新工科背景下學(xué)術(shù)研究與工程實(shí)踐相結(jié)合的仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計方法探討

趙輝 王靜 劉剛 萬波

摘 要：新工科建設(shè)下高校課程體系和培養(yǎng)方式需要不斷提高大學(xué)生的實(shí)踐能力，培養(yǎng)大學(xué)生的工程意識和創(chuàng)新意識，進(jìn)而培養(yǎng)出符合新工科建設(shè)的畢業(yè)生。結(jié)合我國新工科建設(shè)對大學(xué)生培養(yǎng)的要求，對新工科背景下大學(xué)生仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計方法進(jìn)行了探索。將學(xué)術(shù)研究與工程實(shí)踐相結(jié)合，以學(xué)術(shù)創(chuàng)新為牽引，分析并建立數(shù)學(xué)優(yōu)化模型來解決問題，培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新意識;以工程實(shí)踐為導(dǎo)向，運(yùn)用所學(xué)的專業(yè)技術(shù)知識和非技術(shù)工程知識，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的仿真實(shí)驗(yàn)，鍛煉大學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞：新工科; 學(xué)術(shù)研究; 工程實(shí)踐; 仿真實(shí)驗(yàn)

中圖分類號：G642.0? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? 文章編號：1006-3315（2020）11-113-002

1.引言

新工科建設(shè)是應(yīng)對新經(jīng)濟(jì)的挑戰(zhàn)，從服務(wù)國家戰(zhàn)略、滿足產(chǎn)業(yè)需求和面向未來發(fā)展的高度，提出的一項(xiàng)持續(xù)深化工程教育改革的重大行動計劃，其目的是要求工科畢業(yè)生能夠適應(yīng)、支撐、引領(lǐng)新經(jīng)濟(jì)、新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)、新商業(yè)模式的發(fā)展，培養(yǎng)復(fù)合型人才和解決復(fù)雜工程問題能力的大學(xué)生，從而滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要[1，2]。新工科建設(shè)下的高校課程體系和培養(yǎng)方式需要不斷提高大學(xué)生的實(shí)踐能力，培養(yǎng)大學(xué)生的工程意識和創(chuàng)新意識，進(jìn)而培養(yǎng)出符合新工科建設(shè)的畢業(yè)生。

以計算機(jī)學(xué)科為例來說，新工科背景下計算機(jī)通識性課程和程序設(shè)計類課程建設(shè)都面臨著教學(xué)改革的要求[3，4]。尤其在當(dāng)今云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能時代，云計算技術(shù)為大數(shù)據(jù)應(yīng)用、人工智能應(yīng)用等提供基礎(chǔ)計算平臺，計算機(jī)學(xué)科面臨著創(chuàng)新和實(shí)踐互相促進(jìn)的迫切需求[5]。一方面，基于云計算平臺的學(xué)術(shù)創(chuàng)新層出不窮，引領(lǐng)著國內(nèi)外的科技不斷創(chuàng)新;另一方面，云平臺的建設(shè)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，對于高校計算機(jī)學(xué)科及相近學(xué)科的大學(xué)生來說，更應(yīng)該熟悉并掌握云平臺的技術(shù)架構(gòu)、運(yùn)維管理、商業(yè)模式等，提高基于云平臺的實(shí)踐能力，在云計算工程應(yīng)用的基礎(chǔ)上提出學(xué)術(shù)創(chuàng)新，從而解決新時代面臨的基于云平臺的新的復(fù)雜工程問題。

然而，由于各種不確定因素，讓大學(xué)生直接在一個真實(shí)的云平臺上進(jìn)行操作或?qū)嶒?yàn)會帶來很多意想不到的問題。因此，如何在有效的成本投入下，讓計算機(jī)及相近專業(yè)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)跟上新時代的步伐，滿足大學(xué)生對云計算技術(shù)與服務(wù)的個性化設(shè)計，以學(xué)術(shù)創(chuàng)新為牽引，以工程實(shí)踐為導(dǎo)向，使大學(xué)生能夠運(yùn)用所學(xué)的專業(yè)技術(shù)知識和非技術(shù)工程知識，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)對云計算技術(shù)的仿真實(shí)驗(yàn)，縮短實(shí)驗(yàn)時間和降低實(shí)驗(yàn)費(fèi)用，減少實(shí)際運(yùn)行環(huán)境等因素對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，將大學(xué)生的學(xué)術(shù)研究與工程實(shí)踐相結(jié)合，是計算機(jī)學(xué)科及相近學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要關(guān)注的一個問題。

