淺談STEM課程網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)的構(gòu)建與應(yīng)用

楊瀚盛

【摘要】STEM是科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)四門學(xué)科英文首字母的縮寫，STEM課程往往涉及的知識(shí)點(diǎn)多，知識(shí)面廣，需要多學(xué)科知識(shí)的綜合運(yùn)用，因此，STEM課程的開(kāi)展并不容易。本文將根據(jù)作者在STEM課程開(kāi)發(fā)與實(shí)施中的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，淺析如何有針對(duì)性地通過(guò)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)，為學(xué)生構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)環(huán)境，運(yùn)用現(xiàn)代化、信息化的手段輔助教師更高效地開(kāi)展STEM課程。

【關(guān)鍵詞】STEM;網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái);Python;JupyterHub; Moodle

【中圖分類號(hào)】G632.4?【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】1992-7711（2020）24-043-02

一、平臺(tái)應(yīng)用的背景

2019年，我校承擔(dān)的十三五廣州市教育科學(xué)規(guī)劃課題《基于OpenMV的AI特色STEM課程開(kāi)發(fā)與實(shí)施研究》順利開(kāi)題，并馬上投入到課題的研究工作中。課題中所使用的OpenMV是一套開(kāi)源的、基于Python的嵌入式計(jì)算機(jī)視覺(jué)架構(gòu)，它最大的特色是在主板上提供了一個(gè)攝像頭，并封裝了大量計(jì)算機(jī)視覺(jué)算法，學(xué)生只需要用Python語(yǔ)言編程調(diào)用視覺(jué)庫(kù)函數(shù)，再結(jié)合一些硬件便能開(kāi)發(fā)出諸如追球小車、二維碼識(shí)別器，甚至物品分揀機(jī)器人等具有人工智能特色的創(chuàng)意小制作。這些小制作對(duì)中學(xué)生而言是相當(dāng)有趣且極具吸引力的，以至于我們?cè)谡n堂上展示這些作品時(shí)，學(xué)生都興奮不已，無(wú)不踴躍報(bào)名參加這門校本課程。

最初，我們的設(shè)想是開(kāi)發(fā)一門有趣的AI特色STEM課程，讓學(xué)生在“做中學(xué)”、“玩中學(xué)”，學(xué)生“玩著玩著”就能學(xué)會(huì)Python、人工智能、OpenMV……但是，隨著課程實(shí)施的不斷深入，這門課程卻變得越來(lái)越“看著好玩，做起好難”。我們分析主要存在兩大主因：

1.雖然Python語(yǔ)言被譽(yù)為一門易學(xué)的語(yǔ)言，但是語(yǔ)言的學(xué)習(xí)畢竟有難度，學(xué)生普遍覺(jué)得Python“不好玩”。但是，Python是基礎(chǔ)，程序設(shè)計(jì)貫穿整個(gè)課程，Python沒(méi)學(xué)好，后面 “好玩”的人工智能、OpenMV根本“玩不動(dòng)”。

2.課程涉及知識(shí)點(diǎn)多，知識(shí)面廣，然而，校本課程每周只有一個(gè)課時(shí)，學(xué)生對(duì)知識(shí)的遺忘率高，教師每節(jié)課都必須花費(fèi)大量時(shí)間用于知識(shí)溫故，課堂效率低下。

為此，我們發(fā)揮信息技術(shù)教師的優(yōu)勢(shì)，有針對(duì)性地為本STEM校本課程構(gòu)建了以JupyterHub多用戶在線Python開(kāi)發(fā)環(huán)境和Moodle課程管理系統(tǒng)為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)，運(yùn)用現(xiàn)代化、信息化手段解決了上述兩大難道，為課題的研究鋪平了技術(shù)上的道路。

