新工科背景下学术研究与工程实践相结合的仿真实验设计方法探讨
赵辉 王静 刘刚 万波
摘 要：新工科建设下高校课程体系和培养方式需要不断提高大学生的实践能力，培养大学生的工程意识和创新意识，进而培养出符合新工科建设的毕业生。结合我国新工科建设对大学生培养的要求，对新工科背景下大学生仿真实验设计方法进行了探索。将学术研究与工程实践相结合，以学术创新为牵引，分析并建立数学优化模型来解决问题，培养大学生的创新意识;以工程实践为导向，运用所学的专业技术知识和非技术工程知识，实现相应的仿真实验，锻炼大学生的工程实践能力。
关键词：新工科; 学术研究; 工程实践; 仿真实验
中图分类号：G642.0? ? ? ? ? 文献标识码：A? ? ? 文章编号：1006-3315（2020）11-113-002
1.引言
新工科建设是应对新经济的挑战，从服务国家战略、满足产业需求和面向未来发展的高度，提出的一项持续深化工程教育改革的重大行动计划，其目的是要求工科毕业生能够适应、支撑、引领新经济、新技术、新产业、新业态、新商业模式的发展，培养复合型人才和解决复杂工程问题能力的大学生，从而满足经济发展的需要[1，2]。新工科建设下的高校课程体系和培养方式需要不断提高大学生的实践能力，培养大学生的工程意识和创新意识，进而培养出符合新工科建设的毕业生。
以计算机学科为例来说，新工科背景下计算机通识性课程和程序设计类课程建设都面临着教学改革的要求[3，4]。尤其在当今云计算、大数据、人工智能时代，云计算技术为大数据应用、人工智能应用等提供基础计算平台，计算机学科面临着创新和实践互相促进的迫切需求[5]。一方面，基于云计算平台的学术创新层出不穷，引领着国内外的科技不断创新;另一方面，云平台的建设是一个复杂的系统工程，对于高校计算机学科及相近学科的大学生来说，更应该熟悉并掌握云平台的技术架构、运维管理、商业模式等，提高基于云平台的实践能力，在云计算工程应用的基础上提出学术创新，从而解决新时代面临的基于云平台的新的复杂工程问题。
然而，由于各种不确定因素，让大學生直接在一个真实的云平台上进行操作或实验会带来很多意想不到的问题。因此，如何在有效的成本投入下，让计算机及相近专业的教学实验跟上新时代的步伐，满足大学生对云计算技术与服务的个性化设计，以学术创新为牵引，以工程实践为导向，使大学生能够运用所学的专业技术知识和非技术工程知识，设计并实现对云计算技术的仿真实验，缩短实验时间和降低实验费用，减少实际运行环境等因素对实验结果的影响，将大学生的学术研究与工程实践相结合，是计算机学科及相近学科实验教学需要关注的一个问题。
2.学术研究与工程实践相结合的云仿真实验
2.1云仿真实验背景与意义
对于计算机学科的大学生来说，软件开发的工程实践是十分重要的锻炼手段，其实践性很强，与各种主要的程序设计语言、软件体系架构、软件工程等密切相关。在以往的培养方案中，往往偏重于对专业技术知识的教授，培养的毕业生都拥有一定的专业技术知识，但缺乏相应的创新意识。新工科要求的解决复杂工程问题的能力不仅仅依赖于专业技术知识，还需要将学术创新能力与工程实践能力相融合。将云计算学术研究与软件工程实践相结合，设计并实现相应的云仿真实验，一方面，可以让大学生了解并深入云计算相关技术前沿，培养大学生的学术创新意识;另一方面，有助于提高大学生编程能力和动手能力，提高大学生的实验设计能力和工程实践能力。
CloudSim[6]是一个以面向对象程序设计技术设计的、Java语言编写的开源云计算仿真平台软件，能够支持云平台的组件级建模和行为级建模，例如数据中心管理、资源管理、虚拟机管理、任务调度等。CloudSim功能完备，扩展灵活，许多研究人员都基于CloudSim来完成云计算相关的仿真实验。以工程实践为导向，让大学生完成基于CloudSim的仿真实验，入门相对简单，工程量适中，灵活性较强，可以设计不同的仿真实验，有助于培养大学生的创新意识，锻炼大学生的开发实践能力等。
本实验根据计算机及相近专业的课程安排，结合相关课程的专业技术知识和非技术工程知识，如Java程序设计、面向对象程序设计、软件工程及工程概论等课程知识，基于CloudSim云计算仿真实验平台，采用开放式实验教学。一方面，通过继承、重载等面向对象程序设计技术对CloudSim进行二次开发，扩展原有的模块和类，设计并实现算法，完成仿真实验，有助于提高计算机及相近专业大学生的编程实践能力，加深对专业技术知识的理解。另一方面，以工程实践为导向，将仿真实验当成一个具体的软件项目，在仿真设计及仿真编码实现过程中可以实践软件工程项目具体活动，如软件需求分析、软件设计、软件测试等，有利于加强计算机及相近专业大学生的工程实践能力，在实践中更容易理解专业技术知识和非技术工程知识。
