“云平臺＋服務”的實踐教學體系研究與應用

余宇峰， 張云飛， 鄧勁柏， 劉顏君， 余 霖

（河海大學計算機與軟件學院，南京 210098）

0 引 言

近年來，云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)等信息技術的快速發(fā)展，高校實驗教學面臨教學資源共享、實踐教學服務能力提升等挑戰(zhàn)［1-2］。云計算技術資源的虛擬化、動態(tài)配置、負載均衡能力不僅能完美契合高校計算機專業(yè)實踐教學的應用需求［3-5］；還能有效激發(fā)學生學習興趣，提升高校學生的創(chuàng)新與實踐能力，推動教學實踐體系改革，在高校實驗教學中有著顯著優(yōu)勢和廣泛的應用前景［6-9］。

本文在總結多年計算機專業(yè)實踐教學案例的基礎上，探索“云平臺＋服務”的實踐教學模式，構建將實驗（踐）教學、學科競賽和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)（“三位”）統(tǒng)一于實踐教學云平臺（“一體”）的實踐教學體系，為新形勢下高校開放實驗室教學模式和實踐教學體系優(yōu)化、改革與創(chuàng)新提供新的思路和應用支撐。

1 “云平臺＋服務”的虛擬實踐教學模式

計算機學院實驗中心承擔著全校本科專業(yè)計算機基礎實驗教學、信息學科本科專業(yè)實踐實訓教學、學科競賽組織和指導、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)指導等任務。由于學校跨校區(qū)辦學，開放式實踐和自主學習需求對高校實驗教學軟硬件資源和實驗教學環(huán)境配置提出新的挑戰(zhàn)。結合科研和行業(yè)前沿，以大數(shù)據(jù)課程實踐教學為例，探索云環(huán)境下虛擬實踐教學體系改革和應用方向，為計算機專業(yè)培養(yǎng)方案提供實踐內(nèi)容選擇。

圖1 “云平臺＋服務”模式的實踐教學模式

（1）實踐教學模式探索。探索“云平臺＋服務”實踐教學模式，采用虛擬化技術和資源共享策略，實現(xiàn)軟硬件資源的高效整合、動態(tài)調(diào)配和集約化管理，解決傳統(tǒng)實踐教學模式下的資源浪費、服務能力不足等問題，并提供個性化實踐服務，最大限度地激發(fā)學生的學習興趣和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神。

（2）實踐教學內(nèi)容設計。以計算機專業(yè)實踐教學特點和學校人才培養(yǎng)目標為基礎，結合計算機行業(yè)和科研發(fā)展前沿，設計實驗（踐）教學、學科競賽和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)“三位一體”的實驗教學體系，設計滿足學生發(fā)展和行業(yè)應用需求的實踐內(nèi)容，培養(yǎng)具有自主學習、發(fā)現(xiàn)-分析-解決問題、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)技能的IT人才。

（3）實驗教學云平臺構建。借助大數(shù)據(jù)、云計算和虛擬化技術，構建實驗教學云平臺，整合理論與實驗、實訓教學資源，動態(tài)、快捷提供虛擬實踐教學環(huán)境，按需向師生提供IaaS（基礎設施即服務）、PaaS（平臺即服務）或SaaS（軟件即服務）服務，實現(xiàn)教學資源共享、自主化學習和實踐教學全過程管理、挖掘和分析；為實驗教學管理與服務、實驗中心建設與輻射提供技術基礎。

2 “云平臺＋服務”的實踐教學體系構建

2.1 “云平臺＋服務”的虛擬實驗教學架構

云計算［4］（cloud computing）是分布式并行計算的產(chǎn)物，旨在通過網(wǎng)絡將復雜的計算任務分解成若干小任務分派給多計算實體組成的系統(tǒng)進行處理和分析，從而整合成具有強大網(wǎng)絡服務系統(tǒng)。將云計算技術引入高校實踐、實訓教學任務，形成“云平臺＋服務”［10-12］的計算機實踐教學模式：將實踐所需的硬件、軟件、教案、配套文檔等資源虛擬化為服務，按不同實踐任務發(fā)布成不同的應用服務供學生調(diào)用，不僅能有效緩解實驗平臺設備陳舊、新技術和新系統(tǒng)更新不及時、教學資源共享性差、實踐實訓教學體系不完整等問題，還能滿足學生實踐、學科競賽、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)等多層次實踐需求，提升學生的自主學習興趣與能力。

