彈性云服務器（ECS）在實驗課程中的應用探索
——以《工業機器人操作編程》課程為例

趙麗寧，張凱，雷安格，張建桃

（1.廣東省華僑職業技術學校，廣州510520；2.華南農業大學，廣州510642）

0 引言

發揮中等職業類院校學科優勢及強化廣東省華僑職業技術學校特色模式，在進行學科建設的時候，建設專門的工科類教學實驗室，用以培養學生的實踐動手操作能力。不同的學科、不同的課程，甚至相同的課程名稱不同的學分，都需要安裝配置不同類型不同版本的軟件，如Auto?CAD、Visual Studio、MATLAB、Robot Studio等大型平臺類軟件，然而，此類大型工程應用軟件安裝配置較為復雜，操作系統獨占性較強，多種軟件安裝后由于功能重疊、硬件資源獨占等因素易發生沖突從而導致軟件失效，因此工科類實驗室管理情況較為復雜，管理效率低下。另外，由于準入準出課程的安排設置，導致部分實驗室上半學年和下半學年實驗室占用情況完全不同，甚至有一些專業自建實驗室一段時間完全處于空閑狀態，導致實驗室資源設備浪費嚴重。為此需要探索一種新的工科類實驗課程實訓方法，提高大型實驗設備利用率，減輕管理人員勞動強度，提高教師授課效率及學生學習效率。

1 工科類實驗室管理現狀

長期以來，工科類實驗室在實際運行過程中，由于監管不到位，管理人員不重視，教師受限于實驗室硬件“老化”，學生“走過場”等形式，導致上課效果一直以來廣受詬病。為此，利用信息技術把傳統實驗室本地化教學的優勢和網絡在線實驗平臺的教學優勢結合起來，采取線上線下混合式教學的模式。實際執行過程中，應考慮使用混合式教學的基本設計思路和方法，采用基于教育大數據的精準教學評估與學習行為預測方法，指導教學實踐。

目前廣東省華僑職業技術學校實驗室管理現狀如下：

（1）采用完全本地化的集中控制實驗平臺教學模式。通過前期調研得知，目前大部分學校機房采用的也是此類方式，包括廣東省華僑職業技術學校機電專業部的2個實驗室和華南農業大學公共基礎課實驗中心，教師需要學會操作管理平臺，管理平臺對學生透明。教師授課的時候，把《工業機器人操作編程》授課PPT及所需軟件推送到學生端并自動安裝，解決了教師端授課端推送安裝問題，但針對專業大型軟件底層沖突、軟件安裝授權失效等問題難以解決，學生無意中插入U盤等引入的木馬病毒肆虐泛濫，導致管理難度極大。

（2）計算機更新成本、專業建設資金及時間成本均難以承擔。隨著硬件技術和網絡技術的發展，各種新設備、新技術層出不窮，為了適應社會的人才需求，學校開設機器人專業課程并配套實驗設備。2020年，廣東省華僑職業技術學校機電專業部的兩間計算機實驗室已進入老化期，硬件已達不到《工業機器人操作編程》教學軟件的要求，嚴重影響了實驗課程的展開。

（3）后續實驗課程評價和反饋機制不健全。學生針對《工業機器人操作編程》實驗課程的反饋，僅能通過發放問卷方式的評教反饋，但是實驗過程的邏輯性及嚴謹性，實驗最終效果分析，沒有采用科學的信息化手段及時合理反饋給教師，導致學生對實驗課的評教較差。

2 ECS在實驗課程中的特點

云計算（cloud computing）是目前較為熱門的一種商用服務模型，是一種基于互聯網的計算方式，通過這種方式，共享的軟硬件資源和信息可以按需求提供給計算機各種終端和其他設備。云服務器（elastic compute service，ECS）是云計算商業模型的一種，采用云桌面方式連接云平臺進行遠程操作。云平臺一般提供4種模式的服務：

（1）基礎設施即服務（infrastructure-as-a-ser?vice，IaaS）。遠程用戶通過Internet可以從完善的計算機基礎設施獲得服務，通常IaaS服務提供商把幾個IaaS服務進行組合，以產品目錄的形式告知IaaS使用者能夠提供何種產品服務；

（2）平臺即服務（platform-as-a-service，PaaS）。一般面向互聯網應用開發者，把端到端的分布式軟件開發、測試、部署、運行環境以及復雜的應用程序托管當作服務，依托IT基礎設施云平臺使開發者可以從復雜低效的環境搭建、配置和維護工作中解放出來，提高軟件開發的效率；

（3）軟件即服務（software-as-a-service，SaaS）。它是一種通過Internet提供軟件的模式，用戶無需購買軟件，而是向提供商租用基于Web的軟件，來管理學校教學等活動。相對于傳統的軟件，SaaS解決方案有明顯的優勢，包括較低的前期成本，便于維護，快速部署投入使用等；

