趙麗寧，張凱，雷安格，張建桃

（1.廣東省華僑職業(yè)技術(shù)學(xué)校，廣州510520；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，廣州510642）

0 引言

發(fā)揮中等職業(yè)類院校學(xué)科優(yōu)勢(shì)及強(qiáng)化廣東省華僑職業(yè)技術(shù)學(xué)校特色模式，在進(jìn)行學(xué)科建設(shè)的時(shí)候，建設(shè)專門(mén)的工科類教學(xué)實(shí)驗(yàn)室，用以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手操作能力。不同的學(xué)科、不同的課程，甚至相同的課程名稱不同的學(xué)分，都需要安裝配置不同類型不同版本的軟件，如Auto?CAD、Visual Studio、MATLAB、Robot Studio等大型平臺(tái)類軟件，然而，此類大型工程應(yīng)用軟件安裝配置較為復(fù)雜，操作系統(tǒng)獨(dú)占性較強(qiáng)，多種軟件安裝后由于功能重疊、硬件資源獨(dú)占等因素易發(fā)生沖突從而導(dǎo)致軟件失效，因此工科類實(shí)驗(yàn)室管理情況較為復(fù)雜，管理效率低下。另外，由于準(zhǔn)入準(zhǔn)出課程的安排設(shè)置，導(dǎo)致部分實(shí)驗(yàn)室上半學(xué)年和下半學(xué)年實(shí)驗(yàn)室占用情況完全不同，甚至有一些專業(yè)自建實(shí)驗(yàn)室一段時(shí)間完全處于空閑狀態(tài)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室資源設(shè)備浪費(fèi)嚴(yán)重。為此需要探索一種新的工科類實(shí)驗(yàn)課程實(shí)訓(xùn)方法，提高大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備利用率，減輕管理人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高教師授課效率及學(xué)生學(xué)習(xí)效率。

1 工科類實(shí)驗(yàn)室管理現(xiàn)狀

長(zhǎng)期以來(lái)，工科類實(shí)驗(yàn)室在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，由于監(jiān)管不到位，管理人員不重視，教師受限于實(shí)驗(yàn)室硬件“老化”，學(xué)生“走過(guò)場(chǎng)”等形式，導(dǎo)致上課效果一直以來(lái)廣受詬病。為此，利用信息技術(shù)把傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室本地化教學(xué)的優(yōu)勢(shì)和網(wǎng)絡(luò)在線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的教學(xué)優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)，采取線上線下混合式教學(xué)的模式。實(shí)際執(zhí)行過(guò)程中，應(yīng)考慮使用混合式教學(xué)的基本設(shè)計(jì)思路和方法，采用基于教育大數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)教學(xué)評(píng)估與學(xué)習(xí)行為預(yù)測(cè)方法，指導(dǎo)教學(xué)實(shí)踐。

目前廣東省華僑職業(yè)技術(shù)學(xué)校實(shí)驗(yàn)室管理現(xiàn)狀如下：

（1）采用完全本地化的集中控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)教學(xué)模式。通過(guò)前期調(diào)研得知，目前大部分學(xué)校機(jī)房采用的也是此類方式，包括廣東省華僑職業(yè)技術(shù)學(xué)校機(jī)電專業(yè)部的2個(gè)實(shí)驗(yàn)室和華南農(nóng)業(yè)大學(xué)公共基礎(chǔ)課實(shí)驗(yàn)中心，教師需要學(xué)會(huì)操作管理平臺(tái)，管理平臺(tái)對(duì)學(xué)生透明。教師授課的時(shí)候，把《工業(yè)機(jī)器人操作編程》授課PPT及所需軟件推送到學(xué)生端并自動(dòng)安裝，解決了教師端授課端推送安裝問(wèn)題，但針對(duì)專業(yè)大型軟件底層沖突、軟件安裝授權(quán)失效等問(wèn)題難以解決，學(xué)生無(wú)意中插入U(xiǎn)盤(pán)等引入的木馬病毒肆虐泛濫，導(dǎo)致管理難度極大。

（2）計(jì)算機(jī)更新成本、專業(yè)建設(shè)資金及時(shí)間成本均難以承擔(dān)。隨著硬件技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，各種新設(shè)備、新技術(shù)層出不窮，為了適應(yīng)社會(huì)的人才需求，學(xué)校開(kāi)設(shè)機(jī)器人專業(yè)課程并配套實(shí)驗(yàn)設(shè)備。2020年，廣東省華僑職業(yè)技術(shù)學(xué)校機(jī)電專業(yè)部的兩間計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室已進(jìn)入老化期，硬件已達(dá)不到《工業(yè)機(jī)器人操作編程》教學(xué)軟件的要求，嚴(yán)重影響了實(shí)驗(yàn)課程的展開(kāi)。