二、操作系統(tǒng)的選擇與部署

由于學(xué)校經(jīng)費(fèi)的限制，學(xué)習(xí)平臺(tái)以免費(fèi)的Proxmox VE（下稱PVE）和Ubuntu系統(tǒng)為基礎(chǔ)進(jìn)行構(gòu)建。PVE的作用有點(diǎn)類似于VMware的ESXi，它是一個(gè)開(kāi)源的企業(yè)級(jí)虛擬化平臺(tái)，與ESXi相比，PVE是全免費(fèi)的，使用也非常方便，可以用web管理虛擬機(jī)。PVE的部署更是采用了“傻瓜式”的安裝方法，只需在官網(wǎng)（www.proxmox.com）下載ISO鏡像文件，刻錄成光盤后在服務(wù)器上按提示進(jìn)行安裝，如果沒(méi)有特殊要求，一直 “下一步”直至完成即可。

操作系統(tǒng)我們選用著名的Ubuntu，因?yàn)槭怯米鞣?wù)器的，所以選擇它的Server版本。有了PVE虛擬化平臺(tái)和Ubuntu操作系統(tǒng)，接著需要在PVE上部署Ubuntu，首先網(wǎng)頁(yè)登錄PVE，通過(guò)web上傳Ubuntu鏡像文件到PVE服務(wù)器，然后點(diǎn)擊“創(chuàng)建虛擬機(jī)”按鈕創(chuàng)建臺(tái)虛擬機(jī)，按提示配置CPU、內(nèi)存、硬盤、網(wǎng)絡(luò)等虛擬機(jī)硬件，接著啟動(dòng)虛擬機(jī)，安裝Ubuntu，因?yàn)閁buntu是非常普及的Linux發(fā)行版，所以，它的安裝方法不再過(guò)多贅述。另外，因?yàn)槲覀兊木W(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)使用了2套開(kāi)源軟件系統(tǒng)，為了方便管理，我們?cè)赑VE上分別創(chuàng)建2臺(tái)Ubuntu虛擬機(jī)，部署完成效果如圖一。

三、學(xué)習(xí)平臺(tái)的構(gòu)建和應(yīng)用

1.JupyterHub多用戶在線Python開(kāi)發(fā)環(huán)境

1.1、JupyterHub讓Python編程變得更輕松

按照官方的說(shuō)法，JupyterHub其實(shí)就是Jupyter Nootbook的多用戶版本，而Jupyter Notebook 則是一個(gè)以網(wǎng)頁(yè)為基礎(chǔ)的交互式計(jì)算環(huán)境，可以創(chuàng)建Jupyter文檔，支持如Python、C/C++等多種語(yǔ)言。與傳統(tǒng)的Python IDE或者PyCharm等開(kāi)發(fā)環(huán)境相比較，Jupyter支持實(shí)時(shí)代碼、可視化和 Markdown，正是因?yàn)樯鲜?點(diǎn)，我們選擇使用Jupyter作為學(xué)生學(xué)習(xí)Python語(yǔ)言的首選學(xué)習(xí)平臺(tái)。

首先，是實(shí)時(shí)代碼與可視化，它讓學(xué)生在學(xué)習(xí)之初對(duì)語(yǔ)言還不熟悉時(shí)，能夠把程序進(jìn)行分解，就像程序調(diào)試時(shí)單步執(zhí)行一樣，逐條語(yǔ)句執(zhí)行并觀察運(yùn)行結(jié)果，且運(yùn)行結(jié)果能即時(shí)在相應(yīng)代碼下方展示。這種所見(jiàn)即所得的開(kāi)發(fā)環(huán)境讓學(xué)習(xí)變得非常直觀、容易，每條語(yǔ)句的作用也一目了然，語(yǔ)言的學(xué)習(xí)變得更加輕松，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性也隨之上來(lái)，慢慢覺(jué)得原來(lái)Python也“挺好玩的”。

