實(shí)驗(yàn)云：理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)深度融合的助推器

胡翠云　朱志　孫磊

[摘 要]實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為高等教育教學(xué)的重要組成部分，普遍存在資源分配不均、更新慢、共享程度低、教學(xué)質(zhì)量低等問題。云計(jì)算憑借高共享性、高可靠性、高安全性和低能耗性等優(yōu)勢，在國內(nèi)外教育領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，現(xiàn)已已成為國家教育發(fā)展的戰(zhàn)略方向。論文在分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)實(shí)困境的基礎(chǔ)上，指出實(shí)驗(yàn)云突破困境的獨(dú)特優(yōu)勢，構(gòu)建包括實(shí)驗(yàn)云建設(shè)模式、實(shí)驗(yàn)教學(xué)組織模式、實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理和保障模式在內(nèi)的基于實(shí)驗(yàn)云的教學(xué)模式，促進(jìn)理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度融合，提高學(xué)生創(chuàng)新能力，深化教學(xué)改革。

[關(guān)鍵詞]實(shí)驗(yàn)云；云計(jì)算；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；教學(xué)模式

[中圖分類號(hào)] G64 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2016）09-0157-03

一、引言

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等教育教學(xué)的重要組成部分，是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的重要途徑。具有實(shí)踐性、工程性、實(shí)用性等特征的計(jì)算機(jī)專業(yè)對實(shí)驗(yàn)教學(xué)提出了更高的要求：理論與實(shí)踐深度融合。然而，由于硬件建設(shè)、教育理念和教學(xué)組織等方面的局限，目前很多高校在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在大量的現(xiàn)實(shí)問題，嚴(yán)重影響了教學(xué)質(zhì)量和人才培養(yǎng)質(zhì)量的提高。[1]

云計(jì)算以共享性、高可靠性、高安全性和低能耗性等優(yōu)勢，在國內(nèi)外教育領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注，成為我國教育發(fā)展的戰(zhàn)略方向。實(shí)驗(yàn)云則是云計(jì)算技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的高級運(yùn)用，是借助云桌面技術(shù)對實(shí)驗(yàn)資源進(jìn)行虛擬化處理，形成虛擬資源池，根據(jù)教學(xué)需求進(jìn)行組合，形成不同規(guī)格的虛擬機(jī)，最終以服務(wù)的方式為學(xué)生、教師提供遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供靈活、便利的技術(shù)支持。[2]目前，國內(nèi)外各大高校和企業(yè)都在積極研究和建設(shè)實(shí)驗(yàn)云的教學(xué)平臺(tái)，并不斷投入使用。[2] [3] [4]然而，目前的研究基本上都是從計(jì)算機(jī)技術(shù)的角度出發(fā)，研究云計(jì)算平臺(tái)建設(shè)的原則、技術(shù)方案和技術(shù)手段，大多局限在個(gè)別課程的研究，缺乏對云計(jì)算環(huán)境下實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式整體、系統(tǒng)的研究，無法解決實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的大量現(xiàn)實(shí)問題，與迅猛發(fā)展的云計(jì)算實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)形成強(qiáng)烈的反差。

為此，論文研究并構(gòu)建了基于實(shí)驗(yàn)云的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，以期從理論上為云計(jì)算環(huán)境下高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境的建設(shè)、管理和保障提供指導(dǎo)，并從實(shí)踐操作上為云計(jì)算環(huán)境下高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施提供指南，推動(dòng)云計(jì)算技術(shù)在高等院校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量、深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革。

二、實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)實(shí)困境分析

（一）實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和使用困境

目前，大部分高等院校的實(shí)驗(yàn)室還主要依靠各學(xué)院和專業(yè)進(jìn)行建設(shè)，其最大的困境就是實(shí)驗(yàn)資源有限與利用率低共存的矛盾。一方面，一些基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)課，如計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課，往往需要在相對集中的時(shí)間內(nèi)為大量學(xué)生安排實(shí)驗(yàn)，但由于實(shí)驗(yàn)室資源有限，無法有效滿足短時(shí)間里的大量需求。[5]另一方面，一些專業(yè)比較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)室由于其軟件環(huán)境配置的不同，往往由各學(xué)院或?qū)I(yè)獨(dú)立進(jìn)行建設(shè)，此類實(shí)驗(yàn)課程不多，但實(shí)驗(yàn)資源由于其配置的專用性，導(dǎo)致無法共享，造成各院系“資源孤島”現(xiàn)象廣泛存在。同時(shí)，多數(shù)院校采用先理論講授、后實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的教學(xué)模式，造成實(shí)驗(yàn)課往往集中在學(xué)期中后期進(jìn)行，學(xué)期后期更是實(shí)驗(yàn)課的高峰，這突顯了實(shí)驗(yàn)資源數(shù)量不足和利用率不高的問題。