（4）桌面即服務（desktop-as-a-service，DaaS）。通過云計算理念，將桌面作為服務的形式提供給最終用戶。

通過IaaS架構和桌面虛擬化技術，可以將用戶的桌面構建在IaaS架構上，通過桌面虛擬化協議，將構建在IaaS架構上的桌面分發給最終用戶。DaaS工作原理是在數據中心托管一大批運行桌面操作系統的虛擬機，并且使用某種遠程顯示協議，提供對這些虛擬機的遠程訪問，用戶無論采用何種終端，面對的都是熟悉的終端桌面。

廣東省華僑職業技術學校機電專業部實驗室作為一種工科類教學實驗平臺，不但承擔著專業實驗課程的教學，而且承擔著學生的計算機信息化實驗平臺包括計算機程序分區、格式化等通識訓練，亦包括一部分專業課程的大型專業軟件的安裝配置維護，因此只能選擇IaaS平臺作為基礎架構，可安裝Windows、Linux等操作系統，并在此基礎上安裝SQL Server、Oracle、RobotStudio、Visual C++、在線學習編程系統等平臺類軟件形成PaaS平臺，在此平臺上還可以安裝一些應用類軟件，包括Chrome及Firefox瀏覽器、WPS Office軟件、文本編輯器、開發助手類軟件等形成SaaS平臺，采用DaaS流式桌面推送給終端教師和學生，以更好的使用不同平臺的不同軟件完成課程訓練任務。廣東省華僑職業技術學校阿里公有云實驗教學平臺云服務層次結構如圖1所示。

圖1 廣東省華僑職業技術學校阿里云實驗教學平臺云服務層次結構

3 ECS在實驗課中的實施與應用探索

3.1 基于阿里云桌面的實驗室方案設計

目前，學校招收學生除了廣東省本土學生，還有一部分國外學生。另外，學校部分教師同國外學校有教學或者學術交流，在ECS選購初期，就要考慮云平臺跨境訪問的需求，重點考慮選擇帶有國際IDC加速服務的ECS作為實驗室教學搭建平臺。通過走訪調研兄弟院校如華南農業大學數學與信息學院已有云平臺建設案例，綜合考慮能爭取到的資金及后續投入，提高機房管理效率和保證數據安全性，選擇更適合的阿里云桌面方案。

實驗室終端采用舊PC安裝云桌面登陸軟件構成云終端，云終端通過網線連接到匯聚層交換機；匯聚層交換機通過光纖連接到核心路由器，最后再由核心路由器通過光纖連接到阿里云VDI服務器。云桌面實驗室方案架構設計如圖2所示。

圖2 廣東省華僑職業技術學校阿里云桌面架構設計

3.2 基于阿里云桌面的實驗課程建設方案

（1）《工業機器人操作編程》資源庫建設。《工業機器人操作編程》課程為廣東省華僑職業技術學校老牌課程，經過多年積累，包括如下眾多課程資源：①PPT課件，包括教材和參考教材的多媒體課件，教師授課課件等；②WORD文檔和PDF參考教材文檔等，包括教案，教學參考資料，教師搜集的課程案例等；③C語言和C++語言程序源碼，包括工業機器人操作編程實驗源代碼，課后習題源代碼和教師自己開發的課程源代碼等；④音頻和視頻文件，包括教師授課錄像，搜集的案例資源，國內外最新研究前沿音視頻等；⑤Flash試題庫，雖然目前Flash技術已經不再更新維護，但是因本課程試題庫建設時間較長，資源較為豐富，暫時不能完全替代，因此平臺必須能遷移運行Flash試題庫；⑥課程專業軟件。包括ABB公司的RobotStudio機器人虛擬仿真軟件，Visual C++6.0軟件開發運行C和C++源代碼，工業機器人綜合實驗平臺軟件（該平臺軟件最高只能運行于Windows 7操作系統），機器人考試系統平臺軟件。根據上述軟件特點，阿里云桌面客戶端需采用Windows 7操作系統，兼容比較老舊的軟件和實驗平臺，服務器端能同時推送文檔、流媒體音視頻等功能，采用前后端分離的混合式架構部署。

（2）實驗軟件遠程桌面流推送。《工業機器人操作編程》課程所需平臺軟件眾多，單獨流推送某個APP，會導致教學過程割裂，課程實驗效果不好，因此可以直接采用阿里云桌面的桌面推送服務，直接投射整個云桌面到客戶端。學生采用PC機、手機終端、平板電腦等手持設備，安裝阿里云桌面或者微軟遠程桌面，均可接入并流推送云桌面。根據使用效果，阿里云桌面在1080 P效果下需要保證約5 Mbps的帶寬，當帶寬低于該值的時候，整個桌面就會出現大塊的馬賽克，影響使用者體驗，瞬時突發貸款能達到9 Mbps，而微軟的遠程桌面帶寬占用，一般從普通鼠標點擊操作的40 kbps到全屏觀看流媒體視頻的20 Mbps，用戶可根據實際需求選擇，如果不觀看流媒體視頻，一般建議選擇微軟遠程桌面效果更好，占用網絡帶寬更低。

