龔文芳， 王 宏， 綦 廣， 簡碧園

(1. 中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 自動化學(xué)院 信息技術(shù)教學(xué)實驗中心， 湖北 武漢 430074；2. 廣州科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 廣東 廣州 510080)

在當(dāng)前高等教育的改革大潮中，MOOCs教學(xué)[1]、反轉(zhuǎn)課堂[2]等新型教學(xué)方式受到人們的青睞，成為目前研究的熱點。利用在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)，可提高教學(xué)信息化水平，改善預(yù)習(xí)、討論、復(fù)習(xí)、測驗等學(xué)習(xí)環(huán)境，成為推動教學(xué)改革的有效手段之一，而計算機實驗室在教學(xué)中的地位也不斷提高。但實驗室中計算機配置不統(tǒng)一，軟件安裝、維護(hù)任務(wù)重，原有的機房管理模式和技術(shù)已經(jīng)無法適應(yīng)教學(xué)改革的要求。實踐表明，采用桌面云技術(shù)是提高機房效率的有效方法，特別是在整合現(xiàn)有教學(xué)資源、提高資源共享度、加強教學(xué)互動等方面具有明顯優(yōu)勢[3-4]。本文結(jié)合GIS課程教學(xué)改革，闡述了云計算背景下云學(xué)習(xí)平臺的構(gòu)建和實現(xiàn)過程。

1 構(gòu)建MapGIS綜合云教學(xué)平臺的意義

MapGIS是一個專業(yè)化地質(zhì)制圖軟件，是測繪工程、遙感科學(xué)與技術(shù)、地理信息科學(xué)、地球信息科學(xué)與技術(shù)等專業(yè)學(xué)生必修的核心課程內(nèi)容。中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)資源學(xué)院、地球物理與空間信息學(xué)院、信息工程學(xué)院、經(jīng)濟管理學(xué)院以及工程學(xué)院的多個專業(yè)都開設(shè)了MapGIS的相關(guān)課程。這些課程組成一個集MapGIS理論和應(yīng)用，涉及多個專業(yè)和方向的多角度、立體式的培養(yǎng)體系。MapGIS課程體系包括理論教學(xué)和實踐教學(xué)兩部分、30多門課程，涵蓋理論教學(xué)、實驗教學(xué)、專業(yè)訓(xùn)練、能力培養(yǎng)4個層次[5-7](見圖1、圖2)。

目前，中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)有2個MapGIS專業(yè)機房，多個面向全校的公共計算機房也安裝了MapGIS軟件。雖然機房設(shè)備在規(guī)模和數(shù)量上滿足了教學(xué)和科研的需要，但MapGIS實驗教學(xué)問題亟待解決。問題主要表現(xiàn)在:

(1) MapGIS教學(xué)分屬不同學(xué)院、不同專業(yè)，分別在各學(xué)院獨立進(jìn)行，缺乏交流和溝通的機制和平臺，不利于MapGIS課程的教學(xué)和課程體系的發(fā)展；

圖1 MapGIS理論教學(xué)課程體系

圖2 實踐教學(xué)課程體系

(2) 信息工程學(xué)院已經(jīng)提出實訓(xùn)教學(xué)方案，但整合現(xiàn)有的MapGIS實驗設(shè)備和師資力量尚缺乏一個跨專業(yè)、跨院系的交流平臺；

(3) MapGIS是本校中地公司開發(fā)的軟件，軟件使用者(例如土地資源管理、遙感科學(xué)與技術(shù)、測繪工程、資源環(huán)境與城鄉(xiāng)規(guī)劃管理等專業(yè))迫切需要了解MapGIS的未來發(fā)展、獲得更多的技術(shù)支持。

因此，構(gòu)建一個校級MapGIS在線云學(xué)習(xí)平臺，兼顧教學(xué)、科研，為全校多個院系的師生服務(wù)，促進(jìn)MapGIS相關(guān)學(xué)科群的深入發(fā)展，是一非常有意義的工作[8-9]。

2 MapGIS綜合云教學(xué)平臺的構(gòu)建

我校現(xiàn)建有2個桌面云機房，每個機房設(shè)有100個終端。這些設(shè)備滿足了相關(guān)專業(yè)MapGIS課程的教學(xué)需要，也為MapGIS科研開發(fā)、教學(xué)交流、資源共享等深層次需求提供了可能。但是，由于缺乏基于服務(wù)器虛擬化技術(shù)的相關(guān)軟件，桌面云技術(shù)在教學(xué)中的優(yōu)勢沒有得到充分發(fā)揮，而開發(fā)MapGIS綜合云學(xué)習(xí)平臺是改善這一現(xiàn)狀的重要舉措之一。

有鑒于此，我校結(jié)合在線學(xué)習(xí)平臺的技術(shù)特點和教學(xué)需要，整合現(xiàn)有MapGIS課程體系的理論和實驗內(nèi)容，強化師生互動交流，以服務(wù)教師教學(xué)方法改革和學(xué)生自主學(xué)習(xí)為目標(biāo)，構(gòu)建了一個有機的在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)，具體實現(xiàn)的平臺功能如圖3所示。