此外，實(shí)驗(yàn)設(shè)備落后是高等院校實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的另一個(gè)主要困境。計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)發(fā)展迅猛，高等院校由于資金問題決定了實(shí)驗(yàn)資源的更新周期比較長，這導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)設(shè)施往往技術(shù)落后、性能不高，嚴(yán)重影響了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)，制約了教師跟蹤新技術(shù)并基于此開展實(shí)驗(yàn)課程，從而阻礙了教學(xué)質(zhì)量的提高。因此，受實(shí)驗(yàn)資源更新周期的限制，高等教育的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容難以做到“與時(shí)俱進(jìn)”。

（二）實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)設(shè)施的管理與維護(hù)困境

高校實(shí)驗(yàn)室的計(jì)算機(jī)往往使用系統(tǒng)還原軟件，在電腦重啟后，刪除所有的操作信息和數(shù)據(jù)，便于下次教學(xué)使用。這種管理方法可以有效簡化實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)設(shè)施的管理，降低計(jì)算機(jī)因?yàn)楦腥静《径c瘓的情況，但會(huì)導(dǎo)致學(xué)生的練習(xí)與作業(yè)無法保存，尤其是計(jì)算機(jī)因軟件故障重啟，會(huì)清空學(xué)生所做的實(shí)驗(yàn)，嚴(yán)重打擊學(xué)生的積極性。

此外，網(wǎng)絡(luò)對拷技術(shù)，如“增霸卡”等，雖然可以對機(jī)房軟件進(jìn)行更新和維護(hù)，但由于實(shí)驗(yàn)室教學(xué)任務(wù)較多且十分集中，將占用幾乎全部的白天時(shí)間和部分晚上時(shí)間，這迫使實(shí)驗(yàn)室管理人員只能利用少數(shù)晚上和周末時(shí)間，通過加班加點(diǎn)來維護(hù)系統(tǒng)。而且由于管理員有限，一個(gè)管理員往往需要同時(shí)負(fù)責(zé)幾個(gè)實(shí)驗(yàn)室，造成管理員維護(hù)任務(wù)重、工作壓力大、維護(hù)效果不佳。同時(shí)，由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備使用頻率高、人流量大，造成電腦硬件故障率較高，而硬件的維修周期較長，這大大降低了實(shí)驗(yàn)室的有效使用率。[6]

（三）實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程內(nèi)容設(shè)計(jì)與教學(xué)組織困境

實(shí)驗(yàn)教學(xué)在課程內(nèi)容設(shè)計(jì)上的主要困境就是實(shí)驗(yàn)課時(shí)有限和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容陳舊。由前面的分析可知，一方面，由于實(shí)驗(yàn)資源有限，在教學(xué)過程中教師重理論、輕實(shí)驗(yàn)，重講授、輕操作的現(xiàn)象嚴(yán)重，于是課時(shí)偏少、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不足是實(shí)驗(yàn)教學(xué)在課程內(nèi)容設(shè)計(jì)上面臨的主要困境之一。另一方面，由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的更新周期長，實(shí)驗(yàn)設(shè)備陳舊導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)內(nèi)容陳舊，而且多數(shù)實(shí)驗(yàn)課程是驗(yàn)證性或模仿性的，創(chuàng)新性和設(shè)計(jì)性嚴(yán)重不足。

在教學(xué)組織上，實(shí)驗(yàn)課往往安排在固定的時(shí)間、固定的地點(diǎn)，這不利于發(fā)揮學(xué)生的積極性和主動(dòng)性。此外，實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程缺少科學(xué)、規(guī)范的評價(jià)體系，這是教學(xué)組織模式面臨的另一困境。目前的實(shí)驗(yàn)教學(xué)評價(jià)主要是依據(jù)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的演示以及在課程結(jié)束后所提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，但系統(tǒng)演示、報(bào)告抄襲嚴(yán)重。教師無法對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行監(jiān)控，無法在整體上了解學(xué)生對相關(guān)知識(shí)的掌握和運(yùn)用情況，從而無法根據(jù)教學(xué)過程的及時(shí)反饋對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。

