面向计算机人才培养的开放式智能化实验平台建设

齐倩倩 罗跃逸 杨展

摘  要：当今，社会已进入信息化和智能化时代，为适应时代发展，探索智慧教育创新，采用云计算、移动互联网、大数据等先进技术构建实验云平台、物联感知平台、实验资源平台，研发符合计算机学科发展和计算机人才培养的开放式智能化实验平台，实现本科实验教学实践管理的软硬件资源整合和协同优化，持续推进计算机系列课程的教学改革。

关键词：智能化；开放式；实验平台；人才培养

中图分类号：TP39；G434   文献标识码：A   文章编号：2096-4706（2023）16-0185-05

The Construction of Open Intelligent Experimental Platform for the Cultivation of Computer Talents

QI Qianqian1， LUO Yueyi2， YANG Zhan1

（1.Big Data Institute， Central South University， Changsha  410083， China;

2.School of Mathematics and Statistics， Central South University， Changsha 410083， China）

Abstract： Today， the society has entered the era of informatization and intelligence. In order to adapt to the development of the times and explore the innovation of intelligent education， use cloud computing， mobile Internet， big data and other advanced technologies to build an experimental cloud platform， an IOT awareness platform， and experimental resource platform. Develop an open intelligent experimental platform that conforms to the development of computer science and the cultivation of computer talents， and achieve the integration and collaborative optimization of software and hardware resources for the management of undergraduate experimental teaching practice， continuously promote the teaching reform of computer series courses.

Keywords： intelligence; open type; experimental platform; talent training

0  引  言

《教育部教育信息化2.0行動计划》《中国教育现代化2035》等文件中提出要充分发挥信息化在教育改革与创新中的积极作用，不断丰富我国教育服务供给模式，支撑和引领教育现代化。计算机实验教学中心是大学计算机系列课程教学改革的实践实验平台[1]，在巩固和应用本科学生计算机理论知识以及提升本科学生专业创新能力的过程中，积极研发面向计算机专业人才培养的开放式智能化实验平台，旨在不断优化本科计算机实验教学条件和创新本科计算机实验教学方法，积极开展和落实计算机专业建设和计算机人才培养。

物联网、大数据、云技术、人工智能技术的迅速发展，为高校计算机实验教学的改革创新提出更高的要求。论文结合中南大学计算机学科建设的需要和本科计算机专业人才培养的教学改革要求，在认真梳理和研究计算机本科人才培养方案并结合已有实验平台建设经验的基础上，聚焦计算机专业中关于算法与模型、计算与统计、理论与实践的关键要素[2]，积极探索符合计算机专业对实验教学特性需求的开放式智能化实验平台，促进计算机教学实验中心的管理，使资源配置在计算机专业的人才培养过程中发挥更有效的作用[3]。

计算机实验平台的改革创新立足于国家新工科人才培养战略，籍此实现培养爱计算机、学计算机、立志献身计算机的创新人才[4]。论文聚焦提高计算机专业学生热爱计算机的内生动力，激发学生强烈的求知心和好奇心，培养学生锲而不舍的勇气和毅力，塑造学生正确的人生观和价值观，积极探索建设符合计算机类优秀人才培养所需的智能化计算机实验平台[5]，使计算机教学实验中心成为计算机类优秀人才的实践实训基地，建设一流的硬件基础聚集地，提升科学研究水平。

一流人才培养是计算机一流学科建设的重要任务，专业实践教学基地是培养创新人才的重要阵地，但计算机实验教学环节的相对薄弱已成为影响计算机一流专业建设和人才培养的瓶颈。为适应新形势下创新人才培养的实践教学需求，构建计算机一流学科教学所承载的培养一流人才所需的实验平台[6]，积极开展计算机实践教学新模式的探索和实践，持续推进计算机系列课程的教学改革。

1  开放式智能化实验平台

计算机人才培养的开放式智能化实验平台是基于云计算、移动互联网、大数据等多种先进技术研发的实验平台，实现本科实验教学硬件设备和软件资源协同优化的教学实践和管理，平台框架如图1所示。

