基于云平臺的自主式實驗教學(xué)體系研究

郎振紅

(天津電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計算機與軟件技術(shù)系,天津 300350)

在“物聯(lián)網(wǎng)+”時代,云技術(shù)與數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)都在飛速發(fā)展并應(yīng)用到生產(chǎn)、生活與學(xué)習(xí)中。如何培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識、掌握實踐技能、擁有創(chuàng)造能力的人才便成為各高校人才培養(yǎng)的主要目標(biāo)[1-2]。計算機軟件專業(yè)注重理論與實踐的結(jié)合。實驗教學(xué)是培養(yǎng)軟件專業(yè)高技能人才的必由之路,對實驗教學(xué)方法的創(chuàng)新和實驗教學(xué)環(huán)境的搭建便成為人才培養(yǎng)的題中之意。筆者研究了心智技能形成過程以及任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法、案例教學(xué)法、引導(dǎo)教學(xué)法,提出了自主式實驗教學(xué)體系的設(shè)計理念,借助云平臺技術(shù)將該實驗教學(xué)模式應(yīng)用于實踐教學(xué),受到學(xué)生和教師的歡迎與好評,實驗教學(xué)質(zhì)量明顯提高,收到良好的教學(xué)效果[3]。

1 自主式實驗教學(xué)體系的設(shè)計思想

自主式實驗教學(xué)體系的核心思想是將行動導(dǎo)向的資訊當(dāng)作自主學(xué)習(xí)資料,教師按照實驗計劃將實驗資料提供給學(xué)生,學(xué)生根據(jù)自己的能力選擇實驗項目。超出學(xué)習(xí)能力之外的實驗內(nèi)容,教師本著夠用、實用的原則進(jìn)行講解,讓學(xué)生盡最大努力掌握每個實驗所要求的教學(xué)信息[4]。

在自主式實驗實施過程中,配合小組學(xué)習(xí)法和角色扮演法,課上以教師為主、小組長協(xié)助,檢查學(xué)生是否理解了實驗內(nèi)容,課下則根據(jù)實驗教學(xué)的目標(biāo)要求,由小組成員互相監(jiān)督是否完成了實驗任務(wù)。在實驗教學(xué)中給學(xué)生一個相對寬松的學(xué)習(xí)時間,讓學(xué)生按照自己安排的進(jìn)度,合理地利用課上和課下時間完成實驗內(nèi)容,由此激發(fā)較高的學(xué)習(xí)積極性,在監(jiān)督他人的同時也在激勵自己。

在自主式實驗過程中,為了突出以學(xué)生為本,達(dá)到實驗教學(xué)的目的并取得最優(yōu)教學(xué)效果,依據(jù)學(xué)習(xí)成長和認(rèn)知過程的特點,將實驗教學(xué)劃分為簡單實驗案例基礎(chǔ)練習(xí)階段、復(fù)雜實訓(xùn)項目綜合訓(xùn)練階段和企業(yè)真實項目研發(fā)創(chuàng)新階段[5]。隨著對實驗項目認(rèn)知和理解的深入,學(xué)生對參與實驗項目的主動性和對真實案例的創(chuàng)新性實驗的興趣隨之提高,對實驗平臺的關(guān)注度和參與度也在提升,進(jìn)而會發(fā)現(xiàn)實驗平臺的不足之處并提出創(chuàng)新性設(shè)想和具體改進(jìn)措施。

這樣,學(xué)生已不僅是實驗平臺的使用者,而且還是實驗平臺的建設(shè)者和維護(hù)者,會結(jié)合實際需求創(chuàng)造性地構(gòu)造出滿足開發(fā)工作要求的新的實驗平臺,并在新平臺上開展新的實驗項目,平臺的功能與應(yīng)用范圍也實現(xiàn)了動態(tài)延伸。在此過程中,教師與學(xué)生原有的教與學(xué)的界限逐漸模糊,主客體關(guān)系也在發(fā)生變化,形成一種新型的實驗教學(xué)模式,如下圖1所示。

圖1 自主式實驗教學(xué)體系

在自主式實驗教學(xué)體系的3個階段中,需要對實驗項目進(jìn)行全面規(guī)劃和實時監(jiān)督,制定明確的實驗教學(xué)目標(biāo),采用多樣性的項目實施形式,配備不同的評價機制(見表1)。