（1）資源虛擬化。基于CloudStack 等開放、易集成的云計算基礎架構，采用虛擬化技術［5，8，11］將服務器集群的計算資源、存儲資源等硬件資源池化；借助云計算管理軟件實現(xiàn)各資源池中的計算節(jié)點、存儲節(jié)點和網(wǎng)絡節(jié)點間的協(xié)同工作、動態(tài)配置與拓展，保證系統(tǒng)高可用性與安全性，有效緩解設備和技術更新不及時、教學資源訪問和分配受限等問題。

（2）虛擬實驗平臺。統(tǒng)一管理資源虛擬化平臺采用虛擬化技術構建的資源池，將實踐教學環(huán)境虛擬化配置至云端［13-15］，實現(xiàn)實踐教學所需硬件資源、軟件編程環(huán)境及案例資源的動態(tài)配置和部署，為學生提供實踐資源管理和實踐實訓、學科競賽和創(chuàng)業(yè)等不同層次的實踐仿真、項目實訓、競賽和創(chuàng)業(yè)服務。

（3）應用服務平臺。以系統(tǒng)門戶的形式提供教學環(huán)境、教學案例、實驗工具、教學視頻等教學資源申請服務和開放實驗室預約、虛擬實踐實訓、創(chuàng)業(yè)模擬、實踐過程管理等功能。

在基于云平臺的虛擬實驗教學模式，教師和學生可以利用教師機、學生機、移動終端在計算機機房、實驗室、辦公室和宿舍甚至校園任意一個地方自由接入云平臺，根據(jù)實踐需求請求資源服務，由云平臺負責按需配置供給，“云平臺＋服務”的虛擬實驗教學模式如圖2 所示。

圖2 “云平臺＋服務”虛擬實驗教學體系

2.2 “云平臺＋服務”下實踐教學組織

實驗教學的核心目標是培養(yǎng)學生實踐動手能力和創(chuàng)新能力，以達到提升人才培養(yǎng)質量的終極目標；實驗教學必須貫徹以目標為導向，探索并優(yōu)化自主式學習、探究式學習、虛實結合等實驗教學組織形式，促使學生隨時參與實驗進行交流探究活動，提升實踐學習的積極性和創(chuàng)造性，為教學方法和理論創(chuàng)新提供實踐支撐，實踐教學組織形式如圖3 所示。

圖3 實踐教學組織優(yōu)化策略

（1）“自主式”教學。基于需求和問題牽引，采用研究性、教師教授＋學生自主探索結合的實踐教學方法，以學生主動學習和發(fā)現(xiàn)解決實際應用問題為目標，學生在指導教師的指導和幫助下，主動學習、自主探索、自主完成系統(tǒng)解決方案，最大限度地發(fā)揮學生特長與能力，提升人才培養(yǎng)質量。

（2）“探究式”教學。教師實踐教學指導和學生探究學習相結合，為學生的主動實驗與積極參與創(chuàng)造條件，并通過設置不同的實驗教學環(huán)節(jié)，引導學生積極思考、實驗驗證和交流探究，實現(xiàn)發(fā)現(xiàn)問題、探究問題、分析問題和解決問題能力的培養(yǎng)。

（3）“項目式”教學。以培養(yǎng)學生實踐動手能力和創(chuàng)新能力為核心，融合基礎理論和專業(yè)知識，采用任務需求驅動和導向的項目式教學方法，通過項目需求分析、系統(tǒng)設計、系統(tǒng)實施和評估分析等工程環(huán)節(jié)，驅動學生自主學習、知識體系建構，提升學生工程化能力和創(chuàng)新能力。云平臺則為“項目式”教學提供實踐場景，為學生學習過程中的理論聯(lián)系實際、多學科知識交叉融合和技術創(chuàng)新提供平臺服務支撐，實現(xiàn)理論學習、知識融合和能力培養(yǎng)；極大地豐富了實驗教學體系，優(yōu)化了實驗教學資源。

