基于云模式的装备教学系统

摘要：云计算技术的发展为装备教学的信息化提供了条件。本文探讨了基于云计算的装备教学模式，并对其特点进行了分析;提出了基于云模式的装备教学平台基础架构，将云教学系统划分为七个层级并阐述了每个层级的功能和作用;构建了云教学平台服务体系，重点分析了以IaaS、PaaS、SaaS和MaaS为主体的服务模式，并结合不同服务模式特点，建立了相应装备教学资源体系。

关键词：云计算;装备教学;服务模式

装备教学主要讲授装备原理、构造、操作、维修、保养等知识，并普遍结合装备或者模拟器开展实操实训和虚拟教学训练。与传统大学课程相比，它具有以下独特性：①与装备结合紧密，通常会上装进行教学与操作;②在上装之前，通常采用模拟器进行模拟教学训练;③普遍通过图片、视频、三維模型等直观形式的内容进行教学展示。在装备教学中，由于大量工作基于实装和模拟器开展，每次只能允许十余人甚至三五人同时教学和操作，严重受到教学场地、装备内部空间、教学时间、教学经济性的制约[1]，难以实现成规模的教学实施，教与学的效率和效果都较差。云计算[2]的发展，为传统模式的装备教学提供了新的思路。文献[3]对高职教育教学中的云平台进行了设计，并研究了应用情况，总结了教育云平台在高职院校教育教学中发挥的重要作用。文献[4]研究了云教育环境下的个性化教学方法，分析了云教育环境下的教学意蕴、教学变革、保障机制等。文献[5]对云计算网络教学平台在教学思路、教学方法、教学实践方面的教学改革做了探讨。文献[6]研究了交互式教学云平台并提出了交互式教学云平台的应用模型，给出了交互式教学云平台的应用建议。

上述研究在不同程度上启发了装备教学的新理念，基于此，笔者提出一种基于云模式的装备教学系统。基于云模式的教学以虚拟化、云计算技术为依托，将包括硬件资源及各类装备教学软件资源在内的资源进行服务化封装，为用户提供包括基础设施、平台、软件等软硬件资源在内的教学服务。通过该模式，可有效解决场地和时间限制问题，提升教学自由度，提升学员的学习自主性，使学员能够随时随地进行新的装备知识的学习。

模式及特点

构建一种基于云模式的装备教学环境，如下页图1所示。其基本特征是教学资源统一部署在军事互联网/校园网上的云中心，用户在终端通过统一的网上教学门户远程访问中心的资源，进行远程教学。“中心”包含了教学基础设施资源、教学平台及其他教学软件资源，通过虚拟化技术，将上述资源虚拟化封装为虚拟教学服务并向外发布，通过远程传输协议最终将服务推送给用户。“终端”按照功能可分为两大类即教学终端和开发终端，在硬件上均可采用瘦客户端，以减少终端用户的基础设施部署与维护成本，提高开发与教学效率。“中心”和“终端”通过网络进行互联，终端用户通过远程传输协议与云中心进行数据交互，开发终端将开发的教学项目资源发布到云中心，中心调度服务将教学项目封装为服务，通过远程传输协议将项目服务传送至教学终端。

云中心可以部署在军事互联网（如军训网）上，向教室、教研室、装备专修室等提供装备教学服务，从而支持大规模、多人次、全任务的装备在线教学。同时，通过管理调度模块对教学资源的监控、管理与调度，实现教学资源的最优化管理，提升资源利用率，保证教学的高效合理进行。与传统装备教学相比，基于云模式的装备教学突破了传统装备教学时一套装备同时只供一组人员使用、难以多人同时上装的限制，在相同的平台上可完成包括装备维修、装备操作和装备指挥在内的多种教学任务，达到“有网就能教、有网就能学”的普适化教学效果，军事和经济效益高。

