程 實(shí)， 李躍華， 陳曉勇a，2， 陳善利， 葛 驊a

（1.南通大學(xué)a.信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院；b.阿里云大數(shù)據(jù)學(xué)院，江蘇南通226019；2.南通大學(xué)杏林學(xué)院，江蘇南通226000）

0 引 言

隨著國家創(chuàng)新型、應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)的提出和大學(xué)畢業(yè)生的數(shù)量逐年增多，用人單位提高了人才招收標(biāo)準(zhǔn)，要求學(xué)生既要有扎實(shí)的理論知識(shí)，又要有豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。這意味著有越來越多的大學(xué)畢業(yè)生將要面臨就業(yè)困難壓力，因此，高校實(shí)踐教學(xué)就顯得尤為重要，這是學(xué)生唯一可以在學(xué)校通過學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)積累經(jīng)驗(yàn)的機(jī)會(huì)［1-3］。

1 實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀

1.1 實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)設(shè)施缺乏，設(shè)備更新?lián)Q代速度慢

為了更好地開展實(shí)踐教學(xué)提升實(shí)驗(yàn)效果，很多高校都在致力于建設(shè)更多的實(shí)驗(yàn)室，但是學(xué)生數(shù)量逐年增加，實(shí)驗(yàn)課程的安排非常緊湊，基礎(chǔ)設(shè)施在一定程度上處于緊張狀態(tài)［4］。而且隨著實(shí)驗(yàn)課程的不斷深入，一些設(shè)備根本無法滿足課程的需要，更新?lián)Q代速度也較為緩慢，從根本上限制了學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

1.2 學(xué)生實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)不充分，很難積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)

通常情況下，學(xué)生只有在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課程時(shí)才能進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，開放實(shí)驗(yàn)需要提前預(yù)約或者指定時(shí)間，以免由于學(xué)生大意而造成設(shè)備的損壞。這也間接導(dǎo)致學(xué)生沒有足夠的實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)，課后無法繼續(xù)練習(xí)，僅僅靠課上時(shí)間是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，很難積累豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。對于有些實(shí)驗(yàn)學(xué)生要經(jīng)過反復(fù)多次的測試才能熟練地掌握實(shí)驗(yàn)原理，進(jìn)而得到精確結(jié)果。

1.3 難以開設(shè)復(fù)雜實(shí)驗(yàn)，理論實(shí)踐難結(jié)合

高校設(shè)置的實(shí)驗(yàn)一般都是危險(xiǎn)系數(shù)低、學(xué)生易操作，而有些復(fù)雜困難、存在高度危險(xiǎn)性的實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室中無法完成。主要原因有：①要保證學(xué)生和實(shí)驗(yàn)室的安全，②基礎(chǔ)設(shè)施不具備實(shí)際操作的條件。因此，只能對學(xué)生進(jìn)行理論教學(xué)，導(dǎo)致學(xué)生對相關(guān)知識(shí)、原理的理解不是特別透徹，與此同時(shí)，學(xué)生的動(dòng)手能力得不到充分鍛煉。

1.4 設(shè)備維護(hù)不足，運(yùn)營成本高

有些實(shí)驗(yàn)室是專門給具體的某個(gè)項(xiàng)目建設(shè)的，這通常需要很高的建設(shè)費(fèi)用，因?yàn)樗鼈儗τ趯?shí)驗(yàn)器材要求較高，并且設(shè)備會(huì)受到長期損耗，后期維護(hù)也需要相當(dāng)大的一部分資金投入。除此之外，高校通常會(huì)要求每個(gè)專業(yè)都要做一些基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)類型都相同。導(dǎo)致課程被排得很滿，做實(shí)驗(yàn)的學(xué)生很多，因此，難免會(huì)出現(xiàn)設(shè)備長期使用而損壞的現(xiàn)象，為了不耽誤課程進(jìn)度，無法及時(shí)維修，給設(shè)備的長期維護(hù)帶來很大的困難，被損壞的器械也給學(xué)生帶來極大的安全隱患。