2.學(xué)術(shù)研究與工程實(shí)踐相結(jié)合的云仿真實(shí)驗(yàn)

2.1云仿真實(shí)驗(yàn)背景與意義

對于計算機(jī)學(xué)科的大學(xué)生來說，軟件開發(fā)的工程實(shí)踐是十分重要的鍛煉手段，其實(shí)踐性很強(qiáng)，與各種主要的程序設(shè)計語言、軟件體系架構(gòu)、軟件工程等密切相關(guān)。在以往的培養(yǎng)方案中，往往偏重于對專業(yè)技術(shù)知識的教授，培養(yǎng)的畢業(yè)生都擁有一定的專業(yè)技術(shù)知識，但缺乏相應(yīng)的創(chuàng)新意識。新工科要求的解決復(fù)雜工程問題的能力不僅僅依賴于專業(yè)技術(shù)知識，還需要將學(xué)術(shù)創(chuàng)新能力與工程實(shí)踐能力相融合。將云計算學(xué)術(shù)研究與軟件工程實(shí)踐相結(jié)合，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的云仿真實(shí)驗(yàn)，一方面，可以讓大學(xué)生了解并深入云計算相關(guān)技術(shù)前沿，培養(yǎng)大學(xué)生的學(xué)術(shù)創(chuàng)新意識;另一方面，有助于提高大學(xué)生編程能力和動手能力，提高大學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計能力和工程實(shí)踐能力。

CloudSim[6]是一個以面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計技術(shù)設(shè)計的、Java語言編寫的開源云計算仿真平臺軟件，能夠支持云平臺的組件級建模和行為級建模，例如數(shù)據(jù)中心管理、資源管理、虛擬機(jī)管理、任務(wù)調(diào)度等。CloudSim功能完備，擴(kuò)展靈活，許多研究人員都基于CloudSim來完成云計算相關(guān)的仿真實(shí)驗(yàn)。以工程實(shí)踐為導(dǎo)向，讓大學(xué)生完成基于CloudSim的仿真實(shí)驗(yàn)，入門相對簡單，工程量適中，靈活性較強(qiáng)，可以設(shè)計不同的仿真實(shí)驗(yàn)，有助于培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新意識，鍛煉大學(xué)生的開發(fā)實(shí)踐能力等。

本實(shí)驗(yàn)根據(jù)計算機(jī)及相近專業(yè)的課程安排，結(jié)合相關(guān)課程的專業(yè)技術(shù)知識和非技術(shù)工程知識，如Java程序設(shè)計、面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計、軟件工程及工程概論等課程知識，基于CloudSim云計算仿真實(shí)驗(yàn)平臺，采用開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)。一方面，通過繼承、重載等面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計技術(shù)對CloudSim進(jìn)行二次開發(fā)，擴(kuò)展原有的模塊和類，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)算法，完成仿真實(shí)驗(yàn)，有助于提高計算機(jī)及相近專業(yè)大學(xué)生的編程實(shí)踐能力，加深對專業(yè)技術(shù)知識的理解。另一方面，以工程實(shí)踐為導(dǎo)向，將仿真實(shí)驗(yàn)當(dāng)成一個具體的軟件項(xiàng)目，在仿真設(shè)計及仿真編碼實(shí)現(xiàn)過程中可以實(shí)踐軟件工程項(xiàng)目具體活動，如軟件需求分析、軟件設(shè)計、軟件測試等，有利于加強(qiáng)計算機(jī)及相近專業(yè)大學(xué)生的工程實(shí)踐能力，在實(shí)踐中更容易理解專業(yè)技術(shù)知識和非技術(shù)工程知識。

