基于云计算技术的MOOC实践教学平台

崔 贯 勋

(重庆理工大学 计算机科学与工程学院， 重庆 400054)



基于云计算技术的MOOC实践教学平台

崔 贯 勋

(重庆理工大学 计算机科学与工程学院， 重庆 400054)

大规模在线开放课程作为一个新兴的教育模式，已经在世界范围内引起了一场教育革命。而实践教学是培养学生综合应用能力、创新实践能力的最重要的途径，因此实践教学也成为MOOC的重要一环，云计算技术和大数据为MOOC实施实践教学提供了可能。在对MOOC进行系统分析的基础上，从技术角度看MOOC的特点，以云学习环境为切入点，阐述了MOOC实践教学平台所需的技术支撑、平台架构及运营模式，设计并实现了基于云计算技术的MOOC模式下的实践教学平台，并将该实验教学平台应用到学校计算机课程实验教学中，证明了该平台的有效性。

云计算；虚拟实验；网络平台；实践教学；大规模开放在线课程

0 引 言

2012年，大规模开放在线课程(Massive Open Online Course，MOOC)作为一种新型在线教学模式闯入人们的视野，给传统的高等教育带来巨大影响[1]。这种全新的在线教育方式，使得全世界大规模的共享优质教育资源并且使个性化的学习成为可能。这不仅仅是教育技术的革新，更会带来教育观念、教育体制、教学方式、人才培养过程等方面的深刻变化。许多高校，特别一些名校纷纷实施大规模开放在线课程项目，以适应高等教育发展的要求[2]。但对于这样一种在线学习的模式，有别于传统的课堂+实验室的模式，如何开展实践教育以培养学生的动手实践能力成为众多专家学者思考的问题。

1 建设基于云计算的MOOC实践教学平台

云计算是一种基于互联网的相关服务的增加、使用和交付模式，通常涉及通过互联网来提供动态易扩展且经常是虚拟化的资源。这种模式提供可用的、便捷的、按需的网络访问，进入可配置的计算资源共享池(资源包括网络，服务器，存储，应用软件，服务)，这些资源能够被快速提供，只需投入很少的管理工作，或与服务供应商进行很少的交互，它具有资源配置动态化、需求服务自助化、以网络为中心、服务可计量化、资源的池化和透明化等显著的特点。

1.1 必要性

MOOC提供了大量的优质的教学资源，这就吸引了分布于世界各地的广大读者享用在线教育带来的豪华盛宴，与此同时，很多课程需要学生动手实践才能保证课程的学习效果，然而传统的在实验室中老师讲解演示、学生动手实践的模式在在线学习模式中很难有效开展[3]。首先，在线教育的特点就是每个人都可根据自己的时间灵活安排学习进度，一天二十四小时时时刻刻都有可能在线学习，每个时刻也会有大量的学生在线学习，并且他们的学习进度很可能有很大差别，这些学生可能分布于世界各地，这就决定了无法安排老师像传统的实践教学那样为他们辅导；其次，有些实践教学需要相应的实验设备的支撑，由于财力、场地、师资、课程需求等各方面的制约，学校没有可能采购相应的设备，如石油或煤炭开采，不可能每个学校都买些挖掘机、提供一块场地、购买一些钻探设备和冶炼设备供学生实践，这样的实践环节就难以像传统的在实验室的实践教学模式进行[4]；再次，有些实践内容在实践过程带有很强的危险性，没有专人的现场辅导很有可能带来生命危险，如有些机械带有刀具，操作不当会导致刀具脱落伤及人身或其他仪器设备，有的实验对精确度、材料、试剂的比例都有严格的要求，稍有差异实验结果就会完全不同，有的实验会使用有毒有害的物质或者即使实验原材料无毒无害，但实验过程会产生有毒有害或者达到一定条件会产生爆炸的物质，这些物质甚至是看不到摸不着的，如果没有专人辅导和对相关药品试剂进行严格管理，很有可能带来严重的后果，这些实验在实验室有专人辅导的情况下，严格按照操作规程实施起来都有较大难度，更别说学生自己动手了。对于这些不利情况加以避免并达到良好的学习效果也需要采用新的实践教学模式加以实施。

