劉文艷，沙 飛 ，楊 淼 ，翟陽陽，辛 欣 ，武 博 ，王 珂

（首都醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，北京 100069）

根據(jù)中國互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)信息中心（CNNIC）2022年2月發(fā)布的第49次《中國互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展?fàn)顩r統(tǒng)計(jì)報(bào)告》[1]，截至2021年12月，我國網(wǎng)民規(guī)模達(dá)10.32億，互聯(lián)網(wǎng)普及率達(dá)73.0%，城鄉(xiāng)互聯(lián)網(wǎng)普及率差距繼續(xù)縮小，貧困地區(qū)通信難等問題得到解決。互聯(lián)網(wǎng)覆蓋率的擴(kuò)展、速率的提升、網(wǎng)費(fèi)的下降，為即時通信應(yīng)用包括互聯(lián)網(wǎng)與教育的結(jié)合創(chuàng)造了良好條件。“互聯(lián)網(wǎng)+教育”這一將互聯(lián)網(wǎng)科技與教育教學(xué)相融合的全新教育生態(tài)模式，給傳統(tǒng)課堂教學(xué)帶來了重大變革[2-3]。隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，學(xué)生的認(rèn)知模式和學(xué)習(xí)方式也在發(fā)生轉(zhuǎn)變，除了傳統(tǒng)的文本外，視頻、動畫、語音、虛擬現(xiàn)實(shí)等多模態(tài)的表征成為學(xué)生認(rèn)知和學(xué)習(xí)的途徑，由傳統(tǒng)的強(qiáng)迫式抽象思維方式向適應(yīng)數(shù)字化環(huán)境的形象思維方式轉(zhuǎn)變，也應(yīng)從重視“教”的技術(shù)轉(zhuǎn)向重視“學(xué)”的技術(shù)[4-5]。新冠肺炎疫情暴發(fā)，教育部發(fā)布延期開學(xué)的決定，首都醫(yī)科大學(xué)采取停課不停學(xué)方案，將春季學(xué)期所有課程教學(xué)調(diào)整為線上教學(xué)。經(jīng)過教師一學(xué)期的授課探索和實(shí)踐，在線教學(xué)基本能實(shí)現(xiàn)原有教學(xué)目標(biāo)，學(xué)生也逐步適應(yīng)了線上教學(xué)模式。在疫情得到有效控制后，我校大部分學(xué)生陸續(xù)返校，學(xué)校恢復(fù)了正常的教學(xué)秩序，但仍有部分學(xué)生無法返校，我校繼續(xù)開展線上線下相結(jié)合的教學(xué)模式。本文主要探討計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室開展線上教學(xué)實(shí)踐的方法和措施。

1 計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)狀

1.1 基本情況

首都醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)全校本科生、研究生及夜大生各層次計(jì)算機(jī)相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作。近幾年隨著學(xué)校對教學(xué)設(shè)備經(jīng)費(fèi)投入的加大，實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過改造更新，現(xiàn)有機(jī)房8間、臺式計(jì)算機(jī)約500臺、服務(wù)器若干臺，支持線下教學(xué)、FTP文件上傳下載、虛擬教學(xué)實(shí)訓(xùn)管理及自由上機(jī)預(yù)約管理等服務(wù)。通過對實(shí)驗(yàn)室軟硬件升級和優(yōu)化管理，有效保障了各門課程的順利進(jìn)行，同時也為第二課堂、畢業(yè)設(shè)計(jì)及大學(xué)生醫(yī)學(xué)技術(shù)技能競賽提供了實(shí)驗(yàn)環(huán)境支撐。

1.2 軟硬件環(huán)境配置

面對計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備數(shù)量多、系統(tǒng)軟件種類復(fù)雜、使用頻率高、維護(hù)量大等特點(diǎn)，采用高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室普遍使用的保護(hù)方式，將保護(hù)卡安裝到每臺計(jì)算機(jī)上，將系統(tǒng)磁盤設(shè)置為每次還原模式，當(dāng)電腦重啟后系統(tǒng)會自動恢復(fù)至初始狀態(tài)；在更換系統(tǒng)或添加應(yīng)用軟件時，不需要逐臺操作，只要安裝好一臺電腦，通過保護(hù)卡的網(wǎng)絡(luò)同傳功能，即可完成自動更新，方便進(jìn)行有效管理和整體維護(hù)[6-7]。考慮到通識課和專業(yè)課需要的應(yīng)用軟件不同，將不同版本的軟件或不支持高版本操作系統(tǒng)的軟件安裝到不同操作系統(tǒng)中，提前做好部署，將計(jì)算機(jī)磁盤劃為多個分區(qū)，分別安裝不同的操作系統(tǒng)及應(yīng)用軟件，這樣既能滿足教學(xué)需求，又能保障系統(tǒng)運(yùn)行正常、資源均衡及性能穩(wěn)定[8]。

