基于云计算环境的网络化工程实践教学模式探究

艾 伟 郭 亮 杨 伟 周秀梅

三峡大学大学生素质教育中心 湖北宜昌 443002

我校现开设有工程基础训练和工程综合训练的工程实践教学课程，作为全校必修课，此课在学生工程实践素养及实践能力培养方面起到了一定作用。工程基础训练包含车工实训、钳工工艺、3D打印、特种加工、材料连接、电子工艺、电机控制等课程内容，工程综合训练主要包括电子产品设计与制作、机械产品设计与制作、单片机实验等课程内容。在实践教学研究和教学改革中，不断发现传统的工程实践教学模式在演示示范、课程时间安排、资源台套数等方面和学生的需求表现出一定的不适应性，但基于网络化的在线实践教学可以有效弥补现场实践教学的一些不足。通过网络化的工程实践教学，可以有效地解决学习者空间、时间受限，实验设备资源不足的问题，并有效地提高实践教学的开放程度和实验设备的使用效率；而且对于部分项目设备现场操作紧张程度高的问题，通过网络化教学方式可迎刃而解。网络化的实践教学更是构建实践教学体系的一部分，为高校工程创新人才培养提供一定的技术支持[1]。

1 发展网络化实践教学的必要性

网络化实践教学模式是对高校网络在线教育机制的填充，可以有效解决实践教学中遇到的时间、资源受限等问题，提高实践教学水平，同时也是现代互联网技术在实践教学中的创新应用。

1.1 健全在线学习机制

高校的课程主要分为两类：理论课程、实验和实践课程，理论在线教学模式已经逐渐发展成熟，大规模的MOOC课程已经可以实现全球教学资源共享，而实践教学在线学习还处于起步阶段，两者发展不均衡，并不是由于网络在线学习在实践教学方面的适应度差，大部分原因是对实践教学的重视度不够，以及实践教学的网络化的难度相比理论教学高。从教学体系的完善度方面来看，应加大网络化实践教学的关注和投入，健全高校在线学习机制。

1.2 改善实践教学方式

(1)实践教学侧重于对学生实践动手能力的培养，但是并不是所有的实践教学都适合现场操作，例如钢铁冶炼、石油开采等实践教学内容，可以采用三维虚拟仿真技术来完成[2]，比较著名的有世界钢铁协会发起的网络模拟炼钢课程。

(2)网络化实践教学模式打破了时间和空间限制，提高实践教学的灵活性，可以有效降低对教学场地、实践环境、师资配比等因素的制约，提高实践教学设备的使用效率。例如3D打印，学生有了好的创意，可以在线立即打印出作品，不受课堂时间的限制[3]。例如单片机课程，将单片机开发板接入网络，学生可在远程进行程序开发、程序下载，通过摄像头查看实验室单片机开发板的运行状态来调试程序，就和实验室操作一样。再者学生可以通过微视频或者虚拟现实技术更好地理解实践环节的细节和重难点，以便更好地掌握实践教学内容，提高实践动手能力。

1.3 便于实践教学的数据统计

通过网络化实践教学平台，可以有效地统计接入网络的相关课程的学生学习数据，对接入平台的数据进行有效统计和挖掘[4]，根据云端服务器提供的统计数据按需提取并生成表格，以便进行学习数据分析，根据分析结果做出相应决策。

2 云计算环境的必要性

2.1 大规模用户访问的需要

在用户量较少的情况下，可以在本地计算机上建立服务器来完成用户和实验硬件设备的数据交换，但结合我校实践教学情况，用户的并发访问量大，大规模用户的访问需要云计算的资源环境。用户和实验室硬件设备同处于互联网中，要完成大规模的点对点通信，必须建立网络服务器来实现通信管理。通过云计算环境，租用云计算服务器，保证大规模用户可以同时在线访问实践教学平台。

