高校計算機實驗室開展線上教學的實踐探討

劉文艷，沙 飛 ，楊 淼 ，翟陽陽，辛 欣 ，武 博 ，王 珂

（首都醫科大學生物醫學工程學院，北京 100069）

根據中國互聯網絡信息中心（CNNIC）2022年2月發布的第49次《中國互聯網絡發展狀況統計報告》[1]，截至2021年12月，我國網民規模達10.32億，互聯網普及率達73.0%，城鄉互聯網普及率差距繼續縮小，貧困地區通信難等問題得到解決。互聯網覆蓋率的擴展、速率的提升、網費的下降，為即時通信應用包括互聯網與教育的結合創造了良好條件。“互聯網+教育”這一將互聯網科技與教育教學相融合的全新教育生態模式，給傳統課堂教學帶來了重大變革[2-3]。隨著信息技術的快速發展，學生的認知模式和學習方式也在發生轉變，除了傳統的文本外，視頻、動畫、語音、虛擬現實等多模態的表征成為學生認知和學習的途徑，由傳統的強迫式抽象思維方式向適應數字化環境的形象思維方式轉變，也應從重視“教”的技術轉向重視“學”的技術[4-5]。新冠肺炎疫情暴發，教育部發布延期開學的決定，首都醫科大學采取停課不停學方案，將春季學期所有課程教學調整為線上教學。經過教師一學期的授課探索和實踐，在線教學基本能實現原有教學目標，學生也逐步適應了線上教學模式。在疫情得到有效控制后，我校大部分學生陸續返校，學校恢復了正常的教學秩序，但仍有部分學生無法返校，我校繼續開展線上線下相結合的教學模式。本文主要探討計算機實驗室開展線上教學實踐的方法和措施。

1 計算機實驗室現狀

1.1 基本情況

首都醫科大學生物醫學工程學院計算機實驗室承擔全校本科生、研究生及夜大生各層次計算機相關課程的實驗教學工作。近幾年隨著學校對教學設備經費投入的加大，實驗室經過改造更新，現有機房8間、臺式計算機約500臺、服務器若干臺，支持線下教學、FTP文件上傳下載、虛擬教學實訓管理及自由上機預約管理等服務。通過對實驗室軟硬件升級和優化管理，有效保障了各門課程的順利進行，同時也為第二課堂、畢業設計及大學生醫學技術技能競賽提供了實驗環境支撐。

1.2 軟硬件環境配置

面對計算機實驗室設備數量多、系統軟件種類復雜、使用頻率高、維護量大等特點，采用高校計算機實驗室普遍使用的保護方式，將保護卡安裝到每臺計算機上，將系統磁盤設置為每次還原模式，當電腦重啟后系統會自動恢復至初始狀態；在更換系統或添加應用軟件時，不需要逐臺操作，只要安裝好一臺電腦，通過保護卡的網絡同傳功能，即可完成自動更新，方便進行有效管理和整體維護[6-7]。考慮到通識課和專業課需要的應用軟件不同，將不同版本的軟件或不支持高版本操作系統的軟件安裝到不同操作系統中，提前做好部署，將計算機磁盤劃為多個分區，分別安裝不同的操作系統及應用軟件，這樣既能滿足教學需求，又能保障系統運行正常、資源均衡及性能穩定[8]。

1.3 網絡布局劃分

計算機間的網絡連接狀態是決定計算機線上線下教學能否順利進行的重要因素。實驗室每個機房都配有一組網絡交換機，將學生機和教師機相互連接，同時通過中心交換機，與校園主干網絡連接。將實驗室整體網絡布局劃分為內網連接和外網連接兩部分，其中內網連接是指機房內部網絡互聯，主要用于多個機房設備維護，如進行系統同傳時，將各機房網絡切換到光纖交換機上，通過光纖接口及光纖電纜進行數據傳輸，提高網絡速度及數據傳輸的可靠性。外網連接是指進行線上線下教學時，將各機房網絡切換到二層交換機上，實現設備互聯和訪問互聯網。

2 線上直播教學平臺建設

隨著網絡教學需求迅猛增加和互聯網技術的快速發展，各種線上教學平臺紛紛出現，在線視頻課堂已經成為“互聯網+教育”的一種常見且頻繁使用的學習方式，便利了線上教學的同時降低了學習成本，逐步形成了知識傳遞、師生交互、課程評測及反饋的完整數字化教育生態環境[9-11]。實驗室根據在線教學需求，在教師機中安裝多種線上直播教學軟件，如本科生授課使用的騰訊課堂、騰訊會議及研究生使用的長江雨課堂。

