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數(shù)學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)模式探索論文
摘要：對(duì)數(shù)學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，提出了基于云平臺(tái)的數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，給出了一種具體的云平臺(tái)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的硬件建設(shè)和軟件建設(shè)方案。該方案轉(zhuǎn)變了傳統(tǒng)數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)的管理模式和教學(xué)模式，解決了目前高校數(shù)學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式單一、學(xué)生積極性低、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成本高，管理效率、利用率、資源共享率低等問題，云平臺(tái)的使用提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。
關(guān)鍵詞：云平臺(tái)；數(shù)學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)；虛擬化；虛擬桌面；實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)
中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044(2016)03-0155-02
國(guó)務(wù)院2014年公布了國(guó)家實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略，重點(diǎn)在于深化高等學(xué)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(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要，在提高學(xué)�？蒲兴降耐瑫r(shí)，還要促進(jìn)產(chǎn)教融合和校企合作，增強(qiáng)學(xué)生就業(yè)能力和創(chuàng)業(yè)能力。為適應(yīng)信息社會(huì)對(duì)數(shù)學(xué)人才的需要，數(shù)學(xué)類專業(yè)培養(yǎng)的學(xué)生要能靈活運(yùn)用數(shù)學(xué)的思想、方法和所掌握的數(shù)學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題。數(shù)學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室是學(xué)生提高實(shí)踐能力的重要場(chǎng)所，實(shí)驗(yàn)課教學(xué)水平直接影響學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)。為提高實(shí)踐課教學(xué)水平，高校開展專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革，其主要內(nèi)容就是保證實(shí)驗(yàn)課教學(xué)模式以及配套的實(shí)驗(yàn)硬件環(huán)境要與時(shí)俱進(jìn)。關(guān)于如何利用云虛擬化技術(shù)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果、提高實(shí)驗(yàn)課時(shí)利用率等方面，許多學(xué)者與專家都對(duì)此問題進(jìn)行了研究與探討[2-4,7-8]。
1數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目標(biāo)與現(xiàn)狀
數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)是指利用數(shù)學(xué)軟件對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算、演繹、繪圖和優(yōu)化等各項(xiàng)處理的實(shí)驗(yàn)[5]。學(xué)生需要運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)建立數(shù)學(xué)模型，借助計(jì)算機(jī)和數(shù)學(xué)軟件來進(jìn)行求解，通過解決實(shí)際問題的過程來學(xué)習(xí)和應(yīng)用數(shù)學(xué)，是結(jié)合數(shù)學(xué)模型進(jìn)行科學(xué)研究和教學(xué)的新型方法。
1.1數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)的目標(biāo)
數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)課的目標(biāo)是使大學(xué)生初步掌握現(xiàn)代數(shù)學(xué)應(yīng)用技術(shù)和技能，從中領(lǐng)悟到數(shù)學(xué)科學(xué)研究方法的社會(huì)價(jià)值。同時(shí)學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)理論聯(lián)系實(shí)踐，可以提高學(xué)習(xí)興趣，加深對(duì)抽象概念的理解，訓(xùn)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(zhuǎn)變學(xué)習(xí)方式。
1.2數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)課傳統(tǒng)教學(xué)模式的現(xiàn)狀