（3）后續(xù)實(shí)驗(yàn)課程評(píng)價(jià)和反饋機(jī)制不健全。學(xué)生針對(duì)《工業(yè)機(jī)器人操作編程》實(shí)驗(yàn)課程的反饋，僅能通過(guò)發(fā)放問(wèn)卷方式的評(píng)教反饋，但是實(shí)驗(yàn)過(guò)程的邏輯性及嚴(yán)謹(jǐn)性，實(shí)驗(yàn)最終效果分析，沒(méi)有采用科學(xué)的信息化手段及時(shí)合理反饋給教師，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課的評(píng)教較差。

2 ECS在實(shí)驗(yàn)課程中的特點(diǎn)

云計(jì)算（cloud computing）是目前較為熱門(mén)的一種商用服務(wù)模型，是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算方式，通過(guò)這種方式，共享的軟硬件資源和信息可以按需求提供給計(jì)算機(jī)各種終端和其他設(shè)備。云服務(wù)器（elastic compute service，ECS）是云計(jì)算商業(yè)模型的一種，采用云桌面方式連接云平臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。云平臺(tái)一般提供4種模式的服務(wù)：

（1）基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（infrastructure-as-a-ser?vice，IaaS）。遠(yuǎn)程用戶通過(guò)Internet可以從完善的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)設(shè)施獲得服務(wù)，通常IaaS服務(wù)提供商把幾個(gè)IaaS服務(wù)進(jìn)行組合，以產(chǎn)品目錄的形式告知IaaS使用者能夠提供何種產(chǎn)品服務(wù)；

（2）平臺(tái)即服務(wù)（platform-as-a-service，PaaS）。一般面向互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)者，把端到端的分布式軟件開(kāi)發(fā)、測(cè)試、部署、運(yùn)行環(huán)境以及復(fù)雜的應(yīng)用程序托管當(dāng)作服務(wù)，依托IT基礎(chǔ)設(shè)施云平臺(tái)使開(kāi)發(fā)者可以從復(fù)雜低效的環(huán)境搭建、配置和維護(hù)工作中解放出來(lái)，提高軟件開(kāi)發(fā)的效率；

（3）軟件即服務(wù)（software-as-a-service，SaaS）。它是一種通過(guò)Internet提供軟件的模式，用戶無(wú)需購(gòu)買(mǎi)軟件，而是向提供商租用基于Web的軟件，來(lái)管理學(xué)校教學(xué)等活動(dòng)。相對(duì)于傳統(tǒng)的軟件，SaaS解決方案有明顯的優(yōu)勢(shì)，包括較低的前期成本，便于維護(hù)，快速部署投入使用等；

（4）桌面即服務(wù)（desktop-as-a-service，DaaS）。通過(guò)云計(jì)算理念，將桌面作為服務(wù)的形式提供給最終用戶。

通過(guò)IaaS架構(gòu)和桌面虛擬化技術(shù)，可以將用戶的桌面構(gòu)建在IaaS架構(gòu)上，通過(guò)桌面虛擬化協(xié)議，將構(gòu)建在IaaS架構(gòu)上的桌面分發(fā)給最終用戶。DaaS工作原理是在數(shù)據(jù)中心托管一大批運(yùn)行桌面操作系統(tǒng)的虛擬機(jī)，并且使用某種遠(yuǎn)程顯示協(xié)議，提供對(duì)這些虛擬機(jī)的遠(yuǎn)程訪問(wèn)，用戶無(wú)論采用何種終端，面對(duì)的都是熟悉的終端桌面。

