实验云：理论教学与实验教学深度融合的助推器
胡翠云 朱志 孙磊
[摘 要]实验教学作为高等教育教学的重要组成部分，普遍存在资源分配不均、更新慢、共享程度低、教学质量低等问题。云计算凭借高共享性、高可靠性、高安全性和低能耗性等优势，在国内外教育领域被广泛应用，现已已成为国家教育发展的战略方向。论文在分析实验教学现实困境的基础上，指出实验云突破困境的独特优势，构建包括实验云建设模式、实验教学组织模式、实验教学管理和保障模式在内的基于实验云的教学模式，促进理论教学与实验教学的深度融合，提高学生创新能力，深化教学改革。
[关键词]实验云；云计算；实验教学；教学模式
[中图分类号] G64 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2016）09-0157-03
一、引言
实验教学是高等教育教学的重要组成部分，是培养学生动手能力和创新能力的重要途径。具有实践性、工程性、实用性等特征的计算机专业对实验教学提出了更高的要求：理论与实践深度融合。然而，由于硬件建设、教育理念和教学组织等方面的局限，目前很多高校在实验教学中存在大量的现实问题，严重影响了教学质量和人才培养质量的提高。[1]
云计算以共享性、高可靠性、高安全性和低能耗性等优势，在国内外教育领域受到广泛关注，成为我国教育发展的战略方向。实验云则是云计算技术在实验教学中的高级运用，是借助云桌面技术对实验资源进行虚拟化处理，形成虚拟资源池，根据教学需求进行组合，形成不同规格的虚拟机，最终以服务的方式为学生、教师提供远程虚拟实验室，为实验教学提供灵活、便利的技术支持。[2]目前，国内外各大高校和企业都在积极研究和建设实验云的教学平台，并不断投入使用。[2] [3] [4]然而，目前的研究基本上都是从计算机技术的角度出发，研究云计算平台建设的原则、技术方案和技术手段，大多局限在个别课程的研究，缺乏对云计算环境下实验教学模式整体、系统的研究，无法解决实验教学中的大量现实问题，与迅猛发展的云计算实验教学平台建设形成强烈的反差。
为此，论文研究并构建了基于实验云的实验教学模式，以期从理论上为云计算环境下高校实验教学环境的建设、管理和保障提供指导，并从实践操作上为云计算环境下高校实验教学的实施提供指南，推动云计算技术在高等院校实验教学中的应用，提高人才培养质量、深化实验教学改革。
二、实验教学的现实困境分析
（一）实验基础设施的建设和使用困境
目前，大部分高等院校的实验室还主要依靠各学院和专业进行建设，其最大的困境就是实验资源有限与利用率低共存的矛盾。一方面，一些基础性实验课，如计算机基础实验课，往往需要在相对集中的时间内为大量学生安排实验，但由于实验室资源有限，无法有效满足短时间里的大量需求。[5]另一方面，一些专业比较强的实验室由于其软件环境配置的不同，往往由各学院或专业独立进行建设，此类实验课程不多，但实验资源由于其配置的专用性，导致无法共享，造成各院系“资源孤岛”现象广泛存在。同时，多数院校采用先理论讲授、后实验验证的教学模式，造成实验课往往集中在学期中后期进行，学期后期更是实验课的高峰，这突显了实验资源数量不足和利用率不高的问题。
此外，实验设备落后是高等院校实验基础设施建设的另一个主要困境。计算机软硬件技术发展迅猛，高等院校由于资金问题决定了实验资源的更新周期比较长，这导致实验基础设施往往技术落后、性能不高，严重影响了学生的实验体验，制约了教师跟踪新技术并基于此开展实验课程，从而阻碍了教学质量的提高。因此，受实验资源更新周期的限制，高等教育的实验内容难以做到“与时俱进”。
（二）实验基础设施的管理与维护困境
高校实验室的计算机往往使用系统还原软件，在电脑重启后，删除所有的操作信息和数据，便于下次教学使用。这种管理方法可以有效简化实验基础设施的管理，降低计算机因为感染病毒而瘫痪的情况，但会导致学生的练习与作业无法保存，尤其是计算机因软件故障重启，会清空学生所做的实验，严重打击学生的积极性。