騰訊會議在疫情期間向用戶免費開放300人的不限時在線會議功能，教師和學生都可共享各自的屏幕，非常適合需要計算機操作演示的課程，學生也可通過聊天區向教師提問及反饋情況，缺點是教師不能隨堂發布測試題，課程內容也不能回看。為解決未參加直播教學的學生需要回放觀看課程這個問題，通過安裝一唯科技公司的桌面錄屏軟件，教師授課的同時進行屏幕錄制，課后將直播視頻上傳到網盤中，學生可自行下載，通過回看課程完成學習。

騰訊課堂是一款功能強大專門用于線上教學的專業軟件。目前使用的極速版，教師界面操作簡潔，可播放PPT、視頻及電腦的截屏畫面，學生通過教師分享的二維碼進入在線課堂。教師直播時可通過簡單的互動環節（如討論、簽到、測試等）提升學生專注力和學習積極性。軟件自帶錄播功能，生成的課程回放視頻，學生可自行下載，方便進行反復觀看。

長江雨課堂經典版是安裝在教師機PowerPoint軟件中的一個插件，學生電腦無需安裝，根據微信雨課堂的公眾號或小程序接收課程相關信息。直播時學生可通過彈幕來提問，教師也可發布限時測試題，及時了解學生上課狀態和學習效果。課程結束后自動生成回放視頻，學生可觀看課程回放隨時學習。

為評估各種線上直播教學平臺的效果和適應性，于學期結束時，對2020級本科生開展計算機應用技術課程的問卷調查，在“你認為哪種線上直播教學平臺更適合線上教學？（單選題）”的調查中，57.44%的學生認為騰訊會議更適合線上教學（見表1）。

表1 線上直播教學平臺適用性的調查結果（n=585）Table 1 Investigation results of the applicability of online live teaching platform（n=585）

3 虛擬實驗平臺搭建

計算機類課程與其他課程相比，更加注重學生在計算機上的實訓操作。根據疫情下學生電腦能否訪問機房服務器的不同情況，搭建了兩種虛擬實驗平臺，協助學生登錄機房服務器或在本地計算機上搭建環境開展線上實訓操作。

3.1 基于OpenStack架構的教學實驗平臺

針對能在校園內訪問機房服務器的學生，搭建了一套基于OpenStack架構的教學實驗平臺。OpenStack是目前最熱門的開源項目，是一個可以控制整個數據中心的計算、網絡和存儲資源的分布式云操作系統[12]。OpenStack由多個組件構成，其中的核心組件有Nova（計算服務）負責管理云實例的計算資源及生命周期；Neutron（網絡服務）負責管理虛擬機間網絡通信；Keystone（認證服務）提供用戶的身份和身份驗證；Horizon（UI服務）提供一個Web前端的圖形管理界面，對云環境進行管理；Glance（鏡像服務）存儲計算鏡像庫，所有計算實例都從鏡像啟動。

根據不同課程，制作多個不同操作系統和不同應用軟件組合的鏡像文件，利用這些鏡像文件在云平臺上創建多個虛擬機，可啟動一個或多個虛擬機的實例，學生只需要遠程登錄平臺，訪問相應實例，就可開展與真實環境一樣的實訓操作（見圖1）。目前平臺上開放的實訓課程有Ubuntu操作系統、計算機應用技術、Python程序設計語言等，在“通過教學實驗平臺，可仿真出課程各章節的實驗環境，通過遠程Web訪問方式，你愿不愿意在該平臺上開展相關實驗項目？（單選題）”的調查中，74.70%的學生表示愿意，25.30%的學生表示不愿意。

圖1 基于OpenStack架構的教學實驗平臺Figure 1 Teaching experiment platform based on OpenStack architecture