（3）《工業機器人操作編程》實驗課程評價。①從教學督導、管理人員來看，因整個實驗過程完全可控，整個實驗課程可以回放，并且可以采用阿里云提供的分析工具，橫向對比其它類似開設課程如《物聯網技術與應用》等，給出更加科學合理的建議。②從教師端來看，整個實驗課程從學生登錄、根據課程時間完成不同的實驗任務節點，學生開始任務時間、完成任務時間、完成任務率等，均可以從教師管理端直觀的顯示出來，教師可以根據每名學生的進度，有針對性的加以輔導，提高學生學習積極性。③從學生端來看，整個實驗課程只需要使用云桌面隨時隨地就可以登陸系統進行學習，教學視頻可以隨時隨地回放，實驗軟件可以隨時隨地打開電腦和手機進行操作，避免了學生需要提前預約機房，按時到機房使用，導致機房使用時間嚴重不均衡的現象，大大提高了學生的興趣，提升了學校購買大型軟件的利用率，這些效果僅僅依靠課堂的45分鐘實驗教學是遠遠達不到的。實驗課程受限于學生沒有實驗設備，一般不安排課后作業，采用阿里公有云平臺后，學生可以在課室、宿舍或者家里繼續練習，學生實驗課程任務完成度較高。④從課后評教反饋來看，以前實驗課程評教排名基本在最后幾位，導致實驗課程沒有老師愿意接手，通過采用阿里云平臺，使用現代化的信息手段，評教一躍到了中等，以后隨著云平臺的資源越來越多，基于云桌面的實驗課程設計越來越完善，相信平臺一定會讓更多學生喜歡。

4 ECS在工科類實驗課程試用效果及分析

通過在廣東省華僑職業技術學校機電專業部實驗室引入ECS及云桌面，并經過《機器人操作編程》課程一段時間的試用，學生在實驗課程中遇到的實驗室機房軟件類如操作系統類問題及網絡安全木馬病毒類問題基本消失，學生亦不再抱怨實驗運行環境如操作系統運行緩慢，軟件版本陳舊等問題，云平臺運行整體較為穩定。ECS和云桌面技術的聯合應用，能夠不受不同批次不同型號電腦的影響進行統一配置部署，可對不同的老師采用不同的虛擬實驗環境，甚至對不同的老師定制不同的軟件版本而完全不用考慮兼容性的問題，學生可以在自己的手機上隨時隨地操作使用云桌面，提高了學生學習興趣及實驗頻率。雖然在工科類實驗室建設ECS有諸多優點，但是在實際運行中亦發現存在以下問題：

（1）對帶寬及并發鏈接數要求較高。《工業機器人操作編程》課程有許多案例視頻，每虛擬桌面最少具備5 Mbps以上的穩定帶寬才能保證課程視頻全屏播放流暢，平時實例45臺，突發實例180臺客戶端若同時登錄云端，考慮部分余量，那么至少需要1 Gbps的帶寬，雖然目前機房出口帶寬為雙萬兆，但是學校出口帶寬為11 Gbps（中國電信+教育網），若同時有大量學生看網絡視頻等，易導致帶寬不足，部分學生容易登錄不上，可以考慮在后續使用中逐步擴展性能。

（2）針對某些軟件不能完全兼容。比如《工業機器人操作編程》附帶在線編程考試軟件，因需使用加密狗軟件，在分發試卷授權的時候會失敗，軟件經官方確認不能用于ECS云平臺。另外，在正常安裝好天翼云會議軟件進行在線教學時候，雙擊打開軟件失敗，界面一閃而過，軟件經官方確認后續升級解決或者暫時關閉硬件渲染功能。

（3）ECS云平臺針對一些大型3D圖形運算支持不是特別好。比如《工業機器人操作編程》課程使用3DMAX實時渲染時卡頓明顯，究其原因是，受限于采購成本，教育云平臺沒有采用帶有vGPU直通功能的高檔顯卡，導致3D性能稍顯不足，可在以后的使用當中逐步擴展。

5 結語

采用阿里公有云平臺建設實驗課程，同傳統的自建實驗機房相比，雖然有兼容性有待提高、網絡連接速率要求較高、數據流量較大等缺點，但是隨著國家網絡“提速降費”和“5G”工程實施，這些缺點都將在短時間內解決；但是云平臺具有計算和數據資源集中管理，教學系統軟件多樣化，教學軟件版本可自由更改的優點，云桌面給管理人員帶來的便捷維護手段，給教師和學生帶來多樣化的教學手段，實實在在的減少了管理人員的工作量及維護成本，提高了教師授課效率。