彈性云服務(wù)器（ECS）在實(shí)驗(yàn)課程中的應(yīng)用探索
——以《工業(yè)機(jī)器人操作編程》課程為例

趙麗寧，張凱，雷安格，張建桃

（1.廣東省華僑職業(yè)技術(shù)學(xué)校，廣州510520；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，廣州510642）

0 引言

發(fā)揮中等職業(yè)類院校學(xué)科優(yōu)勢及強(qiáng)化廣東省華僑職業(yè)技術(shù)學(xué)校特色模式，在進(jìn)行學(xué)科建設(shè)的時(shí)候，建設(shè)專門的工科類教學(xué)實(shí)驗(yàn)室，用以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動手操作能力。不同的學(xué)科、不同的課程，甚至相同的課程名稱不同的學(xué)分，都需要安裝配置不同類型不同版本的軟件，如Auto?CAD、Visual Studio、MATLAB、Robot Studio等大型平臺類軟件，然而，此類大型工程應(yīng)用軟件安裝配置較為復(fù)雜，操作系統(tǒng)獨(dú)占性較強(qiáng)，多種軟件安裝后由于功能重疊、硬件資源獨(dú)占等因素易發(fā)生沖突從而導(dǎo)致軟件失效，因此工科類實(shí)驗(yàn)室管理情況較為復(fù)雜，管理效率低下。另外，由于準(zhǔn)入準(zhǔn)出課程的安排設(shè)置，導(dǎo)致部分實(shí)驗(yàn)室上半學(xué)年和下半學(xué)年實(shí)驗(yàn)室占用情況完全不同，甚至有一些專業(yè)自建實(shí)驗(yàn)室一段時(shí)間完全處于空閑狀態(tài)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室資源設(shè)備浪費(fèi)嚴(yán)重。為此需要探索一種新的工科類實(shí)驗(yàn)課程實(shí)訓(xùn)方法，提高大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備利用率，減輕管理人員勞動強(qiáng)度，提高教師授課效率及學(xué)生學(xué)習(xí)效率。

1 工科類實(shí)驗(yàn)室管理現(xiàn)狀

長期以來，工科類實(shí)驗(yàn)室在實(shí)際運(yùn)行過程中，由于監(jiān)管不到位，管理人員不重視，教師受限于實(shí)驗(yàn)室硬件“老化”，學(xué)生“走過場”等形式，導(dǎo)致上課效果一直以來廣受詬病。為此，利用信息技術(shù)把傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室本地化教學(xué)的優(yōu)勢和網(wǎng)絡(luò)在線實(shí)驗(yàn)平臺的教學(xué)優(yōu)勢結(jié)合起來，采取線上線下混合式教學(xué)的模式。實(shí)際執(zhí)行過程中，應(yīng)考慮使用混合式教學(xué)的基本設(shè)計(jì)思路和方法，采用基于教育大數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)教學(xué)評估與學(xué)習(xí)行為預(yù)測方法，指導(dǎo)教學(xué)實(shí)踐。

目前廣東省華僑職業(yè)技術(shù)學(xué)校實(shí)驗(yàn)室管理現(xiàn)狀如下：

（1）采用完全本地化的集中控制實(shí)驗(yàn)平臺教學(xué)模式。通過前期調(diào)研得知，目前大部分學(xué)校機(jī)房采用的也是此類方式，包括廣東省華僑職業(yè)技術(shù)學(xué)校機(jī)電專業(yè)部的2個(gè)實(shí)驗(yàn)室和華南農(nóng)業(yè)大學(xué)公共基礎(chǔ)課實(shí)驗(yàn)中心，教師需要學(xué)會操作管理平臺，管理平臺對學(xué)生透明。教師授課的時(shí)候，把《工業(yè)機(jī)器人操作編程》授課PPT及所需軟件推送到學(xué)生端并自動安裝，解決了教師端授課端推送安裝問題，但針對專業(yè)大型軟件底層沖突、軟件安裝授權(quán)失效等問題難以解決，學(xué)生無意中插入U(xiǎn)盤等引入的木馬病毒肆虐泛濫，導(dǎo)致管理難度極大。