綜上，將學(xué)術(shù)研究與工程實(shí)踐相結(jié)合，開展基于CloudSim的云仿真實(shí)驗(yàn)，其意義有：一、能夠結(jié)合計算機(jī)相關(guān)學(xué)科的專業(yè)特色，實(shí)踐Java程序設(shè)計、面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計等課程專業(yè)技術(shù)知識，有助于提高大學(xué)生編程能力和動手能力，加深大學(xué)生對Java程序設(shè)計和面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計等專業(yè)技術(shù)知識的理解;二、結(jié)合云計算、人工智能等高新技術(shù)應(yīng)用，以學(xué)術(shù)研究為牽引，建立數(shù)學(xué)優(yōu)化模型，并采用智能化算法如遺傳算法、蟻群算法等求解，培養(yǎng)本科生的學(xué)術(shù)創(chuàng)新意識;三、以工程實(shí)踐為導(dǎo)向，結(jié)合軟件工程和IT項(xiàng)目管理等課程非技術(shù)工程知識，實(shí)踐軟件開發(fā)過程和IT項(xiàng)目管理活動，有利于提高大學(xué)生對軟件工程和IT項(xiàng)目管理的認(rèn)識和理解。

2.2云仿真實(shí)驗(yàn)主要內(nèi)容

基于CloudSim云計算仿真平臺，開展學(xué)術(shù)研究與工程實(shí)踐相結(jié)合的云仿真實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要分為如下兩個階段。

第一階段：對CloudSim功能簡單擴(kuò)展，通過繼承等面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計技術(shù)擴(kuò)展CloudSim現(xiàn)有模塊和類，設(shè)計基于CloudSim的虛擬機(jī)管理、任務(wù)調(diào)度等仿真實(shí)驗(yàn)，具體內(nèi)容如下：

（1）結(jié)合Java程序設(shè)計、面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計等課程專業(yè)技術(shù)知識，通讀CloudSim仿真平臺源碼，理解CloudSim各個模塊和類的關(guān)系，為仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)做準(zhǔn)備;（2）調(diào)研云計算等研究現(xiàn)狀，并分析其存在的問題，以學(xué)術(shù)創(chuàng)新為牽引，建立數(shù)學(xué)優(yōu)化模型，改進(jìn)現(xiàn)有云計算資源管理與調(diào)度方法，設(shè)計求解算法和仿真實(shí)驗(yàn)，指導(dǎo)編碼實(shí)現(xiàn);（3）結(jié)合軟件工程等課程專業(yè)技術(shù)知識和工程概論IT項(xiàng)目管理等課程非技術(shù)工程知識，以一個具體的仿真實(shí)驗(yàn)為案例，制定仿真實(shí)驗(yàn)涉及到的軟件開發(fā)過程，如軟件設(shè)計、軟件測試等，以及項(xiàng)目過程管理計劃，如范圍管理、時間管理及質(zhì)量管理等。

第二階段：目前CloudSim僅支持單CPU架構(gòu)的虛擬機(jī)仿真等，面對大數(shù)據(jù)處理、人工智能深度學(xué)習(xí)等海量計算時還需要其他異構(gòu)計算資源如GPU的支持。因此，需要對CloudSim進(jìn)行深度開發(fā)，增加GPU等異構(gòu)計算資源的模擬仿真功能，再針對計算機(jī)專業(yè)及其它相近專業(yè)的大學(xué)生，設(shè)計異構(gòu)計算環(huán)境下基于CloudSim仿真實(shí)驗(yàn)，具體內(nèi)容如下：（1）進(jìn)一步深化Java程序設(shè)計、面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計等課程專業(yè)技術(shù)知識理解，擴(kuò)展CloudSim功能，增加GPU功能模塊，使之能夠支持異構(gòu)計算資源的模擬仿真等;（2）調(diào)研CPU/GPU異構(gòu)云平臺等研究現(xiàn)狀，并分析CPU/GPU異構(gòu)云平臺資源管理與調(diào)度存在的問題，以學(xué)術(shù)創(chuàng)新為牽引，建立數(shù)學(xué)優(yōu)化模型，面向CPU/GPU異構(gòu)云平臺改進(jìn)現(xiàn)有云計算資源管理與調(diào)度方法，設(shè)計求解算法和仿真實(shí)驗(yàn)，指導(dǎo)編碼實(shí)現(xiàn);（3）結(jié)合軟件工程等課程專業(yè)技術(shù)知識和工程概論IT項(xiàng)目管理等課程非技術(shù)工程知識，以一個具體的仿真實(shí)驗(yàn)為案例，制定仿真實(shí)驗(yàn)涉及到的軟件開發(fā)過程，如軟件設(shè)計、軟件測試等，以及項(xiàng)目過程管理計劃，如范圍管理、時間管理及質(zhì)量管理等。

