趙輝 王靜 劉剛 萬(wàn)波

摘 要：新工科建設(shè)下高校課程體系和培養(yǎng)方式需要不斷提高大學(xué)生的實(shí)踐能力，培養(yǎng)大學(xué)生的工程意識(shí)和創(chuàng)新意識(shí)，進(jìn)而培養(yǎng)出符合新工科建設(shè)的畢業(yè)生。結(jié)合我國(guó)新工科建設(shè)對(duì)大學(xué)生培養(yǎng)的要求，對(duì)新工科背景下大學(xué)生仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了探索。將學(xué)術(shù)研究與工程實(shí)踐相結(jié)合，以學(xué)術(shù)創(chuàng)新為牽引，分析并建立數(shù)學(xué)優(yōu)化模型來(lái)解決問(wèn)題，培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí);以工程實(shí)踐為導(dǎo)向，運(yùn)用所學(xué)的專業(yè)技術(shù)知識(shí)和非技術(shù)工程知識(shí)，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的仿真實(shí)驗(yàn)，鍛煉大學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞：新工科; 學(xué)術(shù)研究; 工程實(shí)踐; 仿真實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：G642.0? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? 文章編號(hào)：1006-3315（2020）11-113-002

1.引言

新工科建設(shè)是應(yīng)對(duì)新經(jīng)濟(jì)的挑戰(zhàn)，從服務(wù)國(guó)家戰(zhàn)略、滿足產(chǎn)業(yè)需求和面向未來(lái)發(fā)展的高度，提出的一項(xiàng)持續(xù)深化工程教育改革的重大行動(dòng)計(jì)劃，其目的是要求工科畢業(yè)生能夠適應(yīng)、支撐、引領(lǐng)新經(jīng)濟(jì)、新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)、新商業(yè)模式的發(fā)展，培養(yǎng)復(fù)合型人才和解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力的大學(xué)生，從而滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要[1，2]。新工科建設(shè)下的高校課程體系和培養(yǎng)方式需要不斷提高大學(xué)生的實(shí)踐能力，培養(yǎng)大學(xué)生的工程意識(shí)和創(chuàng)新意識(shí)，進(jìn)而培養(yǎng)出符合新工科建設(shè)的畢業(yè)生。

以計(jì)算機(jī)學(xué)科為例來(lái)說(shuō)，新工科背景下計(jì)算機(jī)通識(shí)性課程和程序設(shè)計(jì)類課程建設(shè)都面臨著教學(xué)改革的要求[3，4]。尤其在當(dāng)今云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能時(shí)代，云計(jì)算技術(shù)為大數(shù)據(jù)應(yīng)用、人工智能應(yīng)用等提供基礎(chǔ)計(jì)算平臺(tái)，計(jì)算機(jī)學(xué)科面臨著創(chuàng)新和實(shí)踐互相促進(jìn)的迫切需求[5]。一方面，基于云計(jì)算平臺(tái)的學(xué)術(shù)創(chuàng)新層出不窮，引領(lǐng)著國(guó)內(nèi)外的科技不斷創(chuàng)新;另一方面，云平臺(tái)的建設(shè)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，對(duì)于高校計(jì)算機(jī)學(xué)科及相近學(xué)科的大學(xué)生來(lái)說(shuō)，更應(yīng)該熟悉并掌握云平臺(tái)的技術(shù)架構(gòu)、運(yùn)維管理、商業(yè)模式等，提高基于云平臺(tái)的實(shí)踐能力，在云計(jì)算工程應(yīng)用的基礎(chǔ)上提出學(xué)術(shù)創(chuàng)新，從而解決新時(shí)代面臨的基于云平臺(tái)的新的復(fù)雜工程問(wèn)題。

然而，由于各種不確定因素，讓大學(xué)生直接在一個(gè)真實(shí)的云平臺(tái)上進(jìn)行操作或?qū)嶒?yàn)會(huì)帶來(lái)很多意想不到的問(wèn)題。因此，如何在有效的成本投入下，讓計(jì)算機(jī)及相近專業(yè)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)跟上新時(shí)代的步伐，滿足大學(xué)生對(duì)云計(jì)算技術(shù)與服務(wù)的個(gè)性化設(shè)計(jì)，以學(xué)術(shù)創(chuàng)新為牽引，以工程實(shí)踐為導(dǎo)向，使大學(xué)生能夠運(yùn)用所學(xué)的專業(yè)技術(shù)知識(shí)和非技術(shù)工程知識(shí)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)對(duì)云計(jì)算技術(shù)的仿真實(shí)驗(yàn)，縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間和降低實(shí)驗(yàn)費(fèi)用，減少實(shí)際運(yùn)行環(huán)境等因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，將大學(xué)生的學(xué)術(shù)研究與工程實(shí)踐相結(jié)合，是計(jì)算機(jī)學(xué)科及相近學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要關(guān)注的一個(gè)問(wèn)題。