（2）計(jì)算機(jī)更新成本、專業(yè)建設(shè)資金及時(shí)間成本均難以承擔(dān)。隨著硬件技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，各種新設(shè)備、新技術(shù)層出不窮，為了適應(yīng)社會的人才需求，學(xué)校開設(shè)機(jī)器人專業(yè)課程并配套實(shí)驗(yàn)設(shè)備。2020年，廣東省華僑職業(yè)技術(shù)學(xué)校機(jī)電專業(yè)部的兩間計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室已進(jìn)入老化期，硬件已達(dá)不到《工業(yè)機(jī)器人操作編程》教學(xué)軟件的要求，嚴(yán)重影響了實(shí)驗(yàn)課程的展開。

（3）后續(xù)實(shí)驗(yàn)課程評價(jià)和反饋機(jī)制不健全。學(xué)生針對《工業(yè)機(jī)器人操作編程》實(shí)驗(yàn)課程的反饋，僅能通過發(fā)放問卷方式的評教反饋，但是實(shí)驗(yàn)過程的邏輯性及嚴(yán)謹(jǐn)性，實(shí)驗(yàn)最終效果分析，沒有采用科學(xué)的信息化手段及時(shí)合理反饋給教師，導(dǎo)致學(xué)生對實(shí)驗(yàn)課的評教較差。

2 ECS在實(shí)驗(yàn)課程中的特點(diǎn)

云計(jì)算（cloud computing）是目前較為熱門的一種商用服務(wù)模型，是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算方式，通過這種方式，共享的軟硬件資源和信息可以按需求提供給計(jì)算機(jī)各種終端和其他設(shè)備。云服務(wù)器（elastic compute service，ECS）是云計(jì)算商業(yè)模型的一種，采用云桌面方式連接云平臺進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。云平臺一般提供4種模式的服務(wù)：

（1）基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（infrastructure-as-a-ser?vice，IaaS）。遠(yuǎn)程用戶通過Internet可以從完善的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)設(shè)施獲得服務(wù)，通常IaaS服務(wù)提供商把幾個(gè)IaaS服務(wù)進(jìn)行組合，以產(chǎn)品目錄的形式告知IaaS使用者能夠提供何種產(chǎn)品服務(wù)；

（2）平臺即服務(wù)（platform-as-a-service，PaaS）。一般面向互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)者，把端到端的分布式軟件開發(fā)、測試、部署、運(yùn)行環(huán)境以及復(fù)雜的應(yīng)用程序托管當(dāng)作服務(wù)，依托IT基礎(chǔ)設(shè)施云平臺使開發(fā)者可以從復(fù)雜低效的環(huán)境搭建、配置和維護(hù)工作中解放出來，提高軟件開發(fā)的效率；

（3）軟件即服務(wù)（software-as-a-service，SaaS）。它是一種通過Internet提供軟件的模式，用戶無需購買軟件，而是向提供商租用基于Web的軟件，來管理學(xué)校教學(xué)等活動。相對于傳統(tǒng)的軟件，SaaS解決方案有明顯的優(yōu)勢，包括較低的前期成本，便于維護(hù)，快速部署投入使用等；

（4）桌面即服務(wù)（desktop-as-a-service，DaaS）。通過云計(jì)算理念，將桌面作為服務(wù)的形式提供給最終用戶。

通過IaaS架構(gòu)和桌面虛擬化技術(shù)，可以將用戶的桌面構(gòu)建在IaaS架構(gòu)上，通過桌面虛擬化協(xié)議，將構(gòu)建在IaaS架構(gòu)上的桌面分發(fā)給最終用戶。DaaS工作原理是在數(shù)據(jù)中心托管一大批運(yùn)行桌面操作系統(tǒng)的虛擬機(jī)，并且使用某種遠(yuǎn)程顯示協(xié)議，提供對這些虛擬機(jī)的遠(yuǎn)程訪問，用戶無論采用何種終端，面對的都是熟悉的終端桌面。