2 云計(jì)算技術(shù)和虛擬化技術(shù)

簡單地來說，“云”就是一種提供資源的網(wǎng)絡(luò)，云計(jì)算是一種分布式計(jì)算，解決任務(wù)分發(fā)，同時(shí)也是集效用計(jì)算、負(fù)載均衡、網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)、虛擬化技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算［5］。當(dāng)下云教育也愈發(fā)盛行，它是基于計(jì)算機(jī)商業(yè)模式應(yīng)用的教育平臺(tái)服務(wù)，讓教育資源得到有效的整合，體現(xiàn)了很好的交互性，給計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)時(shí)代帶來了前所未有的革新，也給用戶帶來了全新的體驗(yàn)。圖1 則為云計(jì)算技術(shù)下的云教育模式。

圖1 云計(jì)算技術(shù)下的云教育模式

虛擬化技術(shù)是云計(jì)算技術(shù)中非常重要的核心技術(shù)，因?yàn)樗饕獙?shí)現(xiàn)的是資源管理和中心數(shù)據(jù)的處理，并且也能實(shí)現(xiàn)服務(wù)器的應(yīng)用聚合。給數(shù)據(jù)中心管理人員帶來了極大便利，管理非常順暢，并能保持最高效率，讓服務(wù)器以最佳性能運(yùn)行［6］。除此之外，虛擬化技術(shù)在最大程度上應(yīng)用物理硬件資源，將用戶、網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用分離，提高用戶體驗(yàn)。

通過應(yīng)用云＋建設(shè)理念，能夠大幅降低整體活動(dòng)投入，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作。這不僅能夠避免實(shí)驗(yàn)室出現(xiàn)意外問題，還可以讓實(shí)驗(yàn)活動(dòng)擺脫時(shí)間與空間的限制，大幅增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)效率，有效提高教育活動(dòng)的展開效果。云＋建設(shè)能夠體現(xiàn)出當(dāng)前信息化技術(shù)應(yīng)用的優(yōu)勢，有利于高校教育活動(dòng)的信息化、智能化改革。通過云＋技術(shù)應(yīng)用，高校實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)完善了實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)的建設(shè)體系，體現(xiàn)了良好的應(yīng)用成效，有利于進(jìn)一步教育活動(dòng)的展開。

3 網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)

實(shí)踐教學(xué)是高校培養(yǎng)高素質(zhì)人才的重要環(huán)節(jié)，隨著云計(jì)算技術(shù)和虛擬技術(shù)的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室在實(shí)踐教學(xué)中逐漸顯現(xiàn)出獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值。它主要是利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)打造虛擬場景，進(jìn)而模擬實(shí)驗(yàn)器材，實(shí)現(xiàn)儀器設(shè)備的遠(yuǎn)程共享。在虛擬仿真的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，學(xué)生可以獨(dú)自多次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，完全不受空間、時(shí)間限制，并使他們充分地熟悉實(shí)驗(yàn)器材和實(shí)驗(yàn)過程，也能對自己得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行反復(fù)檢驗(yàn)。其中最重要的是，他們可以自行進(jìn)行一些具有很大危險(xiǎn)性的實(shí)驗(yàn)，并且無須教師監(jiān)督，具有很強(qiáng)的兼容性和擴(kuò)展性。學(xué)生不再停留于理論知識(shí)，不僅鍛煉了動(dòng)手能力，而且在一定程度上激發(fā)了他們的創(chuàng)新精神［7-9］。