其次，JupyterHub允許教師在Notebook文檔中加入Markdown標(biāo)記語(yǔ)言，而這正是Notebook的精髓。用Jupyter編寫的文檔不再是只有枯燥的代碼或者呆板的注釋，它允許教師輕松地加入圖片、注解、鏈接、指引……，當(dāng)然還有代碼，讓文檔變成一個(gè)交互性很強(qiáng)的教學(xué)課件（見(jiàn)圖二）。教師只需把文檔分發(fā)給學(xué)生，學(xué)生即能按照自己的進(jìn)度學(xué)習(xí)、編寫、運(yùn)行代碼，實(shí)時(shí)查看結(jié)果，降低了學(xué)習(xí)難度，另外，Jupyter文檔也可以作為自主學(xué)習(xí)的材料和復(fù)習(xí)的資料，當(dāng)學(xué)生對(duì)某個(gè)知識(shí)點(diǎn)有所遺忘時(shí)，他們可以自行查看文檔自主學(xué)習(xí)，提高了學(xué)習(xí)效率，解決了課堂效率低下的問(wèn)題。

1.2構(gòu)建JupyterHub平臺(tái)

JupyterHub可以作為Python語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)環(huán)境，同時(shí)，它也需要Python的支持，所以，安裝JupyterHub必須先安裝Python。另外，為了方便管理Python環(huán)境，我們選擇使用Conda而非直接安裝Python，Conda 是一個(gè)為 Python 程序創(chuàng)建的、開(kāi)源的軟件包管理系統(tǒng)和環(huán)境管理系統(tǒng)，使用Conda能夠更容易管理Python包和環(huán)境。另一個(gè)使用Conda的好處是JupyterHub所需要依賴的nodejs和npm均已包含在Conda中，不需要再單獨(dú)安裝。平臺(tái)構(gòu)建步驟如下：

首先，安裝Conda，進(jìn)入U(xiǎn)buntu虛擬機(jī)，使用wget下載conda安裝包，安裝包地址可以在官網(wǎng)找到或者使用清華源速度更快。Conda安裝包是以腳本形式發(fā)布的，下載完成后修改腳本文件權(quán)限為可執(zhí)行并使用bash安裝文件。安裝完成后把Conda路徑：export PATH="/root/anaconda3/bin：$PATH"加入. bashrc文件中并更新一下.bashrc.

接著，創(chuàng)建Python環(huán)境，JupyterHub不需要其它包的支持，安裝Python3.x即可：conda create -n JupyterHub python=3.7，完成后激活環(huán)境：conda activate JupyterHub.

最后，安裝并運(yùn)行JupyterHub：

①conda install -c conda-forge jupyterhub

②conda install notebook

③也可以使用Jupyter Lab：conda install jupyterlab

④運(yùn)行JupyterHub：jupyterhub[1]

2.Moodle課程管理系統(tǒng)

2.1 Moodle助力提升STEM課堂效率

Moodle是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)該最廣泛的免費(fèi)開(kāi)源在線課程管理系統(tǒng)之一。教師可以借助Moodle發(fā)布課程內(nèi)容，如：教學(xué)課件、文件資源、網(wǎng)站鏈接、微課視頻等，并創(chuàng)建課程活動(dòng)，如：作業(yè)、測(cè)驗(yàn)、資源、論壇、投票、問(wèn)卷調(diào)查等（見(jiàn)圖三）。Moodle為學(xué)生提供了一個(gè)自主學(xué)習(xí)的平臺(tái)，通過(guò)豐富的課程內(nèi)容與課程活動(dòng)，讓學(xué)生更快地進(jìn)入課堂角色，同時(shí)，Moodle課程活動(dòng)的應(yīng)用使得學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程得以記錄與保留，這些活動(dòng)的痕跡就像一本STEM課程的“筆記本”，當(dāng)學(xué)生對(duì)某個(gè)知識(shí)點(diǎn)有所遺忘時(shí)，他們可以隨時(shí)、隨地通過(guò)翻查“筆記本”自主解決，大大提高了課堂學(xué)習(xí)效率。另外，Moodle強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)過(guò)程中學(xué)生的互動(dòng)、交流與協(xié)作，要求生生之間、師生之間共同探索，合作解決問(wèn)題，這個(gè)與STEM教育理念不謀而合。