1.3 網(wǎng)絡(luò)布局劃分

計(jì)算機(jī)間的網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)是決定計(jì)算機(jī)線上線下教學(xué)能否順利進(jìn)行的重要因素。實(shí)驗(yàn)室每個機(jī)房都配有一組網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，將學(xué)生機(jī)和教師機(jī)相互連接，同時通過中心交換機(jī)，與校園主干網(wǎng)絡(luò)連接。將實(shí)驗(yàn)室整體網(wǎng)絡(luò)布局劃分為內(nèi)網(wǎng)連接和外網(wǎng)連接兩部分，其中內(nèi)網(wǎng)連接是指機(jī)房內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，主要用于多個機(jī)房設(shè)備維護(hù)，如進(jìn)行系統(tǒng)同傳時，將各機(jī)房網(wǎng)絡(luò)切換到光纖交換機(jī)上，通過光纖接口及光纖電纜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，提高網(wǎng)絡(luò)速度及數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。外網(wǎng)連接是指進(jìn)行線上線下教學(xué)時，將各機(jī)房網(wǎng)絡(luò)切換到二層交換機(jī)上，實(shí)現(xiàn)設(shè)備互聯(lián)和訪問互聯(lián)網(wǎng)。

2 線上直播教學(xué)平臺建設(shè)

隨著網(wǎng)絡(luò)教學(xué)需求迅猛增加和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，各種線上教學(xué)平臺紛紛出現(xiàn)，在線視頻課堂已經(jīng)成為“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的一種常見且頻繁使用的學(xué)習(xí)方式，便利了線上教學(xué)的同時降低了學(xué)習(xí)成本，逐步形成了知識傳遞、師生交互、課程評測及反饋的完整數(shù)字化教育生態(tài)環(huán)境[9-11]。實(shí)驗(yàn)室根據(jù)在線教學(xué)需求，在教師機(jī)中安裝多種線上直播教學(xué)軟件，如本科生授課使用的騰訊課堂、騰訊會議及研究生使用的長江雨課堂。

騰訊會議在疫情期間向用戶免費(fèi)開放300人的不限時在線會議功能，教師和學(xué)生都可共享各自的屏幕，非常適合需要計(jì)算機(jī)操作演示的課程，學(xué)生也可通過聊天區(qū)向教師提問及反饋情況，缺點(diǎn)是教師不能隨堂發(fā)布測試題，課程內(nèi)容也不能回看。為解決未參加直播教學(xué)的學(xué)生需要回放觀看課程這個問題，通過安裝一唯科技公司的桌面錄屏軟件，教師授課的同時進(jìn)行屏幕錄制，課后將直播視頻上傳到網(wǎng)盤中，學(xué)生可自行下載，通過回看課程完成學(xué)習(xí)。

騰訊課堂是一款功能強(qiáng)大專門用于線上教學(xué)的專業(yè)軟件。目前使用的極速版，教師界面操作簡潔，可播放PPT、視頻及電腦的截屏畫面，學(xué)生通過教師分享的二維碼進(jìn)入在線課堂。教師直播時可通過簡單的互動環(huán)節(jié)（如討論、簽到、測試等）提升學(xué)生專注力和學(xué)習(xí)積極性。軟件自帶錄播功能，生成的課程回放視頻，學(xué)生可自行下載，方便進(jìn)行反復(fù)觀看。

長江雨課堂經(jīng)典版是安裝在教師機(jī)PowerPoint軟件中的一個插件，學(xué)生電腦無需安裝，根據(jù)微信雨課堂的公眾號或小程序接收課程相關(guān)信息。直播時學(xué)生可通過彈幕來提問，教師也可發(fā)布限時測試題，及時了解學(xué)生上課狀態(tài)和學(xué)習(xí)效果。課程結(jié)束后自動生成回放視頻，學(xué)生可觀看課程回放隨時學(xué)習(xí)。

為評估各種線上直播教學(xué)平臺的效果和適應(yīng)性，于學(xué)期結(jié)束時，對2020級本科生開展計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)課程的問卷調(diào)查，在“你認(rèn)為哪種線上直播教學(xué)平臺更適合線上教學(xué)？（單選題）”的調(diào)查中，57.44%的學(xué)生認(rèn)為騰訊會議更適合線上教學(xué)（見表1）。

表1 線上直播教學(xué)平臺適用性的調(diào)查結(jié)果（n=585）Table 1 Investigation results of the applicability of online live teaching platform（n=585）

