基于云平台的实验课教学与管理的研究

    钱明珠

    

    

    

    摘要：计算机类课程的实验教学在课时量上有一定增加，也加大实验教学的力度，但由于受时空限制不能全面的掌握学生实验轨迹，同时简单依赖考勤、任务清单和实验报告等评价课程掌握情况缺乏科学性。通过建设基于云平台的实验教学环境，以《数据结构》课程为例，改进教学的组织模式、实践教学体系、创新实践教学互动反馈机制和教学评价等方面，探索一种以新工科为标准的新型教学和管理模式，旨在提高实验教学质量，促进学生学习积极性。

    关键词：云平台;新工科;梯度递增实践教学;“三线一课”模式

    中图分类号：G642? ? ? ? 文献标识码：A

    文章编号：1009-3044（2021）17-0134-04

    开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

    Research on Experimental Course Teaching and Management based on Cloud Platform

    QIAN Ming-zhu1，2

    （ 1.Huanggang Normal University，Huanggang 438000，China; 2. Wuhan University of Technology， Wuhan 430070， China）

    Abstract： Based on the research of cloud data structure experiment teaching practice at present， the experimental teaching of computer courses although have some improvement on the class hour quantity， also strengthen the experiment teaching at the same time， but due to the limit of time and space can not comprehensive， track of students' experiment and simple rely on attendance， task list and test report master is lack of scientific evaluation course.Through construction based on the cloud platform of experimental teaching environment， taking? Data Structure? course as an example， to improve the teaching organization mode， practical teaching system， the innovation of practice teaching interactive feedback mechanism and the teaching evaluation， etc.， exploring a new engineering as a new standard of teaching and management mode， to improve the quality of experiment teaching， promote students' learning enthusiasm.

    Key words： cloud platform; the new engineering; gradient increasing practice teaching; three lines one lesson mode

    1 概述

    随着现代技术的不断发展以及技术深度融合应用，推动各行各业发生巨大变化，对人才的要求也在不断改变，对教育的深度发展产生极大影响，逐步引起国家和教育部门的高度重视。2017年教育部在复旦大学和天津大学分别召开了综合性高校和工科优势高校的新工科研讨会，提出培养造就一大批引领未来技术与产业发展的卓越工程科技人才，为我国产业发展和国际竞争提供智力支持和人才保障。2018年《高等学校人工智能创新行动计划》 中强调要把智能教育工作融入教育现代化建设这个大局之中，以支撑服务总体实现教育现代化为目标谋划智能教育更快发展。2019年《中国教育现代化2035》文件也指出要加快信息化教育变革。虽然国内许多高校在教学信息化的基础设施建设、教育管理信息化等方面取得较好的成效，但教学资源共建、共享机制还尚待成熟，许多基础教学资源尚未得到充分利用。信息化对教学改革的促进作用亟待凸显，急需借助新的信息共享技术对教学模式进行改革。廖明习等人[1]探讨基于云平台计算机实验室体系构建[2-8];饶文碧[9]等人研究构建基于云平台的“个人虚拟实验室”的开放式实验教学和管理模式;阮顺领等人[10]在研究中提出基于云平台的四元耦合实践教学体系;杨炎超等人[11-14]研究翻转课堂教学模式提高实验教学质量。以《数据结构》课程为例，利用计算机学院硬件资源构建实验教学资源共享云平台，革新传统实验教学模式，同时对革新后的教学采用更科学的衡量体系进行综合评价。本文在实验平台、教学组织模式、实验教学模式和考核评价机制等方面进行研究。通过改革实践，教学效果有了明显的提高，也为新工科人才培养提供了基础保障。

    2 基于云平台的数据结构实验课教学实践

    2.1 课程实验教学现状分析

    《数据结构》课程是计算机专业中的一门专业基础必修课，主要研究数据在计算机中的存储和处理方法，旨在培养学生分析数据、组织數据的能力，培养学生如何编写效率高、结构好的算法。目前培养模式有教学：实践（1：1）型或（1：2）型，但学生仍处在理论知识储备的阶段，将理论知识转变成应用能力对学生来说十分不足，极大影响后续课程的深入学习。探讨如何培养学生的理论结合应用能力、提高实践设计能力，对该课程进行实验教学改革势在必行。为了确保改革落到实处，深入调研，全面分析现状后发现主要存在以下问题。