此外，网络对拷技术，如“增霸卡”等，虽然可以对机房软件进行更新和维护，但由于实验室教学任务较多且十分集中，将占用几乎全部的白天时间和部分晚上时间，这迫使实验室管理人员只能利用少数晚上和周末时间，通过加班加点来维护系统。而且由于管理员有限，一个管理员往往需要同时负责几个实验室，造成管理员维护任务重、工作压力大、维护效果不佳。同时，由于实验设备使用频率高、人流量大，造成电脑硬件故障率较高，而硬件的维修周期较长，这大大降低了实验室的有效使用率。[6]
（三）实验教学课程内容设计与教学组织困境
实验教学在课程内容设计上的主要困境就是实验课时有限和实验内容陈旧。由前面的分析可知，一方面，由于实验资源有限，在教学过程中教师重理论、轻实验，重讲授、轻操作的现象严重，于是课时偏少、实验内容不足是实验教学在课程内容设计上面临的主要困境之一。另一方面，由于实验设备的更新周期长，实验设备陈旧导致实验内容陈旧，而且多数实验课程是验证性或模仿性的，创新性和设计性严重不足。
在教学组织上，实验课往往安排在固定的时间、固定的地点，这不利于发挥学生的积极性和主动性。此外，实验教学课程缺少科学、规范的评价体系，这是教学组织模式面临的另一困境。目前的实验教学评价主要是依据学生对实验系统的演示以及在课程结束后所提交的实验报告，但系统演示、报告抄袭严重。教师无法对学生的实验过程进行监控，无法在整体上了解学生对相关知识的掌握和运用情况，从而无法根据教学过程的及时反馈对教学内容进行实时调整。
三、基于实验云的实验教学模式构建
根据实验教学的理论分析和实践需要，基于实验云的实验教学模式包括建设模式、组织模式、管理和保障模式三个子模式。
（一）基于实验云的实验教学建设模式
多数高校已经建设了基本的网络基础设施，包括校园网、校园WIFI，甚至教学专用网。根据节省教学投资的原则，实验云建设应该尽量利用各高校现有的计算机或网络基础设施，尽量减少新硬件设备的采办投入。依据共有云、私有云和混合云三种常见的云计算部署模式，结合高校实际情况和实验课程的需求，实验云的建设模式可以分为：基于公有云、私有云和混合云的实验教学环境。1.基于公有云的实验教学环境。针对一些经费有限的高校，基础的、通用的课程，如计算机基础、计算机网络、面向对象程序设计等，实验教学任务重，虚拟实验机需求量大。此类课程实验教学环境可以采用公有云的模式，租用企业或其他大型高校的云服务器，从而有效降低建设成本，提升教学效益。2.基于私有云的实验教学环境。针对一些专业课程，尤其是研究生类课程，由于此类课程多源于教师的研究课题，出于保护知识产权的目的，教师往往不愿将相关资料随意放置到互联网上。针对该类课程，院校可以购置新的服务器、重建局域网，建设基于私有云的实验教学环境。此外，针对一些资金充足的高等院校也可以构建应用于本校实验教学的私有云。3.基于混合云的实验教学环境。基于混合云的实验教学环境是指高校针对一些基础类、没有保密要求的课程采用公有云的形式；而对一些具有保密要求的专业实验课采用私有云的模式，这是上述两种云教学环境的综合运用。
（二）基于实验云的实验教学组织模式
按照教师主导、学生主体的实验教学思路，充分利用云计算技术带来的灵活性和便利性，基于实验云的实验教学组织模式可分为：集中式实验教学模式、课堂式实验教学模式和开放式实验教学模式。
1.集中式实验教学模式：类似于传统的实验室，建设云终端实验室，有固定的场所，集中时间组织学生进行相关的实验教学。与传统实验室不同的是：云终端实验室中存放的是云终端，机器性能要求比较低，而且学生可以通过任一云终端与云端的专属实验机进行连接。此外，教师通过实验平台管理系统可以实时监控学生的实验过程：一方面，教师可以实时发现学生在实验中出现的问题或错误，从而实现针对性的指导；另一方面，教师可以实现对学生的实时监督，防止学生不按教学要求进行学习，如玩游戏等，从而提高教学质量。
