基于云平台的计算机开放式实验教学与管理模式研究

饶文碧　王云华　杨焱超　袁景凌　熊盛武

摘要：建设基于云平台的“个人虚拟实验室”，研究有助于学生自主学习和提高创新能力的开放式实验教学和管理模式，阐述在云平台中提供全天候开放式实验教学服务、学生自助式学习服务、在线透明的实验资源等功能的建设策略，支持实验教学过程动态跟踪与创新能力成长评测的实施，探索以一种崭新的教学和管理模式提高实验教学质量的方法。

关键词：云计算；虚拟化技术；开放式实验教学；能力成长评测

0引言

近年来，高等教育改革越来越强调教学评估和质量工程建设，更加重视对学生实践能力和创新能力的培养，因此建设高效、开放的实验教学平台和管理模式在培养创新应用型人才中的作用日益凸显。云计算作为一种新型资源共享方式，可以应用于教学管理、学生交流与管理、实验室建设与管理等方面，能有效降低实验室的建设成本和部署难度，提高教学效率、系统可靠性和开放性。现有的研究大都是利用云计算技术进行虚拟教学平台建设和实验室管理，笔者在吸取这些方法优点的基础上，研究基于云平台的计算机开放式实验教学与管理模式。

1面向创新能力培养的开放式实验教学云服务平台

围绕高等院校计算机学科的科学创新能力、工程创新能力和领域融合应用创新能力的培养目标，武汉理工大学结合通识、基础、创新等不同层面实验教学需求，按照云计算的理念和技术规范，建设基于云计算的实验教学平台体系，如图1所示。该平台具有技术功能强大、能够提供个性化服务、实验环境规范、开放程度较高等特点。

计算机开放式实验教学云服务平台的基础设施即服务层（IaaS）由物理资源池、虚拟化管理和云业务管理支撑，通过对物理资源池中的服务器、存储资源和网络设备实现虚拟化聚合部署，配合云计算虚拟化管理系统实现一个功能完整、标准开放、方便集成、安全可靠的IaaS服务层。云计算虚拟化管理系统主要是为云计算基础架构提供最优化的虚拟化与云业务服务解决方案，实现实验教学云平台的中央管理控制，统一管理所有的物理资源和虚拟资源，可降低计算环境的复杂度和管理成本。基础设施即服务层还可为开展云计算IaaS层的研究、教学和实验提供基础环境。

建设平台即服务层（PaaS）部署虚拟实验室组件，主要提供统一身份认证管理、业务访问控制、大数据挖掘和统计等方面的服务。

建设软件即服务层（SaaS）主要包括基础公共服务和实验教学服务。基础公共服务集成现有有序和无序信息，为教师和学生提供一个统一的信息共享入口，以便能随时随地对实验教学云平台进行访问、共享、管理、使用等；实验教学服务能为教师教学和学生实验提供资源、交流和共享平台、实验行为记录、大数据分析工具等。

2基于云平台的开放式实验教学模式

2.1开放式虚拟实验教学模式以学生自主学习为核心

在云计算平台上，以SaaS模式部署一套虚拟实验室系统，对实验教学云平台的虚拟资源池进行统一管理，为教师教学和学生实验提供一整套的虚拟主机管理、实验环境、资源管理、能力评测等子系统，将传统教学中在机房中做的实验搬到云端，使学生和教师摆脱传统计算机机房的限制，形成不受时间、地点和设备限制的以学生自主学习为核心的全时段开放虚拟实验教学模式。

1）学生“个人虚拟实验室”。

虚拟实验室系统为每个学生创建“个人虚拟实验室”，让学生的学习脱离实验室的空间和时间限制，实现使用任何可以连入网络的设备在任何时间通过Web方式或云桌面方式都能访问“个人虚拟实验室”并查看当前所有实验项目列表的功能。学生开始虚拟实验时，系统会自动根据教师选择的虚拟机模板创建出学生虚拟实验机，学生虚拟实验机已安装好实验所需的软件并配置好所需的环境，这样学生就可以将有限的时间专注于实验本身。

虚拟实验室系统可以按需为每个学生分配多个虚拟机模板，每个虚拟机模板启动后就相当于一台实验主机。只要管理员不注销该虚拟机，这台虚拟机就可被学生长期独占，因此学生可以对主机上的软件进行定制、对开发环境进行配置、保存实验操作信息、留存过程数据及学习资料。

2）教师“虚拟工作室”。

利用虚拟实验室系统，任课教师可以为每节实验课配置不同的虚拟机模板，虚拟机模板包含操作系统、实验开发环境等并与课程资源和知识点关联。同一个实验室可以为众多的课程提供实验环境，无需考虑这些课程所需使用资源与实验环境的差异，这和传统实验室有着本质的区别。另外，教师还可以对所有参与该课程学习学生的虚拟实验桌面进行管理，帮助学生解决实验过程中出现的问题。