表1 實驗規(guī)劃與實施內(nèi)容

在基礎(chǔ)練習(xí)階段,通過引導(dǎo)式學(xué)習(xí)幫助學(xué)生建立良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣,要求學(xué)生利用實驗平臺提供的資源與實驗設(shè)備,掌握概念、工具的使用，完成簡單實驗練習(xí)題。實驗內(nèi)容由教師事先擬定,對知識點進(jìn)行全面展示。實驗結(jié)束后,教師給出點評,學(xué)生了解自己對知識的掌握情況。此階段主要是培養(yǎng)學(xué)生實驗興趣,掌握基礎(chǔ)知識。

在綜合訓(xùn)練階段,學(xué)生靈活運用所學(xué)知識完成綜合性較強的設(shè)計性實驗項目；對實驗設(shè)備與實驗資源重新組合,按照個人意愿與實踐技能偏好,設(shè)計與開發(fā)復(fù)雜的實驗項目。學(xué)生以分組協(xié)作方式進(jìn)行項目研發(fā),增強溝通交流能力,培養(yǎng)團(tuán)隊精神。實驗結(jié)束后,通過組內(nèi)自評、組間互評及教師點評,給出每組的客觀評價。此階段主要是培養(yǎng)學(xué)生的實踐動手能力、與人溝通交流能力以及全面思考、整體把控、有效解決復(fù)雜問題的能力。

在研發(fā)創(chuàng)新階段,學(xué)生對實驗平臺已有更多的了解,會提出新的需求,構(gòu)造出適合于研發(fā)真實項目的新平臺,開展新項目實驗,實現(xiàn)平臺的動態(tài)擴(kuò)展。此時,平臺成為學(xué)生得心應(yīng)手地開發(fā)應(yīng)用項目的實用工具。教師將真實項目的需求發(fā)布至平臺,學(xué)生組建實驗團(tuán)隊并進(jìn)行角色劃分,開始真正意義上的項目研發(fā)過程,平臺成為實驗訓(xùn)練的主陣地。項目開發(fā)結(jié)束后,不僅教師要給予評價,用戶也要作出評價。學(xué)生在與其他實驗團(tuán)隊的比較中找出差距,明確改進(jìn)方向。此階段主要是對學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)造能力的培養(yǎng),借助真實項目的研發(fā)可以展示學(xué)生的才華。

可見,自主式實驗教學(xué)體系不再以演示性、驗證性實驗為主要特征,不再受空間和時間的限制[6],做到因材施教、因地制宜。學(xué)生在實驗中的主動性、積極性、創(chuàng)新性與參與度也得到加強。將實驗教學(xué)環(huán)境和學(xué)習(xí)工作環(huán)境進(jìn)行了虛擬與現(xiàn)實的融合,課上課下融會貫通、理論實踐相輔相成。3個階段環(huán)環(huán)相扣、層層推進(jìn)的實驗教學(xué)形成培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)能力、實踐技能、綜合素質(zhì)、創(chuàng)新意識的一體化實驗教學(xué)新模式。

2 自主式實驗教學(xué)體系的設(shè)計架構(gòu)

2.1 設(shè)計目標(biāo)

首先,將各階段實驗所需的儀器設(shè)備、系統(tǒng)軟件、學(xué)習(xí)與實驗資料全部放置云端,實現(xiàn)實時共享,為虛擬化和構(gòu)建資源池所用。其次,根據(jù)不同階段實驗的需要,提出實驗資源和實驗設(shè)備的分配請求,并提交到云端資源請求處理器,調(diào)用資源分配算法,將提取的資源發(fā)送給申請用戶。最后,利用云平臺上提供的各類資源進(jìn)行實驗操作。

此外,該平臺還具有師生之間、學(xué)生之間的實時在線對話功能,為研究、討論與答疑解惑提供方便。具體是:

(1) 搭建一個基于云技術(shù)的自主式實驗教學(xué)平臺,根據(jù)不同實驗階段的需要申請實驗資源,動態(tài)營造實驗環(huán)境,利用實時在線的交流功能作為輔助手段使實驗效果最優(yōu)；

