李 寧，張 曉，趙曉南，劉海龍，李戰(zhàn)懷

（西北工業(yè)大學(xué) 計算機學(xué)院，陜西 西安 710072）

0 引 言

隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，在線教育目前進入了 MOOC（massive open online course）時代[1]。特別是近年來，以MOOC + SPOC（small private online course）為代表的教學(xué)模式逐漸興起，并被越來越多的大學(xué)接受，該模式通過短視頻網(wǎng)絡(luò)在線學(xué)習(xí)、在線互動討論等手段，有效解決了學(xué)習(xí)受時間、空間、師資等方面限制的問題[2]。然而單純的視頻學(xué)習(xí)或在線測試等僅能有效緩解理論教學(xué)的問題，對提升實驗教學(xué)的效果幫助有限。實驗教學(xué)一直是高校本科人才培養(yǎng)工作中不可或缺的重要組成部分，關(guān)系著培養(yǎng)人才的工程實踐能力和工程創(chuàng)新能力[3]。因此探索適應(yīng)MOOC環(huán)境下的虛擬實驗技術(shù)和教學(xué)模式，不僅對輔助在線理論課程的教學(xué)有非常重要的意義，同時，是線下實驗教學(xué)應(yīng)對MOOC 沖擊的創(chuàng)新與變革。

1 MOOC虛擬實驗平臺研究背景

現(xiàn)有MOOC 課程多以理論課程為主體，90%以上的輟學(xué)行為引起了研究者的廣泛關(guān)注[4-6]。經(jīng)過對MOOC上的學(xué)生學(xué)習(xí)行為進行跟蹤，研究者發(fā)現(xiàn)在MOOC上學(xué)習(xí)文科類課程和計算機課程都比較容易，但是對于物理、生物、工程等學(xué)科，由于有實驗訓(xùn)練的環(huán)節(jié)，若只提供線上理論課程教學(xué)，學(xué)生往往很容易放棄，只有一部分學(xué)習(xí)習(xí)慣非常好的學(xué)生才能夠堅持，導(dǎo)致MOOC學(xué)習(xí)者高輟學(xué)率[7]。而且即使學(xué)習(xí)者能夠堅持下來，因為缺乏實驗練習(xí)，所以很難收到良好的教學(xué)效果，無法達(dá)到課程的預(yù)期目標(biāo)。

雖然文獻[7]提及計算機課程容易學(xué)習(xí)，但實際上計算機類課程的實踐性都較強，如計算機軟件專業(yè)核心課（包括程序設(shè)計語言、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)庫原理及軟件工程等多門課程），每一門課程都需要學(xué)生通過大量的實驗練習(xí)來加深對知識點的理解，進而完全掌握課程內(nèi)容。因此，提供良好的在線實驗環(huán)境和精心設(shè)計的實驗教學(xué)內(nèi)容，對提升軟件課程MOOC教學(xué)效果的重要性不言而喻。

在目前的實驗教學(xué)中，有部分軟件編程類課程已經(jīng)用OJ（online judge）等在線系統(tǒng)提交程序、自動對比程序結(jié)果等方式實現(xiàn)了實驗方式的改革，但是仍有很多與實驗環(huán)境緊密相關(guān)，涉及具體操作的實驗多是在專業(yè)實驗室實施，在輔導(dǎo)老師現(xiàn)場指導(dǎo)和答疑下，學(xué)生自主進行實驗，并進行相關(guān)實驗考核。這種傳統(tǒng)的實驗教學(xué)方式常常存在以下幾個方面的問題。

（1）資源使用效率低。學(xué)生只能在安裝了指定軟件的機房實驗，課余時間實驗室資源無法利用。在實驗課內(nèi)未完成實驗任務(wù)的同學(xué)，只能中斷實驗。另一方面，教師在下課后通常無法查看學(xué)生的實驗進度，不能進一步指導(dǎo)和動態(tài)調(diào)整實驗任務(wù)，嚴(yán)重影響了實驗教學(xué)質(zhì)量。

（2）實驗成果和相關(guān)數(shù)據(jù)的可利用性較差。學(xué)生在實驗過程中產(chǎn)生的實驗數(shù)據(jù)和行為特點（如操作中常犯的錯誤等），難以被有效地收集與積累。這使得教師難以通過統(tǒng)計分析等對教學(xué)內(nèi)容和方法進行持續(xù)的調(diào)整和改善。