虚拟实验室系统不仅是一个虚拟实验的平台和载体，还通过教师“虚拟工作室”提供一种创新性的电子教学资源整理、编辑和汇聚的开发工具，使老师能快速有效地组织知识点和开展实验教学，同时提高学生的学习和实验操作效率。

2.2实验过程动态跟踪与能力成长评测

为监控计算机实验教学的质量，SaaS层还部署了一套计算机实验云教育系统。该系统与虚拟实验室系统无缝集成，能为虚拟实验提供在线课程资源、自动记录学生实验过程并进行大数据分析，从而对学生实验实践环节全过程进行动态跟踪与管理。

1）实验过程动态跟踪。

记录和跟踪学生的实验、实训、竞赛、创新活动等信息和轨迹，并通过实验教学云平台的大数据分析和挖掘技术，可以帮助老师掌握学生的学习路径、学习情况等信息，构建学生社会需求一实践项目一能力达成度一创新创业能力等信息反馈和持续改进机制，为教学过程的持续改进提供数据依据，最终促进学生实践创新能力培养。

2）卓越工程师岗位能力评估。

基于实验教学云平台构建面向行业实际岗位的卓越工程师岗位能力成熟度模型，该模型借鉴软件工程的CMMI模型，详细定义达成相应岗位各级能力所应该具备的技术能力和水平。利用基于岗位能力成熟度模型的能力评估工具，可将学习路径流程化和图形化，通过云端行为记录和大数据分析自动对模型中学生的学习过程进行记录和统计，并与岗位素质模型的要求进行比较，为学生的学习和教师的授课提供科学的指引，让学生能够在学习过程中明确自身的能力水平与行业需求的差距，提高学生的内驱力。

2.3实验教学资源云在线开放

系统还支持教学资源共享的功能，为建设实验教学资源云和形成开放式实验教学模式提供有力的支撑；在教师“虚拟工作室”嵌入实验教学资源聚合开发与分享平台，利用多媒体和网络技术将网上各种教学资源、教学要素和教学环节整理组合、相互融合，创设出丰富生动的教学资源。我们把这些计算机类实验教学资源分成基础实验教学资源、专业实验教学资源、综合实验教学资源、虚拟仿真实验教学资源、创新实验教学资源等。同时，实验教学资源聚合开发与分享平台还可以将实验教学发布和分享到云端，形成实验教学资源云。对于资源云上共享的实验课程及教学资源，任何老师可以直接下载并用于教学，所有学生也可以在线学习这些课程资源。

3基于云平台的开放式实验教学管理模式

武汉理工大学云架构实验教学平台具有良好的可扩展性和可维护性，具有大存储量、虚拟化等特点，能够将全校的计算机课程资源和数据集中，形成全方位的开放实验教学管理模式。

1）基于云平台的实验教学资源与过程管理。

具有管理权限的教师可以随时随地登录系统，进行系统配置管理，了解实验室的使用情况，通过监控系统查看实验室的当前授课画面；任课教师基于云端的课程编辑系统和在线作业提交及批改系统，随时随地都可以备课、阅卷和批改作业；实验教学资源云上汇聚了老师授课、学生学习所需要的所有资料，实验课堂上老师和学生能通过不同客户端实现在线互动。

2）网络环境下实验课程、实验项目的365×24开放。

通过使用实验教学云平台和虚拟实验室系统，学生可以随时随地使用任何终端连接进入云平台完成在线学习、实验准备、作业提交、微课程学习等活动，实现实验课程和实验项目全时段开放，为学生提供个性化的进行创新实践的时间和空间，如图2所示。

3）基于云平台的实验教学自助式服务及跨学期弹性实施。

实验教学资源云汇集学校的所有计算机类课程包，学生可以随时登录系统，选择自己必修或想要学习的课程并提交课程学习申请。任课老师同意后，学生即可开始学习该课程并做该课程相关的所有虚拟实验，实现实验的自助式服务。此外，基于云平台的实验教学还支持实验课程跨学期弹性实施。

4）开放实验室的智能化、远程化在线管理和监控。

武汉理工大学计算机实验教学云平台还接入基于网络的各种智能节点，包括智能开关、灯光、安防系统、门禁、监控等，通过网关进行数据汇集并传输给云平台管理系统，从而实现对开放实验室的智能化、远程化在线管理和监控。

4结语

2015年10月，武汉理工大学计算机学院完成开放式实验教学与管理云服务平台的部署，共使用12台高性能服务器，光纤磁盘整列有效容量约100TB。建成后的平台开始承载计算机学院计算机基础课程、独立实验课程、国际化教育课程、Hadoop大数据基础、软件测试实训、自主创新项目等教学实践任务，并且部署了教学资源共享库。任课教师普遍反映平台使用方便、系统稳定、性能较好，能够高效地组织实验教学，提高了学生的学习效率和学习效果，实现了实验课程和实验项目的全天候开放；同时也较好地解决以往分散建设、重复投资、信息孤岛等问题，实现各类资源整合与共享，为实验教学管理改革提供全方位的支持。

（编辑：宋文婷）