廣東省華僑職業(yè)技術(shù)學(xué)校機(jī)電專業(yè)部實(shí)驗(yàn)室作為一種工科類教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，不但承擔(dān)著專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)，而且承擔(dān)著學(xué)生的計(jì)算機(jī)信息化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括計(jì)算機(jī)程序分區(qū)、格式化等通識(shí)訓(xùn)練，亦包括一部分專業(yè)課程的大型專業(yè)軟件的安裝配置維護(hù)，因此只能選擇IaaS平臺(tái)作為基礎(chǔ)架構(gòu)，可安裝Windows、Linux等操作系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上安裝SQL Server、Oracle、RobotStudio、Visual C++、在線學(xué)習(xí)編程系統(tǒng)等平臺(tái)類軟件形成PaaS平臺(tái)，在此平臺(tái)上還可以安裝一些應(yīng)用類軟件，包括Chrome及Firefox瀏覽器、WPS Office軟件、文本編輯器、開(kāi)發(fā)助手類軟件等形成SaaS平臺(tái)，采用DaaS流式桌面推送給終端教師和學(xué)生，以更好的使用不同平臺(tái)的不同軟件完成課程訓(xùn)練任務(wù)。廣東省華僑職業(yè)技術(shù)學(xué)校阿里公有云實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)云服務(wù)層次結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 廣東省華僑職業(yè)技術(shù)學(xué)校阿里云實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)云服務(wù)層次結(jié)構(gòu)

3 ECS在實(shí)驗(yàn)課中的實(shí)施與應(yīng)用探索

3.1 基于阿里云桌面的實(shí)驗(yàn)室方案設(shè)計(jì)

目前，學(xué)校招收學(xué)生除了廣東省本土學(xué)生，還有一部分國(guó)外學(xué)生。另外，學(xué)校部分教師同國(guó)外學(xué)校有教學(xué)或者學(xué)術(shù)交流，在ECS選購(gòu)初期，就要考慮云平臺(tái)跨境訪問(wèn)的需求，重點(diǎn)考慮選擇帶有國(guó)際IDC加速服務(wù)的ECS作為實(shí)驗(yàn)室教學(xué)搭建平臺(tái)。通過(guò)走訪調(diào)研兄弟院校如華南農(nóng)業(yè)大學(xué)數(shù)學(xué)與信息學(xué)院已有云平臺(tái)建設(shè)案例，綜合考慮能爭(zhēng)取到的資金及后續(xù)投入，提高機(jī)房管理效率和保證數(shù)據(jù)安全性，選擇更適合的阿里云桌面方案。

實(shí)驗(yàn)室終端采用舊PC安裝云桌面登陸軟件構(gòu)成云終端，云終端通過(guò)網(wǎng)線連接到匯聚層交換機(jī)；匯聚層交換機(jī)通過(guò)光纖連接到核心路由器，最后再由核心路由器通過(guò)光纖連接到阿里云VDI服務(wù)器。云桌面實(shí)驗(yàn)室方案架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 廣東省華僑職業(yè)技術(shù)學(xué)校阿里云桌面架構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2 基于阿里云桌面的實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)方案

（1）《工業(yè)機(jī)器人操作編程》資源庫(kù)建設(shè)?！豆I(yè)機(jī)器人操作編程》課程為廣東省華僑職業(yè)技術(shù)學(xué)校老牌課程，經(jīng)過(guò)多年積累，包括如下眾多課程資源：①PPT課件，包括教材和參考教材的多媒體課件，教師授課課件等；②WORD文檔和PDF參考教材文檔等，包括教案，教學(xué)參考資料，教師搜集的課程案例等；③C語(yǔ)言和C++語(yǔ)言程序源碼，包括工業(yè)機(jī)器人操作編程實(shí)驗(yàn)源代碼，課后習(xí)題源代碼和教師自己開(kāi)發(fā)的課程源代碼等；④音頻和視頻文件，包括教師授課錄像，搜集的案例資源，國(guó)內(nèi)外最新研究前沿音視頻等；⑤Flash試題庫(kù)，雖然目前Flash技術(shù)已經(jīng)不再更新維護(hù)，但是因本課程試題庫(kù)建設(shè)時(shí)間較長(zhǎng)，資源較為豐富，暫時(shí)不能完全替代，因此平臺(tái)必須能遷移運(yùn)行Flash試題庫(kù)；⑥課程專業(yè)軟件。包括ABB公司的RobotStudio機(jī)器人虛擬仿真軟件，Visual C++6.0軟件開(kāi)發(fā)運(yùn)行C和C++源代碼，工業(yè)機(jī)器人綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)軟件（該平臺(tái)軟件最高只能運(yùn)行于Windows 7操作系統(tǒng)），機(jī)器人考試系統(tǒng)平臺(tái)軟件。根據(jù)上述軟件特點(diǎn)，阿里云桌面客戶端需采用Windows 7操作系統(tǒng)，兼容比較老舊的軟件和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，服務(wù)器端能同時(shí)推送文檔、流媒體音視頻等功能，采用前后端分離的混合式架構(gòu)部署。

