云计算辅助教学的协作式教学环境构建与研究

张博

云计算辅助教学的协作式教学环境构建与研究

张博

发挥云计算辅助教学，以及云计算在高校实验教学中的应用优势，结合大学计算机基础课程教学改革，提出了云计算环境下实验教学的设计与实现方案。该方案构建基于云计算的实验教学环境，开展基于云计算的实验教学改革模式，并以基于云计算的协作学习模式为实践案例，提高了实验教学效果和教学质量，有利于培养学生的创新实践能力，对资源节约型实验环境建设、课程改革和创新实验教学模式具有重要的意义。

云计算；云计算辅助教学；实验教学创新；教学模式

0 引言

随着云计算技术的迅速发展，越来越多的学校、教育机构和个人把信息处理迁移到“云”上[1]，国内外已有许多高校应用云计算在教育和科研，云计算在网络教育应用领域有着广阔的发展前景，云计算辅助教学的核心是促进低碳型教育的社会化服务和协作学习的理念，将会带来教育在环境建设、资源建设、教学方式方面的变化，也给高校教育信息化的建设带来了创新契机。我们应该把握云计算时代的机遇，探索云计算在高校实验教学环境和教学资源建设中所发挥的作用。目前，我校开展相关创新科研项目的研究，旨在优化利用云计算环境，对实验环境、教学资源，以及实验教学模式进行创新与实践，推动大学计算机基础课程的实验教学改革，培养学生的创新精神与实践能力，以适应高校教育信息化发展的新形势要求。

云计算[2-3]（Cloud Computing）是并行计算（Parallel Computing）、分布式计算（Distributed Computing）和网格计算（Grid Computing）的发展，是虚拟化（Virtualization）、效用计算（Utility Computing）、将基础设施作为服务IaaS（Infrastructure asa Service）、将平台作为服务PaaS（Platform as aService as a Service）和将软件作为服务SaaS（Software as a Service）等概念混合演进并跃升的结果[4-5]。云计算的目标是用户通过网络能够在任何时间、任何地点最大限度地使用虚拟资源池，处理大规模计算问题。云计算的技术特征和规模效应带来压倒性的性能价格比优势。云计算应用于教育领域，可以在课堂教学、实验教学和辅助教学等诸多方面提供高效服务[6]。高等院校建设私有云计算平台可以为自身的教学服务，开展云计算辅助教学。“云计算辅助教学”（Clouds Computing Assisted Instruction，CCAI）是指学校和教师利用“云计算”支持的教育“云服务”，构建个性化教学的信息化环境，支持教师的有效教学和学生的主动学习，促进学生高级思维能力和群体智慧发展，提高教育质量。云计算为学习者在任何时间任何地点学习提供了有利的技术支持，带来了更多方便的学习工具，提高了学习效率[7]。云计算辅助教学在教学中应用，实现教学、管理和信息交流等功能。从教育的发展趋势和云计算技术的特点看，云计算辅助教学模式应当是今后发展的主要方向。

1 云计算辅助教学对高校教学的影响

首先，对学生来说，随着数字化学习资源的不断开发，学生的学习资源已经不仅仅停留在教科书上，他们可以通过网络获取比纸质材料丰富得多的电子材料。同学们的这些海量的私有数据存储在云中，可以方便地下载与更新，无形中拓展了学习空间，这对于提高学习效率有很大的帮助。

在现代学习理论中，建构主义学习理论是典型的代表，对信息化教学有着很大的指导意义。协作式学习就是一种建构主义的学习模式，其关键是在一定的技术条件下，建立学习共同体，通过共同的活动，生成共同的知识。云计算很好地提供了这种技术平台，促成了协作式学习的实现。

其次，对于老师来说，云计算免费的网络服务和较低的技术门槛可以真正打破实施网络教学的技术瓶颈，老师不用去考虑复杂的程序代码，不用去维护网站，只需要组织好自己的教学资源即可，并且还可以通过这个平台与学生进行良好的交互。

云计算能为集体备课提供更好的技术支持。教师备课的文档保存在云中，赋予同伴相应的权限，在有网络的地方随时可以访问和修改，并可以结合交流技术实现互动与沟通；此外，还可以建立起专门的协作平台，进行长效性的集体备课活动管理，提高活动效率，降低备课成本，提高教学质量。

