基于云平臺的數學專業(yè)實驗課程教學模式探索

文斌

摘要：對數學專業(yè)實驗課教學現(xiàn)狀進行了分析，提出了基于云平臺的數學實驗教學模式，給出了一種具體的云平臺教學實驗室的硬件建設和軟件建設方案。該方案轉變了傳統(tǒng)數學實驗的管理模式和教學模式，解決了目前高校數學專業(yè)實驗教學模式單一、學生積極性低、實驗室建設成本高，管理效率、利用率、資源共享率低等問題，云平臺的使用提高了實驗教學效果。

關鍵詞：云平臺；數學專業(yè)實驗；虛擬化；虛擬桌面；實驗教學管理系統(tǒng)

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）03-0155-02

國務院2014年公布了國家實施創(chuàng)新驅動發(fā)展戰(zhàn)略， 重點在于深化高等學校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革[1]。本科高校要緊緊圍繞地方經濟社會發(fā)展需要，在提高學?？蒲兴降耐瑫r，還要促進產教融合和校企合作，增強學生就業(yè)能力和創(chuàng)業(yè)能力。

為適應信息社會對數學人才的需要，數學類專業(yè)培養(yǎng)的學生要能靈活運用數學的思想、方法和所掌握的數學知識解決實際問題。數學專業(yè)實驗室是學生提高實踐能力的重要場所，實驗課教學水平直接影響學生實踐能力培養(yǎng)。為提高實踐課教學水平，高校開展專業(yè)實驗課程教學改革，其主要內容就是保證實驗課教學模式以及配套的實驗硬件環(huán)境要與時俱進。關于如何利用云虛擬化技術改進實驗教學效果、提高實驗課時利用率等方面，許多學者與專家都對此問題進行了研究與探討[2-4，7-8]。

1 數學實驗教學的目標與現(xiàn)狀

數學實驗是指利用數學軟件對數學模型進行計算、演繹、繪圖和優(yōu)化等各項處理的實驗 [5]。學生需要運用數學知識建立數學模型，借助計算機和數學軟件來進行求解，通過解決實際問題的過程來學習和應用數學，是結合數學模型進行科學研究和教學的新型方法。

1.1 數學實驗課教學的目標

數學實驗課的目標是使大學生初步掌握現(xiàn)代數學應用技術和技能，從中領悟到數學科學研究方法的社會價值。同時學生通過實驗理論聯(lián)系實踐，可以提高學習興趣，加深對抽象概念的理解，訓練觀察問題的敏銳性、思考問題的全面性和處理問題的靈活性，轉變學習方式。

1.2 數學實驗課傳統(tǒng)教學模式的現(xiàn)狀

目前大多數高校的數學實驗課教學還是傳統(tǒng)的案例教學模式為主。以本校為例，數學專業(yè)實驗課的教學安排大致有兩種：一是作為獨立課程開設，往往作為數學理論課程的后繼課程，實驗項目也是對應理論知識點安排，一般每次實驗課完成實驗項目；另一種是數學專業(yè)課內包含少量的實驗學時，根據教學進度適當安排相應實驗。不管是哪種安排，主要的教學模式基本上為“案例式教學”， 即大多數數學實驗都是從已知公式或理論出發(fā)，使用給定的數據和數學軟件在規(guī)定課時內驗證結論。每個結論推導過程的基本上包括“問題提出——建立數學模型——計算機處理——小結或進一步思考——填寫實驗報告”的過程。

具體的實驗項目還可以分類為驗證式、綜合性設計性實驗等，但相應的教學模式都是相同的：通常在課程的開始時介紹數學軟件的基本內容和操作指令，并要求學生進行適當的練習。在每一實驗開始時，先由教師介紹實驗案例的背景和要求、相關的建模方法、數學上的解析的或近似的求解方法，然后布置實驗任務。學生分小組或獨立建立數學模型，設計模型的求解方案，再上機操作，最后完成實驗報告。

這種教學模式實際操作中存在以下弊端：1）實驗課教學一般進度較快，而課堂上學生需要一段時間熟悉數學專業(yè)軟件的使用，缺乏必要的實驗預習和小組討論的時間，容易導致學生為了完成實驗報告而直接寫上最簡單、穩(wěn)妥的標準答案。2）每次授課班人數至少是有30名學生，實驗過程中教師難以全面地考核各位學生實驗的情況，無法提供針對性的指導。 3）每學期所有實驗課相關的資料、作業(yè)和數據都存放在分散的計算機上面，不便于集中歸檔和管理。實驗室難以利用這些寶貴的數據來為實驗教學提供有價值的服務。

由于以上弊端的存在，數學專業(yè)實驗課教學模式必須創(chuàng)新才能實現(xiàn)它的教學目標。

2 云平臺內涵

云平臺包括基礎設施即服務（IaaS），平臺即服務（PaaS）和軟件即服務（SaaS）三個層次，主要指將硬件和軟件資源進行整合，并通過互聯(lián)網以服務的形式提供給用戶。它具有大規(guī)模、虛擬化、高可靠性、高拓展性、多功能性等技術特點[6]。從2005年開始，云計算、云服務、虛擬化等技術興起，至今已發(fā)展10年，技術的成熟性、可靠性得到驗證，虛擬化技術得到大面積的推廣。在教學領域，云計算與教學主體融合后，教育信息化將超越“傳統(tǒng)課堂講授+電子教案”的模式，使用計算機的實驗課程不再是基于單一計算機或硬件終端的實驗。