（2）實(shí)驗(yàn)軟件遠(yuǎn)程桌面流推送?！豆I(yè)機(jī)器人操作編程》課程所需平臺(tái)軟件眾多，單獨(dú)流推送某個(gè)APP，會(huì)導(dǎo)致教學(xué)過(guò)程割裂，課程實(shí)驗(yàn)效果不好，因此可以直接采用阿里云桌面的桌面推送服務(wù)，直接投射整個(gè)云桌面到客戶端。學(xué)生采用PC機(jī)、手機(jī)終端、平板電腦等手持設(shè)備，安裝阿里云桌面或者微軟遠(yuǎn)程桌面，均可接入并流推送云桌面。根據(jù)使用效果，阿里云桌面在1080 P效果下需要保證約5 Mbps的帶寬，當(dāng)帶寬低于該值的時(shí)候，整個(gè)桌面就會(huì)出現(xiàn)大塊的馬賽克，影響使用者體驗(yàn)，瞬時(shí)突發(fā)貸款能達(dá)到9 Mbps，而微軟的遠(yuǎn)程桌面帶寬占用，一般從普通鼠標(biāo)點(diǎn)擊操作的40 kbps到全屏觀看流媒體視頻的20 Mbps，用戶可根據(jù)實(shí)際需求選擇，如果不觀看流媒體視頻，一般建議選擇微軟遠(yuǎn)程桌面效果更好，占用網(wǎng)絡(luò)帶寬更低。

（3）《工業(yè)機(jī)器人操作編程》實(shí)驗(yàn)課程評(píng)價(jià)。①?gòu)慕虒W(xué)督導(dǎo)、管理人員來(lái)看，因整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程完全可控，整個(gè)實(shí)驗(yàn)課程可以回放，并且可以采用阿里云提供的分析工具，橫向?qū)Ρ绕渌愃崎_(kāi)設(shè)課程如《物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用》等，給出更加科學(xué)合理的建議。②從教師端來(lái)看，整個(gè)實(shí)驗(yàn)課程從學(xué)生登錄、根據(jù)課程時(shí)間完成不同的實(shí)驗(yàn)任務(wù)節(jié)點(diǎn)，學(xué)生開(kāi)始任務(wù)時(shí)間、完成任務(wù)時(shí)間、完成任務(wù)率等，均可以從教師管理端直觀的顯示出來(lái)，教師可以根據(jù)每名學(xué)生的進(jìn)度，有針對(duì)性的加以輔導(dǎo)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。③從學(xué)生端來(lái)看，整個(gè)實(shí)驗(yàn)課程只需要使用云桌面隨時(shí)隨地就可以登陸系統(tǒng)進(jìn)行學(xué)習(xí)，教學(xué)視頻可以隨時(shí)隨地回放，實(shí)驗(yàn)軟件可以隨時(shí)隨地打開(kāi)電腦和手機(jī)進(jìn)行操作，避免了學(xué)生需要提前預(yù)約機(jī)房，按時(shí)到機(jī)房使用，導(dǎo)致機(jī)房使用時(shí)間嚴(yán)重不均衡的現(xiàn)象，大大提高了學(xué)生的興趣，提升了學(xué)校購(gòu)買(mǎi)大型軟件的利用率，這些效果僅僅依靠課堂的45分鐘實(shí)驗(yàn)教學(xué)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到的。實(shí)驗(yàn)課程受限于學(xué)生沒(méi)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備，一般不安排課后作業(yè)，采用阿里公有云平臺(tái)后，學(xué)生可以在課室、宿舍或者家里繼續(xù)練習(xí)，學(xué)生實(shí)驗(yàn)課程任務(wù)完成度較高。④從課后評(píng)教反饋來(lái)看，以前實(shí)驗(yàn)課程評(píng)教排名基本在最后幾位，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)課程沒(méi)有老師愿意接手，通過(guò)采用阿里云平臺(tái)，使用現(xiàn)代化的信息手段，評(píng)教一躍到了中等，以后隨著云平臺(tái)的資源越來(lái)越多，基于云桌面的實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)越來(lái)越完善，相信平臺(tái)一定會(huì)讓更多學(xué)生喜歡。

