崔 貫 勛

(重慶理工大學 計算機科學與工程學院， 重慶 400054)

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基于云計算技術的MOOC實踐教學平臺

崔 貫 勛

(重慶理工大學 計算機科學與工程學院， 重慶 400054)

大規(guī)模在線開放課程作為一個新興的教育模式，已經(jīng)在世界范圍內引起了一場教育革命。而實踐教學是培養(yǎng)學生綜合應用能力、創(chuàng)新實踐能力的最重要的途徑，因此實踐教學也成為MOOC的重要一環(huán)，云計算技術和大數(shù)據(jù)為MOOC實施實踐教學提供了可能。在對MOOC進行系統(tǒng)分析的基礎上，從技術角度看MOOC的特點，以云學習環(huán)境為切入點，闡述了MOOC實踐教學平臺所需的技術支撐、平臺架構及運營模式，設計并實現(xiàn)了基于云計算技術的MOOC模式下的實踐教學平臺，并將該實驗教學平臺應用到學校計算機課程實驗教學中，證明了該平臺的有效性。

云計算；虛擬實驗；網(wǎng)絡平臺；實踐教學；大規(guī)模開放在線課程

0 引 言

2012年，大規(guī)模開放在線課程(Massive Open Online Course，MOOC)作為一種新型在線教學模式闖入人們的視野，給傳統(tǒng)的高等教育帶來巨大影響[1]。這種全新的在線教育方式，使得全世界大規(guī)模的共享優(yōu)質教育資源并且使個性化的學習成為可能。這不僅僅是教育技術的革新，更會帶來教育觀念、教育體制、教學方式、人才培養(yǎng)過程等方面的深刻變化。許多高校，特別一些名校紛紛實施大規(guī)模開放在線課程項目，以適應高等教育發(fā)展的要求[2]。但對于這樣一種在線學習的模式，有別于傳統(tǒng)的課堂+實驗室的模式，如何開展實踐教育以培養(yǎng)學生的動手實踐能力成為眾多專家學者思考的問題。

1 建設基于云計算的MOOC實踐教學平臺

云計算是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的相關服務的增加、使用和交付模式，通常涉及通過互聯(lián)網(wǎng)來提供動態(tài)易擴展且經(jīng)常是虛擬化的資源。這種模式提供可用的、便捷的、按需的網(wǎng)絡訪問，進入可配置的計算資源共享池(資源包括網(wǎng)絡，服務器，存儲，應用軟件，服務)，這些資源能夠被快速提供，只需投入很少的管理工作，或與服務供應商進行很少的交互，它具有資源配置動態(tài)化、需求服務自助化、以網(wǎng)絡為中心、服務可計量化、資源的池化和透明化等顯著的特點。

1.1 必要性

MOOC提供了大量的優(yōu)質的教學資源，這就吸引了分布于世界各地的廣大讀者享用在線教育帶來的豪華盛宴，與此同時，很多課程需要學生動手實踐才能保證課程的學習效果，然而傳統(tǒng)的在實驗室中老師講解演示、學生動手實踐的模式在在線學習模式中很難有效開展[3]。首先，在線教育的特點就是每個人都可根據(jù)自己的時間靈活安排學習進度，一天二十四小時時時刻刻都有可能在線學習，每個時刻也會有大量的學生在線學習，并且他們的學習進度很可能有很大差別，這些學生可能分布于世界各地，這就決定了無法安排老師像傳統(tǒng)的實踐教學那樣為他們輔導；其次，有些實踐教學需要相應的實驗設備的支撐，由于財力、場地、師資、課程需求等各方面的制約，學校沒有可能采購相應的設備，如石油或煤炭開采，不可能每個學校都買些挖掘機、提供一塊場地、購買一些鉆探設備和冶煉設備供學生實踐，這樣的實踐環(huán)節(jié)就難以像傳統(tǒng)的在實驗室的實踐教學模式進行[4]；再次，有些實踐內容在實踐過程帶有很強的危險性，沒有專人的現(xiàn)場輔導很有可能帶來生命危險，如有些機械帶有刀具，操作不當會導致刀具脫落傷及人身或其他儀器設備，有的實驗對精確度、材料、試劑的比例都有嚴格的要求，稍有差異實驗結果就會完全不同，有的實驗會使用有毒有害的物質或者即使實驗原材料無毒無害，但實驗過程會產(chǎn)生有毒有害或者達到一定條件會產(chǎn)生爆炸的物質，這些物質甚至是看不到摸不著的，如果沒有專人輔導和對相關藥品試劑進行嚴格管理，很有可能帶來嚴重的后果，這些實驗在實驗室有專人輔導的情況下，嚴格按照操作規(guī)程實施起來都有較大難度，更別說學生自己動手了。對于這些不利情況加以避免并達到良好的學習效果也需要采用新的實踐教學模式加以實施。