归纳起来，基于云模式的装备教学系统具备以下特点。

普适化：在虚拟化及云计算技术的支持下，装备教学资源部署在云端，用户可将数据上传至云端，也可灵活使用云端的资源，从而充分实现了教学资源基于人、基于类型、基于系统的共享。同时，降低了学习准入条件、学习环境成本，本系统覆盖了学员活动的主要场所，学员可在任何能够连接军网的地点登录云教学平台，获取学习资源，进入学习情境，让学习不受空间、时间的限制，从而实现了装备教与学的普适化。

一站式：本系统提供了教学系统开发、上传，教学资源构建、组合、获取，以及教学系统监控、教学资源调度管理等一系列教学资源和环境，使得学员能够基于本系统完成课程的全部学习。

自主性：基于本系统，学员除了课上学习，课下还可根据自己的学习情况有选择地进行学习，查漏补缺、巩固提高，如对装备拆装技能要求较高，则可针对该课程进行课下自主学习和练习，从而提高学习的自主性，提升专业技能。

高效性：系统提供的在线学习服务，可快速选择感兴趣的学习任务，或者组织大规模的教学活动，使学员和教员省去烦琐的学习和组学流程，提升学习效率。另外，云教学系统还可根据需要，对软硬件资源进行调度，改善教学环境，提升教学系统处理效率。

即时性：基于本系统，教学资源可在第一时间进行更新及推送，而学员遇到问题也可第一时间登录云平台进行学习和复习，从而保证学习的即时性，使知识在第一时间吸收，问题在第一时间解决。

规模化：通过云教学系统，支持批量学员同时接入并获取教学资源，从而可以开展大规模装备教学，解决传统装备教学中依托实装教学时难以展开、人员难以同时获取知识的问题。

知识可视化：针对装备教学中常见的操作、维修、指挥等常见的课目，结合多媒体、虚拟现实（VR）技术、3D建模等技术，并将经验、态度、观点和见解等融入其中，以形成形象、直观的教学资源，从而促进学员能够正确记忆并重构这些知识。

便于评估：系统具备监控功能，对各类教学资源使用情况、学员的课堂参与情况、课程和资源的反馈情况、考核情况等进行全面监控，并将数据记录到云中心数据库中，通过大数据挖掘技术实现对学员学习情况的评估，以不断改善系统，形成良性循环。

系统架构

云教学系统承担了云教学服务提供、资源管理调度等主要功能，如图2所示，其层次结构划分为7层，由下至上分别是物理架构层、虚拟化层、虚拟架构层、资源管理层、服务层、应用层、门户层。

物理架构层涵盖了计算资源、图形处理资源、存储资源、网络带宽资源、数据资源等多种类型的资源，这些资源在逻辑上构成一个资源池，为整个云教学系统的运行提供基础设施资源。

虚拟化层主要指虚拟化平台Hypervisor，它创建了一个能够实现操作系统及应用程序与底层硬件资源之间相互隔离的抽象层，可有效降低应用软件对硬件设备以及驱动的依赖性，是资源共享和调度管理的必要条件。

虚拟架构层主要是各类虚拟硬件资源，包括虚拟CPU、虚拟网络、虚拟内存、虚拟存储和虚拟GPU等资源。它们是借助虚拟化技术，对基础设施层中的物理资源进行虚拟化，可由多用户共享的细粒度虚拟资源。

资源管理层是对云教育平台基础软硬件资源进行管理的关键层。对于上层用户来说，云中心对虚拟机的管理是透明的，用户只需根据教学需求获取相关训练服务，无需关注所使用服务资源的管理和维护。管理层提供了用户信息管理、服务器运行监控与管理、虚拟机运行监控与管理、容器管理、虚拟资源动态调度与管理、服务管理等功能。

服务层主要包括基础设施即服务（Infrastructure as a Service，IaaS），平台即服务（Platform as a Service，PaaS）、软件即服务（Software as a Service，SaaS）、模型即服务（Model as a Service，MaaS）等服务模式。借鉴上述服务模式，为用户提供从基础设施到教学模型的一系列教学服务模式。