1.2 可行性

MOOC具有规模大、地理分散、数据资源容量大等显著特点，而云服务具有超大规模、按需服务、低成本、可伸缩、个性化、对建设校园MOOC的支持使得海量网络课程内容的存储成为可能，网络通信技术、信息压缩技术、先进计算技术、大数据处理技术的快速发展使得建设大规模实时的在线课堂和视频交互等学习支持服务体系和快速点播和高密度访问网络课程的资源成为可能[5]。较为著名的互联网公司都建有安全、稳定、便利的公有云，为大家提供便利的服务，课程的建设者无须购买昂贵的服务器、防火墙、数据库、IDC等，就可将自己的优质资源提供给网络用户，这些公有云也具有灵活的可扩展性和可配置性，灵活开放的数据访问接口可以很容易地使自己的实践教学平台应用系统与云平台进行数据交互，提供的强大的可配置性和丰富的业务组件，丰富的组件使得课程的建设者可以根据自己的需求进行选择相应的模块，强大的可配置性能满足不同组织的业务流程和特殊的处理要求。

2 基于云计算技术的平台的实现

2.1 平台的架构

基于对云计算技术、MOOC模式、教育信息化资源现状的充分认知，本文提出了包含云存储、云应用、云接入和云终端的四层架构，其中前两者是平台关键部分，具体如图1所示。

(1) 云存储层。云存储是由相关硬件、虚拟化计算软件、云数据等相关系统或设备以及连接上述实体的网络所组成的集群，同时配置大容量、高性能、高扩展能力的分布式文件系统，它具有读写性能可线程增长、支持海量数据存储、可靠性高等诸多优点[6]。

(2) 云应用层。云应用层负责对云存储内的各类资源进行管理，并提供虚拟机租赁、存储租赁、带宽租赁及云监控等IaaS级MOOC云服务，它具体由业务管理与运营、资源管理和系统管理等模块组成。 图1 基于云计算技术的MOOC实践教学平台的架构。

(3) 云接入层。云接入层通过定义可供云终端调用访问MOOC云服务平台的诸如访问、短信、WAP、混合通信、交流互动能力等各种教学应用能力的调用。

(4) 云终端层。用户所直接持有的访问MOOC云实践平台的终端设备。

基于上述架构设计，基于云计算技术的MOOC实践教学平台天然具备以下几方面的优势特征。

(1) 先进性。节约资源，高效科学化；内容丰富，拓展自由化；效果突出，教学人性化；资源开放，建设标准化[7]。

图1 基于云计算技术的MOOC实践教学平台的架构

(2) 开放性。建设多终端融合的接入环境，适应多种学习方式，任何人、任何地方、任何环境(台式机、笔记本、平板、电视等)下都可以在线学习，同时每一家成熟的成熟的实践教学课程都可便利的加入MOOC实践教学平台。

(3) 可实施性。在线课程的学习、交流实时进行，效果及评价反馈及时，同时要有丰富的多样化的学习资源与个性化支持服务，平台的内容必须制作优良、操作规范，这样才能吸引用户参与进来。

(4) 大容量。平台架构设计紧密结合MOOC实践教学平台中的资源特征，采用云存储实现海量资源的存储与管理，并且支持大量的人同时在线学习。

2.2 实践教学解决方案

目前高校的课程实践从其依赖的环境看，大体上可以分为三类：软件类、硬件支持网络访问类和硬件不支持网络访问类[8]，根据这三类实验的特点分别给出相应的方案加以解决。

(1) 软件类实验。软件类实验的特点是学习者不要特殊的设备，通常只需要一台计算机即可，学习者可以在线下或者通过远程服务器完成实验。常见的软件类实验有视频或动画演示类实验和程序设计类实验。对于演示类实验可以将实验内容放在远程的MOOC实践教学平台，学习者只需安装带相应插件的浏览器即可，学生通过演示实验了解实验的过程、步骤及预期的结果。这样的实验与用户的交互非常少。程序设计类实验传统的方式是学生在机房编写代码，老师现场指导学生解决实验过程中出现的问题，然而，这样的方式在MOOC模式下很难开展，这是因为学生可以随时随地进行实践学习，老师不可能随时为同学们答疑，即使能凑巧的通过在线为学生答疑，往往也许在线学生过多使得老师无法顾及每一位同学。因此，对于程序设计类实验可以按如图2所示的流程在MOOC实践平台上实现自动评测的关键功能[9]，并实现用户管理、题目管理、在线提交与下载等基本功能，这样既可以达到传统实践教学模式的效果又适用于MOOC模式的教学。

