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數(shù)學(xué)實驗室范文第1篇

一、數(shù)學(xué)實驗的必要性

數(shù)學(xué)的學(xué)習(xí)同樣需要實驗?，F(xiàn)代的教學(xué)無論是從理念還是教育手段等方面都與以往大不相同了。特別是以計算機(jī)為代表的信息社會的發(fā)展，教育教學(xué)更加離不開信息技術(shù)。在《普通高中數(shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》也有指出：現(xiàn)代信息技術(shù)的廣泛使用是教育教學(xué)方面的一種技術(shù)革新，對教育教學(xué)產(chǎn)生著重大的影響。高中數(shù)學(xué)的教學(xué)中更應(yīng)該把教學(xué)和信息技術(shù)有機(jī)地整合到一起。通過信息技術(shù)的輔助教學(xué)，學(xué)生們可以更加容易理解和接受知識，認(rèn)識到數(shù)學(xué)知識的本質(zhì)。所以在高中數(shù)學(xué)的教學(xué)中，教師更應(yīng)該適當(dāng)?shù)乩眯畔⒓夹g(shù)的輔助來完成一些以往很難展現(xiàn)出來的知識或知識的變化規(guī)律。鼓勵學(xué)生們把現(xiàn)代信息技術(shù)融合到數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)中，提倡以數(shù)學(xué)實驗的方式來對知識進(jìn)行探索和研究。這里我們所說的數(shù)學(xué)實驗與其他科目的實驗有相同之處，又有不同之處。相同之處都是通過觀察和操作等方式來更進(jìn)一步地分析和理解知識，認(rèn)清知識的本質(zhì)。不同之處是實驗用具不同，數(shù)學(xué)實驗室的建立是以數(shù)學(xué)軟件為基礎(chǔ)的，也就是通過數(shù)學(xué)軟件來進(jìn)行實驗。這是一種依托于現(xiàn)代信息技術(shù)和軟件技術(shù)的方便、快捷的試驗方式。

隨著信息技術(shù)的更新和教育科技的不斷進(jìn)步，為了提高數(shù)學(xué)課堂的有效性，全面發(fā)展學(xué)生的能力，越來越多的數(shù)學(xué)軟件可以運(yùn)用在數(shù)學(xué)教學(xué)中，教師們在課堂上可以通過一些軟件的輔助來呈現(xiàn)一些語言文字無法完整呈現(xiàn)和表達(dá)出來的知識，打破了傳統(tǒng)教育的局限性。很多數(shù)學(xué)研究也是依靠數(shù)學(xué)軟件的輔助來進(jìn)行模擬實驗的，通過實驗可以很好地解決一些在平常遇到的數(shù)學(xué)難題?，F(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)資源非常豐富，有關(guān)這類的軟件有很多，教師可以根據(jù)自己的使用習(xí)慣來下載和安裝一些實用的軟件，常用的如《Mathematic》、《Matlab》、《GeoGebra》和《幾何畫板》等。這些軟件不但可以輔助平時的數(shù)學(xué)畫圖，還可以對一些尋找規(guī)律的問題進(jìn)行探究，在使用上方便快捷。以這些軟件來建立一個數(shù)學(xué)實驗室，是非?，F(xiàn)實且有效的。

二、數(shù)學(xué)實驗具體過程

通過軟件的應(yīng)用，在教學(xué)實踐中也嘗試探究過一些數(shù)學(xué)問題，相對于傳統(tǒng)的教學(xué)方式，這種探究取得了很好的效果。

其實這也就是說明數(shù)學(xué)軟件應(yīng)用于探求數(shù)學(xué)問題是非常優(yōu)勢的。學(xué)生們通過軟件的操作和實驗，可以得到一些在平時很難感受到的思維過程。數(shù)學(xué)實驗可以幫助學(xué)生們經(jīng)歷整個過程，讓學(xué)生們更容易理解知識的本質(zhì)。是一種更加直觀的教學(xué)。

數(shù)學(xué)實驗室范文第2篇

美籍匈牙利數(shù)學(xué)家G?波利亞曾指出：“數(shù)學(xué)是一門系統(tǒng)的演繹科學(xué)，是一門試驗性的歸納科學(xué)?！敝臄?shù)學(xué)家弗賴登塔爾也曾指出：“要實踐真正的數(shù)學(xué)教育，必須從根本上以不同的方式組織教學(xué)，否則是不可能的?！痹趥鹘y(tǒng)的課堂里，教學(xué)方式受環(huán)境限制不可能得到自由的發(fā)展。那么，未來數(shù)學(xué)探究的實驗室應(yīng)該是什么樣呢？