2.2 提高网络化实践教学平台的扩展性

用户量及接入网络的实验硬件设备的变化，引起服务器资源量的不断调整，加大了设备采购成本和维护成本。而采用云计算服务，可以根据任务需求量订制资源，满足网络化实践教学平台建设的柔性扩展。

2.3 数据存储的需要

大量的用户数据、学习资源等需要云计算服务器提供大规模的数据存储空间[5]，而且为了保证数据交换的效率和稳定性，云计算服务器相比本地服务器优势明显。

3 网络化实践教学平台结构

实践教学的网络化因为要远程操作硬件设备，在教学环境的搭建方面更为复杂，特别是在物理层和数据链路层部分，功能和框架要清楚，在顶层设计时，应充分结合硬件设备的特性来选择通信方式和制订数据传输协议。总体而言，按照功能与结构，可以将实践教学平台分为5层，具体结构如图1所示。

图1 基于云计算环境的

在这5层中，从平台实现的角度讲，最复杂的集中在管理层和数据链路层，管理层需要在资源调度和数据管理上细致规划，既要保证资源的合理利用，又要保证数据传输的稳定性和可靠性。数据链路层方面，在设备入网和数据传输协议制订方面，需要统筹全局，根据接入实验设备类型、实验设备数量及实验设备的访问承载量等来制订合理的入网方式和数据协议。应用层方面，将实践教学平台与云计算服务器集成在一层，方便教学平台软件的扩展和轻量优化，尽量不占用本地服务器资源。

4 关键技术及存在的问题

理论课的网络在线学习模式已经比较成熟，工程实践课的网络教学平台构建可以参照理论课的构建模式，但是也有其自身特点，硬件设备接入网络和数据协议制订方面是实践课程是否能够实现在线学习的关键。

4.1 网络接入技术

硬件设备的网络接入，为了方便教学设备的前端管理，首先需将硬件设备接入本地服务器统一管理，本地服务器一般建在实验室中，负责监控接入的教学硬件设备，同时建立防火墙。硬件设备的网络接入技术的关键主要集中在硬件设备和本地服务器的连接，硬件设备接入互联网主要有两种情况：一种是设备利用网口或串口直接通过网关连接至本地服务器，硬件设备的控制可以由本地服务器下达指令，例如单片机实验等课程，单片机开发板的操作可在本地服务器上完成；另一种是需要二次开发，在原来教学硬件设备的基础上增加网络设备，将硬件设备接入网络。考虑到教学硬件设备种类多样，在接入网方式方面也表现出一定的差异性，增加了硬件设备接入网的复杂度和难度。

4.2 本地服务数据传输协议

大量的上传下达数据需要本地服务器进行数据封装和解析[6]，需要制订合理并且完整的数据协议管理硬件设备。在协议的制订过程中，应充分考虑数据的解析效率和数据的完整性，一方面，数据协议制订得过于复杂，势必导致在数据解析的过程中消耗大量时间，这样会极大影响用户访问和控制硬件设备的时间成本，造成用户体验感差；另一方面，数据协议制订得过于简单，会使云计算服务器的数据挖掘与决策分析成为无水之源。所以在协议制订过程中，应权衡考量。

4.3 存在的问题

网络化的实践教学适用性范围需要进一步探讨，特别是像传统制造加工、钳工工艺、车工实训等课程，若要训练学生的动手能力，还是要现场实践才能达到理想效果。而部分实验设备接入网络并不简单，需要大量的投入来完成硬件设备入网，在成本效益方面略显不足。

此外，还有物理层设备及网络层的设备管理和维护问题，要保证网络化的实践教学平台的长期开放，必然要考虑到实验室硬件设备的用电管理、网络管理等，这方面的实验室管理成本将增加。

5 结语

将网络在线学习模式应用于工程实践教学，深化了工程实践教学模式改革，提供了更开放的工程实践教学平台，结合云计算服务器，构建出资源丰富、适合大规模用户访问且扩展性好的网络化实践教学平台，进一步提高了网络化实践教学的质量和效率。