2.课堂式实验教学模式：传统教学往往采用先理论讲授、后实验教学的模式，这造成了理论教学与实验教学的严重脱节。基于实验云的实验教学环境允许教师在课堂上登录虚拟实验室，根据理论讲解的需要随时进行实验演示，以加深学生对理论的理解。此外，学生在课堂上还可以利用自己的笔记本电脑通过校园WIFI连接虚拟实验室，进行实验操作。在这种情况下，教师可以实现理论讲授与实验体验的有机结合。如在第一节课进行理论讲授，第二节课让学生通过电脑进行相关的实验体验和操作，真正实现理论教学与实验教学的相辅相成，互相促进。这不仅可以通过实验体验加深学生对理论的理解，还可以提高学生的学习积极性，提高教学质量。
3.开放式实验教学模式：传统实验教学的突出问题之一就是实验室在固定的时间、固定的地点开放，不利于学生利用课余时间进行学习。实验云实现了全天候、全地域开放，学生可以不受场所和时间的限制，随时随地访问虚拟实验室。为了充分发挥学生的积极性，满足不同层次学生的学习需求，教师可以设置必做和选做的实验。这样一些能力强的学生，可以利用课余时间，使用个人电脑连接云端实验机进行实验，并通过选做更精深的复杂实验进一步提高实践动手能力。
（三）基于实验云的实验教学管理和保障模式
基于实验云的实验教学管理和保障模式主要是基于角色进行分工，各尽其职，其角色主要包括管理员、技术维护人员、教师和学生。1.管理员：主要负责实验教学的日常管理。实验云作为一个新生事物，其技术要求比较高，很多教师，尤其是一些老教师，可能对实验云下实验教学的组织、实验教学内容的设置以及教学平台的使用不是很熟练，需要管理员人员进行相关指导和对一些简单的问题进行解答。2.技术维护人员：与传统的每个实验室都有几百个计算机不同，基于云计算的实验环境只需要维护云端的服务器。技术维护人员主要负责基于云计算的实验教学平台的技术维护，这包括主要软件的升级以及一些技术问题等。3.教师：主要是基于实验管理平台设置实验内容，通过云监控平台对学生实验过程进行监控，以及对学生实验效果进行评价等。4.学生：主要是基于为其提供的专人专用虚拟实验机完成相应的实验内容，同时可以通过网上渠道实时与教师进行沟通。
四、总结
云计算技术为突破当前实验教学困境提供了科学的途径。与传统模式相比，实验云可以有效降低成本、简化管理维护，基于实验云进行实验教学可以更加灵活开放，这弱化了实验室和教室的差异，深度推进了理论教学与实验教学的融合，实现了理论教学与实验教学的交叉、同步进行，为提高教学质量、深化教学改革打下了良好基础。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 曾明星，王晓波，周清平，郭鑫.基于云计算的软件工程专业校企合作实训平台构建研究[J].现代教育技术，2013（1）：107-112.
[2] 陆洪毅，唐玉华，肖侬.计机硬件综合“实验云”[J].计算机教育，2014（5）：36-38.
[3] 王军锋，张亚斌.云计算环境中的“四学”远程开放教学模式的建构[J].中国电化教育，2012（11）：54-61.
[4] Jose A.Gonzalez-Martínez，Miguel L.Bote-Lorenzo，Eduardo Gomez-Sanchez，Rafael Cano-Parra.Cloud computing and education：A state-of-the-art survey[J].Computers & Education.2015（80）：132-151.
[5] Alexey Dukhanov，Maria Karpova，Klavdiya Bochenina.Design Virtual Learning Labs for Courses in Computational Science with use of Cloud Computing[J].Procedia Computer Science，2014（29）：2472-2482.
[6] 孙韩林，王忠民.基于云平台的计算机实践教学系统研究[J].计算机教育，2015（13）：67-71.
[7] 陈益全.基于桌面云的计算机基础实验室建设模式研究[J].兰州教育学院学报，2015（6）：104-105.