1.1  计算机实验云平台

计算机实验云平台是基于虚拟化技术提供的底层框架和虚拟云桌面资源，该平台由计算集群、存储集群、网络设备、终端设备等组成，架构如图2所示。

计算机实验云平台使用VDX桌面传输协议为用户提供独享桌面，核心组件如下：

1）虚拟机管理平台。构建服务器资源动态调度的集群环境，以虚拟机的方式为教师和学生提供Linux和Windows操作系统环境，可统一管理和监控所有桌面池。

2）虚拟桌面控制器。提供集中式的桌面用户认证、自动化的桌面管理，创建、更新、还原虚拟桌面等。

3）云终端。平台可配置瘦终端，老师和学生也可以使用自己的笔记本、PC机等智能终端作为软件载体接入，实现随时随地接入并使用虚拟桌面。

计算机实验云平台可以搭建多种实验环境，包含数据结构实验环境、程序设计实验环境、算法设计实验环境和人工智能实验环境。学生可以通过各种不同类型的终端设备（如云终端、笔记本、手机及平板等）随时随地接入使用，平台框架如图3所示。通过存储集群构建教学资料库，方便师生移动访问、协作共享；通过搭建更为灵活的资源池，让桌面云平台性能更好，更可靠；通过云管理平台对所有云桌面进行统一的运维管理。采用跨不同应用场景的超融合集群，实现实验室、多媒体教室、办公室的云桌面计算和存储资源融合、弹性分配。集群中某台服务器出现故障，云桌面可动态迁移到正常的服务器中，保障云桌面的高可用，实现不同场景下的云桌面漫游。

采用上述方式可以实现以下目标：

1）存储集群。统一平台集中存储个人资料，支持多终端接入，随时随地访问和移动办公，集中存儲优质教学资源，满足优质资料的共享，提高资料利用率。

2）统一的运维管理。以图形化界面展示所有接入设备的运行情况、在离线状态、CPU和内存等使用情况。

3）虚拟机管理。可以直接跳转到节点的管理界面，对虚拟机进行用户创建、系统安装、软件更新等远程运维操作。

4）数据智能分析。对所有数据进行智能分析，得出整体情况评分，对评分较低的分支做进一步的分析，查出问题所在。

5）提供告警管理。各分支出现的任何错误和警告信息均可通过邮件通知给管理员。告警信息包括超过阈值告警、重大事件告警、重点关注操作行为的警告等。

6）动态添加资源池。当新建校区或教室资源不足时，学校只需新加超融合一体机到集群中，实现计算性能和存储资源的同步线性增加。同时支持盘级在线扩容，添加磁盘到集群中实现数据的自动均衡。

1.2  物联感知平台

物联感知平台由接入传感层、物联传输层和物联开放平台三部分组成，如图4所示。

接入传感层对应温湿度、智能空气开关、通用数据采集器等各类底层传感终端；物联传输层主要由智能物联网网关组成，负责联网信号与TCP/IP网络的对接，控制指令的下发和设备状况的上传；物联开放平台负责将实验室安防报警、环境监测、设备管控、智能巡检等功能融合实现集中管控，如图5所示。通过与教学管理系统、校园一卡通管理平台、统一身份认证进行无缝对接，实现计算机实验中心的全天候预约开放。

1.3  计算机实验资源平台

为加快推进信息技术与计算机专业实验教学的融合与深化，不断强化计算机专业实验教学资源的开发与应用，具体包括公共/专业计算机网络教学系统、计算机课程资源系统和计算机金课系统。

1.3.1  公共/专业计算机网络教学系统

公共计算机网络教学系统主要面向高等数学、线性代数、概率与数理统计、普通物理、离散数学五门公共基础课程开发的实验资源库，专业计算机教学网络系统面向计算机专业中的数据结构、操作系统、计算机网络、计算机组成原理、C语言及程序设计、数据库系统原理六门核心公共基础课开发的实验资源库。系统实现测试发布、作业发布、在线测试、在线作业、成绩管理、成绩分析、试卷分析与比较分析等过程，如图6所示。

1.3.2  计算机课程资源平台

结合图像自动跟踪技术将整个教学过程多角度完整地记录下来，并自动上传到资源平台，为后期开展教学评课、晒课、教研互动、微课、直播点播提供本地化的优质资源，如图7所示。

1.3.3  计算机金课系统

计算机专业学生学习的在线课程采取翻转课堂、线上线下混合式教学模式，教师可以根据自己的偏好和学生的需求设置和调控课程的进度、节奏和评分系统。学生在课外通过在线课程自主学习探究，在课堂上探讨交流并深入学习，如图8所示。