（3）維護和管理成本高。同一臺PC機需要反復(fù)安裝不同實驗所需的軟件和操作系統(tǒng)，造成機器設(shè)備損壞率增高，增加硬件投入和維護成本。對于不兼容的軟件需要反復(fù)卸載和重裝。計算機設(shè)備更新?lián)Q代快，使用3～5年就需要重新購置新的機器，否則無法滿足性能要求。

（4）無法保證數(shù)據(jù)存儲的安全性和可靠性。實驗室由于安全性考慮，大多無法保存?zhèn)€人數(shù)據(jù)，導(dǎo)致教師和學(xué)生的個人文件和實驗數(shù)據(jù)容易丟失，長期使用移動存儲設(shè)備會帶來病毒入侵的風(fēng)險。

針對以上問題，國內(nèi)外學(xué)者積極探索和研究虛擬實驗系統(tǒng)的應(yīng)用。目前已有一些虛擬實驗系統(tǒng)應(yīng)用于實驗教學(xué)中的成果，如牛津大學(xué)開發(fā)的化學(xué)學(xué)科虛擬實驗系統(tǒng)[8]和美國約翰霍普金斯大學(xué)電子科學(xué)虛擬實驗[9]等，學(xué)習(xí)者可以通過開放的互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程訪問站點進行在線實驗。與國外相比，國內(nèi)高校在該領(lǐng)域的研究起步較晚。當(dāng)前，將實驗教學(xué)虛擬化以及融入MOOC環(huán)境還面臨許多困境，亟待發(fā)展。

參考其他虛擬實驗平臺設(shè)計方案與架構(gòu)[3，7，10-11]，通過構(gòu)建一個適用于MOOC環(huán)境的基于云計算的計算機軟件核心課教學(xué)虛擬實驗平臺，可以充分發(fā)揮MOOC與虛擬實驗環(huán)境的優(yōu)點，提高在線教學(xué)的質(zhì)量。同時，若將該平臺推廣到線下的實驗教學(xué)中也可彌補傳統(tǒng)實驗教學(xué)的不足。

2 MOOC環(huán)境下的虛擬實驗平臺MOOCElab

2.1 整體架構(gòu)

MOOC環(huán)境下的虛擬實驗系統(tǒng)主要包括MOOC系統(tǒng)平臺、實驗平臺、客戶端3部分，整體平臺構(gòu)架如圖1所示。其中實驗平臺部分包括基于OpenStack云計算的虛擬實驗平臺和已有的其他在線實驗平臺（如OJ等在線測試系統(tǒng)）兩部分。該虛擬實驗平臺既可以在線下教學(xué)中直接使用，也可在MOOC系統(tǒng)中支持MOOC實驗。

圖1 MOOC環(huán)境中的虛擬實驗系統(tǒng)MOOCElab

基于OpenStack的虛擬實驗平臺是該系統(tǒng)的核心，主要包括資源管理、存儲管理、用戶管理、安全管理等部分。OpenStack主要通過虛擬化技術(shù)提供用戶自管理和自服務(wù)的虛擬計算環(huán)境。

2.2 平臺建設(shè)

1）云計算平臺搭建。

由于大部分的實驗需要以個人或者小組為單位擁有獨立的一個或者若干個虛擬機，所以該虛擬實驗系統(tǒng)的核心是云計算平臺。本例中使用開源軟件OpenStack，包含keystone、glance、nova、dashboard、neutron等組件。OpenStack可管理多種虛擬化平臺，本系統(tǒng)中搭建在CentOS的KVM平臺上，具體搭建過程參考OpenStack的官方網(wǎng)站。系統(tǒng)由一個控制節(jié)點和多個計算節(jié)點組成，根據(jù)虛擬機核數(shù)的不同，每個計算節(jié)點可提供20～50個虛擬機服務(wù)。

2）OpenStack平臺中創(chuàng)建虛擬實驗?zāi)０濉?/p>

OpenStack平臺搭建完成之后，利用其中flavor（虛擬機模板）創(chuàng)建各門軟件核心實驗課程所需的虛擬機模板，包括操作系統(tǒng)以及相關(guān)的軟件環(huán)境。在具體實驗中，學(xué)生可利用虛擬機模板創(chuàng)建虛擬機。這些虛擬機的操作系統(tǒng)和軟件環(huán)境都已滿足相關(guān)課程需要，可以即開即用。該步結(jié)束后，該系統(tǒng)就可以單獨運行以支持非MOOC模式的虛擬實驗。