2.學(xué)術(shù)研究與工程實(shí)踐相結(jié)合的云仿真實(shí)驗(yàn)

2.1云仿真實(shí)驗(yàn)背景與意義

對(duì)于計(jì)算機(jī)學(xué)科的大學(xué)生來(lái)說(shuō)，軟件開發(fā)的工程實(shí)踐是十分重要的鍛煉手段，其實(shí)踐性很強(qiáng)，與各種主要的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言、軟件體系架構(gòu)、軟件工程等密切相關(guān)。在以往的培養(yǎng)方案中，往往偏重于對(duì)專業(yè)技術(shù)知識(shí)的教授，培養(yǎng)的畢業(yè)生都擁有一定的專業(yè)技術(shù)知識(shí)，但缺乏相應(yīng)的創(chuàng)新意識(shí)。新工科要求的解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力不僅僅依賴于專業(yè)技術(shù)知識(shí)，還需要將學(xué)術(shù)創(chuàng)新能力與工程實(shí)踐能力相融合。將云計(jì)算學(xué)術(shù)研究與軟件工程實(shí)踐相結(jié)合，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的云仿真實(shí)驗(yàn)，一方面，可以讓大學(xué)生了解并深入云計(jì)算相關(guān)技術(shù)前沿，培養(yǎng)大學(xué)生的學(xué)術(shù)創(chuàng)新意識(shí);另一方面，有助于提高大學(xué)生編程能力和動(dòng)手能力，提高大學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力和工程實(shí)踐能力。

CloudSim[6]是一個(gè)以面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)技術(shù)設(shè)計(jì)的、Java語(yǔ)言編寫的開源云計(jì)算仿真平臺(tái)軟件，能夠支持云平臺(tái)的組件級(jí)建模和行為級(jí)建模，例如數(shù)據(jù)中心管理、資源管理、虛擬機(jī)管理、任務(wù)調(diào)度等。CloudSim功能完備，擴(kuò)展靈活，許多研究人員都基于CloudSim來(lái)完成云計(jì)算相關(guān)的仿真實(shí)驗(yàn)。以工程實(shí)踐為導(dǎo)向，讓大學(xué)生完成基于CloudSim的仿真實(shí)驗(yàn)，入門相對(duì)簡(jiǎn)單，工程量適中，靈活性較強(qiáng)，可以設(shè)計(jì)不同的仿真實(shí)驗(yàn)，有助于培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，鍛煉大學(xué)生的開發(fā)實(shí)踐能力等。

本實(shí)驗(yàn)根據(jù)計(jì)算機(jī)及相近專業(yè)的課程安排，結(jié)合相關(guān)課程的專業(yè)技術(shù)知識(shí)和非技術(shù)工程知識(shí)，如Java程序設(shè)計(jì)、面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)、軟件工程及工程概論等課程知識(shí)，基于CloudSim云計(jì)算仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)。一方面，通過(guò)繼承、重載等面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)CloudSim進(jìn)行二次開發(fā)，擴(kuò)展原有的模塊和類，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)算法，完成仿真實(shí)驗(yàn)，有助于提高計(jì)算機(jī)及相近專業(yè)大學(xué)生的編程實(shí)踐能力，加深對(duì)專業(yè)技術(shù)知識(shí)的理解。另一方面，以工程實(shí)踐為導(dǎo)向，將仿真實(shí)驗(yàn)當(dāng)成一個(gè)具體的軟件項(xiàng)目，在仿真設(shè)計(jì)及仿真編碼實(shí)現(xiàn)過(guò)程中可以實(shí)踐軟件工程項(xiàng)目具體活動(dòng)，如軟件需求分析、軟件設(shè)計(jì)、軟件測(cè)試等，有利于加強(qiáng)計(jì)算機(jī)及相近專業(yè)大學(xué)生的工程實(shí)踐能力，在實(shí)踐中更容易理解專業(yè)技術(shù)知識(shí)和非技術(shù)工程知識(shí)。