北京中教啟星是國內(nèi)最早提出未來數(shù)學(xué)探究實驗室建設(shè)方案的企業(yè)之一。在中教啟星未來數(shù)學(xué)探究實驗室的建設(shè)方案中，通過計算機(jī)、移動學(xué)習(xí)終端和數(shù)學(xué)軟件，不僅能讓抽象的數(shù)學(xué)變得直觀、形象，還能夠幫助學(xué)生更加深刻地理解數(shù)學(xué)概念、認(rèn)識數(shù)學(xué)本質(zhì)、掌握數(shù)學(xué)思想方法；使抽象的數(shù)量關(guān)系得到直觀的圖形體現(xiàn)，使繁雜的運(yùn)算技巧，化為程序化的機(jī)械操作，使慎密的邏輯推理變成實驗化的歸納演繹；提升學(xué)生對于生活中數(shù)據(jù)的分析能力和數(shù)學(xué)知識的應(yīng)用能力。

通過新型數(shù)學(xué)教學(xué)模型和三維數(shù)學(xué)軟件，教師可以設(shè)置“觀察”“思考”“探究”等教學(xué)環(huán)節(jié)，以確?！爸庇^感知—操作確認(rèn)—思辨論證—度量計算”四個層次的認(rèn)識過程的展開和實施。從學(xué)生經(jīng)歷的實際背景中抽象出數(shù)學(xué)模型，從現(xiàn)實的生活空間中抽象出幾何圖形和幾何問題。結(jié)合豐富的環(huán)境設(shè)計元素，從而實現(xiàn)變“學(xué)”數(shù)學(xué)為“做”數(shù)學(xué)，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)的積極性。建設(shè)數(shù)學(xué)探究實驗室，有利于高中數(shù)學(xué)課程的研究與開發(fā)，能有效地促進(jìn)教師教學(xué)方式的轉(zhuǎn)變。

數(shù)學(xué)探究實驗室的建設(shè)，注重利用信息技術(shù)手段，特別是前沿的教育信息技術(shù)。利用國際領(lǐng)先的教學(xué)儀器設(shè)備，為方便學(xué)生查閱各種數(shù)學(xué)信息資料及各課標(biāo)教材涉及的數(shù)學(xué)案例資料創(chuàng)造條件，學(xué)生可以在數(shù)學(xué)探究實驗室進(jìn)行實踐活動、探究性學(xué)習(xí)和學(xué)科實驗活動。在改善學(xué)生數(shù)學(xué)知識結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)學(xué)生數(shù)學(xué)技能的基礎(chǔ)上，數(shù)學(xué)探究實驗室能夠幫助學(xué)生實現(xiàn)自主學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)知識、發(fā)展數(shù)學(xué)思維的能力；提升學(xué)生的數(shù)學(xué)建模思想和實際應(yīng)用性問題的解決能力。學(xué)生能夠?qū)?shù)學(xué)與生活之間的問題做出正確的判斷和分析，更加關(guān)注生活中的數(shù)學(xué)問題，并加深對于數(shù)學(xué)知識的理解。

隨著教育改革的逐步向前推進(jìn)，教育管理者和教師已經(jīng)意識到，學(xué)生的優(yōu)秀體現(xiàn)在能夠面對現(xiàn)實世界的挑戰(zhàn)，解決實際問題，而不是只擅長考試。信息技術(shù)與學(xué)科高度融合，將能夠做到啟迪和幫助學(xué)生真正掌握數(shù)學(xué)和科學(xué)概念，有效解決中學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)中的重點、難點問題，培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力，讓學(xué)生全面發(fā)展。

數(shù)學(xué)實驗室范文第3篇

教學(xué)實驗指的是引導(dǎo)學(xué)生通個操作實踐、試驗來進(jìn)行操作學(xué)習(xí)的數(shù)學(xué)教學(xué)的形式?！稊?shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》明確提出"動手實踐"是學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)的重要方式之一。因此，數(shù)學(xué)實驗進(jìn)入數(shù)學(xué)課堂是一種十分值得重視的教學(xué)方法。

1.數(shù)學(xué)課堂中開展實驗教學(xué)的作用。

1.1 能激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲

小學(xué)生天性活潑好動，他們對任何事物都具有好奇心，要讓每一個小學(xué)生，特別是低年級的小同學(xué)安安靜靜地聽老師滔滔不絕地演講是不可能的，也不符合他們的成長規(guī)律，更違背了他們的天性。課堂上多讓他們動手"摸一摸"、"量一量"、"剪一剪"，這樣不僅能滿足他們的好奇心，更能體會學(xué)習(xí)給他們帶來的快樂。