再次，云计算平台的引入也会给课程本身带来很大的影响。云计算平台可以大大降低学校信息系统建设的成本，即降低了课程的运作成本。

总的来说，云计算服务可以为高校课程提供一个性能完整的教学平台，促进新的教学理念的有效实施。

2 基于云计算的协作式教学环境设计

2.1 基于云计算的课程改革模式

目前各大高校的计算机类专业课程体系中，与云计算直接相关的课程主要包括有操作系统、编程语言、计算机网络与分布式计算等，这些课程为云计算领域人才培养奠定了良好的基础[8]。但是，为了更好的培养云计算方面的卓越人才，需要对这些传统课程内容进行重组与扩充。为此，从基于云计算人才培养角度出发，提出以下建议：

在操作系统的核心知识体系中，可以加入相关虚拟机的知识。因为虚拟化是云计算的一个突出特征，云计算平台通常可以利用虚拟机来构架面向用户的云服务执行环境。同时，从云计算的技术层面上看，也可以增设新的课程。

（1）在编程语言课程中，加入有关云计算编程方面的内容。既可以包括后台分布处理的编程方法与范例，如Map-Reduce编程方法、Dryad编程系统、Pregl编程模型等；还需要包括前台AJAX界面编程的方法与范例，如建构通过浏览器方式运行的网络应用程序等。

（2）在计算机网络与分布式系统相关课程中，加入大规模云计算环境构造等方面的内容，提供资源，包括计算、存储、网络等资源池(Resources Pool)[9]的构建机制。

（3）云存储技术相关课程，核心是大规模集群的海量数据[10]存储与处理技术。主要内容包括云计算中的后台数据处理技术和大规模的数据存储与处理过程中涉及的高效、可靠、安全和可扩展等机制。

（4）AJAX与网络编程课程。主要内容是在云计算环境中，通过AJAX和网络编程技术，基于网络浏览器平台，为用户使用云计算服务提供更多的支持，以增强用户体验。

（5）网络与云计算安全课程。在系统与网络安全的基础上，增加云计算安全[11]治理与运维的内容，包括增强云平台的安全性、云服务的安全性、用户的安全性，以及安全云服务等内容。

（6）其他可能相关的课程。例如，云计算移动平台的构建，分布式与并行算法，C++及Java语言中的多线程编程等相关内容。同时也需要随着云计算技术的发展，逐渐建立和完善云计算有关课程。

2.2 基于云计算的教学改革模式

基于云计算的项目驱动式、探究型、协作性学习模式打破了基于传统课堂教学为主的模式局限，推动课程建设与教学改革，更好地发挥云计算环境在实验教学中的应用优势，提高实验教学效率和教学质量，进一步培养学生的创新精神和实践能力。在教学过程中按照基于项目过程的方法来实施。第一个步骤：咨讯，由项目主持人教师来引导；第二个步骤：计划，由学生团队自主进行计划；第三个步骤：决策，由项目主持教师主导，确保计划有效实施；第四个步骤：实施，学生团队自主执行实施；第五个步骤：检查，学生团队互想考核，项目主持教师协助考核；第六个步骤：评估，项目负责教师主持评估，收集学生的信息反馈；通过这样的教学模式加强了学生团队凝聚力、团队协作性，学会竞争与合作。

2.3 基于云计算的考试改革模式

云计算环境下的高校计算机类专业课程考试可以不仅仅以一次理论考试为课程的最终评价依据，而应该以是否能解决一个实际问题为需求作为评判学生是否合格的主要标准，即是否达到了“学校教学效果最优化，企业培训代价最小化，毕业学生最受欢迎化”的“学校－企业－学生”三方共赢目标。根据企业的具体项目要求和产品标准来制定课程的考核评价标准，以学生完成老师指定的项目成果作为评价的内容，从而确保考核学生的实际操作能力，实现与企业岗位“零距离对接”。