圖3 在線云學(xué)習(xí)平臺功能

該綜合云教學(xué)平臺具有以下特點和優(yōu)勢。

(1) 整合了已有的課程內(nèi)容，構(gòu)建不同專業(yè)方向的云桌面系統(tǒng)。目前中心有15個公共計算機房，都開設(shè)了MapGIS課程，并將眾多的課程內(nèi)容整合起來，根據(jù)專業(yè)分類和課程要求，形成了面向測繪工程、遙感科學(xué)與技術(shù)、地理信息科學(xué)、地球信息科學(xué)與技術(shù)等不同專業(yè)的MapGIS課程內(nèi)容。

(2) 滿足學(xué)生個性化學(xué)習(xí)需求，構(gòu)建了個性化的MapGIS學(xué)習(xí)模板。系統(tǒng)為學(xué)生提供了一個標(biāo)準(zhǔn)模板并安裝了必要的軟件，允許學(xué)生自由安裝程序、配置軟件，形成個性化系統(tǒng)。系統(tǒng)再收集和整理這些模板，形成多個有代表性的桌面系統(tǒng)供學(xué)生使用。

(3) 通過虛擬桌面技術(shù)，合理規(guī)劃和調(diào)度服務(wù)器的資源，構(gòu)建了一個兼顧本科教學(xué)和教師科研的MapGIS云桌面系統(tǒng)。教師的科研往往需要集中使用服務(wù)器的資源和優(yōu)先分配相關(guān)資源。利用虛擬桌面的技術(shù)優(yōu)勢，建立了兼顧教學(xué)和科研的統(tǒng)一平臺。

(4) 實現(xiàn)了遠(yuǎn)程登錄的認(rèn)證和管理。虛擬桌面具有遠(yuǎn)程登錄、自動認(rèn)證等技術(shù)，基于這一技術(shù)，可以為學(xué)生和教師提供電子書包、移動備課、移動學(xué)習(xí)等功能，為MOOC課程的實施和學(xué)生交流提供平臺。

3 MapGIS在線云學(xué)習(xí)平臺功能的實現(xiàn)

3.1 資源共享，數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理，提高資源利用率

采用桌面云技術(shù)，改變了傳統(tǒng)分布式機房管理模式，將操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件安裝在4臺服務(wù)器中，所有運算都由服務(wù)器集中完成，從而實現(xiàn)桌面環(huán)境的集成管理。教師和學(xué)生可以使用云終端、客戶機、傳統(tǒng)PC或筆記本電腦等設(shè)備訪問虛擬機，方便資源共享。此外，系統(tǒng)管理員根據(jù)教學(xué)和科研的需求，面向師生分配不同的虛擬機，動態(tài)分配教學(xué)資源，提高了資源的利用率[10]。

3.2 有效控制教學(xué)環(huán)節(jié)，促進(jìn)師生互動交流

在線平臺通過微信、論壇、郵件和即時通信等多種方式，為師生課上、課下的動態(tài)交流提供了友好環(huán)境。搭建的平臺強化了師生之間互動，方便了教師開展課前預(yù)習(xí)、課后答疑等教學(xué)活動；學(xué)生在自主學(xué)習(xí)、課外活動中也可以借助平臺資源和討論組及時獲得輔導(dǎo)和幫助，提高學(xué)習(xí)效率。實踐證明，這一平臺在課程實習(xí)和課外活動中具有明顯優(yōu)勢。

3.3 采用資源優(yōu)化技術(shù)，彈性調(diào)度軟、硬件資源

桌面云是符合云計算的一種服務(wù)模式，可以使用戶按需要定制桌面環(huán)境，集中化管理所有桌面，通過客戶端訪問自己的桌面環(huán)境，并且采用多項技術(shù)提高服務(wù)器中軟、硬件使用效率。其中負(fù)載均衡、動態(tài)遷移和彈性升級技術(shù)保證了硬件資源合理調(diào)度使用，而系統(tǒng)的集中化管理、自動排課以及應(yīng)用虛擬化技術(shù)滿足了不同場景的需求，提高了設(shè)備的使用率[11]。具體而言，可以利用云平臺技術(shù)構(gòu)建桌面云實驗平臺，即教育桌面云E-VDI，全面整合課表和云端環(huán)境，實現(xiàn)桌面云智能化啟動和關(guān)閉，實現(xiàn)不同的課程啟動不同桌面，滿足實驗課的差異化需求。當(dāng)系統(tǒng)因為軟件升級、更新，或當(dāng)硬件配置無法滿足需求時，可彈性分配資源(如彈性升級內(nèi)存、CPU等)而無需更換終端硬件。

此外，利用動態(tài)遷移功能可手動或自動將虛擬機遷移到其他服務(wù)器，系統(tǒng)可自動平衡各服務(wù)器利用率，在保證業(yè)務(wù)流暢的同時最大化利用硬件資源[12-13]。