1.2 可行性

MOOC具有規(guī)模大、地理分散、數(shù)據(jù)資源容量大等顯著特點，而云服務具有超大規(guī)模、按需服務、低成本、可伸縮、個性化、對建設校園MOOC的支持使得海量網(wǎng)絡課程內容的存儲成為可能，網(wǎng)絡通信技術、信息壓縮技術、先進計算技術、大數(shù)據(jù)處理技術的快速發(fā)展使得建設大規(guī)模實時的在線課堂和視頻交互等學習支持服務體系和快速點播和高密度訪問網(wǎng)絡課程的資源成為可能[5]。較為著名的互聯(lián)網(wǎng)公司都建有安全、穩(wěn)定、便利的公有云，為大家提供便利的服務，課程的建設者無須購買昂貴的服務器、防火墻、數(shù)據(jù)庫、IDC等，就可將自己的優(yōu)質資源提供給網(wǎng)絡用戶，這些公有云也具有靈活的可擴展性和可配置性，靈活開放的數(shù)據(jù)訪問接口可以很容易地使自己的實踐教學平臺應用系統(tǒng)與云平臺進行數(shù)據(jù)交互，提供的強大的可配置性和豐富的業(yè)務組件，豐富的組件使得課程的建設者可以根據(jù)自己的需求進行選擇相應的模塊，強大的可配置性能滿足不同組織的業(yè)務流程和特殊的處理要求。

2 基于云計算技術的平臺的實現(xiàn)

2.1 平臺的架構

基于對云計算技術、MOOC模式、教育信息化資源現(xiàn)狀的充分認知，本文提出了包含云存儲、云應用、云接入和云終端的四層架構，其中前兩者是平臺關鍵部分，具體如圖1所示。

(1) 云存儲層。云存儲是由相關硬件、虛擬化計算軟件、云數(shù)據(jù)等相關系統(tǒng)或設備以及連接上述實體的網(wǎng)絡所組成的集群，同時配置大容量、高性能、高擴展能力的分布式文件系統(tǒng)，它具有讀寫性能可線程增長、支持海量數(shù)據(jù)存儲、可靠性高等諸多優(yōu)點[6]。

(2) 云應用層。云應用層負責對云存儲內的各類資源進行管理，并提供虛擬機租賃、存儲租賃、帶寬租賃及云監(jiān)控等IaaS級MOOC云服務，它具體由業(yè)務管理與運營、資源管理和系統(tǒng)管理等模塊組成。 圖1 基于云計算技術的MOOC實踐教學平臺的架構。

(3) 云接入層。云接入層通過定義可供云終端調用訪問MOOC云服務平臺的諸如訪問、短信、WAP、混合通信、交流互動能力等各種教學應用能力的調用。

(4) 云終端層。用戶所直接持有的訪問MOOC云實踐平臺的終端設備。

基于上述架構設計，基于云計算技術的MOOC實踐教學平臺天然具備以下幾方面的優(yōu)勢特征。

(1) 先進性。節(jié)約資源，高效科學化；內容豐富，拓展自由化；效果突出，教學人性化；資源開放，建設標準化[7]。

圖1 基于云計算技術的MOOC實踐教學平臺的架構

(2) 開放性。建設多終端融合的接入環(huán)境，適應多種學習方式，任何人、任何地方、任何環(huán)境(臺式機、筆記本、平板、電視等)下都可以在線學習，同時每一家成熟的成熟的實踐教學課程都可便利的加入MOOC實踐教學平臺。

(3) 可實施性。在線課程的學習、交流實時進行，效果及評價反饋及時，同時要有豐富的多樣化的學習資源與個性化支持服務，平臺的內容必須制作優(yōu)良、操作規(guī)范，這樣才能吸引用戶參與進來。