學(xué)生也可以利用其他電子設(shè)備登錄進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)，無須真實(shí)器材便能輕易操作，有效地實(shí)現(xiàn)了課上課下無縫連接。以BOD 水質(zhì)檢測實(shí)驗(yàn)為例，所需實(shí)驗(yàn)儀器有恒溫培養(yǎng)箱、溶解氧瓶、容器、量筒、酸式滴定管、玻璃攪棒、虹吸管等［10-13］。圖2 則為BOD測定實(shí)驗(yàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室操作模式，首先映入眼簾的就是全部所需實(shí)驗(yàn)器材，其真實(shí)性能讓學(xué)生快速進(jìn)入實(shí)驗(yàn)環(huán)境，同時(shí)也方便學(xué)生在真實(shí)實(shí)驗(yàn)操作之前熟悉整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，能最大程度避免操作危險(xiǎn)發(fā)生。作為一種全新的學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)方式，通過學(xué)習(xí)者本身與信息環(huán)境的交互進(jìn)而實(shí)現(xiàn)知識(shí)、技能的有效獲取。

圖2 BOD測定實(shí)驗(yàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室操作模式

除此之外，教師也可以在此平臺(tái)上設(shè)置考核模式和自由練習(xí)模式，在自由練習(xí)模式下，學(xué)生可以隨意調(diào)整實(shí)驗(yàn)難易程度和參數(shù)，從而真正理解實(shí)驗(yàn)的原理及步驟。學(xué)生經(jīng)過多次練習(xí)操作之后，教師要檢驗(yàn)學(xué)生操作手段是否符合規(guī)范。圖3 則為BOD 測定實(shí)驗(yàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室考核模式，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將他們的實(shí)驗(yàn)操作情況、實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果記錄下來，由教師給出相應(yīng)的評價(jià)。在掌握他們每一個(gè)人的學(xué)習(xí)情況后給出合理的指導(dǎo)，使學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和教師的教學(xué)水平都能實(shí)現(xiàn)很大的提升。

圖3 BOD測定實(shí)驗(yàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室考核模式

4 基于云計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的成效

4.1 服務(wù)器負(fù)載小，保持服務(wù)器處于良好狀態(tài)

由于此網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)是采用云計(jì)算技術(shù)，所以無需對服務(wù)器進(jìn)行過多的資金投入，與此同時(shí)，還能保證服務(wù)器高效運(yùn)轉(zhuǎn)。學(xué)生在線進(jìn)行不同性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)時(shí)，實(shí)驗(yàn)之間不會(huì)因?yàn)樵L問量增加和服務(wù)器負(fù)載產(chǎn)生干擾，云計(jì)算可以在廣泛分布的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡，保持服務(wù)器處于良好狀態(tài)，保證學(xué)生順利完成實(shí)驗(yàn)［15］。

4.2 實(shí)驗(yàn)不受時(shí)間、空間限制

無論是學(xué)生做實(shí)驗(yàn)還是教師進(jìn)行管理，各個(gè)終端在登錄平臺(tái)時(shí)是不受時(shí)間和空間限制，因?yàn)榇似脚_(tái)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是云服務(wù)器，它不僅有獨(dú)立地址，而且具有傳送或接收數(shù)據(jù)功能，是一種簡單高效，安全可靠，處理能力可彈性伸縮的計(jì)算服務(wù)。實(shí)現(xiàn)了實(shí)體實(shí)驗(yàn)室的延伸和擴(kuò)展，其中網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)可以保存學(xué)生由于某些原因未做完的實(shí)驗(yàn)，以便在其他終端登錄時(shí)可以繼續(xù)進(jìn)行，保證了整個(gè)實(shí)驗(yàn)得以連貫順利地完成，并提高了實(shí)驗(yàn)的成功率，而在實(shí)體實(shí)驗(yàn)室中基本上無法實(shí)現(xiàn)。

4.3 設(shè)備維護(hù)簡單，降低教學(xué)成本投入

此平臺(tái)的設(shè)備都是仿照真實(shí)實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行虛擬打造的，一方面保證了實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性，另一方面避免了設(shè)備的后期特殊維護(hù)。相關(guān)技術(shù)人員只需要對計(jì)算機(jī)相關(guān)設(shè)備硬件進(jìn)行定期的檢查、維修，并讓學(xué)生按照正確的順序進(jìn)行，從而延長計(jì)算機(jī)使用壽命。除此之外，實(shí)驗(yàn)室也允許學(xué)生自行帶筆記本電腦和平板電腦等電子設(shè)備登錄平臺(tái)開展有關(guān)實(shí)驗(yàn)，大大減少了學(xué)校實(shí)體實(shí)驗(yàn)室包括場地、機(jī)器的建設(shè)成本，也無須安排過多的管理人員進(jìn)行設(shè)備管理。

