黃曉玲 趙生慧

（滁州學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，安徽 滁州 239000）

1 引言

課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)是實(shí)踐能力培養(yǎng)最核心也是最重要的一種實(shí)現(xiàn)方式。因軟件類課程實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)受限制等因素[1]，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容僅僅依靠在實(shí)驗(yàn)室中無法完成，學(xué)生還需花費(fèi)課下時(shí)間重現(xiàn)上次實(shí)驗(yàn)環(huán)境繼續(xù)完成實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)過程不具有延續(xù)性。教師也無法實(shí)時(shí)的對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)狀況進(jìn)行監(jiān)控和指導(dǎo)，只能通過提交的作業(yè)和有限的實(shí)驗(yàn)課堂表現(xiàn)進(jìn)行成績評(píng)定，不僅導(dǎo)致學(xué)生的成績評(píng)定較難保證客觀性[2]，還可能出現(xiàn)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中如有錯(cuò)誤，教師無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)，從而實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果不理想。

另一方面，軟件類課程實(shí)踐教學(xué)環(huán)境本身的多樣性和復(fù)雜性對(duì)環(huán)境的搭建、管理和使用也帶來不便。軟件類課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境因課程不同，往往需要建立在多個(gè)操作系統(tǒng)平臺(tái)，并且在同一個(gè)平臺(tái)上要安裝和更新大量應(yīng)用軟件，使得應(yīng)用環(huán)境的搭建復(fù)雜而繁瑣。

為了解決上述問題，很有必要改變傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，積極大膽地研究和嘗試新技術(shù)在軟件類課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。云計(jì)算是最近幾年興起的一種新的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算模式，它能夠根據(jù)用戶需求以服務(wù)的方式向用戶提供動(dòng)態(tài)彈性可伸縮的資源，它的獨(dú)特性在于它是完全建立在可自我維護(hù)和管理的虛擬資源層上的[3]。云計(jì)算特點(diǎn)為我們構(gòu)建軟件類課程實(shí)驗(yàn)環(huán)境提供了新的途徑[4-7]，但同時(shí)也提出了新的挑戰(zhàn)。在云計(jì)算環(huán)境中，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境和教學(xué)方式不能直接應(yīng)用，需要根據(jù)云計(jì)算特點(diǎn)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

綜上所述，本文將運(yùn)用云計(jì)算技術(shù)，構(gòu)建一個(gè)軟件類課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施方案，不僅降低軟件類課程實(shí)驗(yàn)環(huán)境管理和維護(hù)成本，還能更高效的支持學(xué)生課后自主活動(dòng)。

基于云計(jì)算的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境

軟件類課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境基于開源云平臺(tái)OpenStack構(gòu)建，分為云訪問接入層、應(yīng)用層、虛擬化層和物理層，如圖1所示。云訪問接入層包括云教學(xué)管理平臺(tái)和OpenStack API。學(xué)生可以通過Web界面和VNC訪問云分配給用戶的資源，云平臺(tái)管理人員可以使用Web界面或直接調(diào)用OpenStack API的形式統(tǒng)一對(duì)云教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行管理。應(yīng)用層包括教學(xué)過程跟蹤服務(wù)，教學(xué)監(jiān)控服務(wù)，實(shí)際過程和結(jié)果存儲(chǔ)服務(wù)，及常用操作系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件。其中教學(xué)過程跟蹤服務(wù)、教學(xué)監(jiān)控服務(wù)用于記錄學(xué)生訪問虛擬機(jī)的日志信息；基于HDFS（Hadoop Distributed File System）存儲(chǔ)學(xué)生提交的作業(yè)和學(xué)生日志信息分析結(jié)果，以及教師錄入的學(xué)生成績；基于OpenStack Swift存儲(chǔ)常用的含操作系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件的鏡像文件及相關(guān)資源教學(xué)資源庫，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果存儲(chǔ)服務(wù)。虛擬化層主要是通過開源云平臺(tái)OpenStack提供的 IaaS（Infrastructure as a Service），虛擬出動(dòng)態(tài)靈活的 VM（Virtual Machine），該層為應(yīng)用層提供資源。物理層主要是物理機(jī)器資源，包括CPU、存儲(chǔ)、內(nèi)存等，該層為虛擬化層提供基礎(chǔ)性資源。模型實(shí)現(xiàn)環(huán)境主要基于OpenStack構(gòu)建由20臺(tái)服務(wù)器組成的云計(jì)算平臺(tái)，Hadoop搭建在云平臺(tái)提供的VM中，采用MapReduce并行計(jì)算模型對(duì)虛擬機(jī)日志信息進(jìn)行分析，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)教學(xué)監(jiān)控功能。