[责任编辑：陈 明]
[摘 要]实验教学作为高等教育教学的重要组成部分，普遍存在资源分配不均、更新慢、共享程度低、教学质量低等问题。云计算凭借高共享性、高可靠性、高安全性和低能耗性等优势，在国内外教育领域被广泛应用，现已已成为国家教育发展的战略方向。论文在分析实验教学现实困境的基础上，指出实验云突破困境的独特优势，构建包括实验云建设模式、实验教学组织模式、实验教学管理和保障模式在内的基于实验云的教学模式，促进理论教学与实验教学的深度融合，提高学生创新能力，深化教学改革。
[关键词]实验云；云计算；实验教学；教学模式
[中图分类号] G64 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2016）09-0157-03
一、引言
实验教学是高等教育教学的重要组成部分，是培养学生动手能力和创新能力的重要途径。具有实践性、工程性、实用性等特征的计算机专业对实验教学提出了更高的要求：理论与实践深度融合。然而，由于硬件建设、教育理念和教学组织等方面的局限，目前很多高校在实验教学中存在大量的现实问题，严重影响了教学质量和人才培养质量的提高。[1]
云计算以共享性、高可靠性、高安全性和低能耗性等优势，在国内外教育领域受到广泛关注，成为我国教育发展的战略方向。实验云则是云计算技术在实验教学中的高级运用，是借助云桌面技术对实验资源进行虚拟化处理，形成虚拟资源池，根据教学需求进行组合，形成不同规格的虚拟机，最终以服务的方式为学生、教师提供远程虚拟实验室，为实验教学提供灵活、便利的技术支持。[2]目前，国内外各大高校和企业都在积极研究和建设实验云的教学平台，并不断投入使用。[2] [3] [4]然而，目前的研究基本上都是从计算机技术的角度出发，研究云计算平台建设的原则、技术方案和技术手段，大多局限在个别课程的研究，缺乏对云计算环境下实验教学模式整体、系统的研究，无法解决实验教学中的大量现实问题，与迅猛发展的云计算实验教学平台建设形成强烈的反差。
为此，论文研究并构建了基于实验云的实验教学模式，以期从理论上为云计算环境下高校实验教学环境的建设、管理和保障提供指导，并从实践操作上为云计算环境下高校实验教学的实施提供指南，推动云计算技术在高等院校实验教学中的应用，提高人才培养质量、深化实验教学改革。
二、实验教学的现实困境分析
（一）实验基础设施的建设和使用困境
目前，大部分高等院校的实验室还主要依靠各学院和专业进行建设，其最大的困境就是实验资源有限与利用率低共存的矛盾。一方面，一些基础性实验课，如计算机基础实验课，往往需要在相对集中的时间内为大量学生安排实验，但由于实验室资源有限，无法有效满足短时间里的大量需求。[5]另一方面，一些专业比较强的实验室由于其软件环境配置的不同，往往由各学院或专业独立进行建设，此类实验课程不多，但实验资源由于其配置的专用性，导致无法共享，造成各院系“资源孤岛”现象广泛存在。同时，多数院校采用先理论讲授、后实验验证的教学模式，造成实验课往往集中在学期中后期进行，学期后期更是实验课的高峰，这突显了实验资源数量不足和利用率不高的问题。
此外，实验设备落后是高等院校实验基础设施建设的另一个主要困境。计算机软硬件技术发展迅猛，高等院校由于资金问题决定了实验资源的更新周期比较长，这导致实验基础设施往往技术落后、性能不高，严重影响了学生的实验体验，制约了教师跟踪新技术并基于此开展实验课程，从而阻碍了教学质量的提高。因此，受实验资源更新周期的限制，高等教育的实验内容难以做到“与时俱进”。
（二）实验基础设施的管理与维护困境
高校实验室的计算机往往使用系统还原软件，在电脑重启后，删除所有的操作信息和数据，便于下次教学使用。这种管理方法可以有效简化实验基础设施的管理，降低计算机因为感染病毒而瘫痪的情况，但会导致学生的练习与作业无法保存，尤其是计算机因软件故障重启，会清空学生所做的实验，严重打击学生的积极性。