应用层主要指基于各类服务模式部署的一系列教学应用资源，包括装备多媒体教学资源、VR系统、虚拟仿真资源等在内的教学资源。

门户层为用户提供训练服务接入控制，向用户发布虚拟训练服务，是用户获取资源的接口。用户通过登录平台门户，选择相应教学资源与服务来实施教学等。

服务与资源体系

云教学提供IaaS（Infrastructure as a Service，基础设施即服务）、PaaS（Platform as a Service，平台即服务）、SaaS（Software as a Service，软件即服务）和MaaS（Model as a Service，模型即服务）四种服务形式实现装备教学资源共享。上述四类教学资源中，基础设施资源的对外交互形式固定，采用相对固定的IaaS服务化实现技术即可向学员用户发布。而公共平台资源的服务化，根据其具体使用模式，可以是一般意义上的PaaS模式服务，即将交互接口以服务的形式公布，也可以借助IaaS模式服务，将资源部署在虚拟机内部，用户访问虚拟机桌面，并直接使用平台软件资源的GUI界面。训练软件資源共享既能以SaaS模式服务实现，也可以使用IaaS模式服务。对于教学模型资源，如典型装备模型资源、公共题库资源等，可采用基于Web服务的教学模型服务化，也可基于IaaS服务的虚拟机和PaaS的容器实现模型的服务化。云训练的资源共享方式如图3所示。

IaaS模式下，主要是“重量级”教学资源，采用虚拟机为载体提供装备教学服务。例如，对于装备虚拟仿真系统、多媒体教学系统等，需要较高的图形、计算任务处理能力，主要以虚拟机为载体向用户提供服务。

对于“轻量级”教学资源和平台级教学资源，主要采用PaaS模式的容器为载体提供训练服务。例如，对于基础教学平台、实验平台、考核平台等，主要以轻量级容器为载体向用户提供服务。对于部分通用软件或者课件，如多媒体课件、视频资源、音频资源等，可采用SaaS模式对外提供服务。对于典型装备模型资源、公共题库资源等类型资源来说，MaaS模式则是提供服务的首选。

总结

随着云计算的发展，基于云计算的装备教学模式应当是今后发展的主要方向之一。笔者深入探讨了云教学的模式及特点，完整描述了平台架构，构建了基础服务与资源体系，以期为云模式下的装备教学组织与运用奠定基础，为部队装备教学的网络化、规模化、普适化提供思路。

参考文献：

[1]黄安祥，冯晓文，李劲松，等.基于云计算平台的航空兵训练仿真体系结构[J].系统仿真学报，2011，23（S1）：106-109.

[2]Ling Qian，Zhiguo Luo，Yujian Du，etal.Cloud Computing：An Overview[J].Lecture Notes in Computer Science，2009，5931（01）：626-631.

[3]赵英杰，李文刚，苏媛媛.高职教育教学云平台的设计与应用研究[J].中国教育信息化，2018（18）：74-77.

[4]翟纯.云教育环境下的个性化教学研究[D].重庆：西南大学，2017.

[5]蒋明峰，曹丽，黄文清.基于云计算网络教学平台的教学改革及其建设探讨[J].中国电子教育，2015（03）：60-64.

[6]丁凯.交互式教学云平台在高中教学中的应用研究[D].石家庄：河北师范大学，2015.

作者简介：陈志佳（1986—），男，陆军工程大学石家庄校区装备模拟训练中心，博士，讲师。邸彦强（1973—），男， 陆军工程大学石家庄校区装备模拟训练中心，博士，教授。冯少冲（1981—），男，陆军工程大学石家庄校区装备模拟训练中心，博士，讲师。张炜栋（1982—），男，92677部队，硕士，工程师。袁红丽（1982—），女，陆军工程大学石家庄校区装备模拟训练中心，硕士，讲师。

本文受陆军工程大学教育教学研究课题（JTJD2019-25）资助。