3.4 采用無線互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，提高資源獲取效率

基于無線互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的桌面云系統(tǒng)兼容多種終端設(shè)備。學(xué)生可隨時隨地獲得教學(xué)資源，使得MOOC、反轉(zhuǎn)課堂等新型教學(xué)形式得以應(yīng)用。為了適應(yīng)這些新型教學(xué)方式，構(gòu)建了MapGIS專業(yè)課程綜合學(xué)習(xí)平臺和MapGIS專業(yè)課程體系(見圖4)。結(jié)合專業(yè)的發(fā)展，我們整合和優(yōu)化了MapGIS教學(xué)內(nèi)容，并根據(jù)內(nèi)容的內(nèi)在聯(lián)系，把教學(xué)內(nèi)容分成從基礎(chǔ)到應(yīng)用的6個層次，每個層次確立了核心課程，明確每門課程培養(yǎng)目標(biāo)、教學(xué)方法和教學(xué)重點、難點，注重課程之間的銜接，去除冗余內(nèi)容，形成科學(xué)體系。

圖4 MapGIS專業(yè)課程體系

為了服務(wù)MOOC、反轉(zhuǎn)課堂的需求，注重實現(xiàn)教學(xué)形式多樣化。每門課程提供視頻教案、動畫、預(yù)習(xí)輔導(dǎo)、參考資料等教學(xué)資源。

地理信息系統(tǒng)(GIS)是一個實踐性很強的學(xué)科，MapGIS綜合云教學(xué)平臺的構(gòu)建在強化實習(xí)的預(yù)習(xí)、輔導(dǎo)以及管理方面有明顯效果。通過優(yōu)化實習(xí)內(nèi)容，綜合規(guī)劃了實驗、實習(xí)、實訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)，充分發(fā)揮平臺的優(yōu)勢，綜合6個層次的教學(xué)內(nèi)容形成2個綜合實訓(xùn)實驗，構(gòu)建了一個包括校內(nèi)實驗，校外實習(xí)、實訓(xùn)的立體式實驗基地。

3.5 多樣化內(nèi)容體系，滿足多種教學(xué)環(huán)節(jié)和活動需求

MapGIS綜合云教學(xué)平臺包括教師教學(xué)資源、實驗資源、學(xué)生課外活動資源、創(chuàng)業(yè)資源、教育資源監(jiān)控和分析模塊等多層次、立體式的教學(xué)資源資料庫，適應(yīng)了現(xiàn)代教學(xué)發(fā)展。資料庫具有4個主要功能。

(1) 為教學(xué)互動、資源共享，提供一個信息發(fā)布和交流的行業(yè)門戶。

(2) 自主學(xué)習(xí)是平臺的主要功能。平臺支持自主學(xué)習(xí)或者“反轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)方式。教學(xué)內(nèi)容主要是課程的“微課”資源、課件等，它包括視頻、動畫、PPT等教學(xué)資源。學(xué)生登錄自主學(xué)習(xí)模塊后，可以自由檢索和下載學(xué)習(xí)資源，自主安排學(xué)習(xí)時間，完成在線學(xué)習(xí)或反轉(zhuǎn)課堂學(xué)習(xí)。

(3) 進(jìn)行教學(xué)評價和教學(xué)互動。平臺分成網(wǎng)上作業(yè)系統(tǒng)和網(wǎng)上考試系統(tǒng)，兩者都基于云計算技術(shù)。用戶可以通過云平臺、客戶端來設(shè)定自己的作業(yè)和系統(tǒng)功能。圖5、圖6顯示了作業(yè)模塊和考試模塊的詳細(xì)內(nèi)容。

圖5 考試系統(tǒng)

圖6 作業(yè)系統(tǒng)

(4) 協(xié)助交流功能。通過平臺，學(xué)院與學(xué)院、學(xué)院與企業(yè)、教師與教師、教師與學(xué)生之間可進(jìn)行零距離交流，促進(jìn)了知識的傳播與創(chuàng)新，促進(jìn)了資源共享。這些交流主要包括教學(xué)科研、課堂教學(xué)、學(xué)生活動等。通過這個協(xié)作互動平臺，可以建立功能強大的內(nèi)容與信息發(fā)布管理，為教學(xué)互動、數(shù)據(jù)共享提供一個門戶。

4 結(jié)語

經(jīng)過3個學(xué)期的運行，MapGIS綜合云教學(xué)平臺已面向多個學(xué)院開放，提高了資源的利用率，減少了數(shù)據(jù)冗余且運行穩(wěn)定和流暢，滿足了不同使用者的需要，給使用者創(chuàng)造了一個平靜舒適的在線學(xué)習(xí)環(huán)境。無論是公共機房的使用者，還是MapGIS專業(yè)的學(xué)習(xí)者，都對虛擬桌面的教學(xué)效果表示滿意。由于虛擬桌面可以進(jìn)行統(tǒng)一的部署、維護(hù)和升級，減少了軟硬件維護(hù)和管理的時間與成本，從而大大提升了IT運行與維護(hù)效率。從服務(wù)教學(xué)的角度來看，這種機房在綜合服務(wù)教學(xué)上能滿足學(xué)生自主學(xué)習(xí)和交流互動的需求，滿足反轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)需要，能夠?qū)⒂行д系膬?yōu)質(zhì)教學(xué)資源方便、快捷地提供給用戶。

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