4.4 方便實(shí)驗(yàn)考核、管理

通常情況下，在課堂實(shí)驗(yàn)中教師都會(huì)設(shè)置一個(gè)考核標(biāo)準(zhǔn)，基本上包括實(shí)驗(yàn)操作水平、實(shí)驗(yàn)報(bào)告完成情況。但是教師不能對每個(gè)學(xué)生的操作過程進(jìn)行監(jiān)控，因此，做不到全面的數(shù)字化考核。而網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)可以自動(dòng)記錄并提供給教師相關(guān)數(shù)據(jù)，為了讓學(xué)生積極參與，教師應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)并結(jié)合實(shí)際情況科學(xué)合理地制定分段考核標(biāo)準(zhǔn)，這樣能提高教師的工作效率，使管理、教學(xué)效益實(shí)現(xiàn)最大化。

4.5 能夠開設(shè)復(fù)雜實(shí)驗(yàn)

如何讓學(xué)生更加了解一些無法觸及的危險(xiǎn)性實(shí)驗(yàn)一直是高校教師不斷思考的問題，而該虛擬平臺(tái)則給出了很好的解決方案。即使一些高校有條件開設(shè)這些實(shí)驗(yàn)室，也不能保證實(shí)驗(yàn)的全面安全，所以通常情況下，這些危險(xiǎn)性實(shí)驗(yàn)基本上都停留在理論知識(shí)教育。但是對于學(xué)生來說，這終將成為他們實(shí)踐經(jīng)歷上的一部分缺失，因此，網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)的建設(shè)就顯得尤為重要，學(xué)生在進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)的過程中，不用考慮設(shè)備、材料不足等問題，更不用考慮價(jià)格昂貴的問題。學(xué)生在學(xué)校里積攢了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)后，可以順利進(jìn)入企業(yè)并有能力勝任相關(guān)工作。

4.6 實(shí)現(xiàn)多校區(qū)聯(lián)動(dòng)

目前很多高校都有多個(gè)校區(qū)，分為主校區(qū)和分校區(qū)，但是校區(qū)并不是緊密分布的，一般相隔較遠(yuǎn)。每個(gè)校區(qū)都有不同專業(yè)、不同層次的學(xué)生，為了讓每個(gè)學(xué)生都能在實(shí)踐教育中得到公平教育，高校在每一個(gè)校區(qū)都建設(shè)相同的實(shí)驗(yàn)室。但是這需要很大一筆費(fèi)用，而網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，讓所有的學(xué)生都能在此平臺(tái)上享受公共教育資源，從而實(shí)現(xiàn)多校區(qū)聯(lián)動(dòng)。

5 結(jié) 語

在不久的將來，云計(jì)算技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)一定會(huì)迅速發(fā)展起來。而基于云計(jì)算技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)也會(huì)在眾多高校內(nèi)實(shí)現(xiàn)全面開展。它更新了傳統(tǒng)的課堂實(shí)踐教學(xué)模式，讓教育不再受時(shí)間、空間、地點(diǎn)限制，對于一些平時(shí)在課堂上無法完成的實(shí)踐內(nèi)容，學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室中都能輕易地操作實(shí)現(xiàn)。它的建設(shè)不僅使教學(xué)資源管理逐漸走向科學(xué)化，而且高校無須在人才培養(yǎng)方面投入過多的資金。最重要的是，此平臺(tái)的建設(shè)提供給學(xué)生更多鍛煉動(dòng)手能力的機(jī)會(huì)，也培養(yǎng)了他們的創(chuàng)新精神，從而使他們成為國家人才培養(yǎng)目標(biāo)中最強(qiáng)有力的后備軍。