    1）实验教学资源共享性不足。学校虽然对基础硬件实验环境建设投入较大，但对共享平台建设投入相对有限，致使云计算技术在教学实践中没有得到充分应用，同时也阻碍了实验案例资源库建设和推进的步伐。

    2）实验教学过程系统性不足。实验虽然有相应的实验指导书，指导学生如何完成实验。由于课堂上学时有限，实验内容解析难以细化，学生为了完成当堂实验内容更多只是做复现操作，很难做到深入理解，更难做到创新。实验结束要求提交实验资料，但部分学生存在偷工减料。课后学生对实验内容深入研究的轨迹也无法跟踪。

    3）实验教学资源个性化服务不足。由于课堂实验的同步性，导致无法更多为学生提供个性化和针对性的指导。对某些学生存在“吃不饱”，对某些学生存在“吃不了”。虽然之前也做了部分改进，如梯度任务分配法。根据学生掌握情况分配不同任务单，但这仅仅只能在现有课堂进行指导，对学生个性化培养的促进作用仍有限。指导老师无法更多了解学生课后的学习轨迹。

    4）教学互动反馈灵活性不足。在现有教学模式中，师生密切交互的机会仅局限在教学时间窗口内，但在这个时间点上学生更多在完成既定任务，无暇参与沟通，等需要沟通时，课堂时间基本结束。虽然现在可以借助各类聊天工具弥补些许不足，但毕竟参与学生有限，而且不能共享。已有的实验资源与交流渠道无法实现更高效的互动。

    5）学生考核文档化管理不足。现有实验考核主要通过学生上交实验任务源代码、实验报告以及上机考勤来评价，而以上资料在学生获知过程的关键活动中很难留下有效的、系统的文档和记录，无法科学、合理评价学生是否具备应用知识能力与素养，缺乏实践全过程考核。

    6）考核评价机制全面性不足。对课程教师存在主体多元化程度不高、评价指标的选择自主性不够、评价结果的数据处理缺乏科学性等不足。虽然采用学生、同行、督导、领导等多主体评价，但在最终综合量化计算结果却忽略某些主体的评价结果。现有评价指标事先确定，教师只能在既定范围内选择，不能凸显教师教学风格方面的差异。在数据处理方面为了简化操作，一般采用算术平均或加权平均法等简单数学模型完成计算，极大忽略相关因素的权重，最终影响教学评价结果的科学性。对学生学习评价存在课程考核命题单一、考核方式单一、缺乏学生动手能力的考核、过程轨迹考核等不足。导致现有学生考核仍以考勤分、作业分、实验分、笔试分等构成学生课程成绩属性（特征），为学生构建课程画像。

    针对以上问题急需利用现有技术，构建实验教学云资源共享平台，采用实验教学课堂组织和课后跟踪交流进行融合的模式，改进现有实验模式;构建梯度任务实验教学资源案例库，对实验内容进行合理改进;学生的实验过程能够被全程跟踪实现动态评价考核，达到对现有考核静态的考核的改进;通过平台数据可以科学分析教师的投入和效果比，完成更合理的教师评价。

    2.2 云平台技术介绍

    随着云计算技术在商业界成功被应用后，现在逐步迁移到教育领域。针对“互联网+”教育策略，牟萍用网联网、云计算和大数据等新技术构建高校智能化教学环境[15]。通过云端平台或客户端实现了多维教学评估和智慧考勤等，高义栋等将融合场所学习理论和虚拟实现技术运用到高校课程教学之中。目前，虚拟仿真技术和云计算技术在实验教育领域越来越受欢迎和重视。而虚拟仿真技术对投入成本有较高要求。而云计算技术可操作性更强，更适合普通高校的应用。云计算技术就是把许多计算资源集合起来，通过云计算虚拟管理系统实现自动化管理，只需要很少的人参与，就能让资源被快速提供利用的一种网格计算。主要特点：（1）能动态分配虚拟资源、弹性负担大数据处理;（2）能快速部署应用、大大提高资源应用能力;（3）能极大降低实验室管理维护工作量。通过建设云平台能够有效整合教学资源，推动实践教学体系改革，为“以本为本”，服务学生，构建学生“个人虚拟实验室”提供可能，也为培养学生创新能力和实践能力提供舞台[9]。