1.2 可以培養(yǎng)學(xué)生的自主創(chuàng)新能力

在教學(xué)課堂上開展實驗教學(xué)，從而使課堂已經(jīng)不再是老師或個別優(yōu)秀學(xué)生表演的場所。由于學(xué)生認(rèn)知的不定性，從而導(dǎo)致結(jié)論的不確定性。讓學(xué)生充滿著好奇之心，不同程度地參與到活動中去，在老師有效的引導(dǎo)下，通過觀察、實驗去獲得感性認(rèn)識。這樣，學(xué)生以一個研究者的姿態(tài)，通過"做實驗"來學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)，在"實驗室"中觀察到"數(shù)學(xué)現(xiàn)象"，發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，從而培養(yǎng)學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力。

1.3 可以激勵學(xué)生的分析應(yīng)用能力

在數(shù)學(xué)課堂中開展實驗教學(xué)，重在強(qiáng)調(diào)學(xué)生自己動手操作能力，以實驗設(shè)計到操作，到得出結(jié)論與反思都要求學(xué)生親自去參與，在這一系列的實驗操作過程中學(xué)生不可避免地會遇到困難，教師在這些環(huán)節(jié)中可以加強(qiáng)引導(dǎo)，讓學(xué)生在分析中操作，在操作中分析，讓理論的數(shù)學(xué)成為實踐的學(xué)習(xí)，從而加強(qiáng)學(xué)生的分析應(yīng)用能力。

1.4 加強(qiáng)學(xué)生的合作交流，培養(yǎng)集體主義精神

與一般科學(xué)實驗一樣，數(shù)學(xué)實驗教學(xué)也經(jīng)常要以小組來完成，通過小組的猜想、操作、試驗、觀察、發(fā)現(xiàn)、交流、討論，從而得到結(jié)論，這樣通過小組活動與實驗鍛煉了每個學(xué)生的協(xié)作能力，形成互信互重的良好品質(zhì)，同時感悟集體力量的作用。

2.如何在教學(xué)課堂中開展實驗教學(xué)

《新的課程標(biāo)準(zhǔn)》強(qiáng)調(diào)，數(shù)學(xué)教學(xué)要與生活實際相聯(lián)系，讓學(xué)生體會到生活中處處有數(shù)學(xué)，數(shù)學(xué)來源于生活，又服務(wù)于生活，又有用于生活。數(shù)學(xué)具有豐富的內(nèi)涵，它具體表現(xiàn)在靈活運(yùn)用之中，特別的小學(xué)數(shù)學(xué)，它作為一門基礎(chǔ)性學(xué)科，有著其特殊的應(yīng)用價值，能活學(xué)還在活用。教師要致力于設(shè)計實驗教學(xué)，貼近生活，應(yīng)用于生活，以符合小學(xué)生的成長歷史特點和認(rèn)知規(guī)律。

2.1 借用學(xué)生熟悉的現(xiàn)象進(jìn)行實驗

小學(xué)生，特別是低年級的學(xué)生，他們的理論知識不是很豐富，因此，教師要充分把握學(xué)生的成長歷史，充分利用他們熟悉的現(xiàn)象，通過實踐讓學(xué)生掌握知識。例如：在教學(xué)生書寫"4"字時，因為"4字象紅旗"讓學(xué)生觀看、發(fā)言，之后各組沿著紅旗邊沿畫，看得到的是不是"4"字，最后再交流怎么寫"4"字。

2.2 貼近生活實際，以活動的方式進(jìn)行實驗

在學(xué)習(xí)"米、厘米"以及"如何進(jìn)行測量"的課程中，教師在上課中， 并沒有在課堂之前堆疊似的讓學(xué)生認(rèn)識這些單位，而是把學(xué)生分成小組用刻度尺分別對課堂教室門、窗、課桌等進(jìn)行測量，最后各組交流反思，得出測量的方法和絕論，從而認(rèn)識"米、厘米"以及"如何進(jìn)行測量"這樣的課程，這樣的教學(xué)，不僅讓學(xué)生在快樂輕松的環(huán)境之中學(xué)習(xí)，更是在不斷的實踐、分折討論之中得出結(jié)論，從而加深了對"米、厘米"的理解，更重要的是在反復(fù)的實驗中把握了用刻度尺測量物體長度的方法，同時在反思領(lǐng)悟了測量時的注意事項。