2.3云仿真實(shí)驗(yàn)主要特色

本實(shí)驗(yàn)的主要特色是：利用大學(xué)生的“理論知識+編程實(shí)踐+科學(xué)研究”能力完成仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)，具體包括：（1）理論知識：通過對CloudSim源碼的研讀，使大學(xué)生對Java程序設(shè)計、面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計、軟件工程等專業(yè)技術(shù)知識有更深入的理解;在仿真實(shí)驗(yàn)過程中融入項(xiàng)目管理等非技術(shù)工程知識，加強(qiáng)大學(xué)生的工程意識和對項(xiàng)目管理的理解。（2）編程實(shí)踐：采用Java語言和面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計技術(shù)對CloudSim進(jìn)行二次開發(fā)及深度開發(fā)，擴(kuò)展相關(guān)模塊和類，擴(kuò)展CloudSim功能，提高大學(xué)生的編程能力和面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計的能力;融合軟件工程和項(xiàng)目管理等課程專業(yè)技術(shù)知識非技術(shù)工程知識，鍛煉大學(xué)生解決實(shí)際工程問題的實(shí)踐能力。（3）科學(xué)研究：通過閱讀國內(nèi)外云計算、異構(gòu)計算等最新的相關(guān)文獻(xiàn)，了解云計算、異構(gòu)計算環(huán)境下的資源管理、虛擬機(jī)管理及任務(wù)調(diào)度等方面的現(xiàn)狀，豐富大學(xué)生的學(xué)術(shù)視野，同時分析領(lǐng)域內(nèi)存在的問題，提出解決問題的方法，為大四本科生畢業(yè)設(shè)計或繼續(xù)讀研深造打基礎(chǔ)。

3.結(jié)束語

新工科建設(shè)背景下，對高校大學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力的培養(yǎng)提出了新的要求。將學(xué)術(shù)研究與工程實(shí)踐相結(jié)合，開展基于CloudSim的云仿真實(shí)驗(yàn)，對于大學(xué)生來說，有助于大學(xué)生貫穿本科階段所學(xué)知識，加深大學(xué)生對軟件工程和項(xiàng)目管理的理解，提高大學(xué)生編程能力和解決工程問題的實(shí)踐能力，豐富大學(xué)生的學(xué)術(shù)視野，初步培養(yǎng)大學(xué)生的學(xué)術(shù)科研能力。對于高校教師來說，有利于教學(xué)與科研相互促進(jìn)，科研反哺教學(xué)，為教師提供更好的教學(xué)實(shí)驗(yàn)案例。

西安電子科技大學(xué)2019教改新實(shí)驗(yàn)開發(fā)重點(diǎn)項(xiàng)目。

參考文獻(xiàn)：

[1]廖莎莎.“新工科”背景下的高校計算機(jī)基礎(chǔ)教育改革研究[J]科學(xué)大眾·科學(xué)教育，2019（05）：134-135

[2]王穎，陳偉，林琢.“新工科”背景下應(yīng)用型本科院校復(fù)合型人才培養(yǎng)探索與研究[J]科學(xué)大眾·科學(xué)教育，2018（11）：155+177

[3]伍李春，李廉.新工科背景下的計算機(jī)通識性課程建設(shè)[J]中國大學(xué)教學(xué)，2017（12）：62-69

[4]于莉莉，蘇曉光，李晶.新工科背景下計算機(jī)程序設(shè)計類課程案例教學(xué)改革研究[J]電腦知識與技術(shù)，2018，14（15）：158-159

[5]李貴洋，李曉寧，郭濤.新工科背景下計算機(jī)專業(yè)新生工程教育與創(chuàng)新素質(zhì)培養(yǎng)的改革與實(shí)踐[J]成都中醫(yī)藥大學(xué)學(xué)報（教育科學(xué)版），2019，21（03）：41-44

[6]CloudSim[DL]http：//www.cloudbus.org/cloudsim/