3 基于云平臺的大數(shù)據(jù)實踐教學體系與教學內(nèi)容設計

圍繞“以能力培養(yǎng)為主體、以社會需求為導向、以職業(yè)素養(yǎng)為核心”的教學理念，以計算機專業(yè)實踐教學特點和人才培養(yǎng)目標為基礎，結合計算機行業(yè)和科研發(fā)展前沿，提出融實驗（踐）教學、學科競賽和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)于云平臺的“三位一體”實驗教學體系，為計算機各專業(yè)培養(yǎng)方案提供實驗內(nèi)容選擇。

3.1 三位一體的實踐教學體系

為實現(xiàn)提高學生自主學習能力和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的教學目標，構建將實驗（踐）教學、學科競賽和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)“三位”統(tǒng)一于實踐教學云平臺（“一體”）的實踐教學體系。在平臺上配置不同層次的基礎性課程實踐（驗）任務、難度適中的學科競賽任務和兼具綜合性與實戰(zhàn)型的創(chuàng)新訓練、創(chuàng)業(yè)活動，通過循序漸進的實踐（驗）教學和實訓實戰(zhàn)，培養(yǎng)學生的科學思維和創(chuàng)新思維，實現(xiàn)提高學生實踐動手能力、發(fā)現(xiàn)-分析-解決問題能力和實踐創(chuàng)新能力的教學目標。

（1）實踐（驗）教學。緊扣新工科課程體系改革要求，調(diào)整優(yōu)化實踐教學內(nèi)容和教學環(huán)境。強化程序語言設計、數(shù)據(jù)結構等基礎課程的系統(tǒng)性、連續(xù)性；整合軟件開發(fā)環(huán)境、軟件工程等多門相近或具有連續(xù)性的實踐課程形成軟件綜合課程實踐；改革學生實驗（踐）過程和實踐結果的評價體系，激勵學生實踐學習過程的積極性和創(chuàng)造性。

（2）學科競賽與創(chuàng)新訓練。提供不同層次的大學生創(chuàng)新訓練項目服務和學科競賽服務（藍橋杯、挑戰(zhàn)杯、程序設計大賽、“互聯(lián)網(wǎng)＋”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽等），形成“以競賽（創(chuàng)新）推動教學，以教學促進競賽（創(chuàng)新）”機制，并動態(tài)更新學生競賽任務的參與情況、完成情況及排名情況，提升學生的學習熱情和積極性。

（3）創(chuàng)業(yè)。提供創(chuàng)業(yè)指導、創(chuàng)業(yè)大賽、創(chuàng)客空間、創(chuàng)業(yè)孵化等不同類型的創(chuàng)業(yè)項目服務指導，平臺提供教師咨詢論證、技術引導、企業(yè)交流、模擬實訓等線上線下服務，引導和鼓勵大學生通過溝通協(xié)助和交流，掌握創(chuàng)業(yè)規(guī)劃編制、創(chuàng)意設計、吸引投資、市場拓展等流程，為學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)提供合理化建議、業(yè)務指導和技術幫扶。

3.2 云平臺下實驗教學內(nèi)容設計

作為計算機科學與技術專業(yè)類的專業(yè)實踐課程主要內(nèi)容之一，課程設計是學生掌握軟件架構、大數(shù)據(jù)分析等主干課程過程與方法的主要手段，培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力和團隊協(xié)作的理想渠道。結合構思-設計-實施-運行理念（Conceive，Design，Implement，Operate，CDIO）工程化教育模型［16］，對計算機專業(yè)實踐教學體系進行一系列的探索，逐步形成如圖4 所示基于CDIO 的工程化課程設計教學內(nèi)容。