廣東省華僑職業(yè)技術(shù)學(xué)校機(jī)電專業(yè)部實(shí)驗(yàn)室作為一種工科類教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺，不但承擔(dān)著專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)，而且承擔(dān)著學(xué)生的計(jì)算機(jī)信息化實(shí)驗(yàn)平臺包括計(jì)算機(jī)程序分區(qū)、格式化等通識訓(xùn)練，亦包括一部分專業(yè)課程的大型專業(yè)軟件的安裝配置維護(hù)，因此只能選擇IaaS平臺作為基礎(chǔ)架構(gòu)，可安裝Windows、Linux等操作系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上安裝SQL Server、Oracle、RobotStudio、Visual C++、在線學(xué)習(xí)編程系統(tǒng)等平臺類軟件形成PaaS平臺，在此平臺上還可以安裝一些應(yīng)用類軟件，包括Chrome及Firefox瀏覽器、WPS Office軟件、文本編輯器、開發(fā)助手類軟件等形成SaaS平臺，采用DaaS流式桌面推送給終端教師和學(xué)生，以更好的使用不同平臺的不同軟件完成課程訓(xùn)練任務(wù)。廣東省華僑職業(yè)技術(shù)學(xué)校阿里公有云實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺云服務(wù)層次結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 廣東省華僑職業(yè)技術(shù)學(xué)校阿里云實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺云服務(wù)層次結(jié)構(gòu)

3 ECS在實(shí)驗(yàn)課中的實(shí)施與應(yīng)用探索

3.1 基于阿里云桌面的實(shí)驗(yàn)室方案設(shè)計(jì)

目前，學(xué)校招收學(xué)生除了廣東省本土學(xué)生，還有一部分國外學(xué)生。另外，學(xué)校部分教師同國外學(xué)校有教學(xué)或者學(xué)術(shù)交流，在ECS選購初期，就要考慮云平臺跨境訪問的需求，重點(diǎn)考慮選擇帶有國際IDC加速服務(wù)的ECS作為實(shí)驗(yàn)室教學(xué)搭建平臺。通過走訪調(diào)研兄弟院校如華南農(nóng)業(yè)大學(xué)數(shù)學(xué)與信息學(xué)院已有云平臺建設(shè)案例，綜合考慮能爭取到的資金及后續(xù)投入，提高機(jī)房管理效率和保證數(shù)據(jù)安全性，選擇更適合的阿里云桌面方案。

實(shí)驗(yàn)室終端采用舊PC安裝云桌面登陸軟件構(gòu)成云終端，云終端通過網(wǎng)線連接到匯聚層交換機(jī)；匯聚層交換機(jī)通過光纖連接到核心路由器，最后再由核心路由器通過光纖連接到阿里云VDI服務(wù)器。云桌面實(shí)驗(yàn)室方案架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 廣東省華僑職業(yè)技術(shù)學(xué)校阿里云桌面架構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2 基于阿里云桌面的實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)方案

（1）《工業(yè)機(jī)器人操作編程》資源庫建設(shè)?！豆I(yè)機(jī)器人操作編程》課程為廣東省華僑職業(yè)技術(shù)學(xué)校老牌課程，經(jīng)過多年積累，包括如下眾多課程資源：①PPT課件，包括教材和參考教材的多媒體課件，教師授課課件等；②WORD文檔和PDF參考教材文檔等，包括教案，教學(xué)參考資料，教師搜集的課程案例等；③C語言和C++語言程序源碼，包括工業(yè)機(jī)器人操作編程實(shí)驗(yàn)源代碼，課后習(xí)題源代碼和教師自己開發(fā)的課程源代碼等；④音頻和視頻文件，包括教師授課錄像，搜集的案例資源，國內(nèi)外最新研究前沿音視頻等；⑤Flash試題庫，雖然目前Flash技術(shù)已經(jīng)不再更新維護(hù)，但是因本課程試題庫建設(shè)時(shí)間較長，資源較為豐富，暫時(shí)不能完全替代，因此平臺必須能遷移運(yùn)行Flash試題庫；⑥課程專業(yè)軟件。包括ABB公司的RobotStudio機(jī)器人虛擬仿真軟件，Visual C++6.0軟件開發(fā)運(yùn)行C和C++源代碼，工業(yè)機(jī)器人綜合實(shí)驗(yàn)平臺軟件（該平臺軟件最高只能運(yùn)行于Windows 7操作系統(tǒng)），機(jī)器人考試系統(tǒng)平臺軟件。根據(jù)上述軟件特點(diǎn)，阿里云桌面客戶端需采用Windows 7操作系統(tǒng)，兼容比較老舊的軟件和實(shí)驗(yàn)平臺，服務(wù)器端能同時(shí)推送文檔、流媒體音視頻等功能，采用前后端分離的混合式架構(gòu)部署。

