饒文碧　王云華　楊焱超　袁景凌　熊盛武

摘要：建設(shè)基于云平臺的“個人虛擬實驗室”，研究有助于學(xué)生自主學(xué)習(xí)和提高創(chuàng)新能力的開放式實驗教學(xué)和管理模式，闡述在云平臺中提供全天候開放式實驗教學(xué)服務(wù)、學(xué)生自助式學(xué)習(xí)服務(wù)、在線透明的實驗資源等功能的建設(shè)策略，支持實驗教學(xué)過程動態(tài)跟蹤與創(chuàng)新能力成長評測的實施，探索以一種嶄新的教學(xué)和管理模式提高實驗教學(xué)質(zhì)量的方法。

關(guān)鍵詞：云計算；虛擬化技術(shù)；開放式實驗教學(xué)；能力成長評測

0引言

近年來，高等教育改革越來越強調(diào)教學(xué)評估和質(zhì)量工程建設(shè)，更加重視對學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，因此建設(shè)高效、開放的實驗教學(xué)平臺和管理模式在培養(yǎng)創(chuàng)新應(yīng)用型人才中的作用日益凸顯。云計算作為一種新型資源共享方式，可以應(yīng)用于教學(xué)管理、學(xué)生交流與管理、實驗室建設(shè)與管理等方面，能有效降低實驗室的建設(shè)成本和部署難度，提高教學(xué)效率、系統(tǒng)可靠性和開放性?，F(xiàn)有的研究大都是利用云計算技術(shù)進(jìn)行虛擬教學(xué)平臺建設(shè)和實驗室管理，筆者在吸取這些方法優(yōu)點的基礎(chǔ)上，研究基于云平臺的計算機開放式實驗教學(xué)與管理模式。

1面向創(chuàng)新能力培養(yǎng)的開放式實驗教學(xué)云服務(wù)平臺

圍繞高等院校計算機學(xué)科的科學(xué)創(chuàng)新能力、工程創(chuàng)新能力和領(lǐng)域融合應(yīng)用創(chuàng)新能力的培養(yǎng)目標(biāo)，武漢理工大學(xué)結(jié)合通識、基礎(chǔ)、創(chuàng)新等不同層面實驗教學(xué)需求，按照云計算的理念和技術(shù)規(guī)范，建設(shè)基于云計算的實驗教學(xué)平臺體系，如圖1所示。該平臺具有技術(shù)功能強大、能夠提供個性化服務(wù)、實驗環(huán)境規(guī)范、開放程度較高等特點。

計算機開放式實驗教學(xué)云服務(wù)平臺的基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)層（IaaS）由物理資源池、虛擬化管理和云業(yè)務(wù)管理支撐，通過對物理資源池中的服務(wù)器、存儲資源和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實現(xiàn)虛擬化聚合部署，配合云計算虛擬化管理系統(tǒng)實現(xiàn)一個功能完整、標(biāo)準(zhǔn)開放、方便集成、安全可靠的IaaS服務(wù)層。云計算虛擬化管理系統(tǒng)主要是為云計算基礎(chǔ)架構(gòu)提供最優(yōu)化的虛擬化與云業(yè)務(wù)服務(wù)解決方案，實現(xiàn)實驗教學(xué)云平臺的中央管理控制，統(tǒng)一管理所有的物理資源和虛擬資源，可降低計算環(huán)境的復(fù)雜度和管理成本?；A(chǔ)設(shè)施即服務(wù)層還可為開展云計算IaaS層的研究、教學(xué)和實驗提供基礎(chǔ)環(huán)境。

建設(shè)平臺即服務(wù)層（PaaS）部署虛擬實驗室組件，主要提供統(tǒng)一身份認(rèn)證管理、業(yè)務(wù)訪問控制、大數(shù)據(jù)挖掘和統(tǒng)計等方面的服務(wù)。

建設(shè)軟件即服務(wù)層（SaaS）主要包括基礎(chǔ)公共服務(wù)和實驗教學(xué)服務(wù)。基礎(chǔ)公共服務(wù)集成現(xiàn)有有序和無序信息，為教師和學(xué)生提供一個統(tǒng)一的信息共享入口，以便能隨時隨地對實驗教學(xué)云平臺進(jìn)行訪問、共享、管理、使用等；實驗教學(xué)服務(wù)能為教師教學(xué)和學(xué)生實驗提供資源、交流和共享平臺、實驗行為記錄、大數(shù)據(jù)分析工具等。

2基于云平臺的開放式實驗教學(xué)模式

2.1開放式虛擬實驗教學(xué)模式以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為核心

在云計算平臺上，以SaaS模式部署一套虛擬實驗室系統(tǒng)，對實驗教學(xué)云平臺的虛擬資源池進(jìn)行統(tǒng)一管理，為教師教學(xué)和學(xué)生實驗提供一整套的虛擬主機管理、實驗環(huán)境、資源管理、能力評測等子系統(tǒng)，將傳統(tǒng)教學(xué)中在機房中做的實驗搬到云端，使學(xué)生和教師擺脫傳統(tǒng)計算機機房的限制，形成不受時間、地點和設(shè)備限制的以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為核心的全時段開放虛擬實驗教學(xué)模式。