三、基于實(shí)驗(yàn)云的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式構(gòu)建

根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的理論分析和實(shí)踐需要，基于實(shí)驗(yàn)云的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式包括建設(shè)模式、組織模式、管理和保障模式三個(gè)子模式。

（一）基于實(shí)驗(yàn)云的實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)模式

多數(shù)高校已經(jīng)建設(shè)了基本的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，包括校園網(wǎng)、校園WIFI，甚至教學(xué)專用網(wǎng)。根據(jù)節(jié)省教學(xué)投資的原則，實(shí)驗(yàn)云建設(shè)應(yīng)該盡量利用各高?，F(xiàn)有的計(jì)算機(jī)或網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，盡量減少新硬件設(shè)備的采辦投入。依據(jù)共有云、私有云和混合云三種常見的云計(jì)算部署模式，結(jié)合高校實(shí)際情況和實(shí)驗(yàn)課程的需求，實(shí)驗(yàn)云的建設(shè)模式可以分為：基于公有云、私有云和混合云的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境。1.基于公有云的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境。針對一些經(jīng)費(fèi)有限的高校，基礎(chǔ)的、通用的課程，如計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)等，實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)重，虛擬實(shí)驗(yàn)機(jī)需求量大。此類課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境可以采用公有云的模式，租用企業(yè)或其他大型高校的云服務(wù)器，從而有效降低建設(shè)成本，提升教學(xué)效益。2.基于私有云的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境。針對一些專業(yè)課程，尤其是研究生類課程，由于此類課程多源于教師的研究課題，出于保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的目的，教師往往不愿將相關(guān)資料隨意放置到互聯(lián)網(wǎng)上。針對該類課程，院校可以購置新的服務(wù)器、重建局域網(wǎng)，建設(shè)基于私有云的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境。此外，針對一些資金充足的高等院校也可以構(gòu)建應(yīng)用于本校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的私有云。3.基于混合云的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境。基于混合云的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境是指高校針對一些基礎(chǔ)類、沒有保密要求的課程采用公有云的形式；而對一些具有保密要求的專業(yè)實(shí)驗(yàn)課采用私有云的模式，這是上述兩種云教學(xué)環(huán)境的綜合運(yùn)用。

（二）基于實(shí)驗(yàn)云的實(shí)驗(yàn)教學(xué)組織模式

按照教師主導(dǎo)、學(xué)生主體的實(shí)驗(yàn)教學(xué)思路，充分利用云計(jì)算技術(shù)帶來的靈活性和便利性，基于實(shí)驗(yàn)云的實(shí)驗(yàn)教學(xué)組織模式可分為：集中式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式、課堂式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式和開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。

1.集中式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式：類似于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室，建設(shè)云終端實(shí)驗(yàn)室，有固定的場所，集中時(shí)間組織學(xué)生進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室不同的是：云終端實(shí)驗(yàn)室中存放的是云終端，機(jī)器性能要求比較低，而且學(xué)生可以通過任一云終端與云端的專屬實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行連接。此外，教師通過實(shí)驗(yàn)平臺(tái)管理系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過程：一方面，教師可以實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題或錯(cuò)誤，從而實(shí)現(xiàn)針對性的指導(dǎo)；另一方面，教師可以實(shí)現(xiàn)對學(xué)生的實(shí)時(shí)監(jiān)督，防止學(xué)生不按教學(xué)要求進(jìn)行學(xué)習(xí)，如玩游戲等，從而提高教學(xué)質(zhì)量。

2.課堂式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式：傳統(tǒng)教學(xué)往往采用先理論講授、后實(shí)驗(yàn)教學(xué)的模式，這造成了理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的嚴(yán)重脫節(jié)?；趯?shí)驗(yàn)云的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境允許教師在課堂上登錄虛擬實(shí)驗(yàn)室，根據(jù)理論講解的需要隨時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示，以加深學(xué)生對理論的理解。此外，學(xué)生在課堂上還可以利用自己的筆記本電腦通過校園WIFI連接虛擬實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。在這種情況下，教師可以實(shí)現(xiàn)理論講授與實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)的有機(jī)結(jié)合。如在第一節(jié)課進(jìn)行理論講授，第二節(jié)課讓學(xué)生通過電腦進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)和操作，真正實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的相輔相成，互相促進(jìn)。這不僅可以通過實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)加深學(xué)生對理論的理解，還可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高教學(xué)質(zhì)量。