2.2 Moodle平臺(tái)的部署

Moodle的安裝依賴于LAMP（Linux + Apache + MySQL + PHP），然而，手動(dòng)搭建Apache + MySQL + PHP比較麻煩，因此，為了更方便地安裝和管理LAMP，我們采用了寶塔Linux面板。寶塔Linux面板是一款提升運(yùn)維效率的服務(wù)器管理軟件，支持一鍵LAMP、集群、監(jiān)控、網(wǎng)站、FTP、數(shù)據(jù)庫(kù)等100多項(xiàng)服務(wù)器管理功能。具體部署方法如下：

首先，安裝寶塔Linux面板，進(jìn)入U(xiǎn)buntu虛擬機(jī)，寶塔Linux面板的安裝極其簡(jiǎn)單，只需在命令行輸入wget -O install.sh http：//download.bt.cn/install/install-ubuntu_6.0.sh && sudo bash install.sh即可。安裝過(guò)程一般耗時(shí)較長(zhǎng)，安裝完成后系統(tǒng)會(huì)顯示面板登錄的網(wǎng)址、用戶名及密碼信息，打開(kāi)瀏覽器，輸入以上信息登錄寶塔Linux面板，首次登錄會(huì)提示一鍵安裝LAMP，里面的軟件都要安裝，軟件版本盡量選擇新一點(diǎn)的即可。

LAMP安裝完成后，側(cè)邊欄點(diǎn)擊“網(wǎng)站”，在網(wǎng)站管理面板點(diǎn)擊“添加站點(diǎn)”按鈕，按提示輸入域名，如沒(méi)有域名可輸入服務(wù)器IP地址，根目錄可用默認(rèn)目錄，按提示創(chuàng)建FTP方便Moodle安裝包上傳，創(chuàng)建MySQL，并設(shè)置用戶名、密碼，提交后設(shè)置網(wǎng)站目錄去掉“防跨站攻擊”選項(xiàng)。然后，在Moodle官網(wǎng)下載zip格式安裝包到本地，通過(guò)FTP上傳到寶塔Linux面板網(wǎng)站根目錄，打開(kāi)寶塔Linux面板網(wǎng)頁(yè)，側(cè)邊欄點(diǎn)擊“文件”，找到剛上傳的Moodle安裝包，選擇解壓縮。找到“/www/wwwroot”目錄，設(shè)置權(quán)限為所有者可讀、寫、執(zhí)行。

瀏覽器輸入剛添加站點(diǎn)的域名或者IP，開(kāi)始Moodle引導(dǎo)安裝，選擇語(yǔ)言后點(diǎn)擊“向后”按鈕，文件夾默認(rèn)使用設(shè)置即可，數(shù)據(jù)庫(kù)使用添加站點(diǎn)時(shí)設(shè)置的用戶名、密碼，點(diǎn)擊“向后”，然后選擇“安裝”，Moodle即可自動(dòng)安裝。

四、平臺(tái)的不足與改進(jìn)

JupyterHub+Moodle網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)在我校運(yùn)作已有一年時(shí)間，為我校STEM課程的順利開(kāi)展提供了有力的保障。但是，隨著平臺(tái)、系統(tǒng)的不斷增多，使用每個(gè)系統(tǒng)均需重復(fù)輸入登錄信息，這樣的用戶體驗(yàn)不夠友好。因此，下一步我們將搭建OpenLDAP服務(wù)器，把用戶信息統(tǒng)一管理起來(lái)，做到一次登錄即可使用多個(gè)系統(tǒng)，解決用戶體驗(yàn)差的問(wèn)題。

【參考文獻(xiàn)】

[1]Jupyter.How to install JupyterHub[EB/OL].https：//github.com/jupyterhub/jupyterhub，2019.

[2]張爽.基于Moodle平臺(tái)的項(xiàng)目化教學(xué)研究[J].軟件導(dǎo)刊，2014，13（12）：180-182.