(2) 構(gòu)建一個開放、靈活、便捷、標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化的云端資源池,實現(xiàn)對硬件資源的重組、軟件資源規(guī)范接入和標(biāo)準(zhǔn)使用,實現(xiàn)實驗資源的跨平臺共享使用；

(3) 開發(fā)一個性能良好、速度較快的資源調(diào)用與配置算法,不僅要滿足用戶對資源的實時需求,而且可以最大限度地提高資源的利用率。

(4) 研究一個高效的存儲管理機制,實現(xiàn)對實驗全過程的實時跟蹤和實驗數(shù)據(jù)的記錄保存。

2.2 總體架構(gòu)

自主式實驗教學(xué)體系以云計算體系結(jié)構(gòu)為依托,突出“做中學(xué)、學(xué)中練、練中提高”的實驗教學(xué)理念,利用云平臺技術(shù),實現(xiàn)海量存儲、動態(tài)分配、靈活應(yīng)用、協(xié)同工作、自主學(xué)習(xí)、優(yōu)質(zhì)服務(wù)的功能。

平臺采用Apache基金會研發(fā)的開源Hadoop分布式系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu),以高可靠性、高效率、可伸縮性強的方式完成對數(shù)據(jù)的處理操作。Hadoop框架的核心包括HDFS和MapReduce兩部分,HDFS的功能是高效存儲海量數(shù)據(jù)；MapReduce的功能是對數(shù)據(jù)進(jìn)行計算與關(guān)聯(lián)性挖掘操作[7-8]。Hadoop框架為用戶提供了一個通用性較強的云計算平臺,它的開源性能讓用戶輕松地進(jìn)行二次開發(fā),高效地使用分布式計算平臺,實現(xiàn)對海量數(shù)據(jù)的存儲、挖掘等操作。

該自主式實驗教學(xué)體系按照云計算SaaS、PaaS和IaaS等3個層次進(jìn)行總體架構(gòu)的劃分與構(gòu)建[9]。

SaaS層對應(yīng)云訪問層,為教師和學(xué)生用戶提供跨平臺和綜合項目的多桌面運作和實驗教學(xué)服務(wù)。用戶通過接入電腦、智能手機、云端設(shè)備等終端設(shè)備獲取虛擬化實驗環(huán)境中的多種服務(wù),以便實現(xiàn)3個階段的實驗操作。

PaaS層對應(yīng)云實驗平臺層,具有身份認(rèn)證、引擎服務(wù)、控制實驗資源和訪問、實施數(shù)據(jù)挖掘和構(gòu)建資源池等功能,為SaaS層提供技術(shù)支持。該層包括實驗教學(xué)管理平臺、相關(guān)性與數(shù)據(jù)挖掘平臺、實驗資源與代碼服務(wù)器、項目開發(fā)管理業(yè)務(wù)引擎、軟件與硬件環(huán)境服務(wù)器等。

IaaS層對應(yīng)硬件基礎(chǔ)層,是管理云平臺的物理硬件,對資源池硬件進(jìn)行虛擬化操作。該層是平臺順利運行的基礎(chǔ)。物理硬件包括服務(wù)器集群、光纖交換機、高可用存儲設(shè)備等,借助服務(wù)器虛擬化、存儲虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化等云端技術(shù),實現(xiàn)對用戶、安全、計算、存儲、監(jiān)控、項目資源及虛擬化操作的管理。

綜上所述,將自主式實驗軟件資源進(jìn)行信息化整合并傳輸?shù)皆贫朔?wù)器,為用戶提供實驗服務(wù)。該云平臺還引入了一個項目開發(fā)管理與業(yè)務(wù)服務(wù)引擎,實驗教學(xué)客戶端、各種項目開發(fā)應(yīng)用程序和開發(fā)流程管理程序均可以通過SaaS層直接接入平臺,為學(xué)生營造一個真實的工作環(huán)境。同時,該平臺借鑒了云計算中的資源虛擬化方法,將實驗所需要的硬件設(shè)備部署到云平臺上,形成硬件資源池,在資源池中的設(shè)備都以實物的方式存儲并借助網(wǎng)絡(luò)環(huán)境為用戶的申請?zhí)峁┓?wù)[10]。該硬件資源池具有良好的開發(fā)性、動態(tài)性和可伸縮性等特點,最大限度地滿足了用戶的請求。