圖1 基于云計(jì)算的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境模型

2 實(shí)驗(yàn)分析

本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來自于學(xué)生訪問虛擬機(jī)日志信息、教師評(píng)價(jià)信息以及OpenStack提供的虛擬機(jī)的日志信息，Hadoop提交的分析實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果監(jiān)控、Hypervisor。實(shí)驗(yàn)所使用日志為2013年2月25日至6月16日的三個(gè)月內(nèi)的所有查詢。以軟件類課程中的軟件課程實(shí)驗(yàn)為例。目前的軟件工程實(shí)驗(yàn)課程普遍采用團(tuán)隊(duì)開發(fā)方式進(jìn)行訓(xùn)練，即在一個(gè)學(xué)期內(nèi)，5-6人一組進(jìn)行軟件項(xiàng)目的協(xié)同開發(fā)。

2.1 學(xué)生訪問項(xiàng)目時(shí)間分析

通過記錄94名學(xué)生訪問VM時(shí)間，可以發(fā)現(xiàn)學(xué)生行為。如圖2所示是學(xué)生訪問云實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的時(shí)間分布。 實(shí)驗(yàn)從晚上 18：00-23：30，我們可以發(fā)現(xiàn)從晚上7：00訪問頻度增加，到9：40左右到達(dá)頂峰。這符合學(xué)生晚上使用網(wǎng)絡(luò)習(xí)慣。

圖2 學(xué)生訪問VM時(shí)間分析

2.2 學(xué)生項(xiàng)目訪問頻度分析

基于Hadoop對(duì)虛擬機(jī)監(jiān)控日志分析結(jié)果，可以獲得每個(gè)學(xué)生每天運(yùn)行虛擬機(jī)的情況。圖3是以一個(gè)實(shí)驗(yàn)班級(jí)30人為例，學(xué)生訪問頻度情況，多數(shù)學(xué)生對(duì)團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目參與度是階段性提高的。

圖3 項(xiàng)目訪問頻度分析

2.3 實(shí)驗(yàn)效果分析

軟件工程實(shí)驗(yàn)包括：項(xiàng)目計(jì)劃文檔、需求分析、項(xiàng)目設(shè)計(jì)、項(xiàng)目編碼及測試，實(shí)驗(yàn)以設(shè)計(jì)型和綜合型為主，基于Hadoop的日志結(jié)果，如表1所示。

表1 軟件工程實(shí)驗(yàn)日志分析結(jié)果

通過表1數(shù)據(jù)表明，項(xiàng)目計(jì)劃階段，學(xué)生參與度較低，還不能很好全局的規(guī)劃整個(gè)項(xiàng)目，項(xiàng)目只能依賴教師給出的文檔模板及相關(guān)資料撰寫文檔，所以時(shí)間、人員及人員任務(wù)安排不能符合真實(shí)情況。實(shí)際的實(shí)驗(yàn)中，指導(dǎo)教師與各組進(jìn)行計(jì)劃討論，幫助各組合理分配任務(wù)。