3 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺搭建

計(jì)算機(jī)類課程與其他課程相比，更加注重學(xué)生在計(jì)算機(jī)上的實(shí)訓(xùn)操作。根據(jù)疫情下學(xué)生電腦能否訪問機(jī)房服務(wù)器的不同情況，搭建了兩種虛擬實(shí)驗(yàn)平臺，協(xié)助學(xué)生登錄機(jī)房服務(wù)器或在本地計(jì)算機(jī)上搭建環(huán)境開展線上實(shí)訓(xùn)操作。

3.1 基于OpenStack架構(gòu)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺

針對能在校園內(nèi)訪問機(jī)房服務(wù)器的學(xué)生，搭建了一套基于OpenStack架構(gòu)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺。OpenStack是目前最熱門的開源項(xiàng)目，是一個可以控制整個數(shù)據(jù)中心的計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和存儲資源的分布式云操作系統(tǒng)[12]。OpenStack由多個組件構(gòu)成，其中的核心組件有Nova（計(jì)算服務(wù)）負(fù)責(zé)管理云實(shí)例的計(jì)算資源及生命周期；Neutron（網(wǎng)絡(luò)服務(wù)）負(fù)責(zé)管理虛擬機(jī)間網(wǎng)絡(luò)通信；Keystone（認(rèn)證服務(wù)）提供用戶的身份和身份驗(yàn)證；Horizon（UI服務(wù)）提供一個Web前端的圖形管理界面，對云環(huán)境進(jìn)行管理；Glance（鏡像服務(wù)）存儲計(jì)算鏡像庫，所有計(jì)算實(shí)例都從鏡像啟動。

根據(jù)不同課程，制作多個不同操作系統(tǒng)和不同應(yīng)用軟件組合的鏡像文件，利用這些鏡像文件在云平臺上創(chuàng)建多個虛擬機(jī)，可啟動一個或多個虛擬機(jī)的實(shí)例，學(xué)生只需要遠(yuǎn)程登錄平臺，訪問相應(yīng)實(shí)例，就可開展與真實(shí)環(huán)境一樣的實(shí)訓(xùn)操作（見圖1）。目前平臺上開放的實(shí)訓(xùn)課程有Ubuntu操作系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、Python程序設(shè)計(jì)語言等，在“通過教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺，可仿真出課程各章節(jié)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，通過遠(yuǎn)程Web訪問方式，你愿不愿意在該平臺上開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目？（單選題）”的調(diào)查中，74.70%的學(xué)生表示愿意，25.30%的學(xué)生表示不愿意。

圖1 基于OpenStack架構(gòu)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺Figure 1 Teaching experiment platform based on OpenStack architecture

基于OpenStack架構(gòu)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺可支持教學(xué)各環(huán)節(jié)的開展及滿足師生個性化的需求，逐步從被動式學(xué)習(xí)向線上自主式學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)化，提高了學(xué)習(xí)的靈活性和學(xué)習(xí)效率。

3.2 基于VMware的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺

通常情況下學(xué)生都是到機(jī)房進(jìn)行線下實(shí)訓(xùn)操作，也可選擇登錄機(jī)房通過基于OpenStack架構(gòu)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，這些實(shí)驗(yàn)環(huán)境都是提前統(tǒng)一安裝好的，但由于屬于校園網(wǎng)內(nèi)部環(huán)境，不能返校的學(xué)生無法正常訪問。針對這一部分學(xué)生，需要其根據(jù)課程要求，在自己的本地計(jì)算機(jī)中搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境，而對一些剛接觸計(jì)算機(jī)或?qū)嶋H操作水平不高的學(xué)生，安裝系統(tǒng)軟件既費(fèi)時又會碰到各種問題，很難獨(dú)立完成或搭建與教材匹配的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。在“你認(rèn)為線上教學(xué)不可以替代線下教學(xué)的原因有哪些？（多選題）”的調(diào)查中，61.02%的學(xué)生認(rèn)為軟件安裝有困難，72.38%的學(xué)生認(rèn)為軟件安裝不統(tǒng)一（見表2）。為解決這個問題，利用虛擬化技術(shù)及目前主流的虛擬化技術(shù)廠家VMware公司開發(fā)的軟件VMware Workstation Player 16搭建虛擬實(shí)驗(yàn)平臺[13]。在平臺中安裝操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序，最后使用平臺自帶的遷移功能，將虛擬環(huán)境的鏡像文件上傳至百度網(wǎng)盤，學(xué)生只需在自己的計(jì)算機(jī)中下載這個文件，利用VMware Workstation Player的加載功能打開這個文件，就可以還原真實(shí)教學(xué)場景，不需要逐一安裝多個應(yīng)用軟件，操作簡單便捷。同時，錄制并撰寫相關(guān)的安裝操作視頻及文檔，能更好地幫助學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)環(huán)境的搭建。屆時通過直播，學(xué)生可在線無風(fēng)險地進(jìn)行同步實(shí)訓(xùn)操作。通過搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境，鍛煉了學(xué)生的動手實(shí)踐能力，也有助于培養(yǎng)其獨(dú)立思考能力、發(fā)現(xiàn)及解決問題能力，對其今后運(yùn)用信息技術(shù)輔助解決專業(yè)問題大有裨益。