（2）實(shí)驗(yàn)軟件遠(yuǎn)程桌面流推送?！豆I(yè)機(jī)器人操作編程》課程所需平臺軟件眾多，單獨(dú)流推送某個(gè)APP，會導(dǎo)致教學(xué)過程割裂，課程實(shí)驗(yàn)效果不好，因此可以直接采用阿里云桌面的桌面推送服務(wù)，直接投射整個(gè)云桌面到客戶端。學(xué)生采用PC機(jī)、手機(jī)終端、平板電腦等手持設(shè)備，安裝阿里云桌面或者微軟遠(yuǎn)程桌面，均可接入并流推送云桌面。根據(jù)使用效果，阿里云桌面在1080 P效果下需要保證約5 Mbps的帶寬，當(dāng)帶寬低于該值的時(shí)候，整個(gè)桌面就會出現(xiàn)大塊的馬賽克，影響使用者體驗(yàn)，瞬時(shí)突發(fā)貸款能達(dá)到9 Mbps，而微軟的遠(yuǎn)程桌面帶寬占用，一般從普通鼠標(biāo)點(diǎn)擊操作的40 kbps到全屏觀看流媒體視頻的20 Mbps，用戶可根據(jù)實(shí)際需求選擇，如果不觀看流媒體視頻，一般建議選擇微軟遠(yuǎn)程桌面效果更好，占用網(wǎng)絡(luò)帶寬更低。

（3）《工業(yè)機(jī)器人操作編程》實(shí)驗(yàn)課程評價(jià)。①從教學(xué)督導(dǎo)、管理人員來看，因整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程完全可控，整個(gè)實(shí)驗(yàn)課程可以回放，并且可以采用阿里云提供的分析工具，橫向?qū)Ρ绕渌愃崎_設(shè)課程如《物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用》等，給出更加科學(xué)合理的建議。②從教師端來看，整個(gè)實(shí)驗(yàn)課程從學(xué)生登錄、根據(jù)課程時(shí)間完成不同的實(shí)驗(yàn)任務(wù)節(jié)點(diǎn)，學(xué)生開始任務(wù)時(shí)間、完成任務(wù)時(shí)間、完成任務(wù)率等，均可以從教師管理端直觀的顯示出來，教師可以根據(jù)每名學(xué)生的進(jìn)度，有針對性的加以輔導(dǎo)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。③從學(xué)生端來看，整個(gè)實(shí)驗(yàn)課程只需要使用云桌面隨時(shí)隨地就可以登陸系統(tǒng)進(jìn)行學(xué)習(xí)，教學(xué)視頻可以隨時(shí)隨地回放，實(shí)驗(yàn)軟件可以隨時(shí)隨地打開電腦和手機(jī)進(jìn)行操作，避免了學(xué)生需要提前預(yù)約機(jī)房，按時(shí)到機(jī)房使用，導(dǎo)致機(jī)房使用時(shí)間嚴(yán)重不均衡的現(xiàn)象，大大提高了學(xué)生的興趣，提升了學(xué)校購買大型軟件的利用率，這些效果僅僅依靠課堂的45分鐘實(shí)驗(yàn)教學(xué)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到的。實(shí)驗(yàn)課程受限于學(xué)生沒有實(shí)驗(yàn)設(shè)備，一般不安排課后作業(yè)，采用阿里公有云平臺后，學(xué)生可以在課室、宿舍或者家里繼續(xù)練習(xí)，學(xué)生實(shí)驗(yàn)課程任務(wù)完成度較高。④從課后評教反饋來看，以前實(shí)驗(yàn)課程評教排名基本在最后幾位，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)課程沒有老師愿意接手，通過采用阿里云平臺，使用現(xiàn)代化的信息手段，評教一躍到了中等，以后隨著云平臺的資源越來越多，基于云桌面的實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)越來越完善，相信平臺一定會讓更多學(xué)生喜歡。