圖4 基于CDIO的工程化實踐教學內(nèi)容設計

（1）1 個理念。樹立思政引領、基礎理論與工程化能力并舉的教學理念，將工程化素養(yǎng)融進實踐教學，構建融理論基礎、軟件開發(fā)技能、工程化素養(yǎng)為一體的培養(yǎng)體系，培養(yǎng)IT 職業(yè)能力全面均衡發(fā)展、適應現(xiàn)代軟件產(chǎn)業(yè)需求的IT人才。

（2）2 個階段。以工程素養(yǎng)培養(yǎng)為主線，將教學內(nèi)容劃分為線下設計和線上實戰(zhàn)兩個階段；線下設計以校內(nèi)教師指導通過實戰(zhàn)項目為導引，以開發(fā)小組為單位完成數(shù)據(jù)庫、軟件開發(fā)環(huán)境、軟件工程等多個實習大作業(yè)，實現(xiàn)學生工程能力和職業(yè)素質的培養(yǎng)；線上實戰(zhàn)基于“教育部-華為智能基座”工程，請具有行業(yè)實戰(zhàn)經(jīng)驗的IT行業(yè)系統(tǒng)分析師、系統(tǒng)構架師進行實踐指導和技術交流，并基于華為云開發(fā)環(huán)境，讓學生沉浸式體驗企業(yè)研發(fā)環(huán)境和氛圍，提升學生的工程化能力和職業(yè)素養(yǎng)。

（3）3 項保障。通過工程化教學方法改革、教學質量評估體系重構和同步業(yè)界實驗環(huán)境，保障工程化教學的順利開展。改革教學方法，加強工程實踐環(huán)節(jié)在實踐教學內(nèi)容比重，強化學生獨立思考分析問題、實踐創(chuàng)新、團隊交流協(xié)作、項目管理、文檔編制等工程化能力；重構教學質量評估體系，采用團隊＋個人相結合的方式進行系統(tǒng)完成度、團隊協(xié)作參與度、文檔編寫情況、答辯情況作為考核指標，形成理論基礎、開發(fā)技能和工程素養(yǎng)并重的考核方式；以工程化培養(yǎng)的理念指導教學實驗室建設，同步業(yè)界工程化實驗教學環(huán)境，為實踐教學提供和業(yè)界無縫對接的基礎環(huán)境服務支撐。

（4）4 個學期。針對工程化軟件人才的應用需求，分別在4 個學期設置不同層次、不同要求的工程化實踐教學課程，培養(yǎng)學生個人研發(fā)能力、設備環(huán)境適配能力、團隊協(xié)作能力以及創(chuàng)新能力。

（5）5 個環(huán)節(jié)。結合工程化實踐課程教學要求，將實踐教學劃分為如圖5 所示環(huán)節(jié)。

圖5 “三位一體”工程化實踐教學培養(yǎng)環(huán)節(jié)

導引 以科研項目為案例進行導引和講解，讓學生明白課程設計可以做什么，激發(fā)學生學習興趣。

需求分析 通過可行性分析和需求調(diào)研，培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、描述問題的能力，系統(tǒng)建模能力和全方位思考能力。

系統(tǒng)設計 通過需求調(diào)研、方案編制、系統(tǒng)設計、系統(tǒng)實施和后期維護等工作，培養(yǎng)學生解決問題能力、創(chuàng)新思維和溝通協(xié)作能力。

系統(tǒng)實施 通過系統(tǒng)重構、系統(tǒng)實現(xiàn)及模擬驗收等工作，培養(yǎng)學生的模塊分解與集成能力、交流協(xié)作與競爭能力和項目組織管理能力。

評估與反思 通過項目自評、互評等方式，培養(yǎng)學生的評判能力及主動學問的能力。

4 “云平臺＋服務”實踐教學云平臺構建與應用

4.1 實踐教學云平臺構建

圍繞計算機學科的工程實踐應用能力、領域融合應用能力、科學創(chuàng)新能力的培養(yǎng)目標，結合通識、基礎、創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)等不同層面實踐實訓需求，依托學校大型儀器共享平臺、高性能計算平臺及信息工程實驗中心教學資源，研發(fā)技術先進、功能完善、配置靈活方便、共享開放、覆蓋各校區(qū)的實驗教學云服務平臺；根據(jù)用戶的不同需求方便、快捷地配置虛擬實驗教學環(huán)境，為學生和教師用戶隨時訪問、分享、管理和使用云平臺提供個性化、開放式實驗空間。

