云計算環境下空間數據庫實驗教學改革研究

何珍文 鄭祖芳 田宜平 邵玉詳 王媛妮 劉遠興

摘要：空間數據庫實驗教學涉及的數據種類繁多、軟件環境配置繁瑣、評價考核困難。由于傳統機房管理模式的限制，上述問題更為突出。以我校空間信息與數字技術專業教學實驗室建設為例，采用云計算技術對傳統機房進行改造升級，研究構建適應基于云計算環境的空間數據庫實驗教學模式，提出基于測試驅動的空間數據庫實驗教學方法。實踐表明，該方法可有效提升空間數據庫實驗教學效率和教學質量。

關鍵詞：云計算；空間數據庫；實驗教學；教學改革

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）06-0086-03

1引言

云計算（cloud computing）和大數據技術是全球新一輪IT革命最重要的標志性創新，已經成為引領未來信息產業乃至整個經濟社會創新發展的戰略性關鍵技術和基礎性創新平臺，它對于我們帶來的機遇和挑戰也是全面的。國內外越來越多的學校、教育機構都在大力構建“云”機房，把教學資源或信息處理遷移到云環境。云計算輔助教學的核心是促進低碳型教育的社會化服務和協作學習的理念，將帶來教育在環境建設、資源建設、教學方式方面的諸多變化，也給高校教育信息化的建設帶來了新契機。目前，中國地質大學（武漢）空間信息與數字技術專業開展了專業機房升級改造以及相關創新科研、教學項目的研究，旨在優化利用云計算環境，對該專業的實驗環境、教學資源，以及實驗教學模式進行創新與實踐，推動該專業相關課程的實驗教學改革，培養學生的創新精神與實踐能力，以適應高校教育信息化發展的新形勢要求。

2云環境下的專業實驗教學模式改革

云計算是基于互聯網的相關服務的增加、使用和交付模式，通常涉及通過互聯網來提供動態易擴展且經常是虛擬化的資源。云環境是云計算環境的簡稱，包括構建云平臺的軟硬件平臺和終端設備。用戶在個人電腦、手機等終端設備登錄到云端，運行在互聯網上大規模的云計算提供服務器集群中的應用程序，用戶所處理的數據也并不存儲在本地，而是保存在互聯網上云計算服務商提供的數據庫中心里。用戶可以在任何時間、任何地點，用任何可以連接至互聯網的終端設備訪問這些服務即可。這一特性為實驗教學提供了隨時隨地地可訪問性，在一定程度上消除了上課地點和上課時間的限制；從技術層面提供了學生自主安排學習任務的可能性。

為了適應教學、科研的時效性和計算機技術的飛速發展，實驗機房往往需要不斷進行設備更新升級，造成軟硬件建設和維護成本不斷上升。此外，之前的教學機房由于設備固定，遠程訪問性差，主要供學生上課期間使用，不利于教師遠程使用，教師無法利用實際的實驗教學環境開展教學、科研創新項目的研究，需要更先進的實踐環境和計算資源，這些都是我校空間信息與數字技術專業教學實驗室建設中迫切需要解決的問題。以空間信息與數字技術專業教學實驗室建設為例，采用云計算技術進行實驗機房升級改建與教學模式改革，主要有以下幾個方面的優勢：

首先，優化了專業實驗教學環境，提高了資源使用效率。云計算環境采用虛擬化技術提供計算、存儲、平臺和服務等各種資源，可以有效支持用戶共享軟硬件資源。云計算環境下軟件也呈現出網絡化、服務化、虛擬化和集成化趨勢，適合設備的多樣性、用戶需求的個性化，滿足了專業實驗教學的需求，有利于為專業教學、科研提供優質的環境、資源和服務，有助于打造專業教學“云”環境。對實驗室管理員而言，云環境下的實驗機房可以通過虛擬機模板和虛擬機部署軟件遠程快速部署和重構實驗環境；也可以根據不同實驗需要的計算資源量的不同，動態調整計算資源分配，實現計算資源的充分利用。對于實驗課程教師而言，可以遠程上傳教案、作業等資源，也可以在本地構建虛擬機，配置本課程所需軟件環境，通過VMWare等軟件導出OVF虛擬機文件，交給實驗室管理員直接部署到云平臺上供學生使用。我們利用云計算優勢，優化專業實驗教學環境并部署在“云”環境上，打破現有實驗條件和環境的限制，為解決當前實驗資源不足且利用不充分等問題提供了一種可行的解決方案。