表2 線上無法代替線下教學(xué)原因調(diào)查結(jié)果（n=449）Table 2 Investigation results of the reasons why online teaching cannot replace offline teaching（n=449）

3.3 遠(yuǎn)程協(xié)助

當(dāng)學(xué)生遇到實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭建或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件運(yùn)行不正常等問題，我們也會協(xié)助解決。根據(jù)學(xué)生描述的現(xiàn)象及問題，做出分析，并通過QQ軟件，告知具體解決的方法。若學(xué)生仍不能解決，將開啟QQ遠(yuǎn)程協(xié)助功能控制學(xué)生電腦桌面，手把手地演示具體操作步驟，幫助其排除故障，順利開展實(shí)驗(yàn)。

4 線上教學(xué)的優(yōu)勢與不足

疫情期間線上教學(xué)解決了部分學(xué)生無法返校參與課程教學(xué)的問題，計(jì)算機(jī)類課程開展線上教學(xué)較其他課程更容易實(shí)現(xiàn)。由于計(jì)算機(jī)設(shè)備的普及，大部分學(xué)生都會配備一臺電腦，并預(yù)裝好操作系統(tǒng)，如Windows 10及常用的辦公軟件（如Office 2016系列），這兩個軟件與我校本科生必修課程計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的教學(xué)內(nèi)容相符。另外，計(jì)算機(jī)類課程內(nèi)容也有很多是介紹開源軟件，如Linux操作系統(tǒng)、R語言、Dec C++、Python等，這些軟件學(xué)生都可通過相應(yīng)官網(wǎng)自行下載安裝，便于實(shí)驗(yàn)環(huán)境的搭建。通過學(xué)生反饋，線上教學(xué)模式較為輕松自由，可反復(fù)回看課程教學(xué)視頻，時間也更加靈活，能有效調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)主動性。

線上教學(xué)模式仍存在一些不足，如授課過程受網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的影響較大，直播教學(xué)有時不夠流暢甚至?xí)黄戎袛啵痪€上教學(xué)時師生不能面對面互動，教師不能及時看到學(xué)生的操作過程和結(jié)果，無法精準(zhǔn)了解授課效果；雖通過機(jī)房搭建的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺在很大程度上幫助了學(xué)生完成實(shí)訓(xùn)操作，但學(xué)生對平臺的使用需要前期花一些時間去熟悉等。

5 總結(jié)與探討

計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室充分利用現(xiàn)有資源和信息技術(shù)優(yōu)勢開展了線上教學(xué)，具體工作流程見圖2。教師在計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室通過線上直播教學(xué)平臺進(jìn)行授課，學(xué)生根據(jù)能否訪問機(jī)房服務(wù)器情況，登錄相關(guān)平臺或在本地虛擬環(huán)境中進(jìn)行實(shí)訓(xùn)操作。針對學(xué)生在環(huán)境搭建及計(jì)算機(jī)軟件安裝中遇到的問題，通過遠(yuǎn)程協(xié)助給予針對性指導(dǎo)，有效解決了疫情期間教學(xué)和實(shí)訓(xùn)問題，較好地保證了相關(guān)課程的正常開展和教育教學(xué)質(zhì)量。

圖2 計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室線上教學(xué)工作流程Figure 2 Online teaching workflow of computer lab

在“互聯(lián)網(wǎng)+教育”背景下，利用科技推動教學(xué)發(fā)展，將信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合才能促進(jìn)教學(xué)效果的不斷提升。實(shí)驗(yàn)室在線上教學(xué)方面應(yīng)積極探索虛擬桌面及云端技術(shù)二者的結(jié)合，消除教與學(xué)的壁壘，提升教育資源的利用率[14-15]。不僅可實(shí)現(xiàn)線下教學(xué)場景還原，還可增強(qiáng)師生間的互動。同時，教師發(fā)現(xiàn)學(xué)生求助后，可及時連麥并進(jìn)入學(xué)生電腦桌面進(jìn)行一對一的指導(dǎo)等。

總之，我們將進(jìn)一步探討如何更好地完善線上教學(xué)與線下教學(xué)相互補(bǔ)充、相互促進(jìn)的教學(xué)模式，發(fā)揮線上線下各自優(yōu)勢，促進(jìn)教學(xué)相長，這也是高校教學(xué)發(fā)展特別是實(shí)驗(yàn)室建設(shè)需要長期研究的課題。