3 基于云平臺的數學專業(yè)實驗教學改革方案

3.1 平臺架構

云實驗教學平臺需要硬件和軟件相結合，其建設原則是充分利用已有的硬件資源。本校數學專業(yè)實驗室原有200余臺式計算機、少量服務器及網絡通信設備。通過對不同云平臺建設方案的考察，選擇最具性價比的云管理系統(tǒng)結合半虛擬化桌面的建設方案。數學專業(yè)實驗云平臺包含虛擬桌面系統(tǒng)、實驗云資源系統(tǒng)和云實驗教學管理系統(tǒng)3個部分。硬件架構如圖1。3部分系統(tǒng)組合成一個完整的云實驗平臺（模塊構成如圖2）。

1）虛擬桌面系統(tǒng)負責為實驗室的200多臺pc機器推送虛擬鏡像軟件和系統(tǒng)，可以設定并自動配置不同的實驗課采用不同的系統(tǒng)方案，效率遠高于網絡克隆管理模式，同時穩(wěn)定性高于純虛擬機云系統(tǒng)；2）實驗云資源系統(tǒng)管理所有的實驗資源（如實驗講義、實驗報告、實驗視頻等），并提供管理接口給其他系統(tǒng)；3）云實驗教學管理系統(tǒng)（如圖3）基于B2C結構，負責提供基于云平臺的實驗教學功能，教師或學生可以直接從瀏覽器訪問。例如，實驗員可以作為系統(tǒng)管理員，管理學生信息導入、實驗排課等實驗基礎工作；教師可提交實驗課所需資料，設定實驗教室和實驗環(huán)境，批閱實驗報告；學生可以訪問實驗課程資料，提交實驗報告等。

3.2 優(yōu)點

采用了新的實驗教學模式后，教師和學生的反饋意見提到有三個顯著的優(yōu)點：1）基于云平臺的數學實驗教學可以將相應的實驗資源虛擬化成云資源庫，以云資源庫為基礎向專業(yè)學生提供廣泛的云實驗教學服務。在云平臺中，學生不需要安裝服務器程序或任何客戶端軟件就可以利用自己的移動設備終端，在任意時間、任意地點通過瀏覽器訪問實驗教學云資源，完成實驗課程學習和實驗報告提交；2）云平臺極大提高了實驗教學效率。學生使用實驗計算機時，可以隨時切換不同的實驗系統(tǒng)環(huán)境，不用擔心因操作不當導致系統(tǒng)不穩(wěn)定等問題。而以前計算機的實驗軟件和系統(tǒng)安裝是非常耗時繁瑣的工作，占用了實驗人員大部分的維護時間，讓他們沒有更多時間參與到實驗課教學輔導工作，間接導致實驗教學效率難以提高；3）可以對實驗數據進行及時歸檔和利用。學生實驗數據保存在學生賬戶下的私人存儲空間，實驗操作過程也可以存儲。實驗任課老師對實驗報告等數據進行實時統(tǒng)計、在線批改。

4 結語

本文構建了基于云平臺的數學專業(yè)實驗教學模式，突出3個特色：1）提供集理論教學與實踐教學為一體的平臺，為推進實驗教學深化改革奠定良好基礎；2）通過云平臺提供的教學資源共享方便、快捷、易用；3）具有云技術帶來的其他優(yōu)勢。

基于云計算、大數據、物聯(lián)網等新興IT技術與新商業(yè)模式的結合正在潛移默化地改變著教育方式，可以預見，高校教育的各個細分領域，從入學、學習、實習、到就業(yè)都將全面開啟一個智能化的時代。

參考文獻：

[1] 崔貫勛 基于云計算技術的計算機實驗教學平臺[J]. 實驗室研究與探索，2013（10）.

[2] 陳冬林，付敏，陳玲. 基于混合云的高校實驗教學平臺建設模式研究[J]. 實驗技術與管理，2013（5）.

[3] 張浩軍，趙玉娟，王曉松. 建設一體化實踐教學平臺培養(yǎng)卓越軟件人才[J]. 實驗室研究與探索，2013（10）.

[4] 毛杰，桑世慶. 基于云桌面技術的服務外包人才培養(yǎng)教學平臺建設[J]. 科技通報， 2013（10）.

[5] 樂勵華，戴立輝，劉龍章.數學建模教學模式的研究與實踐[J].工科數學，2002（6）：9-12.

[6] 李滿玲.基于私有云的計算機課程教學模式的改革[J].牡丹江教育學院學報，2013（6）.

[7] 李春艷.云計算環(huán)境下計算機基礎實驗教學模式探討[J].電腦知識與技術，2013（9）.

[8] 顧邦軍，萬華明. 基于云計算的校園私有云構架模式研究[J].蘇州科技學院學報：自然科學版，2014（2）.