2.3 由淺入深，逐步深入

數(shù)學(xué)實驗室范文第4篇

關(guān)鍵詞：教學(xué)改革；數(shù)學(xué)實驗；數(shù)學(xué)軟件

高等數(shù)學(xué)已成為當(dāng)今高職院校公共基礎(chǔ)課中的重要課程之一，然而它的意義和作用卻不易為人理解，主要表現(xiàn)在其學(xué)習(xí)投入大而見效慢。事實上，計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展不僅大大加強(qiáng)了高等數(shù)學(xué)在科學(xué)技術(shù)中的基礎(chǔ)地位，而且使高等數(shù)學(xué)日益成為高科技的關(guān)鍵知識和經(jīng)濟(jì)競爭的推動力，所以也是理工類、經(jīng)濟(jì)類學(xué)生必須具備的基本知識和思維素質(zhì)。隨著科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新和知識更新的速度加快，傳統(tǒng)教學(xué)觀念和教學(xué)方法已跟不上形勢的發(fā)展，因此，高等數(shù)學(xué)課程的改革勢在必行。

一、高等數(shù)學(xué)課程的教學(xué)改革

1.1 高等數(shù)學(xué)教學(xué)中的主要矛盾。伴隨著高中階段教育普及程度的提高和高等教育大眾化步伐的加快，接受高等職業(yè)教育的學(xué)生在數(shù)學(xué)知識方面的差異性越來越大。大部分高校高等數(shù)學(xué)的教學(xué)中都普遍存在一些矛盾[1]，如 ：數(shù)學(xué)知識的起點高與學(xué)生整體數(shù)學(xué)素質(zhì)低的矛盾；教學(xué)內(nèi)容的含量多與教學(xué)課時少的矛盾；傳授數(shù)學(xué)知識與培養(yǎng)數(shù)學(xué)應(yīng)用能力的矛盾；教學(xué)資源的有限與學(xué)生需求多樣化的矛盾等等。

1.2 主要改革措施。針對教學(xué)中存在的以上矛盾，不少高校進(jìn)行了各種各樣的改革，總的來說主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）教學(xué)理念發(fā)生轉(zhuǎn)變，由過去的傳授知識逐漸向素質(zhì)教育過渡，更加注重培養(yǎng)學(xué)生的思維能力和應(yīng)用能力；（2）教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，由原來注重學(xué)科的完整性、統(tǒng)一性逐漸轉(zhuǎn)向為專業(yè)課程服務(wù)的工具性，結(jié)合專業(yè)設(shè)置相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容，逐漸改變了過去不分專業(yè)的“大一統(tǒng)”現(xiàn)象；（3）教學(xué)方法更加注重多樣性，在傳統(tǒng)講授法的基礎(chǔ)上輔以問題啟發(fā)法、報告法、案例驅(qū)動法等新方法，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；（4）教學(xué)手段更加現(xiàn)代化，強(qiáng)調(diào)借助多媒體更形象地闡述問題。下面談?wù)勎以焊叩葦?shù)學(xué)課程的教學(xué)改革。我們以前使用的教材內(nèi)容豐富、詳實細(xì)致，偏重知識傳授、強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，對知識的發(fā)生發(fā)展過程、應(yīng)用數(shù)學(xué)知識解決實際問題、高職學(xué)生的數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)特點等很少關(guān)注。經(jīng)過幾年的使用我們發(fā)現(xiàn)教與學(xué)都越來越吃力，于是對教材內(nèi)容進(jìn)行了大膽的改革，本著簡單化、形象化、實用化原則，刪除了原教材中抽象的理論和復(fù)雜的計算，保留基本概念、基本原理和基本方法。比方說定理基本上不再證明，教師講解的時候再介紹知識的來源、解釋定理的內(nèi)容和用途；能用圖像說明的問題盡量不用文字說明；例題注重簡單、經(jīng)典、實用，通過例題讓學(xué)生掌握方法即可。新教材通過一學(xué)年的使用，學(xué)生比較容易接受，比如讓學(xué)生最頭疼的不定積分計算，用Mathematica數(shù)學(xué)軟件只需要掌握操作命令很輕易地就可以解決了，基本改變了學(xué)生“高等數(shù)學(xué)難學(xué)”的觀念，也大大降低了高等數(shù)學(xué)課程的補(bǔ)考率。

二、數(shù)學(xué)實驗的探索

在現(xiàn)代教育技術(shù)支持下，改革傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)教學(xué)模式，實施數(shù)學(xué)實驗教學(xué)，已成為數(shù)學(xué)教學(xué)改革的一個重要取向，越來越受到教育界的關(guān)注[2]。