云服务下的计算机考核方式改变了传统考核模式，突破了传统纸质考核的限制。结合部分老师已经实现的网络考试经验来看，基于协作平台的考核方式往往是开放式的，对参加考试学生的答题时间和答题形式没有严格限制，但考核内容必须提前精心设计，能达到考核学生设计与理解的能力。协作平台、电子邮箱、博客、网络贴吧、搜索引擎、QQ空间、QQ群服务和移动服务等云服务项目都可以作为不同时间段，不同类型的专业考核工具。其中有些适合短时间并且快速考核，另外一些适合长时间且分批次考核，也可以作为随堂考核工具，还可以作为其他考核形式的辅助考查工具，只要正确分析考核内容的适应性，选择最适合的云服务项目作为考核工具，就能充分发挥云计算环境下考核方式的优越性和便捷性。

2.4 实验室硬件资源云端化

要实现优势教育资源共享，解决教育资源不均衡问题，就应进一步加强高校重点科研创新基地与创新平台建设。《国家中长期教育改革和发展纲要》中提出“增强社会服务能力，推进产学研用结合，加快科技成果转化”。具体建设实验室硬件资源云端化，可分为以下几个步骤：

（1）逐渐构建开放互联共享机制，搭建实验室互联共享基础平台。

（2）产学研一体合作与发展。实验室资源优势互补、强强联合、资源共享、科研协作和成果产业化输出。

（3）提供开放的服务，构建能够开展国际学术交流、科研合作与技术转移的开放平台[12]，资源整合、开放共享及协作创新是实验平台建设发展的趋势。我国高校信息化教育的硬件环境已经基本符合我国教育信息化的要求。学校和教育机构应该根据已有的硬件条件，因地制宜发展实验室环境。要充分考虑发展低碳经济的要求和“云计算服务”的发展趋势。

根据“云服务”无限资源、无限服务的特点，电脑硬件和软件的发展不再是制约实验室发展的主要因素，网络才是制约学校信息化的主要因素。因此，云计算辅助教学的硬件环境建设，应该充分考虑配置“实用、够用、节能、价廉”的上网本或低价位的笔记本电脑，配合云计算辅助教学的教育资源建设，构成学校整体教育信息化系统。祝智庭教授曾提出：上网本＋云计算＝下一代中国基础教育信息化平台。

云计算时代，高校无需额外购买昂贵的服务器，也无需为高价服务器的维护与更新而感到烦恼，只需要把一台普通个人电脑接入云端，把全部任务交给云端来处理即可，在降低了硬件成本的同时也降低了服务器和台式机带来的二氧化碳排放量，促进了低碳型信息技术教育的快速推进。

3 基于云计算平台的协作式教学环境实践

3.1 云计算教学环境组织结构图

云计算教学环境共由云计算学习平台、云计算交流平台及Google学习应用套件3部分组成，如图1所示：

图1 云计算教学环境组织结构图

3.2 云计算学习平台的建立

云计算学习平台是利用Google协作平台[13]作为开源平台建立的学习网站。Google协作平台作为一种云平台服务，可以方便、快捷地按照使用者的需求建立相应的网站，并且其功能并不比使用其它专业方法所建立的网站逊色。教师作为网站的建立者、管理者可以根据课程的需要，在网站中发布与学习相关的信息、上传学习资料、布置作业等，以此来指导并辅助学生进行网络学习。下面简单介绍下网站创建的过程。

（1）由于Google所提供的各种云服务都需要注册之后才能够使用，所以首先需要创建账号，在这之后上传的所有资料与操作的过程都会与账号绑定并且存储到云服务器当中，如图2所示：

图2 Google账号注册页面

（2）登陆网址http://www.google.com/sites/help/intl/zh-CN/overview.html就可以进入到Google协作平台的主页。（3）登陆成功后便可以进入到网站的创建过程。创建过程中首先要选择网站的模板，以便确定网站的风格；之后便是根据具体需要划分网站的布局并确定各模块的功能，如图3所示：

图3 网站编辑页面

（4）当以上工作全部完成之后，教师便可以根据云计算学习的实际需要在网站中添加具体的内容，如图4所示：

图4 《大学计算机基础》课程云计算学习平台

在《大学计算机基础》课程云计算学习平台中，“学习动态”与“学习材料”是比较重要的两个模块，因为这两个模块当中的内容是根据学习进程的不断推进而不断更新的。学习动态模块的主要功能是教师利用网络学习平台向学生发布教学通知、布置网络作业等。