各個(gè)項(xiàng)目組在后期又重新調(diào)整進(jìn)度安排，修改項(xiàng)目計(jì)劃。

項(xiàng)目需求分析階段實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要結(jié)合建模工具，構(gòu)建不同角度的系統(tǒng)模型，以技術(shù)為主，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容具體，學(xué)生較感興趣。因此與項(xiàng)目計(jì)劃階段，訪問頻度高出近40%，效果相對(duì)較好。從實(shí)驗(yàn)文檔質(zhì)量來看，多數(shù)組是以整個(gè)系統(tǒng)為單位進(jìn)行系統(tǒng)建模，圖較復(fù)雜，文字描述不清。實(shí)際的實(shí)驗(yàn)中，指導(dǎo)教師與各組進(jìn)行需求分析討論，幫助各組劃分系統(tǒng)子功能。建議各組按照子功能進(jìn)行系統(tǒng)建模，以減少模型的復(fù)雜度。

項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段實(shí)驗(yàn)參與度較高，組員之間協(xié)作緊密，整體完成較好，分析原因如下：

（1）學(xué)生在項(xiàng)目計(jì)劃及需求分析文檔后，對(duì)如何寫文檔有一定的認(rèn)識(shí)；

（2）學(xué)生各自負(fù)責(zé)將前期需求階段成果映射成設(shè)計(jì)階段成果，任務(wù)較具體，加深學(xué)生理解需求建模的意義。

項(xiàng)目編碼階段雖參與度較高，但實(shí)驗(yàn)效果不理想。因項(xiàng)目編碼與項(xiàng)目測試之間的實(shí)驗(yàn)間隔較短，多數(shù)學(xué)生無法完成任務(wù)；另外部分學(xué)生編程能力較薄弱，導(dǎo)致前期分析和設(shè)計(jì)之后無法完成編碼。擬今后教學(xué)中加大項(xiàng)目編碼和項(xiàng)目測試實(shí)驗(yàn)的間隔時(shí)間，讓學(xué)生在課余時(shí)間完成此部分工作。

因編碼階段的延遲交付，學(xué)生加快項(xiàng)目進(jìn)度，導(dǎo)致日志顯示項(xiàng)目測試階段學(xué)生的參與度較高?？傮w來說：多數(shù)學(xué)生能參與項(xiàng)目，但是有5%的學(xué)生未參與項(xiàng)目，這都是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中無法發(fā)現(xiàn)。

3 總結(jié)

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境不能很好地支持學(xué)生課后自主學(xué)習(xí)，教師無法對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程信息進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的問題，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決。本文基于云計(jì)算進(jìn)行軟件類實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的構(gòu)建和應(yīng)用，通過基于Hadoop平臺(tái)的日志分析結(jié)果，不僅可以分析學(xué)生實(shí)驗(yàn)行為，為教師更好的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，還可以為教師提供較為客觀的實(shí)驗(yàn)成績評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。后期的工作將平臺(tái)擴(kuò)展，做一個(gè)較為通用的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。

[1] 黃芳，任勝兵，劉高嵩.基于項(xiàng)目實(shí)踐的軟件工程本科課程教學(xué)模式探討[J].湖南社會(huì)科學(xué)，2009，（5）：174-176.

[2] 曾紅衛(wèi)，劉悅，劉煒.軟件工程實(shí)踐教學(xué)方法探索[J].計(jì)算機(jī)工程與科學(xué)，2011，（33）：15-18.

[3] Armbrust M.Above the Clouds：A Berkeley View of Cloud Computing[R].Berkeley,USA：Electrical Engineering and Computer Sciences University of California,Tech.Rep.：UCB/EECS-2009-28，2009.

[4] Armando Fox.Cloud computing in education[EB/OL]http：//inews.berkeley.edu/articles/Spring2009/cloud-computing,2009-03-17.

[5] 劉中宇，劉素娥.基于云計(jì)算的多媒體教學(xué)環(huán)境設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2013，（2）：43-46

[6] P.Holden,W.Kang.database in t he cloud：a work in progress[C].Proceedings of the 10th ACM conference on SIG information technology education,2009-10-05.

[7] 黃曉玲，趙生慧.面向云計(jì)算的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的研究和設(shè)計(jì)[J].滁州學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，（2）：90-93.