2.1 實驗教學(xué)的意義。數(shù)學(xué)課堂中的實驗教學(xué)是學(xué)生在課堂上參與數(shù)學(xué)軟件操作的探索過程，這在很大程度上能夠滿足學(xué)生好奇、好玩、好動的天性，使枯燥無味的數(shù)學(xué)變得形象生動，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生的數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)興趣。數(shù)學(xué)課堂上的分組實驗教學(xué)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的協(xié)作精神，能夠提高學(xué)生應(yīng)用數(shù)學(xué)方法解決實際問題的意識與能力，對于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維、創(chuàng)新意識和實踐能力具有特殊的作用[3]。

2.2 運(yùn)用Mathematica軟件進(jìn)行實驗教學(xué)的嘗試。盡管我院高等數(shù)學(xué)教材也引入了Mathematica軟件的應(yīng)用內(nèi)容，但由于課時少和教學(xué)資源的限制，這部分內(nèi)容并沒有真正進(jìn)入課堂。要想轉(zhuǎn)變學(xué)生“高等數(shù)學(xué)枯燥無趣”的觀念，就要改變我們的教學(xué)方法和教學(xué)模式，點燃學(xué)生的興奮點。Mathematica軟件的使用并不困難，但是輸入的內(nèi)容要精準(zhǔn)，要符合系統(tǒng)設(shè)定的格式，錯一個標(biāo)點符號都無法運(yùn)行。在實驗中，讓學(xué)生親自上機(jī)現(xiàn)場操作、發(fā)現(xiàn)錯誤、解決問題的過程，培養(yǎng)了學(xué)生思維的嚴(yán)謹(jǐn)性、創(chuàng)新意識和團(tuán)隊協(xié)作精神。通過實踐，我們發(fā)現(xiàn)實驗教學(xué)尚存在以下問題：部分學(xué)生課前準(zhǔn)備工作不充分，電腦操作不熟，導(dǎo)致課堂時間的浪費；一些在理論學(xué)習(xí)中成績較好的學(xué)生，在實驗教學(xué)中的表現(xiàn)卻差強(qiáng)人意，這說明了一些學(xué)生的動手能力、應(yīng)用能力和創(chuàng)新意識比較薄弱。

三、高等數(shù)學(xué)課程改革的建議

目前，高等數(shù)學(xué)課程雖然在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法等方面已進(jìn)行了一系列改革，但從事高等數(shù)學(xué)教學(xué)的大部分教師由于對現(xiàn)代實用技術(shù)了解不多，所以在教學(xué)過程中缺乏工程知識背景，授課內(nèi)容往往以一本教材內(nèi)容為主，忽視教學(xué)對象的特征，單純地傳授數(shù)學(xué)理論知識，這種“注入式”的教學(xué)方式不利于學(xué)生數(shù)學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)，也很難調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)的熱情。為推進(jìn)數(shù)學(xué)課程改革我們有以下幾點建議。

3.1 豐富教學(xué)形式。高等數(shù)學(xué)課程在一年級開設(shè)兩個學(xué)期，第一學(xué)期的學(xué)習(xí)內(nèi)容安排的是基礎(chǔ)內(nèi)容即微積分部分，除去實訓(xùn)時間一周4個學(xué)時；第二學(xué)期大部分院校課時減少并且學(xué)習(xí)內(nèi)容難度有所加大，這可能也是導(dǎo)致部分學(xué)生學(xué)習(xí)熱情下降的原因之一。鑒于此我們有必要改變單一的教學(xué)模式，比如增加數(shù)學(xué)實驗課，舉辦學(xué)生感興趣的講座，開展與數(shù)學(xué)應(yīng)用相關(guān)的科技活動等，另外還可以開設(shè)數(shù)學(xué)選修課，比如數(shù)學(xué)史、數(shù)學(xué)的思想和方法、數(shù)學(xué)建模等，想盡辦法豐富教學(xué)形式，利用各種手段調(diào)動學(xué)生的積極性和主動性，營造良好的學(xué)習(xí)氛圍。

3.2 建立網(wǎng)絡(luò)互動交流平臺。數(shù)學(xué)課時量少，教師身上的教學(xué)任務(wù)重，批改作業(yè)量大，與學(xué)生的交流與輔導(dǎo)答疑時間嚴(yán)重缺乏，為改善這種狀況，可以利用網(wǎng)絡(luò)建立“虛擬教學(xué)研討室”，搭建起教師與學(xué)生之間、學(xué)生與學(xué)生之間進(jìn)行交流研討的平臺。學(xué)生可以在此提出問題，評論教師的講課內(nèi)容，漫談學(xué)習(xí)心得，請教疑難問題，教師對學(xué)生的討論要及時做出回應(yīng)。