4 ECS在工科類實(shí)驗(yàn)課程試用效果及分析

通過在廣東省華僑職業(yè)技術(shù)學(xué)校機(jī)電專業(yè)部實(shí)驗(yàn)室引入ECS及云桌面，并經(jīng)過《機(jī)器人操作編程》課程一段時(shí)間的試用，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課程中遇到的實(shí)驗(yàn)室機(jī)房軟件類如操作系統(tǒng)類問題及網(wǎng)絡(luò)安全木馬病毒類問題基本消失，學(xué)生亦不再抱怨實(shí)驗(yàn)運(yùn)行環(huán)境如操作系統(tǒng)運(yùn)行緩慢，軟件版本陳舊等問題，云平臺運(yùn)行整體較為穩(wěn)定。ECS和云桌面技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用，能夠不受不同批次不同型號電腦的影響進(jìn)行統(tǒng)一配置部署，可對不同的老師采用不同的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，甚至對不同的老師定制不同的軟件版本而完全不用考慮兼容性的問題，學(xué)生可以在自己的手機(jī)上隨時(shí)隨地操作使用云桌面，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣及實(shí)驗(yàn)頻率。雖然在工科類實(shí)驗(yàn)室建設(shè)ECS有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是在實(shí)際運(yùn)行中亦發(fā)現(xiàn)存在以下問題：

（1）對帶寬及并發(fā)鏈接數(shù)要求較高?！豆I(yè)機(jī)器人操作編程》課程有許多案例視頻，每虛擬桌面最少具備5 Mbps以上的穩(wěn)定帶寬才能保證課程視頻全屏播放流暢，平時(shí)實(shí)例45臺，突發(fā)實(shí)例180臺客戶端若同時(shí)登錄云端，考慮部分余量，那么至少需要1 Gbps的帶寬，雖然目前機(jī)房出口帶寬為雙萬兆，但是學(xué)校出口帶寬為11 Gbps（中國電信+教育網(wǎng)），若同時(shí)有大量學(xué)生看網(wǎng)絡(luò)視頻等，易導(dǎo)致帶寬不足，部分學(xué)生容易登錄不上，可以考慮在后續(xù)使用中逐步擴(kuò)展性能。

（2）針對某些軟件不能完全兼容。比如《工業(yè)機(jī)器人操作編程》附帶在線編程考試軟件，因需使用加密狗軟件，在分發(fā)試卷授權(quán)的時(shí)候會失敗，軟件經(jīng)官方確認(rèn)不能用于ECS云平臺。另外，在正常安裝好天翼云會議軟件進(jìn)行在線教學(xué)時(shí)候，雙擊打開軟件失敗，界面一閃而過，軟件經(jīng)官方確認(rèn)后續(xù)升級解決或者暫時(shí)關(guān)閉硬件渲染功能。

（3）ECS云平臺針對一些大型3D圖形運(yùn)算支持不是特別好。比如《工業(yè)機(jī)器人操作編程》課程使用3DMAX實(shí)時(shí)渲染時(shí)卡頓明顯，究其原因是，受限于采購成本，教育云平臺沒有采用帶有vGPU直通功能的高檔顯卡，導(dǎo)致3D性能稍顯不足，可在以后的使用當(dāng)中逐步擴(kuò)展。

5 結(jié)語

采用阿里公有云平臺建設(shè)實(shí)驗(yàn)課程，同傳統(tǒng)的自建實(shí)驗(yàn)機(jī)房相比，雖然有兼容性有待提高、網(wǎng)絡(luò)連接速率要求較高、數(shù)據(jù)流量較大等缺點(diǎn)，但是隨著國家網(wǎng)絡(luò)“提速降費(fèi)”和“5G”工程實(shí)施，這些缺點(diǎn)都將在短時(shí)間內(nèi)解決；但是云平臺具有計(jì)算和數(shù)據(jù)資源集中管理，教學(xué)系統(tǒng)軟件多樣化，教學(xué)軟件版本可自由更改的優(yōu)點(diǎn)，云桌面給管理人員帶來的便捷維護(hù)手段，給教師和學(xué)生帶來多樣化的教學(xué)手段，實(shí)實(shí)在在的減少了管理人員的工作量及維護(hù)成本，提高了教師授課效率。