（1）基礎實踐資源服務。提供實踐指導教材、電子教案等教學資源和工程實踐實訓和案例庫等，方便學生在線學習。

（2）軟件開發(fā)和測試環(huán)境服務。提供Hadoop、HDFS等分布式軟件開發(fā)環(huán)境管理部署和分發(fā)服務，方便學生進行軟件工程項目及大數(shù)據(jù)處理、高性能計算等虛擬實踐課程在線實踐模擬和仿真。

（3）科技創(chuàng)新和學科競賽服務。以創(chuàng)新實驗室和導師科研實驗室為支撐，部署企業(yè)級應用開發(fā)、測試及集成實踐實訓環(huán)境和項目，為大學生課外自主創(chuàng)新和參加學科競賽提供科技創(chuàng)新實踐實訓服務。

（4）創(chuàng)業(yè)創(chuàng)訓服務。積極引進優(yōu)質企業(yè)資源，引進實訓環(huán)境和實訓項目，推動校外企業(yè)實習計劃，提供系統(tǒng)的教學-科研、學校-企業(yè)雙結合的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)服務。

4.2 應用案例

python 語言是面向全校本科生的計算機基礎課程，受限于實驗課程時間難以統(tǒng)一、物理機房和實驗資源有限等問題，一般采用課后實驗練習的教學模式，教師對學生實驗過程缺乏有效跟蹤和評估，難以保證實踐教學效果。“云平臺＋服務”教學模式下，實踐教學云平臺為每個學生分配虛擬實驗空間，部署python 及WPS等常用軟件。學生可隨時隨地使用移動設備訪問實踐教學云平臺，并根據(jù)課程進度訪問教學案例資源庫和課程資源庫進行在線學習，自主完成實驗仿真；教師可動態(tài)掌握學生的學習情況和實踐完成度，并通過平臺互動討論區(qū)進行答疑和交流互動，更好地進行實踐課程的教學實施。

大數(shù)據(jù)開發(fā)與處理實踐是計算機專業(yè)的核心課程之一，同樣由于實踐資源制約，學生一般只能搭建Hadoop偽分布環(huán)境模擬多節(jié)點各司其職地完全分布式集群。“云平臺＋服務”教學模式下，實踐教學云平臺可根據(jù)用戶申請動態(tài)分配多臺虛擬機配置Hadoop實驗平臺，實現(xiàn)實驗環(huán)境的集中管理、自動化部署和彈性擴展，為大數(shù)據(jù)存儲HDFS、大數(shù)據(jù)處理MapReduce等應用提供研究和開發(fā)平臺，提升大數(shù)據(jù)開發(fā)與處理實踐教學效果和學生培養(yǎng)質量。

5 結 語

云計算、大數(shù)據(jù)和移動互聯(lián)等技術的快速興起給教育信息化發(fā)展帶來了機遇和挑戰(zhàn)。隨著高校數(shù)字化教學的不斷推進，采用大數(shù)據(jù)理念和云計算技術構建實踐教學云平臺，提供從IaaS 到SaaS 不同層次的云服務，推動高校校區(qū)內(nèi)部和高校間教學資源共享、資源獲取智能化、科研等應用共享協(xié)作、教學方式個性化多樣化；并有助于提升學生學習的自主性、積極性，培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力、工程化能力和職業(yè)素養(yǎng)。“云平臺＋服務”教學體系的建設和完善，能有效地整合實踐教學軟硬件資源、提升實踐教學效率和人才培養(yǎng)質量，為新形勢下高校開放實驗室教學模式和實踐教學體系優(yōu)化、改革與創(chuàng)新提供新的思路和應用支撐。