基于OpenStack架構的教學實驗平臺可支持教學各環節的開展及滿足師生個性化的需求，逐步從被動式學習向線上自主式學習轉化，提高了學習的靈活性和學習效率。

3.2 基于VMware的虛擬實驗平臺

通常情況下學生都是到機房進行線下實訓操作，也可選擇登錄機房通過基于OpenStack架構的教學實驗平臺進行自主學習，這些實驗環境都是提前統一安裝好的，但由于屬于校園網內部環境，不能返校的學生無法正常訪問。針對這一部分學生，需要其根據課程要求，在自己的本地計算機中搭建實驗環境，而對一些剛接觸計算機或實際操作水平不高的學生，安裝系統軟件既費時又會碰到各種問題，很難獨立完成或搭建與教材匹配的實驗環境。在“你認為線上教學不可以替代線下教學的原因有哪些？（多選題）”的調查中，61.02%的學生認為軟件安裝有困難，72.38%的學生認為軟件安裝不統一（見表2）。為解決這個問題，利用虛擬化技術及目前主流的虛擬化技術廠家VMware公司開發的軟件VMware Workstation Player 16搭建虛擬實驗平臺[13]。在平臺中安裝操作系統、應用程序，最后使用平臺自帶的遷移功能，將虛擬環境的鏡像文件上傳至百度網盤，學生只需在自己的計算機中下載這個文件，利用VMware Workstation Player的加載功能打開這個文件，就可以還原真實教學場景，不需要逐一安裝多個應用軟件，操作簡單便捷。同時，錄制并撰寫相關的安裝操作視頻及文檔，能更好地幫助學生完成實驗環境的搭建。屆時通過直播，學生可在線無風險地進行同步實訓操作。通過搭建實驗環境，鍛煉了學生的動手實踐能力，也有助于培養其獨立思考能力、發現及解決問題能力，對其今后運用信息技術輔助解決專業問題大有裨益。

表2 線上無法代替線下教學原因調查結果（n=449）Table 2 Investigation results of the reasons why online teaching cannot replace offline teaching（n=449）

3.3 遠程協助

當學生遇到實驗環境搭建或計算機系統軟件運行不正常等問題，我們也會協助解決。根據學生描述的現象及問題，做出分析，并通過QQ軟件，告知具體解決的方法。若學生仍不能解決，將開啟QQ遠程協助功能控制學生電腦桌面，手把手地演示具體操作步驟，幫助其排除故障，順利開展實驗。

4 線上教學的優勢與不足

疫情期間線上教學解決了部分學生無法返校參與課程教學的問題，計算機類課程開展線上教學較其他課程更容易實現。由于計算機設備的普及，大部分學生都會配備一臺電腦，并預裝好操作系統，如Windows 10及常用的辦公軟件（如Office 2016系列），這兩個軟件與我校本科生必修課程計算機應用技術的教學內容相符。另外，計算機類課程內容也有很多是介紹開源軟件，如Linux操作系統、R語言、Dec C++、Python等，這些軟件學生都可通過相應官網自行下載安裝，便于實驗環境的搭建。通過學生反饋，線上教學模式較為輕松自由，可反復回看課程教學視頻，時間也更加靈活，能有效調動學生學習主動性。

線上教學模式仍存在一些不足，如授課過程受網絡環境的影響較大，直播教學有時不夠流暢甚至會被迫中斷；線上教學時師生不能面對面互動，教師不能及時看到學生的操作過程和結果，無法精準了解授課效果；雖通過機房搭建的虛擬實驗平臺在很大程度上幫助了學生完成實訓操作，但學生對平臺的使用需要前期花一些時間去熟悉等。

5 總結與探討

計算機實驗室充分利用現有資源和信息技術優勢開展了線上教學，具體工作流程見圖2。教師在計算機實驗室通過線上直播教學平臺進行授課，學生根據能否訪問機房服務器情況，登錄相關平臺或在本地虛擬環境中進行實訓操作。針對學生在環境搭建及計算機軟件安裝中遇到的問題，通過遠程協助給予針對性指導，有效解決了疫情期間教學和實訓問題，較好地保證了相關課程的正常開展和教育教學質量。

圖2 計算機實驗室線上教學工作流程Figure 2 Online teaching workflow of computer lab

在“互聯網+教育”背景下，利用科技推動教學發展，將信息技術與教育教學深度融合才能促進教學效果的不斷提升。實驗室在線上教學方面應積極探索虛擬桌面及云端技術二者的結合，消除教與學的壁壘，提升教育資源的利用率[14-15]。不僅可實現線下教學場景還原，還可增強師生間的互動。同時，教師發現學生求助后，可及時連麥并進入學生電腦桌面進行一對一的指導等。

總之，我們將進一步探討如何更好地完善線上教學與線下教學相互補充、相互促進的教學模式，發揮線上線下各自優勢，促進教學相長，這也是高校教學發展特別是實驗室建設需要長期研究的課題。