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數(shù)學(xué)專業(yè)實驗課程教學(xué)模式探索論文
摘要：對數(shù)學(xué)專業(yè)實驗課教學(xué)現(xiàn)狀進行了分析，提出了基于云平臺的數(shù)學(xué)實驗教學(xué)模式，給出了一種具體的云平臺教學(xué)實驗室的硬件建設(shè)和軟件建設(shè)方案。該方案轉(zhuǎn)變了傳統(tǒng)數(shù)學(xué)實驗的管理模式和教學(xué)模式，解決了目前高校數(shù)學(xué)專業(yè)實驗教學(xué)模式單一、學(xué)生積極性低、實驗室建設(shè)成本高，管理效率、利用率、資源共享率低等問題，云平臺的使用提高了實驗教學(xué)效果。
關(guān)鍵詞：云平臺；數(shù)學(xué)專業(yè)實驗；虛擬化；虛擬桌面；實驗教學(xué)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(wù)院2014年公布了國家實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略，重點在于深化高等學(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)濟社會發(fā)展需要，在提高學(xué)�？蒲兴降耐瑫r，還要促進產(chǎn)教融合和校企合作，增強學(xué)生就業(yè)能力和創(chuàng)業(yè)能力。為適應(yīng)信息社會對數(shù)學(xué)人才的需要，數(shù)學(xué)類專業(yè)培養(yǎng)的學(xué)生要能靈活運用數(shù)學(xué)的思想、方法和所掌握的數(shù)學(xué)知識解決實際問題。數(shù)學(xué)專業(yè)實驗室是學(xué)生提高實踐能力的重要場所，實驗課教學(xué)水平直接影響學(xué)生實踐能力培養(yǎng)。為提高實踐課教學(xué)水平，高校開展專業(yè)實驗課程教學(xué)改革，其主要內(nèi)容就是保證實驗課教學(xué)模式以及配套的實驗硬件環(huán)境要與時俱進。關(guān)于如何利用云虛擬化技術(shù)改進實驗教學(xué)效果、提高實驗課時利用率等方面，許多學(xué)者與專家都對此問題進行了研究與探討[2-4,7-8]。
1數(shù)學(xué)實驗教學(xué)的目標與現(xiàn)狀
數(shù)學(xué)實驗是指利用數(shù)學(xué)軟件對數(shù)學(xué)模型進行計算、演繹、繪圖和優(yōu)化等各項處理的實驗[5]。學(xué)生需要運用數(shù)學(xué)知識建立數(shù)學(xué)模型，借助計算機和數(shù)學(xué)軟件來進行求解，通過解決實際問題的過程來學(xué)習(xí)和應(yīng)用數(shù)學(xué)，是結(jié)合數(shù)學(xué)模型進行科學(xué)研究和教學(xué)的新型方法。
1.1數(shù)學(xué)實驗課教學(xué)的目標
數(shù)學(xué)實驗課的目標是使大學(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)研究方法的社會價值。同時學(xué)生通過實驗理論聯(lián)系實踐，可以提高學(xué)習(xí)興趣，加深對抽象概念的理解，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)實驗課傳統(tǒng)教學(xué)模式的現(xiàn)狀
目前大多數(shù)高校的數(shù)學(xué)實驗課教學(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)實驗課的教學(xué)安排大致有兩種：一是作為獨立課程開設(shè)，往往作為數(shù)學(xué)理論課程的后繼課程，實驗項目也是對應(yīng)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(shù)學(xué)專業(yè)課內(nèi)包含少量的實驗學(xué)時，根據(jù)教學(xué)進度適當安排相應(yīng)實驗。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)實驗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)定課時內(nèi)驗證結(jié)論。每個結(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——計算機處理——小結(jié)或進一步思考——填寫實驗報告”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)生進行適當?shù)木毩?xí)。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(guān)的建模方法、數(shù)學(xué)上的解析的或近似的求解方法，然后布置實驗任務(wù)。學(xué)生分小組或獨立建立數(shù)學(xué)模型，設(shè)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(xué)模式實際操作中存在以下弊端：1)實驗課教學(xué)一般進度較快，而課堂上學(xué)生需要一段時間熟悉數(shù)學(xué)專業(yè)軟件的使用，缺乏必要的實驗預(yù)習(xí)和小組討論的時間，容易導(dǎo)致學(xué)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(shù)至少是有30名學(xué)生，實驗過程中教師難以全面地考核各位學(xué)生實驗的情況，無法提供針對性的指導(dǎo)。3)每學(xué)期所有實驗課相關(guān)的資料、作業(yè)和數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)來為實驗教學(xué)提供有價值的服務(wù)。由于以上弊端的存在，數(shù)學(xué)專業(yè)實驗課教學(xué)模式必須創(chuàng)新才能實現(xiàn)它的教學(xué)目標。
2云平臺內(nèi)涵
云平臺包括基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（IaaS），平臺即服務(wù)（PaaS）和軟件即服務(wù)（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(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[6]。從2005年開始，云計算、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、可靠性得到驗證，虛擬化技術(shù)得到大面積的推廣。在教學(xué)領(lǐng)域，云計算與教學(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(shù)學(xué)專業(yè)實驗教學(xué)改革方案
3.1平臺架構(gòu)
云實驗教學(xué)平臺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)實驗室原有200余臺式計算機、少量服務(wù)器及網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備。通過對不同云平臺建設(shè)方案的考察，選擇最具性價比的云管理系統(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(xué)管理系統(tǒng)3個部分。硬件架構(gòu)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(gòu)成如圖2）。1）虛擬桌面系統(tǒng)負責(zé)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(shè)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(wǎng)絡(luò)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(xué)管理系統(tǒng)（如圖3）基于B2C結(jié)構(gòu)，負責(zé)提供基于云平臺的實驗教學(xué)功能，教師或?qū)W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(xué)生信息導(dǎo)入、實驗排課等實驗基礎(chǔ)工作；教師可提交實驗課所需資料，設(shè)定實驗教室和實驗環(huán)境，批閱實驗報告；學(xué)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(xué)模式后，教師和學(xué)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(shù)學(xué)實驗教學(xué)可以將相應(yīng)的實驗資源虛擬化成云資源庫，以云資源庫為基礎(chǔ)向?qū)I(yè)學(xué)生提供廣泛的云實驗教學(xué)服務(wù)。在云平臺中，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設(shè)備終端，在任意時間、任意地點通過瀏覽器訪問實驗教學(xué)云資源，完成實驗課程學(xué)習(xí)和實驗報告提交；2）云平臺極大提高了實驗教學(xué)效率。學(xué)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(dān)心因操作不當導(dǎo)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(xué)輔導(dǎo)工作，間接導(dǎo)致實驗教學(xué)效率難以提高；3）可以對實驗數(shù)據(jù)進行及時歸檔和利用。學(xué)生實驗數(shù)據(jù)保存在學(xué)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(shù)據(jù)進行實時統(tǒng)計、在線批改。
4結(jié)語
本文構(gòu)建了基于云平臺的數(shù)學(xué)專業(yè)實驗教學(xué)模式，突出3個特色：1）提供集理論教學(xué)與實踐教學(xué)為一體的平臺，為推進實驗教學(xué)深化改革奠定良好基礎(chǔ)；2）通過云平臺提供的教學(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�；谠朴嬎恪⒋髷�(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，高校教育的各個細分領(lǐng)域，從入學(xué)、學(xué)習(xí)、實習(xí)、到就業(yè)都將全面開啟一個智能化的時代。
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