此外，网络对拷技术，如“增霸卡”等，虽然可以对机房软件进行更新和维护，但由于实验室教学任务较多且十分集中，将占用几乎全部的白天时间和部分晚上时间，这迫使实验室管理人员只能利用少数晚上和周末时间，通过加班加点来维护系统。而且由于管理员有限，一个管理员往往需要同时负责几个实验室，造成管理员维护任务重、工作压力大、维护效果不佳。同时，由于实验设备使用频率高、人流量大，造成电脑硬件故障率较高，而硬件的维修周期较长，这大大降低了实验室的有效使用率。[6]
（三）实验教学课程内容设计与教学组织困境
实验教学在课程内容设计上的主要困境就是实验课时有限和实验内容陈旧。由前面的分析可知，一方面，由于实验资源有限，在教学过程中教师重理论、轻实验，重讲授、轻操作的现象严重，于是课时偏少、实验内容不足是实验教学在课程内容设计上面临的主要困境之一。另一方面，由于实验设备的更新周期长，实验设备陈旧导致实验内容陈旧，而且多数实验课程是验证性或模仿性的，创新性和设计性严重不足。
在教学组织上，实验课往往安排在固定的时间、固定的地点，这不利于发挥学生的积极性和主动性。此外，实验教学课程缺少科学、规范的评价体系，这是教学组织模式面临的另一困境。目前的实验教学评价主要是依据学生对实验系统的演示以及在课程结束后所提交的实验报告，但系统演示、报告抄袭严重。教师无法对学生的实验过程进行监控，无法在整体上了解学生对相关知识的掌握和运用情况，从而无法根据教学过程的及时反馈对教学内容进行实时调整。
三、基于实验云的实验教学模式构建
根据实验教学的理论分析和实践需要，基于实验云的实验教学模式包括建设模式、组织模式、管理和保障模式三个子模式。
（一）基于实验云的实验教学建设模式
多数高校已经建设了基本的网络基础设施，包括校园网、校园WIFI，甚至教学专用网。根据节省教学投资的原则，实验云建设应该尽量利用各高校现有的计算机或网络基础设施，尽量减少新硬件设备的采办投入。依据共有云、私有云和混合云三种常见的云计算部署模式，结合高校实际情况和实验课程的需求，实验云的建设模式可以分为：基于公有云、私有云和混合云的实验教学环境。1.基于公有云的实验教学环境。针对一些经费有限的高校，基础的、通用的课程，如计算机基础、计算机网络、面向对象程序设计等，实验教学任务重，虚拟实验机需求量大。此类课程实验教学环境可以采用公有云的模式，租用企业或其他大型高校的云服务器，从而有效降低建设成本，提升教学效益。2.基于私有云的实验教学环境。针对一些专业课程，尤其是研究生类课程，由于此类课程多源于教师的研究课题，出于保护知识产权的目的，教师往往不愿将相关资料随意放置到互联网上。针对该类课程，院校可以购置新的服务器、重建局域网，建设基于私有云的实验教学环境。此外，针对一些资金充足的高等院校也可以构建应用于本校实验教学的私有云。3.基于混合云的实验教学环境。基于混合云的实验教学环境是指高校针对一些基础类、没有保密要求的课程采用公有云的形式；而对一些具有保密要求的专业实验课采用私有云的模式，这是上述两种云教学环境的综合运用。
（二）基于实验云的实验教学组织模式
按照教师主导、学生主体的实验教学思路，充分利用云计算技术带来的灵活性和便利性，基于实验云的实验教学组织模式可分为：集中式实验教学模式、课堂式实验教学模式和开放式实验教学模式。
1.集中式实验教学模式：类似于传统的实验室，建设云终端实验室，有固定的场所，集中时间组织学生进行相关的实验教学。与传统实验室不同的是：云终端实验室中存放的是云终端，机器性能要求比较低，而且学生可以通过任一云终端与云端的专属实验机进行连接。此外，教师通过实验平台管理系统可以实时监控学生的实验过程：一方面，教师可以实时发现学生在实验中出现的问题或错误，从而实现针对性的指导；另一方面，教师可以实现对学生的实时监督，防止学生不按教学要求进行学习，如玩游戏等，从而提高教学质量。