其次，提升了實驗設備的可擴展性，節省了專業實驗室建設與維護成本。空間信息與數字技術的專業教學實習采用的軟件多是大型軟件，如Oracle數據庫系統、ArcGIS地理信息系統、Visual Studio 2017 Community，JetBrains IdeaC等編程工具軟件、ENVI等圖像處理軟件、QuantyView等三維地學信息系統軟件等，這些軟件有的對計算機內存和CPU要求很高，如Ora-cle 12c、JetBrains IdeaC等需要Java虛擬機支持的大型軟件；有的對顯卡要求很高，如需要進行三維渲染的QuantyView和Arc-GIS等，這些軟件運行在單機上都需要很高的內存、CPU、顯卡配置。之前的空間信息與數字技術專業實驗機房，采用的都是單臺工作站的模式進行建設，成本和費用較高。云計算環境下對客戶端計算機配置要求很低，用戶將可以通過極低的成本按需從基礎設施中獲得云服務，具有低設備要求、低成本投入、可擴展性強等優勢。在專業實驗教學過程中，師生只需使用可上網的低配置計算機，通過瀏覽器或云平臺終端即可方便快捷地訪問“云”端的應用程序與服務。隨著學生人數的增加，在采用云計算技術進行機房升級改造過程中，新增了3臺云服務器和35臺低端一體機作為客戶端計算機，整合了前期購買的35臺工作站。將上述大型專業實驗軟件都安裝到云服務器，客戶端只提供云計算接入功能。后期隨著學生人數的增加，只需要購買低端一體機即可。如果服務器端存儲資源或計算資源不足，則可以直接加硬盤或CPU節點就可以方便地進行服務器端配置升級與擴展。這樣不僅節省了實驗機房建設成本，同時也提高了實驗設備的可擴展性。

3云環境下空間數據庫課程實驗教學改革

空間數據庫是空間信息與數字技術專業的主干課程之一，它以數據庫基礎理論為基礎，主要從理論和實踐的角度系統地闡述空間數據庫的基本概念、原理、方法及技術。通過本課程的學習，要求學生掌握空間數據庫的基本原理與建設方法，主要包括：空間現象抽象表達、空間數據模型、空間數據組織管理、空間數據索引技術、空間數據查詢、時態空間數據庫、空間數據共享、空間數據庫設計與建立等。經過課程學習和上機實踐訓練，使學生掌握空間數據庫的基本原理以及建立空間數據庫的技術方法，具有使用、管理以及建立空間數據庫的基本能力。該課程包含32學時的講授課時，16學時的課程附帶實驗學時，外加2周的空間數據庫課程設計實踐。從課時的安排上可以看出，該門課程非常重視學生的實際動手能力。

3.1云環境下空間數據庫實驗教學環境構建

空間數據庫實驗教學環境基于空間信息與數字技術專業改造升級后的云計算環境構建。軟件部分主要包括四個部分：

1）空間數據編輯軟件，采用ArcMap和QGIS對人庫之前的空間數據進行編輯處理。實驗數據主要從OpenStreetMap網站獲取。

21空間數據庫入庫軟件，采用ArcCatalog和Oracle公司提供的MapBuilder進行空間數據建庫與入庫。

3）空間數據庫系統采用Oracle 12c（含Oracle Spatial組件），空間數據庫服務器端的操作和程序開發采用Oracle SQLDeveloper、Navicat或Sqlplus，主要用于SQL以及PL/SQL的編程實驗。

4）數據庫應用程序開發工具軟件，主要提供高級語言如Java，C++等的數據庫應用程序開發，采用Visual Studio Commu-nity和JetBrains Idea Community。

這樣構成了空間數據庫系統從建庫、入庫、管理到空間數據庫服務器端程序開發以及客戶端應用程序開發的綜合實驗環境。其中，Oracle 12c Database位于一臺虛擬服務器上，配置有較高的CPU和內存；其他軟件則都安裝在客戶端虛擬機模板上。

為了模擬原有工作站的單機工作環境，在Oraclel2c數據庫服務器上采用可插拔數據庫（Pluggable Database）技術為每個學生構建了單獨的空間數據庫。首先，在服務器端編寫一個存儲過程，用于構建可插拔數據庫，大致實現如下：

然后，調用該存儲過程，例如：

BEGIN

CREATE_PLUGGABLE_DATABASE（′PDBORCL003′）；

END；

這樣就可以為每個學生生成一個單獨的可插拔數據庫。在創建可插拔數據庫的時候，需要根據學生人數和數據量大小預估需要使用的存儲空間。在數據量不大的情況下，每個學生預留4GB的空間即可。由于空間數據庫實驗大部分操作都轉移到了一臺虛擬的數據庫服務器上，這就要求該服務器有足夠的性能支持多名學生同時連接和操作數據集，特別是對于IO性能要求較高，在構建該虛擬服務器時要盡可能把該虛擬機的磁盤存儲采用固態高速存儲。

3.2云環境下空間數據庫實驗教學改革

從本質上講，空間數據庫是屬于信息類的課程，其課程實驗涉及實驗數據（實驗初始數據、實驗結果數據）、實驗軟件（建庫與人庫工具軟件、數據庫客戶端應用程序開發工具軟件、數據庫服務器端應用程序開發工具、數據庫系統軟件等）、實驗文檔（實驗教程、實驗講義、實驗報告）。云環境下空間數據庫實驗教學改革主要從實驗數據、實驗軟件、實驗文檔、實驗方式、考核方式等方面進行。