学习材料模块的主要功能是教师通过网络学习平台向学生提供教学资源的下载。

3.3 云计算交流平台的建立

Google网上论坛是Google公司为使用者们提供的另外一种云平台服务。教师可以利用此服务建立一个网络论坛，以便于师生之间在云计算环境中进行交流、沟通和问题的解决。

3.4 Google学习应用套件

Google学习应用套件属于企业套件的另一个版本，是针对学校教学所提供的一系列软件服务与硬件服务。其中包括云端硬盘、Gmail、Google日历、Google文档、GoogleTalk等。

Google学习应用套件当中提供的云服务种类繁多，每一种服务都有其特有的功能与用途，本文中提出利用这些云服务来完善网络学习环境的功能。

（1）云端硬盘：Google云端硬盘属于云计算当中的硬件服务范畴，其功能相当于给使用者提供了一个安全的网络存储空间。在实际应用中，无论是教师还是学生，都可以把其作为一个网络U盘，用来存储学习资料。与传统的网络硬盘相比较，云端硬盘还可以实现资源共享的功能，教师与学生之间可以互相查看并下载对方云端硬盘中的资源。

（2）Gmail：Gmail是Google公司提供的电子邮箱服务，教师与学生之间除了可以利用电子邮箱互发邮件外，还可以利用它进行文件的传输。另外，Google公司提供的所有云服务都必须使用Gmail账号登陆后才可以使用。

（3）Google日历：Google日历可以被视为是网络日程表，学生可以利用它提前制定学习计划，安排以后的学习进程，让学生在未来的学习过程中能够做到有计划、有步骤的进行学习。

（4）Google文档：Google文档的功能相当于网络版Offices软件，学生可以利用它创建文档、电子表格、演示文稿等。除此之外，利用Google文档所创建的所有文件都支持资源共享与协作编辑，这一功能将有利于学生开展协作学习。

（5）Google Talk：Google Talk是Google公司开发的一款即时通讯软件，教师与学生可以利用它进行文字聊天或语音聊天。尤其是其内嵌的翻译功能将有助于学生对英语的学习。

4 总结

通过上述云计算平台的构建，师生使用的计算机可以是只留下键盘、鼠标以及提供给用户使用的连接本地USB接口的“云终端”，从而最大限度地降低了实验平台[14]硬件设备的成本。对于软件及其补丁程序的下载、安装和更新统一在服务器端根据实际需求及时地更新和维护，使得实验平台的管理工作更加简化。

相信随着云计算的普及和不断发展完善，将会对教育环境、资源建设和教学模式变革产生更深远的影响。在高校构建基于云计算的资源节约型实验环境，积极推广云计算辅助教学，有利于基于云计算的实验教学改革模式的实践，对高校实验室建设、课程改革和创新实验教学模式具有重要的意义。但是，作为新兴的技术，迄今还没有统一的标准和实现方式，目前仍处于研发阶段，高校构建云计算环境技术还需要从很多方面进行深入研究，比如数据[15]的安全问题、数据的灾后恢复问题，数据迁移问题、接入因特网的网络带宽问题等。

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Construction and Research of Collaborative Learning Environment of the Clouds Computing Assisted Instruction

Zhang Bo
(The Department of Electronics and Information Engineering,Changsha Normal University,Changsha 410100,China)

To bring the advantages of cloud computing assisted instructions and the applied advantages of experimental teaching in universities into full play,this paper presented the design and realization scheme of experimental teaching based on the environment of cloud computing and the reform of computer fundamental curriculum in universities.The scheme constructed an experimental teaching environment based on cloud computation and developed experimental teaching reform mode of cloud computing.It gave practical case of collaborative learning model based on cloud computing and improved the effectiveness and quality of experimental teaching.Then this scheme also could cultivate the innovative and practical abilities of the students,and it had great significance in resource-saving experimental environment construction,curriculum reform and innovation of experimental teaching.

Cloud Computation;Clouds Computing Assisted Instruction;Experimental Teaching Innovation;Teaching Method

G 642.0

A

1007-757X(2015)06-0041-04

2015.01.08）

湖南省自然科学基金项目（2015JJ6007）；湖南省教育厅科学研究项目（13C1070）

张 博（1980-），男，长沙人，长沙师范学院，电子与信息工程系，讲师，硕士，研究方向：模式识别、人工智能，长沙，410100