目前大多數(shù)高校的數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)還是傳統(tǒng)的案例教學(xué)模式為主。以本校為例，數(shù)學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)安排大致有兩種：一是作為獨(dú)立課程開設(shè)，往往作為數(shù)學(xué)理論課程的后繼課程，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目也是對(duì)應(yīng)理論知識(shí)點(diǎn)安排，一般每次實(shí)驗(yàn)課完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；另一種是數(shù)學(xué)專業(yè)課內(nèi)包含少量的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，根據(jù)教學(xué)進(jìn)度適當(dāng)安排相應(yīng)實(shí)驗(yàn)。不管是哪種安排，主要的教學(xué)模式基本上為“案例式教學(xué)”，即大多數(shù)數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)都是從已知公式或理論出發(fā)，使用給定的數(shù)據(jù)和數(shù)學(xué)軟件在規(guī)定課時(shí)內(nèi)驗(yàn)證結(jié)論。每個(gè)結(jié)論推導(dǎo)過程的基本上包括“問題提出——建立數(shù)學(xué)模型——計(jì)算機(jī)處理——小結(jié)或進(jìn)一步思考——填寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告”的過程。等，但相應(yīng)的教學(xué)模式都是相同的：通常在課程的開始時(shí)介紹數(shù)學(xué)軟件的基本內(nèi)容和操作指令，并要求學(xué)生進(jìn)行適當(dāng)?shù)木毩?xí)。在每一實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，先由教師介紹實(shí)驗(yàn)案例的背景和要求、相關(guān)的建模方法、數(shù)學(xué)上的解析的或近似的求解方法，然后布置實(shí)驗(yàn)任務(wù)。學(xué)生分小組或獨(dú)立建立數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)模型的求解方案，再上機(jī)操作，最后完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。這種教學(xué)模式實(shí)際操作中存在以下弊端：1)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)一般進(jìn)度較快，而課堂上學(xué)生需要一段時(shí)間熟悉數(shù)學(xué)專業(yè)軟件的使用，缺乏必要的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)和小組討論的時(shí)間，容易導(dǎo)致學(xué)生為了完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告而直接寫上最簡(jiǎn)單、穩(wěn)妥的標(biāo)準(zhǔn)答案。2)每次授課班人數(shù)至少是有30名學(xué)生，實(shí)驗(yàn)過程中教師難以全面地考核各位學(xué)生實(shí)驗(yàn)的情況，無法提供針對(duì)性的指導(dǎo)。3)每學(xué)期所有實(shí)驗(yàn)課相關(guān)的資料、作業(yè)和數(shù)據(jù)都存放在分散的計(jì)算機(jī)上面，不便于集中歸檔和管理。實(shí)驗(yàn)室難以利用這些寶貴的數(shù)據(jù)來為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供有價(jià)值的服務(wù)。由于以上弊端的存在，數(shù)學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)模式必須創(chuàng)新才能實(shí)現(xiàn)它的教學(xué)目標(biāo)。
2云平臺(tái)內(nèi)涵
云平臺(tái)包括基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（IaaS），平臺(tái)即服務(wù)（PaaS）和軟件即服務(wù)（SaaS）三個(gè)層次，主要指將硬件和軟件資源進(jìn)行整合，并通過互聯(lián)網(wǎng)以服務(wù)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(shù)特點(diǎn)[6]。從2005年開始，云計(jì)算、云服務(wù)、虛擬化等技術(shù)興起，至今已發(fā)展10年，技術(shù)的成熟性、可靠性得到驗(yàn)證，虛擬化技術(shù)得到大面積的推廣。在教學(xué)領(lǐng)域，云計(jì)算與教學(xué)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(jì)算機(jī)的實(shí)驗(yàn)課程不再是基于單一計(jì)算機(jī)或硬件終端的實(shí)驗(yàn)。
3基于云平臺(tái)的數(shù)學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方案
3.1平臺(tái)架構(gòu)