1）學(xué)生“個人虛擬實驗室”。

虛擬實驗室系統(tǒng)為每個學(xué)生創(chuàng)建“個人虛擬實驗室”，讓學(xué)生的學(xué)習(xí)脫離實驗室的空間和時間限制，實現(xiàn)使用任何可以連入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備在任何時間通過Web方式或云桌面方式都能訪問“個人虛擬實驗室”并查看當(dāng)前所有實驗項目列表的功能。學(xué)生開始虛擬實驗時，系統(tǒng)會自動根據(jù)教師選擇的虛擬機模板創(chuàng)建出學(xué)生虛擬實驗機，學(xué)生虛擬實驗機已安裝好實驗所需的軟件并配置好所需的環(huán)境，這樣學(xué)生就可以將有限的時間專注于實驗本身。

虛擬實驗室系統(tǒng)可以按需為每個學(xué)生分配多個虛擬機模板，每個虛擬機模板啟動后就相當(dāng)于一臺實驗主機。只要管理員不注銷該虛擬機，這臺虛擬機就可被學(xué)生長期獨占，因此學(xué)生可以對主機上的軟件進(jìn)行定制、對開發(fā)環(huán)境進(jìn)行配置、保存實驗操作信息、留存過程數(shù)據(jù)及學(xué)習(xí)資料。

2）教師“虛擬工作室”。

利用虛擬實驗室系統(tǒng)，任課教師可以為每節(jié)實驗課配置不同的虛擬機模板，虛擬機模板包含操作系統(tǒng)、實驗開發(fā)環(huán)境等并與課程資源和知識點關(guān)聯(lián)。同一個實驗室可以為眾多的課程提供實驗環(huán)境，無需考慮這些課程所需使用資源與實驗環(huán)境的差異，這和傳統(tǒng)實驗室有著本質(zhì)的區(qū)別。另外，教師還可以對所有參與該課程學(xué)習(xí)學(xué)生的虛擬實驗桌面進(jìn)行管理，幫助學(xué)生解決實驗過程中出現(xiàn)的問題。

虛擬實驗室系統(tǒng)不僅是一個虛擬實驗的平臺和載體，還通過教師“虛擬工作室”提供一種創(chuàng)新性的電子教學(xué)資源整理、編輯和匯聚的開發(fā)工具，使老師能快速有效地組織知識點和開展實驗教學(xué)，同時提高學(xué)生的學(xué)習(xí)和實驗操作效率。

2.2實驗過程動態(tài)跟蹤與能力成長評測

為監(jiān)控計算機實驗教學(xué)的質(zhì)量，SaaS層還部署了一套計算機實驗云教育系統(tǒng)。該系統(tǒng)與虛擬實驗室系統(tǒng)無縫集成，能為虛擬實驗提供在線課程資源、自動記錄學(xué)生實驗過程并進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，從而對學(xué)生實驗實踐環(huán)節(jié)全過程進(jìn)行動態(tài)跟蹤與管理。

1）實驗過程動態(tài)跟蹤。

記錄和跟蹤學(xué)生的實驗、實訓(xùn)、競賽、創(chuàng)新活動等信息和軌跡，并通過實驗教學(xué)云平臺的大數(shù)據(jù)分析和挖掘技術(shù)，可以幫助老師掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)路徑、學(xué)習(xí)情況等信息，構(gòu)建學(xué)生社會需求一實踐項目一能力達(dá)成度一創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力等信息反饋和持續(xù)改進(jìn)機制，為教學(xué)過程的持續(xù)改進(jìn)提供數(shù)據(jù)依據(jù)，最終促進(jìn)學(xué)生實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)。

2）卓越工程師崗位能力評估。

基于實驗教學(xué)云平臺構(gòu)建面向行業(yè)實際崗位的卓越工程師崗位能力成熟度模型，該模型借鑒軟件工程的CMMI模型，詳細(xì)定義達(dá)成相應(yīng)崗位各級能力所應(yīng)該具備的技術(shù)能力和水平。利用基于崗位能力成熟度模型的能力評估工具，可將學(xué)習(xí)路徑流程化和圖形化，通過云端行為記錄和大數(shù)據(jù)分析自動對模型中學(xué)生的學(xué)習(xí)過程進(jìn)行記錄和統(tǒng)計，并與崗位素質(zhì)模型的要求進(jìn)行比較，為學(xué)生的學(xué)習(xí)和教師的授課提供科學(xué)的指引，讓學(xué)生能夠在學(xué)習(xí)過程中明確自身的能力水平與行業(yè)需求的差距，提高學(xué)生的內(nèi)驅(qū)力。

