于掌握，所以用它來撰寫實驗報告是件既效率又舒服的事情，實驗過程也變得非常新鮮有趣。

5 實踐反饋分析

2020和2021年的秋季學期，藍橋平臺進行了《匯編語言程序設計》的實驗教學，筆者對參與的學生進行了課程滿意度的問卷調查。

參與問卷的有效人數105人，整體滿意度的平均分是8.65分(總分10分)，其中選擇滿意度8分以上的有87人，占比82.86%，6分和7分的占比為13.33%。有62.86%的人喜歡“一鍵進入實驗環境的模式”；91.43%的人喜歡“一步一步指引實驗步驟的模式”；65.24%的人喜歡“用MarkDown語法撰寫在線實驗報告的方式”；67.62%的人認為“示例程序難度適中，不需要調整”；71.43%的人認為“自主程序設計部分難度適中”；99.05%的人認為“在做實驗的過程中感到學習的理論知識得到了鞏固和加深”；96.19%的人覺得“喜歡這種交互方式的實驗模式”；93.33%的人覺得“實驗過程中有成就感”；82.86%的人“有主動完成實驗的欲望”。

在平臺的問答區和評論區，學生認為這門課“很有收獲”“很有感觸、很好的解釋”“通過實驗對本章有了深刻的理解”“很有交互感、體驗感強”“實驗引導清晰，學習效率高”等，可以看出學生對這種實驗模式具有很高的熱情和興趣。

6 存在問題

根據調研和實踐，學生體會到藍橋實驗樓具有簡便易學、方便易用、課程豐富和交互感強等特點。當然也存在一些問題。問題一，實驗環境的保存只服務于VIP會員，如果學生在做實驗的過程中被上課或其他事情打斷，在限定的時間內沒有延時且沒能完成實驗，那么實驗環境就會丟失，實驗就得從頭開始。解決方法是學校與企業溝通談判，達成互惠互利的協議，為老師和學生提供會員級別的服務。問題二，實驗課程內容與理論課堂內容存在差異。解決方法是開課教師依據本校學生的特點和課程教學大綱，進一步探索理論課程與實驗教學完美組合的方法，嘗試自編在線實驗課程指導書，讓實驗和課堂教學無縫對接。

結語

科學技術是第一生產力，人類偉大的科學發明創造，無一能離開科學實驗[6]，實驗課程的教育毋庸置疑能夠提高學生的探究與創新能力。藍橋實驗教學平臺操作簡單，按“任務驅動法”設置的實驗步驟，非常有助于理論知識的鞏固和動手能力的提高。從連續兩年秋季學期的“匯編語言程序設計”期末理論考試成績來看，學生的理論成績平均分和優秀率比往年都有一定程度的提升，不及格率也有所下降。事實證明，學生們通過不斷的Coding和循序漸進的學習，編程能力和自主學習能力都有提升，這種以“學生為中心，教師在線監督，實踐與理論相輔相成”的實驗模式激發了學生的學習動力，值得提倡。