3.3 加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。在數(shù)學(xué)改革的風(fēng)潮中，發(fā)展快的院校已成功把數(shù)學(xué)實驗與數(shù)學(xué)建模引入課堂[4]，并且在全國大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競賽中取得豐碩的成果，而數(shù)學(xué)實驗與數(shù)學(xué)建模都需要基礎(chǔ)設(shè)施做支撐，即實驗室、各種數(shù)學(xué)軟件還有相關(guān)教材、輔導(dǎo)材料。結(jié)合各校的實際情況，可考慮循序漸進(jìn)地建立小規(guī)模的數(shù)理實驗室，整理、更新、建設(shè)師生資料庫，這一方面可以為師生的科研活動提供平臺；另一方面也為推動數(shù)學(xué)課程改革和今后數(shù)學(xué)建?；顒拥拈_展打下基礎(chǔ)。

數(shù)學(xué)實驗室范文第5篇

關(guān)鍵詞 數(shù)學(xué)實驗；云平臺；分布式計算；MATLAB

中圖分類號：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）04-0012-03

Abstract This article elaborates design and implementation of the cloud platform of mathematical experiments， and the key technologies used in the process of platform development. The cloud platform is an integrated environment of mathematical experiments on the internet with openness， real-time and accessibility and capable of executing distributed computations. It is able to provide the online service of mathematical experiments and scientific computations for teachers and students， moreover solve complex computation problems. The cloud platform is a way to share the computational resources of high quality in mathematical laboratory within and between campuses， and explore the development road of mathematical laboratory in future.

Key words mathematical experiments； cloud platform； distributed computing； MATLAB

1 前言

目前國內(nèi)眾多高校的數(shù)學(xué)實驗室是基于局域網(wǎng)的以微機(jī)為主體的機(jī)房，難以將其計算資源共享給廣大師生或者科研人員使用，不具備開展大型實驗項目和執(zhí)行大型計算任務(wù)的能力，如大數(shù)據(jù)的分析處理。如何整合數(shù)學(xué)實驗室的計算資源，使之能夠提供高性能的計算服務(wù)，并將計算服務(wù)方便快捷地提供給廣大師生使用，是數(shù)學(xué)實驗室建設(shè)中亟待解決的問題[1]。

因此，一些學(xué)者提出基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬數(shù)學(xué)實驗室，具有網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行MATLAB程序的功能，能進(jìn)行簡單的數(shù)學(xué)實驗，具有一定的實驗教學(xué)管理功能；還有一些研究提出基于Web和MATLAB的虛擬實驗系統(tǒng)，這些系統(tǒng)針對特定的數(shù)學(xué)實驗項目編制，允許學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)修改模型參數(shù)進(jìn)行演示[2-3]。目前這種基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)實驗室或者虛擬實驗系統(tǒng)，不能進(jìn)行分布式計算，難以開展大型的數(shù)學(xué)實驗項目和完成復(fù)雜的科學(xué)計算任務(wù)，難以處理大規(guī)模的并發(fā)訪問，離實際應(yīng)用還有一段距離。

本文應(yīng)用云計算的技術(shù)理念，提出構(gòu)建基于J2EE（Java 2 Platform， Enterprise Edition）和MATLAB分布式計算技術(shù)的數(shù)學(xué)實驗云平臺，實現(xiàn)數(shù)學(xué)實驗室的多核、多處理器、多臺微機(jī)和大型數(shù)值計算軟件等優(yōu)質(zhì)計算資源的校內(nèi)和校際共享，滿足廣大師生日益增長的科學(xué)計算需求，特別是在分布式計算和大數(shù)據(jù)處理方面的計算需求。

2 數(shù)學(xué)實驗云平臺的設(shè)計

系統(tǒng)概述 云計算既指在互聯(lián)網(wǎng)上以服務(wù)方式提供的應(yīng)用系統(tǒng)程序，又指在數(shù)據(jù)中心用來提供這些服務(wù)的硬件和系統(tǒng)軟件。云計算可理解為并行計算、分布式計算和網(wǎng)格計算的發(fā)展，或者說是這些計算機(jī)科學(xué)概念的商業(yè)實現(xiàn)[4]。

實驗云是遠(yuǎn)程實驗技術(shù)與云計算技術(shù)的融合，將改變傳統(tǒng)的教育模式。數(shù)學(xué)實驗云平臺應(yīng)用云計算的技術(shù)理念，將數(shù)學(xué)實驗和科學(xué)計算理解為可以提供給用戶的服務(wù)，數(shù)學(xué)實驗室的軟硬件資源為生產(chǎn)該服務(wù)的基礎(chǔ)設(shè)施。因此，數(shù)學(xué)實驗云平臺定義為云計算技術(shù)下的集成數(shù)學(xué)實驗環(huán)境，為學(xué)生、教師和其他用戶提供即時的云端數(shù)學(xué)實驗和科學(xué)計算服務(wù)，如并行計算、分布式計算和大數(shù)據(jù)處理等計算服務(wù)，讓傳統(tǒng)數(shù)學(xué)實驗室的計算和服務(wù)能力有質(zhì)的飛躍。