    服务教学的云技术平台的总体架构（如图1）：以云存储构建大数据中心，通过整合资源平台，实現线上、线下、移动终端等多种形式共享服务。该平台便于教师对教学过程进行挖掘和分析;便于学生在不受时间限制的情况下，随时在校内利用智能终端接入，获取IaaS（Infrastructure as a Service），PaaS（Platform as a Service）或SaaS（Software as a Service）云服务[16]。

    云平台管理通过该平台云管理员为各实验教师设置管理权限，实验教师在本人权限内调用IaaS底层资源构建自己的虚拟教室，同时构建若干虚拟机，配套OS、管理工具、实验环境等。实现将现有固定机房迁移到云端，并统一为每个学生虚拟化一个属于自己的个人实验室。实现按需分配实验空间、灵活访问、配套教学资源和过程轨迹跟踪的教学管理。

    2.3 基于云平台的数据结构课程的教学设计

    首先，数据结构中许多概念比较抽象，难以吃透，需要大量的实验实践加以理解。现有数据结构实验学时根据专业不同分，实验学时和理论学时数也有不同。其次，实验需要某种计算机语言支撑（如C语言），学生虽在大一时学过C语言，但对其理解不够透彻，更加阻碍学生学习数据结构的积极性。针对以上问题构建基于云平台的数据结构课程的教学设计。从实践教学的课堂组织模式、实践教学体系、创新驱动机制和考核评价方式进行设计，并借助云平台资源将教学设计进行融合，实现创新型实验教学模式。

    2.3.1 实践教学组织模式

    实验教学采用“三线一课”模式组织（如图2），即课前在线平台教学、云端辅导教学、线上导师一对一教学和课堂实践讨论教学。在云平台上，以SaaS服务部署一套虚拟实验管理系统，对实验教学云计算平台的虚拟资源池进行统一管理。为教师和学生实验提供一套完整的设备、环境、资源、轨迹跟踪和能力测评等子系统。教师的教室由实体迁移到云端;学生共享的机房变成不受时间、地域限制的“个人实验室”，只要系统管理员不收回资源，个人实验室将长期被独享。在教师管理的课程云平台中设立共享资源区、大众讨论区、题库选择区、反馈资料回收区。学生课前利用共享在线资源完成课前学习，收集学习疑难点，提交系统，借助系统大数据分析功能筛选共性问题反馈给教师;云端实验通过先选择题库，自己根据在线学习尝试实验，遇到瓶颈难以继续，就可以申请云端辅导功能，完成关键技术讲解，辅助完成实验全过程，保证学生能有收获感，增强学习积极性和参与性。题库采用梯度设置，满足不同层次学生的需求。在云端辅导教学不能完成实验，可以继续申请线上导师一对一教学，实现交互式学习，最终确保学生完成既定实验任务。在云端辅导教学和线上导师一对一教学环节学生都要提交学习过程报告，并反馈给系统，经过深入分析，系统把分析结果推送给教师。教师再组织实验课堂教学，围绕系统反馈的报告设计教学、答疑解惑。通过“三线一课”完成一次实验后，学生普遍收获感提升，对数据结构的学习也不再畏惧，主动学习研究后续内容的积极性增强了。学生讨论的频率提高了，大众讨论区也活跃，学生交流的能力逐步提升。

    2.3.2 实践教学体系

    云计算平台采用“梯度递增实践教学”体系结构（如图3）。不同阶段采用不同子系统和资源库，实现培养目标。第一梯度主要进行基础理论知识再巩固学习，平台主要提供相关课件和微视频等资源库。旨在理论能力培养。第二梯度进行基础实验训练，平台提供课程实验案例分析库和习题选择库，通过习题的实践，培养学生理论转化实践的能力，同时也培养学生问题归纳总结、交流互动能力。第三梯度进行进阶训练，主要提供专项案例库和高阶选题库，满足能力强的学生的需求，达到高层次人才培养的目标。第四梯度工程训练，主要提供优化算法和智能算法以及综合训练库，旨在通过训练熟悉和优化已有系统着重培养工程实践开发能力，锻炼学生整体逻辑思维能力和吃苦耐劳的精神[17]。