3.開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式：傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的突出問題之一就是實(shí)驗(yàn)室在固定的時(shí)間、固定的地點(diǎn)開放，不利于學(xué)生利用課余時(shí)間進(jìn)行學(xué)習(xí)。實(shí)驗(yàn)云實(shí)現(xiàn)了全天候、全地域開放，學(xué)生可以不受場所和時(shí)間的限制，隨時(shí)隨地訪問虛擬實(shí)驗(yàn)室。為了充分發(fā)揮學(xué)生的積極性，滿足不同層次學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，教師可以設(shè)置必做和選做的實(shí)驗(yàn)。這樣一些能力強(qiáng)的學(xué)生，可以利用課余時(shí)間，使用個(gè)人電腦連接云端實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并通過選做更精深的復(fù)雜實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步提高實(shí)踐動(dòng)手能力。

（三）基于實(shí)驗(yàn)云的實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理和保障模式

基于實(shí)驗(yàn)云的實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理和保障模式主要是基于角色進(jìn)行分工，各盡其職，其角色主要包括管理員、技術(shù)維護(hù)人員、教師和學(xué)生。1.管理員：主要負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的日常管理。實(shí)驗(yàn)云作為一個(gè)新生事物，其技術(shù)要求比較高，很多教師，尤其是一些老教師，可能對實(shí)驗(yàn)云下實(shí)驗(yàn)教學(xué)的組織、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置以及教學(xué)平臺(tái)的使用不是很熟練，需要管理員人員進(jìn)行相關(guān)指導(dǎo)和對一些簡單的問題進(jìn)行解答。2.技術(shù)維護(hù)人員：與傳統(tǒng)的每個(gè)實(shí)驗(yàn)室都有幾百個(gè)計(jì)算機(jī)不同，基于云計(jì)算的實(shí)驗(yàn)環(huán)境只需要維護(hù)云端的服務(wù)器。技術(shù)維護(hù)人員主要負(fù)責(zé)基于云計(jì)算的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的技術(shù)維護(hù)，這包括主要軟件的升級以及一些技術(shù)問題等。3.教師：主要是基于實(shí)驗(yàn)管理平臺(tái)設(shè)置實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，通過云監(jiān)控平臺(tái)對學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行監(jiān)控，以及對學(xué)生實(shí)驗(yàn)效果進(jìn)行評價(jià)等。4.學(xué)生：主要是基于為其提供的專人專用虛擬實(shí)驗(yàn)機(jī)完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，同時(shí)可以通過網(wǎng)上渠道實(shí)時(shí)與教師進(jìn)行溝通。

四、總結(jié)

云計(jì)算技術(shù)為突破當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)困境提供了科學(xué)的途徑。與傳統(tǒng)模式相比，實(shí)驗(yàn)云可以有效降低成本、簡化管理維護(hù)，基于實(shí)驗(yàn)云進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以更加靈活開放，這弱化了實(shí)驗(yàn)室和教室的差異，深度推進(jìn)了理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的融合，實(shí)現(xiàn)了理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的交叉、同步進(jìn)行，為提高教學(xué)質(zhì)量、深化教學(xué)改革打下了良好基礎(chǔ)。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 曾明星，王曉波，周清平，郭鑫.基于云計(jì)算的軟件工程專業(yè)校企合作實(shí)訓(xùn)平臺(tái)構(gòu)建研究[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2013（1）：107-112.

[2] 陸洪毅，唐玉華，肖儂.計(jì)機(jī)硬件綜合“實(shí)驗(yàn)云”[J].計(jì)算機(jī)教育，2014（5）：36-38.

[3] 王軍鋒，張亞斌.云計(jì)算環(huán)境中的“四學(xué)”遠(yuǎn)程開放教學(xué)模式的建構(gòu)[J].中國電化教育，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] 孫韓林，王忠民.基于云平臺(tái)的計(jì)算機(jī)實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)研究[J].計(jì)算機(jī)教育，2015（13）：67-71.

[7] 陳益全.基于桌面云的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)模式研究[J].蘭州教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2015（6）：104-105.

[責(zé)任編輯：陳 明]