功能模塊設(shè)計 數(shù)學(xué)實驗云平臺是一個集成的數(shù)學(xué)實驗環(huán)境，在此環(huán)境中主要的操作對象有教師、學(xué)生、執(zhí)行特定計算的科研人員和平臺管理人員，該平臺主要功能集中在數(shù)學(xué)實驗、課程管理、科學(xué)計算、協(xié)作交流和資源共享等，具體的功能模塊有：

1）數(shù)學(xué)實驗，用戶通過該模塊接收數(shù)學(xué)實驗任務(wù)、在線進(jìn)行數(shù)學(xué)實驗、查看實驗結(jié)果及實驗成績、撰寫并提交實驗報告和儲存及查看歷次實驗記錄；

2）科學(xué)計算，用戶通過該模塊提交計算任務(wù)、編寫計算程序、上傳相關(guān)數(shù)據(jù)和獲取計算結(jié)果，進(jìn)行項目管理；

3）課程管理，該模塊使用者主要為數(shù)學(xué)實驗教師，主要功能有實驗任務(wù)、收集并查看實驗報告、評定實驗成績等；

4）協(xié)作圈子，該模塊幫助用戶完成需要團(tuán)隊合作的實驗或者科研項目，在一個圈子里，圈子成員共享實驗空間、代碼空間，在線討論交流等；

5）文件管理與共享，該模塊提供講義、輔助材料、課程錄音、錄像等課程資源的存儲和共享；

6）人員管理，該模塊用于管理教師、學(xué)生和其他人員的個人信息，包括所上課程、所侔嗉妒笛樾∽榛蛘嚦蒲謝構(gòu)、參與項目、項目角色等信息。

3 數(shù)學(xué)實驗云平臺的技術(shù)實現(xiàn)

系統(tǒng)架構(gòu) 數(shù)學(xué)實驗平云臺基于J2EE和MATLAB集群技術(shù)開發(fā)，采用B/S（Browser/Server，瀏覽器/服務(wù)器）架構(gòu)，如圖1所示。Web服務(wù)器負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)邏輯控制，MATLAB集群負(fù)責(zé)數(shù)學(xué)實驗和科學(xué)計算，數(shù)據(jù)庫負(fù)責(zé)存儲用戶信息、實驗和計算代碼、計算結(jié)果、分析報告等。用戶從網(wǎng)頁上發(fā)出計算請求，用戶的請求給Web服務(wù)器處理之后，將發(fā)往MATLAB集群管理器，集群管理器給各計算機(jī)分配作業(yè)，完成計算任務(wù)后將收集計算結(jié)果并通過Web服務(wù)器返回給用戶，其他需要存儲的信息發(fā)往數(shù)據(jù)庫。服務(wù)器端軟件包括J2EE Server（Apache Tomcat 7.0.52）、MATLAB 2012a和SQL Sever2005。

MATLAB分布式計算集群的搭建 MATLAB分布式計算環(huán)境由其并行計算工具箱（Parallel Computing Toolbox）、分布式計算服務(wù)器軟件（MATLAB Distributed Computing Server）和計算機(jī)集群構(gòu)成（Math Works. 2012. MATLAB Reference guide. Natick， MA， USA）。在MATLAB集群架構(gòu)中有3種角色：客戶端（Client）、作業(yè)管理器（Job Manager）、Worker。客戶端是發(fā)起計算任務(wù)的MATLAB線程，客戶端發(fā)起的計算任務(wù)稱為作業(yè)（job），作業(yè)是運(yùn)行在MATLAB上的大型運(yùn)算，客戶端在并行計算工具箱的支持下定義作業(yè)并將其分割成若干個可以同時進(jìn)行的小的運(yùn)算，這些小的運(yùn)算稱為任務(wù)（task）；客戶端將作業(yè)發(fā)送給作業(yè)管理器，作業(yè)管理器是服務(wù)端應(yīng)用程序的一部分，用來協(xié)調(diào)管理作業(yè)及其任務(wù)的執(zhí)行；作業(yè)管理器將任務(wù)分配給服務(wù)端獨立的MATLAB線程進(jìn)行計算，這些MATLAB線程稱為Worker；Worker運(yùn)行結(jié)束返回結(jié)果給作業(yè)管理器，再由分布式計算工具箱對其結(jié)果進(jìn)行合并，得出最終結(jié)果發(fā)送給客戶。