2.3 資源調(diào)度與配置算法

該平臺的資源調(diào)度與配置算法的核心思想是:(1)根據(jù)實驗項目的具體需要以及用戶的實際情況,由用戶提出對各類資源的請求申請,將申請資源的請求上傳到負(fù)責(zé)資源請求的服務(wù)器[11]；(2)服務(wù)器接收資源請求后,調(diào)用動態(tài)資源分配算法實施資源的分配與調(diào)度；(3)由資源配置控制系統(tǒng)為用戶進(jìn)行資源配置并進(jìn)行監(jiān)督管理；(4)從資源池中調(diào)出所需資源發(fā)送給用戶[12]。至此,用戶已經(jīng)成功地獲取自己申請的資源。

2.4 數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性與數(shù)據(jù)挖掘

自主式實驗教學(xué)平臺利用Hadoop分布式框架提供的核心技術(shù)MapReduce,對收集的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性提取和數(shù)據(jù)挖掘。這樣,教師能夠掌握學(xué)生做實驗的基本情況,消除以往實驗資源由單一主體(教師)進(jìn)行設(shè)計與上傳的弊端,充分調(diào)動學(xué)生的積極性與主動性,不斷豐富實驗資料,制定更有效的、更有針對性的各個階段實驗指導(dǎo)方案。利用MapReduce技術(shù)進(jìn)行了創(chuàng)新,通過分析大量存儲數(shù)據(jù),挖掘出與實驗教學(xué)相關(guān)的數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性。

挖掘數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性操作如下。

(1) 由平臺為學(xué)生用戶提供一個上傳感興趣的實驗資料和所遇疑難問題的接口。

(2) 系統(tǒng)對于分享到平臺上的各類資源進(jìn)行分類和預(yù)處理。

(3) 利用數(shù)據(jù)挖掘算法找出數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性,啟用評價機制,可以對共享到平臺的資料進(jìn)行評價,通過評價算法對點贊率或評價留言進(jìn)行收集與處理,實施綜合計算,將評價排名靠前的資源自動納入平臺資源庫。該資源庫成為所有用戶集體建設(shè)的、實時動態(tài)完善的可擴(kuò)充性系統(tǒng)。此外,還利用了機器學(xué)習(xí)技術(shù)對學(xué)生的提問以及與教師的交流信息進(jìn)行過濾與挖掘,如果數(shù)據(jù)挖掘結(jié)果顯示同一問題被多人提問,說明這是一個難點,系統(tǒng)自動將其添加至實驗教學(xué)指導(dǎo)信息中,教師對此進(jìn)行詳細(xì)講解[13]。

(4) 更新平臺數(shù)據(jù)信息,通過Hadoop架構(gòu)提供的大數(shù)據(jù)高效存儲技術(shù)HDFS,實現(xiàn)對平臺資源信息的存儲操作,以便對后期數(shù)據(jù)挖掘與平臺改進(jìn)提供大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3 基于云平臺的自主式實驗教學(xué)體系的實踐

以軟件專業(yè)核心課程“數(shù)據(jù)庫設(shè)計與實現(xiàn)”為例。與傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式相比,基于云平臺的自主式實驗教學(xué)模式顯現(xiàn)較強的優(yōu)勢。傳統(tǒng)實驗教學(xué)僅設(shè)計9個簡單的基礎(chǔ)性實驗,只有大約60%的學(xué)生能完成5～6個實驗,約有30%的學(xué)生可以做完7～8個實驗,僅有約10%的學(xué)生能將9個實驗全部做完。然而,在自主式實驗教學(xué)模式下,幾乎100%的學(xué)生都可以將9個實驗完成,并且95%以上的學(xué)生能夠參與綜合性復(fù)雜項目的訓(xùn)練中。此外,大約有30%的學(xué)生能夠進(jìn)入真實項目的創(chuàng)新研發(fā)。從實驗完成的質(zhì)量上看,學(xué)生基礎(chǔ)實驗全部及格,其中優(yōu)秀率達(dá)到38%、良好率為55%、中等率為5.9%，及格率為1.1%。說明學(xué)生已經(jīng)較好地掌握了該課程基礎(chǔ)實驗內(nèi)容,使綜合性實驗項目有了堅實基礎(chǔ)。