(4) 大容量。平臺架構設計緊密結合MOOC實踐教學平臺中的資源特征，采用云存儲實現(xiàn)海量資源的存儲與管理，并且支持大量的人同時在線學習。

2.2 實踐教學解決方案

目前高校的課程實踐從其依賴的環(huán)境看，大體上可以分為三類：軟件類、硬件支持網(wǎng)絡訪問類和硬件不支持網(wǎng)絡訪問類[8]，根據(jù)這三類實驗的特點分別給出相應的方案加以解決。

(1) 軟件類實驗。軟件類實驗的特點是學習者不要特殊的設備，通常只需要一臺計算機即可，學習者可以在線下或者通過遠程服務器完成實驗。常見的軟件類實驗有視頻或動畫演示類實驗和程序設計類實驗。對于演示類實驗可以將實驗內容放在遠程的MOOC實踐教學平臺，學習者只需安裝帶相應插件的瀏覽器即可，學生通過演示實驗了解實驗的過程、步驟及預期的結果。這樣的實驗與用戶的交互非常少。程序設計類實驗傳統(tǒng)的方式是學生在機房編寫代碼，老師現(xiàn)場指導學生解決實驗過程中出現(xiàn)的問題，然而，這樣的方式在MOOC模式下很難開展，這是因為學生可以隨時隨地進行實踐學習，老師不可能隨時為同學們答疑，即使能湊巧的通過在線為學生答疑，往往也許在線學生過多使得老師無法顧及每一位同學。因此，對于程序設計類實驗可以按如圖2所示的流程在MOOC實踐平臺上實現(xiàn)自動評測的關鍵功能[9]，并實現(xiàn)用戶管理、題目管理、在線提交與下載等基本功能，這樣既可以達到傳統(tǒng)實踐教學模式的效果又適用于MOOC模式的教學。

圖2 程序設計自動判題流程圖

(2) 硬件支持網(wǎng)絡訪問的實驗。硬件類實驗都需要專用的儀器設備才能完成相應的實驗，建設這類實驗室往往需要不菲的投入，如計算機網(wǎng)絡實驗、物聯(lián)網(wǎng)實驗、通信類實驗等[10]，這類實驗儀器的特點是其設備支持網(wǎng)絡訪問，因此對于這樣的設備可以將其計入因特網(wǎng)并提供相應的實驗手冊，開放為學生使用，其原理如圖3所示。當然，這類儀器設備不僅購買成本高，運行和維護成本也較高，因此可以向在線使用設備的人收取適當?shù)馁M用，這樣一方面提高了設備的利用率，另一方面也適當分攤一下自己的使用維護成本。當然，為了便于管理和維護，開放給用戶的使用權限要適當，避免學生清空原始基礎配置、設置或更改超級用戶密碼等造成儀器不能繼續(xù)在線使用。

圖3 硬件遠程實驗原理圖

(3) 硬件不支持網(wǎng)絡訪問的實驗。對于硬件不支持網(wǎng)絡訪問的實驗也可以根據(jù)情況分類處理，如果需要的儀器設備的購買成本在學生的可承受范圍，學生自己單獨或與其他同學一起購買，自己搭建實驗環(huán)境，這類實驗模式適合于儀器成本不高且容易購買、實驗方案易于實施的情況[11]。對于儀器購買成本高、實驗太復雜不宜采用學生自購的實驗，可以采用在線模擬實驗的模式，將硬件實驗軟件化，以便在虛擬化的硬件上開展實驗，這類實驗的流程如圖4所示，它的優(yōu)點是幾乎不需維護成本，也無需購買昂貴的儀器設備，只需開發(fā)或購買虛擬在線實驗軟件的投入，但是這類軟件在開發(fā)時應盡可能地考慮學生實驗過程中可能會出現(xiàn)的問題，如何解決等，以便軟件能盡可能達到真實硬件的實驗效果，并培養(yǎng)學生糾錯能力。