    2.3.3 创新实践教学互动反馈机制

    在教学环节合理的互动反馈能极大促进教师和学生的教与学的热度，尤其是实验教学更需要互动反馈。百度百科解释实验，是人为地变革、控制或模拟研究对象，使某一些事物（或过程）发生或再现，从而去认识自然现象、自然性质、自然规律。对于数据结构课程实验，通过实现相关算法，重现理论要点，实现对理论知识的掌握和升华。通过实验可以更好地掌握计算机思维，实现对计算机的控制。在这个过程中会产生很多的疑问和不解，及时互动反馈可以帮助学生解惑，为学生后续内容的理解扫清障碍，更有利于学生深入学习，激发学习积极性。借助云平台构建（如图4）所示的互动反馈机制。首先，学生对所产生疑问和费解的问题，通过自身努力仍无法解决时，就可以把问题提交到云平台的公共讨论区或私聊交流区;接下来团体可以参与讨论，学生参考讨论结果，获取自己的反馈，与此同时教师也可以参与讨论，对团体的结果给予评价;或者学生通过私聊交流区请求和教师进行个性化交流，获取反馈。健全的互动交流反馈机制势必极大的促进学生主动性和探究性。

    2.4 基于云平台的数据结构课程的考核机制

    课程考核是教学的最后一个必不可少的环节。针对《数据结构》课程的特点，采用项目式考核方式。围绕课程内容设计若干典型案例，并设定难度系数。通过云平台在规定的时间范围内完成并项目提交，在此过程中，学生可以与实验指导教师、助教进行在线互动进行部分问题的答疑。项目轨迹考核、实验经验交流构成新考核内容。

    3 教学效果评价

    数据结构实验课是面向计算机专业所有方向的专业公共课程。参与实验的学生众多。通过云计算平台为每个学生构建”个性化实验室”，学生随时随地使用智能终端访问自己的实验室，并根据课程进度进行梯度实验，学生根据自身情况保质保量完成相关实验。教师可以实时看到学生已做哪些实验项目，完成效果等，实现对实验过程进行跟踪的效果。实时掌控学生动态，提醒学生、鼓励学生、激励学生。不断激发学生自主学习的积极性。通过采用云平台进行数据结构实验教学比传统课堂教学更能提高学生的学习能力和学习效率，同时也提高学生交流能力，增强学生学术氛围，增进学生之间的感情。

    4 结束语

    鉴于传统实验教学模式对数据结构实验教学的时空性限制、学生实验过程轨迹跟踪，评价考核等有一定局限性。研究基于云平台数据结构实验教学实践改革，突破时空限制、借助云管理系统实现教学、实验、轨迹跟踪、实验相关数据统计、实现对学生立体考核，客观评价学生对本课程的掌握情况，完成该课程的教学目标。

    参考文献：

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    [3] 李凡，何嘉，柳岸.云桌面在高校计算机类课程实验教学中的应用[J].计算机教育，2013（24）：108-111.

    [4] 周世杰，吉家成，王华.虚拟仿真实验教学中心建设与实践[J].计算机教育，2015（9）：5-11.

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    [9] 饶文碧，王云华，杨焱超，等.基于云平台的计算机开放式实验教学与管理模式研究[J].计算机教育，2016（10）：137-140.

    [10] 阮顺领，顾清华，陈永锋.基于云平台的程序设计类课程实验教学改革应用探索[J].新课程研究，2019（5）：18-19，30.

    [11] 杨焱超，熊盛武，饶文碧，等.基于翻转课堂的C语言基础与编程独立实验课教学实践[J].计算机教育，2016（10）：103-105.

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    [14] 聂晓秋，赵辰光.基于云计算环境的软件工程专业课程翻转课堂教学模式研究[J].计算机教育，2015（7）：32-35.

    [15] 牟萍.基于物联网、云技术和大数据的高校智能化教学环境构建[J].重庆师范大学学报（自然科学版），2017，34（5）：81-86.

    [16] 马腾.基于CloudStack的私有云平台研究[J].软件导刊，2015，14（4）：11-13.

    [17] 袁景凌，熊盛武，等，面向能力培养的计算机类实验课程体系探究与实践[J].计算机教育，2018（2）：166-169.

    【通联编辑：王力】