图2 程序设计自动判题流程图

(2) 硬件支持网络访问的实验。硬件类实验都需要专用的仪器设备才能完成相应的实验，建设这类实验室往往需要不菲的投入，如计算机网络实验、物联网实验、通信类实验等[10]，这类实验仪器的特点是其设备支持网络访问，因此对于这样的设备可以将其计入因特网并提供相应的实验手册，开放为学生使用，其原理如图3所示。当然，这类仪器设备不仅购买成本高，运行和维护成本也较高，因此可以向在线使用设备的人收取适当的费用，这样一方面提高了设备的利用率，另一方面也适当分摊一下自己的使用维护成本。当然，为了便于管理和维护，开放给用户的使用权限要适当，避免学生清空原始基础配置、设置或更改超级用户密码等造成仪器不能继续在线使用。

图3 硬件远程实验原理图

(3) 硬件不支持网络访问的实验。对于硬件不支持网络访问的实验也可以根据情况分类处理，如果需要的仪器设备的购买成本在学生的可承受范围，学生自己单独或与其他同学一起购买，自己搭建实验环境，这类实验模式适合于仪器成本不高且容易购买、实验方案易于实施的情况[11]。对于仪器购买成本高、实验太复杂不宜采用学生自购的实验，可以采用在线模拟实验的模式，将硬件实验软件化，以便在虚拟化的硬件上开展实验，这类实验的流程如图4所示，它的优点是几乎不需维护成本，也无需购买昂贵的仪器设备，只需开发或购买虚拟在线实验软件的投入，但是这类软件在开发时应尽可能地考虑学生实验过程中可能会出现的问题，如何解决等，以便软件能尽可能达到真实硬件的实验效果，并培养学生纠错能力。

2.3 平台的实施

大规模在线开放课程是2001年麻省理工学院为应对国际化、共享化、科技化、全球化趋势，实现优质教学资源的共享发起开放课程运动，GeorgeSiemens针对这种基于互联网时代的学习方式提出了关联主义(也有称作联通主义，cMOOC)学习理论，它提倡把大家的想法连接在一起以获得更多的知识，其组织与实施如图5所示[12]。2011年年底，美国斯坦福大学的老师创办了免费大型公开在线课程项目-Coursera。同年，斯坦福大学的老师成立了Udacity。2012年4月，麻省理工和哈佛大学联手创建大规模开放在线课堂平台-edX。edX、Coursera和Udacity统称为xMOOC，其组织与实施如图6所示[12]。

图4 虚拟实验流程图

图5 cMOOC模式的组织与实施

图6 xMOOC模式的组织与实施

3 建设实践教学平台的意义

3.1 可以让师生使用大量的优质实践资源

教育行政部门早已经充分认识到实践教学对于人才培养质量的意义，把重视实践教学作为推进人才培养科学发展的重要理念，加大实践教学的投入作为提高人才培养质量的重要着力点，提高实践教学质量作为统筹人才培养工作的重要抓手，因此，对学校的相关评估以及新办专业申请等都明确要求人均实验场地、人均设备价值等，学校也对实践教学形式上非常重视，但这些重视往往体现在硬件的投入上，包括建设实验大楼、购买仪器设备等投入上，但对实践教学中的软性投入和认识上远远落后于对理论教师的投入[13]。比如实验教师在引进条件、职称评聘、出国学习进修、科研项目和教研项目的设置与申报、优秀教师的评比、工作量计算与考核、课程安排上，实验教师大多处于劣势地位。这打击了实验教师的工作热情，这样每个学校拥有的优质的实践教学资源就会相对少些，通过MOOC实践教学平台，可以让广大学生充分享受各个高校提供的优质实践教学资源，同时也为实验教师的师资培训提供了一个良好的平台。

3.2 可以帮助学习者有效掌握实验技能

现在高校的实践课程基本上规定了学时和相应的实践教学内容，而相当一部分课程的实践教学都要依赖某一种或多种软件平台或硬件平台，这些平台一开始对于学习者来说是陌生的，所以通常情况下教师会利用开始的一次课对相应的平台进行讲解，让学生熟悉，然而这些全新的平台要在一次课的时间内完全熟悉是比较困难的，特别是一些平台只有实验室中有，而学生自己不可能买一个这样的平台使用，如果平台没有熟悉，后面的实践教学效果自然也会大打折扣，对于那些接受能力差的同学来说，经常课程都进行一半了，平台的基本操作还没有彻底掌握，这样情况下的教学效果可想而知。另外，有些实验依赖特殊的硬件设备，而学校由于资金不足以及设备到了一定的年限才能报废，这就造成了设备的更新换代频率大大降低，而由于仪器设备没有更换，使得几年甚至十余年的教学内容没有发生变化，这对于技术更新速度快课程来说是非常不利于学生学习和掌握新技术的，这也造成了很多学生认为的在学校学的很多是过时的内容，在工作岗位上也早已淘汰了的，如果要满足工作对技术的要求，学生必须重新学习一下相关的新内容，MOOC的出现可以有效地缓解上述不足[14]。对于各种平台的操作和使用方法，既可以利用MOOC平台上提供的视频进行详细学习，在一次没有理解透彻的情况下还可以重复的学习，这样在彻底的掌握其基本操作的情况下再进行后续内容的学习，其学习效果自然就好得多，而在传统的实践教学过程中，让老师完全重复以前的内容几乎是不可能的。另外，通过MOOC教学平台可以大大增加学生实践最新技术的机会，因为如果本校的教学内容没有变更，其他学校的教学内容可能已经进行了更新，这样，学生就不会局限于仅仅学习本校提供的内容，还可以学习其他学校的更新的实践内容。如果没有MOOC，这样的行为几乎是不可能进行的。