綜上，將學(xué)術(shù)研究與工程實(shí)踐相結(jié)合，開展基于CloudSim的云仿真實(shí)驗(yàn)，其意義有：一、能夠結(jié)合計(jì)算機(jī)相關(guān)學(xué)科的專業(yè)特色，實(shí)踐Java程序設(shè)計(jì)、面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)等課程專業(yè)技術(shù)知識(shí)，有助于提高大學(xué)生編程能力和動(dòng)手能力，加深大學(xué)生對(duì)Java程序設(shè)計(jì)和面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)等專業(yè)技術(shù)知識(shí)的理解;二、結(jié)合云計(jì)算、人工智能等高新技術(shù)應(yīng)用，以學(xué)術(shù)研究為牽引，建立數(shù)學(xué)優(yōu)化模型，并采用智能化算法如遺傳算法、蟻群算法等求解，培養(yǎng)本科生的學(xué)術(shù)創(chuàng)新意識(shí);三、以工程實(shí)踐為導(dǎo)向，結(jié)合軟件工程和IT項(xiàng)目管理等課程非技術(shù)工程知識(shí)，實(shí)踐軟件開發(fā)過(guò)程和IT項(xiàng)目管理活動(dòng)，有利于提高大學(xué)生對(duì)軟件工程和IT項(xiàng)目管理的認(rèn)識(shí)和理解。

2.2云仿真實(shí)驗(yàn)主要內(nèi)容

基于CloudSim云計(jì)算仿真平臺(tái)，開展學(xué)術(shù)研究與工程實(shí)踐相結(jié)合的云仿真實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要分為如下兩個(gè)階段。

第一階段：對(duì)CloudSim功能簡(jiǎn)單擴(kuò)展，通過(guò)繼承等面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)技術(shù)擴(kuò)展CloudSim現(xiàn)有模塊和類，設(shè)計(jì)基于CloudSim的虛擬機(jī)管理、任務(wù)調(diào)度等仿真實(shí)驗(yàn)，具體內(nèi)容如下：

（1）結(jié)合Java程序設(shè)計(jì)、面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)等課程專業(yè)技術(shù)知識(shí)，通讀CloudSim仿真平臺(tái)源碼，理解CloudSim各個(gè)模塊和類的關(guān)系，為仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)做準(zhǔn)備;（2）調(diào)研云計(jì)算等研究現(xiàn)狀，并分析其存在的問(wèn)題，以學(xué)術(shù)創(chuàng)新為牽引，建立數(shù)學(xué)優(yōu)化模型，改進(jìn)現(xiàn)有云計(jì)算資源管理與調(diào)度方法，設(shè)計(jì)求解算法和仿真實(shí)驗(yàn)，指導(dǎo)編碼實(shí)現(xiàn);（3）結(jié)合軟件工程等課程專業(yè)技術(shù)知識(shí)和工程概論IT項(xiàng)目管理等課程非技術(shù)工程知識(shí)，以一個(gè)具體的仿真實(shí)驗(yàn)為案例，制定仿真實(shí)驗(yàn)涉及到的軟件開發(fā)過(guò)程，如軟件設(shè)計(jì)、軟件測(cè)試等，以及項(xiàng)目過(guò)程管理計(jì)劃，如范圍管理、時(shí)間管理及質(zhì)量管理等。