3）開源MOOC平臺搭建。

在虛擬機或?qū)嶓w機上搭建開源MOOC平臺。本方案中使用開源軟件OpenEdx，具體試安裝版本為bitnami-edx-ginkgo.2-6-linux-x64，安裝包下載地址https://bitnami.com/stack/edx/installer。

4）開源MOOC平臺與虛擬實驗系統(tǒng)集成。

在開源MOOC平臺上創(chuàng)建不同的MOOC課程。在不同課程中將虛擬實驗平臺（如云計算OpenStack平臺）鏈接加入課程內(nèi)容中，并進行相應(yīng)的用戶管理與授權(quán)，完成開源MOOC平臺與虛擬實驗系統(tǒng)的集成。

2.3 平臺管理

MOOCElab平臺管理的重點是用戶管理、資源管理、安全管理等。系統(tǒng)擁有3種類型用戶：教師用戶、學(xué)生用戶和管理員用戶。教師用戶是維護MOOC課程信息的人員，包括課程內(nèi)容發(fā)布、教學(xué)過程推進、學(xué)生作業(yè)實驗查看批閱等。學(xué)生用戶選修MOOC課程，完成課程要求的學(xué)習(xí)內(nèi)容和實驗內(nèi)容，參加在線測試。管理員用戶管理和配置開源MOOC系統(tǒng)和虛擬實驗平臺的資源和安全等。其中MOOC平臺用戶與虛擬實驗平臺的用戶同步是用戶管理的關(guān)鍵。資源管理主要指由管理員對支撐虛擬實驗系統(tǒng)的物理機、虛擬機等設(shè)備資源進行管理，并對整個系統(tǒng)進行維護管理。安全管理主要指根據(jù)用戶和訪問對象的屬性，設(shè)定不同用戶的權(quán)限。

2.4 使用流程

MOOC課程以及實驗環(huán)境準(zhǔn)備完畢之后即可以投入使用。該系統(tǒng)的主要使用者是教師和學(xué)習(xí)者。教師使用MOOCElab平臺的流程如圖2所示。

圖2 教師使用MOOCElab平臺流程

MOOC學(xué)習(xí)者使用MOOCElab平臺的流程如圖3所示。

2.5 平臺優(yōu)勢

（1）彌補現(xiàn)有單獨MOOC平臺課程學(xué)習(xí)中缺乏實驗教學(xué)的不足，可以有效提高MOOC課程的整體學(xué)習(xí)質(zhì)量。

（2）克服傳統(tǒng)實驗環(huán)境下硬件環(huán)境使用排他性而導(dǎo)致的實驗時間、實驗內(nèi)容受限的缺點，虛擬實驗可以同時開展多門課程的實驗教學(xué)，學(xué)習(xí)者也可以隨時隨地利用該平臺開展相關(guān)課程的實踐。

（3）可以方便地進行實驗環(huán)境的部署、存儲和復(fù)用，節(jié)約實驗成本。

（4）為教師對實驗的有效指導(dǎo)提供可能性，教師可以隨時、異地利用虛擬環(huán)境指導(dǎo)學(xué)生實驗。

（5）可以集中存儲實驗程序、測試數(shù)據(jù)，為自動統(tǒng)計實驗進展數(shù)據(jù)、檢驗實驗結(jié)果等提供數(shù)據(jù)支撐，便于教師對學(xué)生實驗情況進行基于教學(xué)大數(shù)據(jù)的分析，推進教學(xué)質(zhì)量的持續(xù)提升。

圖3 MOOC學(xué)習(xí)者使用MOOCElab平臺流程

3 教學(xué)實踐

3.1 數(shù)據(jù)庫原理實驗課程實踐

我校數(shù)據(jù)庫原理課程的實驗傳統(tǒng)都是在實驗室PC機上事先準(zhǔn)備好的操作系統(tǒng)和DBMS環(huán)境下進行。由于實驗室PC機配置為網(wǎng)絡(luò)啟動，每次計算機重新啟動時都會重置軟件環(huán)境，無法保存學(xué)生前一次的實驗結(jié)果。此外學(xué)生通常都會在本人的計算機上安裝實驗環(huán)境，用于在課余時間完成實驗課內(nèi)未完成的部分。這使得學(xué)生在實驗環(huán)境準(zhǔn)備上花費大量的時間，也增加了輔導(dǎo)教師的輔導(dǎo)工作量，降低了學(xué)生實驗的效率。