2.3 平臺的實施

大規(guī)模在線開放課程是2001年麻省理工學院為應對國際化、共享化、科技化、全球化趨勢，實現(xiàn)優(yōu)質教學資源的共享發(fā)起開放課程運動，GeorgeSiemens針對這種基于互聯(lián)網(wǎng)時代的學習方式提出了關聯(lián)主義(也有稱作聯(lián)通主義，cMOOC)學習理論，它提倡把大家的想法連接在一起以獲得更多的知識，其組織與實施如圖5所示[12]。2011年年底，美國斯坦福大學的老師創(chuàng)辦了免費大型公開在線課程項目-Coursera。同年，斯坦福大學的老師成立了Udacity。2012年4月，麻省理工和哈佛大學聯(lián)手創(chuàng)建大規(guī)模開放在線課堂平臺-edX。edX、Coursera和Udacity統(tǒng)稱為xMOOC，其組織與實施如圖6所示[12]。

圖4 虛擬實驗流程圖

圖5 cMOOC模式的組織與實施

圖6 xMOOC模式的組織與實施

3 建設實踐教學平臺的意義

3.1 可以讓師生使用大量的優(yōu)質實踐資源

教育行政部門早已經(jīng)充分認識到實踐教學對于人才培養(yǎng)質量的意義，把重視實踐教學作為推進人才培養(yǎng)科學發(fā)展的重要理念，加大實踐教學的投入作為提高人才培養(yǎng)質量的重要著力點，提高實踐教學質量作為統(tǒng)籌人才培養(yǎng)工作的重要抓手，因此，對學校的相關評估以及新辦專業(yè)申請等都明確要求人均實驗場地、人均設備價值等，學校也對實踐教學形式上非常重視，但這些重視往往體現(xiàn)在硬件的投入上，包括建設實驗大樓、購買儀器設備等投入上，但對實踐教學中的軟性投入和認識上遠遠落后于對理論教師的投入[13]。比如實驗教師在引進條件、職稱評聘、出國學習進修、科研項目和教研項目的設置與申報、優(yōu)秀教師的評比、工作量計算與考核、課程安排上，實驗教師大多處于劣勢地位。這打擊了實驗教師的工作熱情，這樣每個學校擁有的優(yōu)質的實踐教學資源就會相對少些，通過MOOC實踐教學平臺，可以讓廣大學生充分享受各個高校提供的優(yōu)質實踐教學資源，同時也為實驗教師的師資培訓提供了一個良好的平臺。

3.2 可以幫助學習者有效掌握實驗技能

現(xiàn)在高校的實踐課程基本上規(guī)定了學時和相應的實踐教學內容，而相當一部分課程的實踐教學都要依賴某一種或多種軟件平臺或硬件平臺，這些平臺一開始對于學習者來說是陌生的，所以通常情況下教師會利用開始的一次課對相應的平臺進行講解，讓學生熟悉，然而這些全新的平臺要在一次課的時間內完全熟悉是比較困難的，特別是一些平臺只有實驗室中有，而學生自己不可能買一個這樣的平臺使用，如果平臺沒有熟悉，后面的實踐教學效果自然也會大打折扣，對于那些接受能力差的同學來說，經(jīng)常課程都進行一半了，平臺的基本操作還沒有徹底掌握，這樣情況下的教學效果可想而知。另外，有些實驗依賴特殊的硬件設備，而學校由于資金不足以及設備到了一定的年限才能報廢，這就造成了設備的更新?lián)Q代頻率大大降低，而由于儀器設備沒有更換，使得幾年甚至十余年的教學內容沒有發(fā)生變化，這對于技術更新速度快課程來說是非常不利于學生學習和掌握新技術的，這也造成了很多學生認為的在學校學的很多是過時的內容，在工作崗位上也早已淘汰了的，如果要滿足工作對技術的要求，學生必須重新學習一下相關的新內容，MOOC的出現(xiàn)可以有效地緩解上述不足[14]。對于各種平臺的操作和使用方法，既可以利用MOOC平臺上提供的視頻進行詳細學習，在一次沒有理解透徹的情況下還可以重復的學習，這樣在徹底的掌握其基本操作的情況下再進行后續(xù)內容的學習，其學習效果自然就好得多，而在傳統(tǒng)的實踐教學過程中，讓老師完全重復以前的內容幾乎是不可能的。另外，通過MOOC教學平臺可以大大增加學生實踐最新技術的機會，因為如果本校的教學內容沒有變更，其他學校的教學內容可能已經(jīng)進行了更新，這樣，學生就不會局限于僅僅學習本校提供的內容，還可以學習其他學校的更新的實踐內容。如果沒有MOOC，這樣的行為幾乎是不可能進行的。