云實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)需要硬件和軟件相結(jié)合，其建設(shè)原則是充分利用已有的硬件資源。本校數(shù)學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室原有200余臺(tái)式計(jì)算機(jī)、少量服務(wù)器及網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備。通過對(duì)不同云平臺(tái)建設(shè)方案的考察，選擇最具性價(jià)比的云管理系統(tǒng)結(jié)合半虛擬化桌面的建設(shè)方案。數(shù)學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)包含虛擬桌面系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)云資源系統(tǒng)和云實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)3個(gè)部分。硬件架構(gòu)如圖1。3部分系統(tǒng)組合成一個(gè)完整的云實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（模塊構(gòu)成如圖2）。1）虛擬桌面系統(tǒng)負(fù)責(zé)為實(shí)驗(yàn)室的200多臺(tái)pc機(jī)器推送虛擬鏡像軟件和系統(tǒng)，可以設(shè)定并自動(dòng)配置不同的實(shí)驗(yàn)課采用不同的系統(tǒng)方案，效率遠(yuǎn)高于網(wǎng)絡(luò)克隆管理模式，同時(shí)穩(wěn)定性高于純虛擬機(jī)云系統(tǒng)；2）實(shí)驗(yàn)云資源系統(tǒng)管理所有的實(shí)驗(yàn)資源（如實(shí)驗(yàn)講義、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、實(shí)驗(yàn)視頻等），并提供管理接口給其他系統(tǒng)；3）云實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)（如圖3）基于B2C結(jié)構(gòu)，負(fù)責(zé)提供基于云平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能，教師或?qū)W生可以直接從瀏覽器訪問。例如，實(shí)驗(yàn)員可以作為系統(tǒng)管理員，管理學(xué)生信息導(dǎo)入、實(shí)驗(yàn)排課等實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)工作；教師可提交實(shí)驗(yàn)課所需資料，設(shè)定實(shí)驗(yàn)教室和實(shí)驗(yàn)環(huán)境，批閱實(shí)驗(yàn)報(bào)告；學(xué)生可以訪問實(shí)驗(yàn)課程資料，提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告等。
3.2優(yōu)點(diǎn)
采用了新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式后，教師和學(xué)生的反饋意見提到有三個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)：1）基于云平臺(tái)的數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以將相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)資源虛擬化成云資源庫(kù)，以云資源庫(kù)為基礎(chǔ)向?qū)I(yè)學(xué)生提供廣泛的云實(shí)驗(yàn)教學(xué)服務(wù)。在云平臺(tái)中，學(xué)生不需要安裝服務(wù)器程序或任何客戶端軟件就可以利用自己的移動(dòng)設(shè)備終端，在任意時(shí)間、任意地點(diǎn)通過瀏覽器訪問實(shí)驗(yàn)教學(xué)云資源，完成實(shí)驗(yàn)課程學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告提交；2）云平臺(tái)極大提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率。學(xué)生使用實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)時(shí)，可以隨時(shí)切換不同的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)環(huán)境，不用擔(dān)心因操作不當(dāng)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定等問題。而以前計(jì)算機(jī)的實(shí)驗(yàn)軟件和系統(tǒng)安裝是非常耗時(shí)繁瑣的工作，占用了實(shí)驗(yàn)人員大部分的維護(hù)時(shí)間，讓他們沒有更多時(shí)間參與到實(shí)驗(yàn)課教學(xué)輔導(dǎo)工作，間接導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率難以提高；3）可以對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)歸檔和利用。學(xué)生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)保存在學(xué)生賬戶下的私人存儲(chǔ)空間，實(shí)驗(yàn)操作過程也可以存儲(chǔ)。實(shí)驗(yàn)任課老師對(duì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)、在線批改。
4結(jié)語
本文構(gòu)建了基于云平臺(tái)的數(shù)學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，突出3個(gè)特色：1）提供集理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)為一體的平臺(tái)，為推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)深化改革奠定良好基礎(chǔ)；2）通過云平臺(tái)提供的教學(xué)資源共享方便、快捷、易用；3）具有云技術(shù)帶來的其他優(yōu)勢(shì)。基于云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新興IT技術(shù)與新商業(yè)模式的結(jié)合正在潛移默化地改變著教育方式，可以預(yù)見，高校教育的各個(gè)細(xì)分領(lǐng)域，從入學(xué)、學(xué)習(xí)、實(shí)習(xí)、到就業(yè)都將全面開啟一個(gè)智能化的時(shí)代。
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