3.3 平台可以有力提高实验室建设水平

目前，每个高校都有相当数量的专业，为了培养学生的动手实践能力，学校就要为其建设相应的实验室，这样的需求对理工科类的专业尤为明显。然而每个高校特别是地方高校和民办高校，其财力是非常有限的，这就造成了许多高校在建实验室时为了满足各个专业的基本需求，大量建设了低端实验室，并且各个高校建设的实验室也大同小异同质化非常严重，这种低而全的实验室建设模式只能培养学生的基本的动手实践能力，而缺乏培养综合应用和创新研究能力所需的实验条件[15]。而建设了MOOC实践教学平台后，学校就可以利用有限的资金仅为自己学校的优势专业建设先进的甚至能引领专业发展方向的示范性实验室，这样的实验室建好以后，不仅可以为自己的学生服务，也可通过MOOC在线实践教学平台共享给其它高校使用，这样本校的非优势专业的学生也可以享用其它高校的实践教学平台，而这些专业又是这些高校的优势专业。这样，每个专业的学生都会尽可能地使用所有在线的优质的实践教学资源，同时也提高了自己优势专业的实验室建设水平。

4 结 语

针对基于MOOC实践教学模式的特点与需求，提出基于云计算的MOOC实验教学平台的框架，这个平台不是单一的资源组合，而是资源、评价、学习、师生互动的一体化的课程平台。为了便于更多的课程引入平台，系统需提供可扩展的API接口，甚至实现与学校的教学管理系统无缝对接，平台为了保持整体的协调性要具有批量化制作课程的功能。同时，为了吸引学习者的注意力和兴趣，每门课程根据自身的情况在制作时保持其个性化。由于平台服务的对象不仅仅是本科生，可能还有专科生、研究生，甚至是社会人士，因此要考虑多元化的课程教学模式。另外，近几年异常火爆的社交网络和平板、智能手机等大量便捷化的智能终端，吸引了大量的用户，特别是年轻人，因此，平台的设计可以参考社交网络的特点，将枯燥的学习过程融入娱乐中，让多种终端都能够访问，使其成为一种快乐的活动。

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Design and Implementation of Platform of Experiment Teaching for MOOC Based on Cloud Computing

CUIGuan-xun

(School of Computer Science and Engineering， Chongqing University of Technology， Chongqing 400054， China)

Massive Open Online Courses (MOOC) is new education mode, and it has caused a revolution in education around the world. As the most important way to cultivate students' comprehensive application ability and innovative ability, the experiment teaching has become an important part of MOOC. At the same time, cloud computing technology and big data offer the potential for the implementation of experiment teaching of MOOC. According to the characteristics of MOOC the cloud learning environment is taken as an entry point, and the required technical support, the architecture of the platform and mode of operation are elaborated based on a systematic analysis. A computer experimental teaching platform is designed based on cloud computing technique for MOOC. At present the experimental teaching platform is applied to experimental teaching of public computer courses, and is proved to be effectively.

cloud computing; virtual experiment; network platform; practical teaching; massive open online courses(MOOCs)

2015-01-08

重庆市高等教育教学改革研究项目(143001)；重庆市研究生教育教学改革研究项目(yjg123023；Yjg133080)重庆理工大学高等教育教学改革研究项目(2014ZD01；2013YB19；2013YB20)；重庆理工大学研究生教育教学改革研究项目(yjg2012101)；重庆理工大学重大教学成果培育项目(2013011)

崔贯勋(1978-)，男，河南许昌人，硕士，高级实验师，实验室副主任，主要从事实验技术研究及实验教学。

G 642

A

1006-7167(2015)08-0119-05

Tel.:13271948663;cgx@cqut.edu.cn