2.3實驗教學(xué)資源云在線開放

系統(tǒng)還支持教學(xué)資源共享的功能，為建設(shè)實驗教學(xué)資源云和形成開放式實驗教學(xué)模式提供有力的支撐；在教師“虛擬工作室”嵌入實驗教學(xué)資源聚合開發(fā)與分享平臺，利用多媒體和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將網(wǎng)上各種教學(xué)資源、教學(xué)要素和教學(xué)環(huán)節(jié)整理組合、相互融合，創(chuàng)設(shè)出豐富生動的教學(xué)資源。我們把這些計算機類實驗教學(xué)資源分成基礎(chǔ)實驗教學(xué)資源、專業(yè)實驗教學(xué)資源、綜合實驗教學(xué)資源、虛擬仿真實驗教學(xué)資源、創(chuàng)新實驗教學(xué)資源等。同時，實驗教學(xué)資源聚合開發(fā)與分享平臺還可以將實驗教學(xué)發(fā)布和分享到云端，形成實驗教學(xué)資源云。對于資源云上共享的實驗課程及教學(xué)資源，任何老師可以直接下載并用于教學(xué)，所有學(xué)生也可以在線學(xué)習(xí)這些課程資源。

3基于云平臺的開放式實驗教學(xué)管理模式

武漢理工大學(xué)云架構(gòu)實驗教學(xué)平臺具有良好的可擴展性和可維護(hù)性，具有大存儲量、虛擬化等特點，能夠?qū)⑷５挠嬎銠C課程資源和數(shù)據(jù)集中，形成全方位的開放實驗教學(xué)管理模式。

1）基于云平臺的實驗教學(xué)資源與過程管理。

具有管理權(quán)限的教師可以隨時隨地登錄系統(tǒng)，進(jìn)行系統(tǒng)配置管理，了解實驗室的使用情況，通過監(jiān)控系統(tǒng)查看實驗室的當(dāng)前授課畫面；任課教師基于云端的課程編輯系統(tǒng)和在線作業(yè)提交及批改系統(tǒng)，隨時隨地都可以備課、閱卷和批改作業(yè)；實驗教學(xué)資源云上匯聚了老師授課、學(xué)生學(xué)習(xí)所需要的所有資料，實驗課堂上老師和學(xué)生能通過不同客戶端實現(xiàn)在線互動。

2）網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實驗課程、實驗項目的365×24開放。

通過使用實驗教學(xué)云平臺和虛擬實驗室系統(tǒng)，學(xué)生可以隨時隨地使用任何終端連接進(jìn)入云平臺完成在線學(xué)習(xí)、實驗準(zhǔn)備、作業(yè)提交、微課程學(xué)習(xí)等活動，實現(xiàn)實驗課程和實驗項目全時段開放，為學(xué)生提供個性化的進(jìn)行創(chuàng)新實踐的時間和空間，如圖2所示。

3）基于云平臺的實驗教學(xué)自助式服務(wù)及跨學(xué)期彈性實施。

實驗教學(xué)資源云匯集學(xué)校的所有計算機類課程包，學(xué)生可以隨時登錄系統(tǒng)，選擇自己必修或想要學(xué)習(xí)的課程并提交課程學(xué)習(xí)申請。任課老師同意后，學(xué)生即可開始學(xué)習(xí)該課程并做該課程相關(guān)的所有虛擬實驗，實現(xiàn)實驗的自助式服務(wù)。此外，基于云平臺的實驗教學(xué)還支持實驗課程跨學(xué)期彈性實施。

4）開放實驗室的智能化、遠(yuǎn)程化在線管理和監(jiān)控。

武漢理工大學(xué)計算機實驗教學(xué)云平臺還接入基于網(wǎng)絡(luò)的各種智能節(jié)點，包括智能開關(guān)、燈光、安防系統(tǒng)、門禁、監(jiān)控等，通過網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)匯集并傳輸給云平臺管理系統(tǒng)，從而實現(xiàn)對開放實驗室的智能化、遠(yuǎn)程化在線管理和監(jiān)控。

4結(jié)語

2015年10月，武漢理工大學(xué)計算機學(xué)院完成開放式實驗教學(xué)與管理云服務(wù)平臺的部署，共使用12臺高性能服務(wù)器，光纖磁盤整列有效容量約100TB。建成后的平臺開始承載計算機學(xué)院計算機基礎(chǔ)課程、獨立實驗課程、國際化教育課程、Hadoop大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)、軟件測試實訓(xùn)、自主創(chuàng)新項目等教學(xué)實踐任務(wù)，并且部署了教學(xué)資源共享庫。任課教師普遍反映平臺使用方便、系統(tǒng)穩(wěn)定、性能較好，能夠高效地組織實驗教學(xué)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)效果，實現(xiàn)了實驗課程和實驗項目的全天候開放；同時也較好地解決以往分散建設(shè)、重復(fù)投資、信息孤島等問題，實現(xiàn)各類資源整合與共享，為實驗教學(xué)管理改革提供全方位的支持。

（編輯：宋文婷）