第二階段：目前CloudSim僅支持單CPU架構(gòu)的虛擬機(jī)仿真等，面對(duì)大數(shù)據(jù)處理、人工智能深度學(xué)習(xí)等海量計(jì)算時(shí)還需要其他異構(gòu)計(jì)算資源如GPU的支持。因此，需要對(duì)CloudSim進(jìn)行深度開發(fā)，增加GPU等異構(gòu)計(jì)算資源的模擬仿真功能，再針對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)及其它相近專業(yè)的大學(xué)生，設(shè)計(jì)異構(gòu)計(jì)算環(huán)境下基于CloudSim仿真實(shí)驗(yàn)，具體內(nèi)容如下：（1）進(jìn)一步深化Java程序設(shè)計(jì)、面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)等課程專業(yè)技術(shù)知識(shí)理解，擴(kuò)展CloudSim功能，增加GPU功能模塊，使之能夠支持異構(gòu)計(jì)算資源的模擬仿真等;（2）調(diào)研CPU/GPU異構(gòu)云平臺(tái)等研究現(xiàn)狀，并分析CPU/GPU異構(gòu)云平臺(tái)資源管理與調(diào)度存在的問(wèn)題，以學(xué)術(shù)創(chuàng)新為牽引，建立數(shù)學(xué)優(yōu)化模型，面向CPU/GPU異構(gòu)云平臺(tái)改進(jìn)現(xiàn)有云計(jì)算資源管理與調(diào)度方法，設(shè)計(jì)求解算法和仿真實(shí)驗(yàn)，指導(dǎo)編碼實(shí)現(xiàn);（3）結(jié)合軟件工程等課程專業(yè)技術(shù)知識(shí)和工程概論IT項(xiàng)目管理等課程非技術(shù)工程知識(shí)，以一個(gè)具體的仿真實(shí)驗(yàn)為案例，制定仿真實(shí)驗(yàn)涉及到的軟件開發(fā)過(guò)程，如軟件設(shè)計(jì)、軟件測(cè)試等，以及項(xiàng)目過(guò)程管理計(jì)劃，如范圍管理、時(shí)間管理及質(zhì)量管理等。

2.3云仿真實(shí)驗(yàn)主要特色

本實(shí)驗(yàn)的主要特色是：利用大學(xué)生的“理論知識(shí)+編程實(shí)踐+科學(xué)研究”能力完成仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，具體包括：（1）理論知識(shí)：通過(guò)對(duì)CloudSim源碼的研讀，使大學(xué)生對(duì)Java程序設(shè)計(jì)、面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)、軟件工程等專業(yè)技術(shù)知識(shí)有更深入的理解;在仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程中融入項(xiàng)目管理等非技術(shù)工程知識(shí)，加強(qiáng)大學(xué)生的工程意識(shí)和對(duì)項(xiàng)目管理的理解。（2）編程實(shí)踐：采用Java語(yǔ)言和面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)CloudSim進(jìn)行二次開發(fā)及深度開發(fā)，擴(kuò)展相關(guān)模塊和類，擴(kuò)展CloudSim功能，提高大學(xué)生的編程能力和面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的能力;融合軟件工程和項(xiàng)目管理等課程專業(yè)技術(shù)知識(shí)非技術(shù)工程知識(shí)，鍛煉大學(xué)生解決實(shí)際工程問(wèn)題的實(shí)踐能力。（3）科學(xué)研究：通過(guò)閱讀國(guó)內(nèi)外云計(jì)算、異構(gòu)計(jì)算等最新的相關(guān)文獻(xiàn)，了解云計(jì)算、異構(gòu)計(jì)算環(huán)境下的資源管理、虛擬機(jī)管理及任務(wù)調(diào)度等方面的現(xiàn)狀，豐富大學(xué)生的學(xué)術(shù)視野，同時(shí)分析領(lǐng)域內(nèi)存在的問(wèn)題，提出解決問(wèn)題的方法，為大四本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)或繼續(xù)讀研深造打基礎(chǔ)。

3.結(jié)束語(yǔ)

新工科建設(shè)背景下，對(duì)高校大學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力的培養(yǎng)提出了新的要求。將學(xué)術(shù)研究與工程實(shí)踐相結(jié)合，開展基于CloudSim的云仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)于大學(xué)生來(lái)說(shuō)，有助于大學(xué)生貫穿本科階段所學(xué)知識(shí)，加深大學(xué)生對(duì)軟件工程和項(xiàng)目管理的理解，提高大學(xué)生編程能力和解決工程問(wèn)題的實(shí)踐能力，豐富大學(xué)生的學(xué)術(shù)視野，初步培養(yǎng)大學(xué)生的學(xué)術(shù)科研能力。對(duì)于高校教師來(lái)說(shuō)，有利于教學(xué)與科研相互促進(jìn)，科研反哺教學(xué)，為教師提供更好的教學(xué)實(shí)驗(yàn)案例。

西安電子科技大學(xué)2019教改新實(shí)驗(yàn)開發(fā)重點(diǎn)項(xiàng)目。

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[6]CloudSim[DL]http：//www.cloudbus.org/cloudsim/