在數(shù)據(jù)庫原理實驗課的探索實踐中，我們選出部分學(xué)生試用該虛擬實驗平臺。實驗課開始之前，教師團隊首先創(chuàng)建準(zhǔn)備好該課程的虛擬機模板，其中包括Windows操作系統(tǒng)、DBMS、基礎(chǔ)編程軟件和實驗課所需要的全部支撐資料。學(xué)生只需在首次實驗時創(chuàng)建個人賬戶，并利用數(shù)據(jù)庫原理實驗課的虛擬機模板創(chuàng)建各自的虛擬機，該虛擬機同時作為本地數(shù)據(jù)庫的服務(wù)端和數(shù)據(jù)庫訪問的客戶端。學(xué)生的全部實驗都在該虛擬機環(huán)境下進行。由于這些虛擬機的存續(xù)周期貫穿一個學(xué)期，學(xué)生在初次申請后無需再做配置，實驗課操作的連續(xù)性得到更好的保證。同時，學(xué)生也可以在課堂以外的任意空閑時間，在任意地點登錄虛擬機繼續(xù)實驗。在學(xué)生實驗課進展過程中，輔導(dǎo)教師可以通過登錄虛擬機等方式完成輔導(dǎo)工作，并可以查詢學(xué)生使用虛擬機時間的長短和時間段等統(tǒng)計信息，更好地掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。經(jīng)過一年的試點應(yīng)用，學(xué)生實驗效率明顯提高，教學(xué)效果也得到了改善。

3.2 軟件工程實驗課程實踐

留學(xué)生教學(xué)是我校本科教學(xué)中的重要環(huán)節(jié)。由于留學(xué)生普遍存在基礎(chǔ)知識薄弱，動手能力不強，漢語水平較低等問題，在實驗教學(xué)環(huán)節(jié)也面臨著更多問題。傳統(tǒng)實驗環(huán)境是以面向中國學(xué)生，實驗室PC機上的操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件全部是中文版本，這使留學(xué)生在實驗環(huán)境準(zhǔn)備上需要花費更多的時間。在面向留學(xué)生開設(shè)的軟件工程英文實驗課程中，我們也試用了該虛擬實驗系統(tǒng)。

由于本年度軟件工程實驗課留學(xué)生人數(shù)較少，將其分成兩個小組展開實驗。實驗之前由教師創(chuàng)建面向留學(xué)生的實驗環(huán)境的全英文版虛擬機模板，其中包括Windows操作系統(tǒng)、UML工具、基礎(chǔ)編程軟件、DBMS、版本管理工具等。學(xué)生只需在首次實驗時創(chuàng)建小組賬戶，并利用該課程的英文實驗?zāi)０鍎?chuàng)建各自的虛擬機。后續(xù)實驗均在各自小組的虛擬機上完成。由于每個小組的虛擬機也是各組的版本管理服務(wù)器，因此各種設(shè)計文檔、程序的開發(fā)設(shè)計過程均得到完整保留。經(jīng)過一個學(xué)期的實踐，該系統(tǒng)可以有效改善留學(xué)生的實驗環(huán)境，有利于實驗課成果的展示與交流。

3.3 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實驗課程實踐

在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實驗課程的實踐中，我們采用直接在MOOC系統(tǒng)中集成已有的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程實驗系統(tǒng)OJ。由于該OJ系統(tǒng)在我校的教學(xué)中已使用多年，取得了較好的應(yīng)用效果，因此在與MOOC系統(tǒng)中集成時，僅需要關(guān)注兩部分的用戶信息同步。

4 結(jié) 語

在計算機軟件核心課的MOOC或SPOC教學(xué)中引入實驗教學(xué)是在線教育發(fā)展的趨勢，也是提高該類課程在線教育質(zhì)量必須考慮的內(nèi)容。將MOOC平臺與基于云計算的虛擬實驗平臺有機融合是實現(xiàn)線上實驗教學(xué)的有效方案之一。該方案可支持MOOC學(xué)習(xí)者完成課程實驗內(nèi)容，合理共享實驗環(huán)境，降低實驗成本，促進實驗教學(xué)的持續(xù)改革。MOOC環(huán)境下的虛擬實驗平臺既可為MOOC或SPOC等線上教育提供實驗支撐，也可單獨作為線下實驗教學(xué)中的替代方案，解決傳統(tǒng)計算機軟件實驗課程中的問題。我們在計算機軟件專業(yè)的幾門課程教學(xué)中進行了初步實踐，取得的良好教學(xué)效果證明了該平臺的有效性。