針對實驗數據與實驗文檔的存儲管理，采用云存儲方式實現資源共享與共建。系統為每個學生和教師分配了云存儲空間。學生可以用自己的學號登錄自己的云存儲空間，也可以訪問教師云存儲空間中的共享目錄，獲取實驗數據和文檔資料。學生的云存儲空間主要供學生自己使用，主要存儲學生自己在實驗過程中產生的中間數據和文檔。教師云存儲空間為每個專業教師也分配了云存儲空間，主要用于存儲和共享實驗教材、實驗講義和實驗初始數據，同時也提供了學生提交實驗結果和實驗報告的存儲空間。實現隨時、隨地在云環境上協作分享，達到學習資源和學習工具的“按需而用、即需即用、快速聚合”，實現最大化資源共享，更有效地支持空間數據庫實踐教學活動。

在空間數據庫這門課程持續期間，機房為每一位上課的學生建立了一個單獨的空間數據庫系統（Oracle 12c Pluggable Da-tabase）和虛擬客戶端桌面系統，學生在校園內可以在任何有網絡的地方，通過本地Navicat、Oracle SQL Developer或SQLPlus直接登錄到數據庫服務器，進行數據庫服務器端的操作與編程開發；同時學生也可以遠程登錄到虛擬桌面，進行客戶端相關軟件操作。專業教師可以遠程登錄到空間數據庫服務器端布置實驗環境，主要包含實驗數據和實驗軟件配置等。在空間數據庫實踐教學過程中大量使用了OpenStreetMap的免費數據進行教學；教師可以登錄空間數據庫服務器直接遠程下載Open-StreetMap的數據放在服務器上進行共享。實驗軟件的部署可以登錄到云服務器，構建相應的虛擬機模板，然后發布虛擬機即可。這些設備和技術為學生進行遠程實驗和教師教學提供了軟件和硬件環境，打破了傳統基于實驗室的模式局限，推動空間數據庫課程建設與教學改革，發揮了云計算環境在實驗教學中應用的優勢，提高了實驗教學效率和教學質量，培養了學生的創新精神和實踐能力。

基于上述實驗環境，我們進行了教學模式改革方面的研究。由于學生實習的空間數據庫都位于一個容器數據庫中，這為教師編程快速實習學生作業批改提供了可能性。為實現這一目標，我們提出了一種基于測試驅動的實踐教學方法。該方法的基本思想是，教師針對各個實驗的知識點，設計一系列的測試案例。測試案例調用規定的必須首先處理好的數據集、過程和函數接口。學生則按照測試案例要求的數據和功能，進行相關數據處理生成符合規則的數據集，并編程實現相關的函數接口。例如：

為了讓該測試案例能通過測試，則學生必須正確的完成以下幾個方面的事情：

1）采用IMP命令導入MVDEMO.DMP到自己對應的可插拔數據庫（假設為PDBORCL35）中；

2）編寫存儲過程或函數實現州信息的查詢；

3）編寫存儲過程或函數實現多邊形以WKT格式輸出；

4）在taskTODO函數中調用自己設計編寫的函數。

這樣學生的目標也很明確，只要完成上述四步，使得測試案例運行通過即完成了學習任務。老師也可以通過運行測試案例快速檢查學生是否完成了指定任務。

3.3云環境下空間數據庫實驗評價

云環境下的空間數據庫實驗可以有效支持學生和教師的遠程訪問與操作。教師可以遠程部署實驗環境與實驗內容；學生可以遠程連接空間數據庫進行建庫、數據入庫、空間索引創建、空間查詢訪問、空間數據庫備份等操作，還可以在本地或云端虛擬機上采用高級語言，如Java、C++等編寫空間數據庫應用程序。通過實驗任務接口設計，學生負責實現該接口，教師則可以經過簡單的Java編程調用該接口獲取學生實驗練習的結果，自動判斷學生實驗是否完成以及完成得是否正確。此外，借助網絡通信交流工具，教師可以遠程進行網上輔導和答疑，給予學生實驗評價與總結，及時反饋教學的效果，實現師生之間互動交流，同學之間互幫互學，形成良好的實驗教學與學習氛圍。

4結論

空間數據庫實驗教學由于其管理的是空間數據，涉及矢量數據、柵格數據、屬性數據、元數據等多種數據源，其數據量大、種類繁多，需要借助Oracle、Hadoop、spark、Idea、ArcGIS、QGIS、SQL Developer等多款大型軟件進行實驗，軟件環境配置非常繁瑣。由此，也帶來了考核評價困難的問題。由于傳統機房管理自動化程度不高、基本都要本地操作的管理模式的限制，使得上述問題更為突出。針對上述問題，以我校空間信息與數字技術專業教學實驗室建設實踐為例，采用云計算技術對傳統機房進行了改造升級，構建了適應基于云計算環境的空間數據庫實驗教學模式，實現了基于測試驅動的空間數據庫實驗教學方法，有效提升了空間數據庫實驗教學效率和教學質量。