4 ECS在工科類實(shí)驗(yàn)課程試用效果及分析

通過(guò)在廣東省華僑職業(yè)技術(shù)學(xué)校機(jī)電專業(yè)部實(shí)驗(yàn)室引入ECS及云桌面，并經(jīng)過(guò)《機(jī)器人操作編程》課程一段時(shí)間的試用，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課程中遇到的實(shí)驗(yàn)室機(jī)房軟件類如操作系統(tǒng)類問(wèn)題及網(wǎng)絡(luò)安全木馬病毒類問(wèn)題基本消失，學(xué)生亦不再抱怨實(shí)驗(yàn)運(yùn)行環(huán)境如操作系統(tǒng)運(yùn)行緩慢，軟件版本陳舊等問(wèn)題，云平臺(tái)運(yùn)行整體較為穩(wěn)定。ECS和云桌面技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用，能夠不受不同批次不同型號(hào)電腦的影響進(jìn)行統(tǒng)一配置部署，可對(duì)不同的老師采用不同的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，甚至對(duì)不同的老師定制不同的軟件版本而完全不用考慮兼容性的問(wèn)題，學(xué)生可以在自己的手機(jī)上隨時(shí)隨地操作使用云桌面，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣及實(shí)驗(yàn)頻率。雖然在工科類實(shí)驗(yàn)室建設(shè)ECS有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是在實(shí)際運(yùn)行中亦發(fā)現(xiàn)存在以下問(wèn)題：

（1）對(duì)帶寬及并發(fā)鏈接數(shù)要求較高。《工業(yè)機(jī)器人操作編程》課程有許多案例視頻，每虛擬桌面最少具備5 Mbps以上的穩(wěn)定帶寬才能保證課程視頻全屏播放流暢，平時(shí)實(shí)例45臺(tái)，突發(fā)實(shí)例180臺(tái)客戶端若同時(shí)登錄云端，考慮部分余量，那么至少需要1 Gbps的帶寬，雖然目前機(jī)房出口帶寬為雙萬(wàn)兆，但是學(xué)校出口帶寬為11 Gbps（中國(guó)電信+教育網(wǎng)），若同時(shí)有大量學(xué)生看網(wǎng)絡(luò)視頻等，易導(dǎo)致帶寬不足，部分學(xué)生容易登錄不上，可以考慮在后續(xù)使用中逐步擴(kuò)展性能。

（2）針對(duì)某些軟件不能完全兼容。比如《工業(yè)機(jī)器人操作編程》附帶在線編程考試軟件，因需使用加密狗軟件，在分發(fā)試卷授權(quán)的時(shí)候會(huì)失敗，軟件經(jīng)官方確認(rèn)不能用于ECS云平臺(tái)。另外，在正常安裝好天翼云會(huì)議軟件進(jìn)行在線教學(xué)時(shí)候，雙擊打開(kāi)軟件失敗，界面一閃而過(guò)，軟件經(jīng)官方確認(rèn)后續(xù)升級(jí)解決或者暫時(shí)關(guān)閉硬件渲染功能。

（3）ECS云平臺(tái)針對(duì)一些大型3D圖形運(yùn)算支持不是特別好。比如《工業(yè)機(jī)器人操作編程》課程使用3DMAX實(shí)時(shí)渲染時(shí)卡頓明顯，究其原因是，受限于采購(gòu)成本，教育云平臺(tái)沒(méi)有采用帶有vGPU直通功能的高檔顯卡，導(dǎo)致3D性能稍顯不足，可在以后的使用當(dāng)中逐步擴(kuò)展。

5 結(jié)語(yǔ)

采用阿里公有云平臺(tái)建設(shè)實(shí)驗(yàn)課程，同傳統(tǒng)的自建實(shí)驗(yàn)機(jī)房相比，雖然有兼容性有待提高、網(wǎng)絡(luò)連接速率要求較高、數(shù)據(jù)流量較大等缺點(diǎn)，但是隨著國(guó)家網(wǎng)絡(luò)“提速降費(fèi)”和“5G”工程實(shí)施，這些缺點(diǎn)都將在短時(shí)間內(nèi)解決；但是云平臺(tái)具有計(jì)算和數(shù)據(jù)資源集中管理，教學(xué)系統(tǒng)軟件多樣化，教學(xué)軟件版本可自由更改的優(yōu)點(diǎn)，云桌面給管理人員帶來(lái)的便捷維護(hù)手段，給教師和學(xué)生帶來(lái)多樣化的教學(xué)手段，實(shí)實(shí)在在的減少了管理人員的工作量及維護(hù)成本，提高了教師授課效率。