3.3 平臺可以有力提高實驗室建設水平

目前，每個高校都有相當數(shù)量的專業(yè)，為了培養(yǎng)學生的動手實踐能力，學校就要為其建設相應的實驗室，這樣的需求對理工科類的專業(yè)尤為明顯。然而每個高校特別是地方高校和民辦高校，其財力是非常有限的，這就造成了許多高校在建實驗室時為了滿足各個專業(yè)的基本需求，大量建設了低端實驗室，并且各個高校建設的實驗室也大同小異同質化非常嚴重，這種低而全的實驗室建設模式只能培養(yǎng)學生的基本的動手實踐能力，而缺乏培養(yǎng)綜合應用和創(chuàng)新研究能力所需的實驗條件[15]。而建設了MOOC實踐教學平臺后，學校就可以利用有限的資金僅為自己學校的優(yōu)勢專業(yè)建設先進的甚至能引領專業(yè)發(fā)展方向的示范性實驗室，這樣的實驗室建好以后，不僅可以為自己的學生服務，也可通過MOOC在線實踐教學平臺共享給其它高校使用，這樣本校的非優(yōu)勢專業(yè)的學生也可以享用其它高校的實踐教學平臺，而這些專業(yè)又是這些高校的優(yōu)勢專業(yè)。這樣，每個專業(yè)的學生都會盡可能地使用所有在線的優(yōu)質的實踐教學資源，同時也提高了自己優(yōu)勢專業(yè)的實驗室建設水平。

4 結 語

針對基于MOOC實踐教學模式的特點與需求，提出基于云計算的MOOC實驗教學平臺的框架，這個平臺不是單一的資源組合，而是資源、評價、學習、師生互動的一體化的課程平臺。為了便于更多的課程引入平臺，系統(tǒng)需提供可擴展的API接口，甚至實現(xiàn)與學校的教學管理系統(tǒng)無縫對接，平臺為了保持整體的協(xié)調性要具有批量化制作課程的功能。同時，為了吸引學習者的注意力和興趣，每門課程根據(jù)自身的情況在制作時保持其個性化。由于平臺服務的對象不僅僅是本科生，可能還有?？粕⒀芯可?，甚至是社會人士，因此要考慮多元化的課程教學模式。另外，近幾年異?；鸨纳缃痪W(wǎng)絡和平板、智能手機等大量便捷化的智能終端，吸引了大量的用戶，特別是年輕人，因此，平臺的設計可以參考社交網(wǎng)絡的特點，將枯燥的學習過程融入娛樂中，讓多種終端都能夠訪問，使其成為一種快樂的活動。

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Design and Implementation of Platform of Experiment Teaching for MOOC Based on Cloud Computing

CUIGuan-xun

(School of Computer Science and Engineering， Chongqing University of Technology， Chongqing 400054， China)

Massive Open Online Courses (MOOC) is new education mode, and it has caused a revolution in education around the world. As the most important way to cultivate students' comprehensive application ability and innovative ability, the experiment teaching has become an important part of MOOC. At the same time, cloud computing technology and big data offer the potential for the implementation of experiment teaching of MOOC. According to the characteristics of MOOC the cloud learning environment is taken as an entry point, and the required technical support, the architecture of the platform and mode of operation are elaborated based on a systematic analysis. A computer experimental teaching platform is designed based on cloud computing technique for MOOC. At present the experimental teaching platform is applied to experimental teaching of public computer courses, and is proved to be effectively.

cloud computing; virtual experiment; network platform; practical teaching; massive open online courses(MOOCs)

2015-01-08

重慶市高等教育教學改革研究項目(143001)；重慶市研究生教育教學改革研究項目(yjg123023；Yjg133080)重慶理工大學高等教育教學改革研究項目(2014ZD01；2013YB19；2013YB20)；重慶理工大學研究生教育教學改革研究項目(yjg2012101)；重慶理工大學重大教學成果培育項目(2013011)

崔貫勛(1978-)，男，河南許昌人，碩士，高級實驗師，實驗室副主任，主要從事實驗技術研究及實驗教學。

G 642

A

1006-7167(2015)08-0119-05

Tel.:13271948663;cgx@cqut.edu.cn