例如“select語句使用”實驗,傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式是教師給定已設(shè)計好的數(shù)據(jù)庫,設(shè)定5～6個較為簡單的查詢問題,學(xué)生只要能完成實驗指導(dǎo)書的要求即可。但是對于功能強大的select語句,5～6個簡單查詢操作顯然不可能包括其所有的功能。然而在基于云平臺的自主式實驗教學(xué)模式下,學(xué)生可以自己設(shè)計數(shù)據(jù)庫、自主設(shè)定需要查詢的問題、自己規(guī)劃“select語句使用”實驗的具體內(nèi)容和實驗過程。

已有學(xué)生利用該平臺申請了虛擬SQL Server 2014集成開發(fā)環(huán)境,設(shè)計了相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)表,并根據(jù)select語句功能與實際項目需求設(shè)計了多達(dá)20個查詢問題,超出了該實驗教學(xué)大綱的要求,豐富了平臺的實驗資源。經(jīng)過學(xué)生參與擴(kuò)展的實驗平臺,更加貼近實驗教學(xué)需求,能夠更客觀地反映學(xué)生學(xué)習(xí)狀況。表2所示為兩種實驗?zāi)Ｐ拖戮毩?xí)select語句查詢功能所設(shè)計問題數(shù)量的對比。

表2 “select語句使用”實驗數(shù)量比較 個

4 結(jié)語

為了培養(yǎng)軟件專業(yè)的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)型人才,借助當(dāng)今先進(jìn)、成熟的云計算技術(shù)和自主式實驗教學(xué)體系,可以讓實驗教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生實驗技能和創(chuàng)新能力方面發(fā)揮更大的作用。對于已經(jīng)投入使用的基于云平臺的實驗教學(xué)體系,還要從深度和廣度兩方面不端延伸與拓展,滿足實驗教學(xué)的新需求,從平臺資源的多樣式與綜合性等方面繼續(xù)創(chuàng)新與完善,在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)型人才培養(yǎng)中發(fā)揮更重要的作用。

References)

[1] 國務(wù)院.國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010—2020年)[EB/OL].(2010-07-29).http://www.gov.cn/jrzg/2010-07/29/content_1667143.htm.

[2] 教育部.教育部關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見[EB/OL].(2012-03-16).http://www.moe.gov.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/s7056/201301/xxgk_146673.html.

[3] 蔣玉宇.基于云平臺的O2O實驗教學(xué)體系構(gòu)建[J].實驗室研究與探索,2016,35(10):188-191.

[4] 趙敏,叢文靜,馬曉霞,等.基于自主式學(xué)習(xí)平臺的信息化導(dǎo)學(xué)模式[C]//2014年5月現(xiàn)代教育教學(xué)探索學(xué)術(shù)交流會論文集.2014.

[5] 肖英.云計算輔助教學(xué)探析[J].中外企業(yè)家,2016(34):234,271.

[6] 張璐.云服務(wù)環(huán)境下基于任務(wù)的協(xié)作學(xué)習(xí)的研究[J].電子設(shè)計工程,2012,12(1):30-33.

[7] White T.Hadoop權(quán)威指南[M].北京:清華大學(xué)出版社,2013:391-426.

[8] 劉剛.Hadoop開源云計算平臺[M].北京:北京郵電大學(xué)出版社,2011:10-13.

[9] 熊昕.創(chuàng)新型實踐教學(xué)私有云平臺的設(shè)計與研究[J].實驗室研究與探索,2016,35(5):208-212.

[10] 楊焱超.基于云計算的計算機類實驗教學(xué)平臺搭建與應(yīng)用[J].實驗技術(shù)與管理,2016,33(10):147-151.

[11] 陳全.云計算及其關(guān)鍵技術(shù)[J].計算機應(yīng)用,2009(9):2562-2567.

[12] 宋維佳.虛擬化數(shù)據(jù)中心資源調(diào)度研究[J].廣西大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2011(增刊1):967-971.

[13] 潘志宏.大數(shù)據(jù)環(huán)境下高校智慧移動學(xué)習(xí)平臺的構(gòu)建研究[J].實驗技術(shù)與管理,2017,34(4):161-163,215.