2.课堂式实验教学模式：传统教学往往采用先理论讲授、后实验教学的模式，这造成了理论教学与实验教学的严重脱节。基于实验云的实验教学环境允许教师在课堂上登录虚拟实验室，根据理论讲解的需要随时进行实验演示，以加深学生对理论的理解。此外，学生在课堂上还可以利用自己的笔记本电脑通过校园WIFI连接虚拟实验室，进行实验操作。在这种情况下，教师可以实现理论讲授与实验体验的有机结合。如在第一节课进行理论讲授，第二节课让学生通过电脑进行相关的实验体验和操作，真正实现理论教学与实验教学的相辅相成，互相促进。这不仅可以通过实验体验加深学生对理论的理解，还可以提高学生的学习积极性，提高教学质量。
3.开放式实验教学模式：传统实验教学的突出问题之一就是实验室在固定的时间、固定的地点开放，不利于学生利用课余时间进行学习。实验云实现了全天候、全地域开放，学生可以不受场所和时间的限制，随时随地访问虚拟实验室。为了充分发挥学生的积极性，满足不同层次学生的学习需求，教师可以设置必做和选做的实验。这样一些能力强的学生，可以利用课余时间，使用个人电脑连接云端实验机进行实验，并通过选做更精深的复杂实验进一步提高实践动手能力。
（三）基于实验云的实验教学管理和保障模式
基于实验云的实验教学管理和保障模式主要是基于角色进行分工，各尽其职，其角色主要包括管理员、技术维护人员、教师和学生。1.管理员：主要负责实验教学的日常管理。实验云作为一个新生事物，其技术要求比较高，很多教师，尤其是一些老教师，可能对实验云下实验教学的组织、实验教学内容的设置以及教学平台的使用不是很熟练，需要管理员人员进行相关指导和对一些简单的问题进行解答。2.技术维护人员：与传统的每个实验室都有几百个计算机不同，基于云计算的实验环境只需要维护云端的服务器。技术维护人员主要负责基于云计算的实验教学平台的技术维护，这包括主要软件的升级以及一些技术问题等。3.教师：主要是基于实验管理平台设置实验内容，通过云监控平台对学生实验过程进行监控，以及对学生实验效果进行评价等。4.学生：主要是基于为其提供的专人专用虚拟实验机完成相应的实验内容，同时可以通过网上渠道实时与教师进行沟通。
四、总结
云计算技术为突破当前实验教学困境提供了科学的途径。与传统模式相比，实验云可以有效降低成本、简化管理维护，基于实验云进行实验教学可以更加灵活开放，这弱化了实验室和教室的差异，深度推进了理论教学与实验教学的融合，实现了理论教学与实验教学的交叉、同步进行，为提高教学质量、深化教学改革打下了良好基础。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 曾明星，王晓波，周清平，郭鑫.基于云计算的软件工程专业校企合作实训平台构建研究[J].现代教育技术，2013（1）：107-112.
[2] 陆洪毅，唐玉华，肖侬.计机硬件综合“实验云”[J].计算机教育，2014（5）：36-38.
[3] 王军锋，张亚斌.云计算环境中的“四学”远程开放教学模式的建构[J].中国电化教育，2012（11）：54-61.
[4] Jose A.Gonzalez-Martínez，Miguel L.Bote-Lorenzo，Eduardo Gomez-Sanchez，Rafael Cano-Parra.Cloud computing and education：A state-of-the-art survey[J].Computers & Education.2015（80）：132-151.
[5] Alexey Dukhanov，Maria Karpova，Klavdiya Bochenina.Design Virtual Learning Labs for Courses in Computational Science with use of Cloud Computing[J].Procedia Computer Science，2014（29）：2472-2482.
[6] 孙韩林，王忠民.基于云平台的计算机实践教学系统研究[J].计算机教育，2015（13）：67-71.
[7] 陈益全.基于桌面云的计算机基础实验室建设模式研究[J].兰州教育学院学报，2015（6）：104-105.
[责任编辑：陈 明]