2  开放式智能化实验平台的优势

开放式智能化实验平台围绕教学科研工作建设新空间、新环境，为教学实验的开展带来了新途径、新模式，具有以下优势：

1）加大“网络效应”推进力度，构建了多屏互动的交互式实验教学新空间。开放式智能化计算机实验平台将云计算、物联网等新型信息技术融入实验平台中，升级了传统教育硬件，加大了人、知识、数据与互联网的关联力度，重新构建了多屏互动的研讨式学习新空间。多屏互动搭配了智慧实验平台，通过多样化投屏模式解决多屏信息展示与小组活动的智能化同步，让教师主屏、小组分屏、学生小屏的高清画面融合在应用中多向传送，最终实现多元立体化互动教学，能够在很大程度上使学生和教师得到新的教学体验，学生交流更方便、更自由，着力提升学生的自主学习能力。

2）优化实验室智能管理，营造了无人值守的全天候开放实验教学新环境。加大实验室开放力度，首先管理先行，解决好安全，控制好风险，制定相应的实验室准入机制、实验操作规范以及“量身打造”的应急预案。在此前提下，实验平台与教学管理系统、校园一卡通管理平台、统一身份认证进行无缝对接。开展实验室智能化管理系统建设，在不增加人力成本的前提下，能实现计算机教学实验中心的全天候预约开放。学生可随时根据需要使用实验室资源，极大地提升了学生进入实验室学习的主动性和积极性，推动了学生积极学习和探索的动力，强化了学生的自主创新能力。

3）构建计算机资源平台，创建了线上线下有机融合的实验教学新途径。开发适合计算机专业学生学习的在线课程，打造计算机课程资源平台，实现线上教学与线下教学的有机融合。教师可根据课程的要求和学生的需求，在计算机资源平台中自由设置和调控实验教学的节奏、进度并设置相应的评分系统，以制定科学合理的教学方案。学生可通过计算机资源平台加强线上预习，积极主动地参与学习，着力提高学生的实验参与度。

4）利用科研反哺实验教学，打造教学科研相互促进的实验教学新模式。智能化计算机实验平台使教学科研平台与实验平台相融合，开辟了基础实验平台和教学科研相互促进的新局面。学生和教师可以有效利用开放实验室的资源，学生可以在实验室设计和开发有创意的项目，指导教师在实验室对学生进行高效的指导，从而使学生在文献检索、实验研究、数据分析等方面的科研能力得到锻炼和提高，着力推进计算机类实验教学的创新发展。

3  结  论

随着信息技术的不断发展，教育模式正面临变革和生态重构。本文研究一种面向计算机人才培养的开放式智能化实验平台，该平台可有效提高实验室管理维护效率，解决计算机教学实验中心日常管理运行中存在的问题，从而提升计算机专业本科教学效果和人才培养质量。

参考文献：

[1] 林榕，钟鏸，盘炜生，等.计算机实验教学示范中心信息化管理平台构建 [J].实验室研究与探索，2018，37（3）：158?161.

[2] 陈明，万中.以“算法理论与实现”为教学核心提高信息与计算科学专业人才竞争力 [J].高教学刊，2022，8（7）：146-149.

[3] 罗跃逸，袁修贵，朱小玉.大數据环境下计算机实验综合体系建设与改革探索 [J].现代计算机：专业版，2015（23）：65-67.

[4] 高迪，申林山，武俊鹏，等.以学生能力培养为目标的实验教学中心持续发展模式探索 [J].高教学刊，2021，164（6）：148-151.

[5] 林鲁春.智慧实验室及其关键技术研究与应用 [D].杭州：杭州电子科技大学，2019.

[6] 卢娟娟.智能化高校实验室管理系统设计与开发 [D].长沙：湖南大学，2019.

作者简介：齐倩倩（1997—），女，汉族，湖南衡阳

人，实验员，硕士研究生，研究方向：软件工程与信息系统、计算机视觉；罗跃逸（1986—），男，汉族，广西柳州人，实验师，博士研究生，研究方向：软件工程与信息系统、网络资源管理与服务；通讯作者：杨展（1990—），男，汉族，湖南衡阳人，讲师，博士研究生，研究方向：多模态信息检索、计算机视觉和模式识别。