综上，将学术研究与工程实践相结合，开展基于CloudSim的云仿真实验，其意义有：一、能够结合计算机相关学科的专业特色，实践Java程序设计、面向对象程序设计等课程专业技术知识，有助于提高大学生编程能力和动手能力，加深大学生对Java程序设计和面向对象程序设计等专业技术知识的理解;二、结合云计算、人工智能等高新技术应用，以学术研究为牵引，建立数学优化模型，并采用智能化算法如遗传算法、蚁群算法等求解，培养本科生的学术创新意识;三、以工程实践为导向，结合软件工程和IT项目管理等课程非技术工程知识，实践软件开发过程和IT项目管理活动，有利于提高大学生对软件工程和IT项目管理的认识和理解。
2.2云仿真实验主要内容
基于CloudSim云计算仿真平台，开展学术研究与工程实践相结合的云仿真实验，其实验内容主要分为如下两个阶段。
第一阶段：对CloudSim功能简单扩展，通过继承等面向对象程序设计技术扩展CloudSim现有模块和类，设计基于CloudSim的虚拟机管理、任务调度等仿真实验，具体内容如下：
（1）结合Java程序设计、面向对象程序设计等课程专业技术知识，通读CloudSim仿真平台源码，理解CloudSim各个模块和类的关系，为仿真实验的设计与实现做准备;（2）调研云计算等研究现状，并分析其存在的问题，以学术创新为牵引，建立数学优化模型，改进现有云计算资源管理与调度方法，设计求解算法和仿真实验，指导编码实现;（3）结合软件工程等课程专业技术知识和工程概论IT项目管理等课程非技术工程知识，以一个具体的仿真实验为案例，制定仿真实验涉及到的软件开发过程，如软件设计、软件测试等，以及项目过程管理计划，如范围管理、时间管理及质量管理等。
第二阶段：目前CloudSim仅支持单CPU架构的虚拟机仿真等，面对大数据处理、人工智能深度学习等海量计算时还需要其他异构计算资源如GPU的支持。因此，需要对CloudSim进行深度开发，增加GPU等异构计算资源的模拟仿真功能，再针对计算机专业及其它相近专业的大学生，设计异构计算环境下基于CloudSim仿真实验，具体内容如下：（1）进一步深化Java程序设计、面向对象程序设计等课程专业技术知识理解，扩展CloudSim功能，增加GPU功能模块，使之能够支持异构计算资源的模拟仿真等;（2）调研CPU/GPU异构云平台等研究现状，并分析CPU/GPU异构云平台资源管理与调度存在的问题，以学术创新为牵引，建立数学优化模型，面向CPU/GPU异构云平台改进现有云计算资源管理与调度方法，设计求解算法和仿真实验，指导编码实现;（3）结合软件工程等课程专业技术知识和工程概论IT项目管理等课程非技术工程知识，以一个具体的仿真实验为案例，制定仿真实验涉及到的软件开发过程，如软件设计、软件测试等，以及项目过程管理计划，如范围管理、时间管理及质量管理等。
2.3云仿真实验主要特色
本实验的主要特色是：利用大學生的“理论知识+编程实践+科学研究”能力完成仿真实验设计与实现，具体包括：（1）理论知识：通过对CloudSim源码的研读，使大学生对Java程序设计、面向对象程序设计、软件工程等专业技术知识有更深入的理解;在仿真实验过程中融入项目管理等非技术工程知识，加强大学生的工程意识和对项目管理的理解。（2）编程实践：采用Java语言和面向对象程序设计技术对CloudSim进行二次开发及深度开发，扩展相关模块和类，扩展CloudSim功能，提高大学生的编程能力和面向对象程序设计的能力;融合软件工程和项目管理等课程专业技术知识非技术工程知识，锻炼大学生解决实际工程问题的实践能力。（3）科学研究：通过阅读国内外云计算、异构计算等最新的相关文献，了解云计算、异构计算环境下的资源管理、虚拟机管理及任务调度等方面的现状，丰富大学生的学术视野，同时分析领域内存在的问题，提出解决问题的方法，为大四本科生毕业设计或继续读研深造打基础。
3.结束语
新工科建设背景下，对高校大学生的创新能力和实践能力的培养提出了新的要求。将学术研究与工程实践相结合，开展基于CloudSim的云仿真实验，对于大学生来说，有助于大学生贯穿本科阶段所学知识，加深大学生对软件工程和项目管理的理解，提高大学生编程能力和解决工程问题的实践能力，丰富大学生的学术视野，初步培养大学生的学术科研能力。对于高校教师来说，有利于教学与科研相互促进，科研反哺教学，为教师提供更好的教学实验案例。
西安电子科技大学2019教改新实验开发重点项目。
参考文献：
[1]廖莎莎.“新工科”背景下的高校计算机基础教育改革研究[J]科学大众·科学教育，2019（05）：134-135
[2]王颖，陈伟，林琢.“新工科”背景下应用型本科院校复合型人才培养探索与研究[J]科学大众·科学教育，2018（11）：155+177
[3]伍李春，李廉.新工科背景下的计算机通识性课程建设[J]中国大学教学，2017（12）：62-69
[4]于莉莉，苏晓光，李晶.新工科背景下计算机程序设计类课程案例教学改革研究[J]电脑知识与技术，2018，14（15）：158-159
[5]李贵洋，李晓宁，郭涛.新工科背景下计算机专业新生工程教育与创新素质培养的改革与实践[J]成都中医药大学学报（教育科学版），2019，21（03）：41-44
[6]CloudSim[DL]http：//www.cloudbus.org/cloudsim/