在一臺計算機(jī)上，MATLAB并行工具箱只允許最多12個Worker同時運(yùn)行，要使用更多的Worker，需要通過MATLAB的分布式計算服務(wù)器軟件組建MATLAB集群。MATLAB集群的搭建分為四大步驟：MATLAB軟件的安裝、搭建集群局域網(wǎng)、分布式引擎的安裝（MATLAB Distributed Computing Engine，

MDCE）、作業(yè)管理器和Worker的啟動配置。MDCE是MATLAB的分布式計算服務(wù)器軟件的一部分，用以維護(hù)Worker之間、Worker與作業(yè)管理器之間的通信，打開集群內(nèi)各計算機(jī)的終端界面，進(jìn)入MATLAB的安裝路徑“/toolbox/distcomp/bin”下，輸入命令“mdce install”安裝MDCE。安裝完畢后，輸入“mdce-version”，出現(xiàn)MDCE版本信息則說明安裝成功，此時，輸入“mdce start”，開啟分布式計算服務(wù)。啟動

MDCE服務(wù)后，輸入“startjobmanager-name”命令創(chuàng)建作業(yè)管理器。

學(xué)生的數(shù)學(xué)實驗程序較簡單，計算量小，但是面臨大量學(xué)生并發(fā)訪問的問題；科學(xué)計算則針對大型計算或者大數(shù)據(jù)處理，用戶數(shù)較少，但每次計算需要占用大量計算資源。為利用MATLAB集群高效完成這兩項功能，在MATLAB集群中建立兩類作業(yè)管理器：一類是數(shù)學(xué)實驗作業(yè)管理器，名為EJobManager，擁有80個Worker；一類是科學(xué)計算作業(yè)管理器，名為SJobManager，擁有120個Worker，分別接受數(shù)學(xué)實驗和科學(xué)計算任務(wù)。

MATLAB分布式計算集群的Web調(diào)用 Matlabcontrol是讓Java程序與MATLAB交互的API，可以實現(xiàn)從Java程序向MATLAB發(fā)送命令，讓MATLAB執(zhí)行某個M文件等，其jar包可以在goole code中下載。Matlabcontrol調(diào)用MATLAB分為四大步驟：設(shè)置獲取MATLAB時的相關(guān)參數(shù)，通過MatlabProxy的工廠方法獲取，運(yùn)行代碼獲取結(jié)果，關(guān)閉。在實際應(yīng)用中獲取和關(guān)閉MATLAB要消耗大量的系統(tǒng)資源，運(yùn)行起來也非常慢。為此，筆者建立一個MATLAB池。池在服務(wù)器開啟之時初始化，創(chuàng)建一定默認(rèn)數(shù)量的MATLAB，并且設(shè)置一定的限制規(guī)則：設(shè)置池內(nèi)最大數(shù)，達(dá)到這個數(shù)目后，新增用戶需要等待其他用戶釋放。在這個機(jī)制下，用戶可以直接在池中獲得空閑的，而不是每次連接時新建一個；使用完了之后也不是直接關(guān)閉它，而是將放入池中。同時在Servlet中還設(shè)置了一個監(jiān)聽器來監(jiān)聽每個所使用的連接數(shù)，可以標(biāo)記一個MATLAB進(jìn)程同時被多少個用戶所使用。本文系統(tǒng)以每個同時最多由20個客戶使用作為限制。

用戶向Web服務(wù)器發(fā)送求，Web服務(wù)器通過Matlab-control建立與服務(wù)端的MATLAB鏈接，用戶通過此鏈接向MATLAB集群上的作業(yè)管理器注入作業(yè)，從而實現(xiàn)調(diào)用集群計算機(jī)完成計算任務(wù)。開啟Tomcat服務(wù)器之后，自動加載InitServlet，InServlet中的Init（）方法自動初始化MATLAB池，并且默認(rèn)開啟1個MATLAB進(jìn)程，把MATLAB的池對象放入Application中。

數(shù)學(xué)實驗與科學(xué)計算模塊的實現(xiàn) 每個用戶所編寫的MATLAB程序執(zhí)行時間不一樣，用戶通過MATLAB提交作業(yè)并等待作業(yè)管理器返回計算結(jié)果，需要占用MATLAB較長時間，在大量用戶并發(fā)訪問時會導(dǎo)致MATLAB資源不足。其解決方案是將作業(yè)提交和獲取計算結(jié)果異步執(zhí)行，這樣不僅可以克服因某個用戶程序執(zhí)行較慢而阻塞MATLAB進(jìn)程的問題，而且由于用戶提交作業(yè)后即釋放對MATLAB的占用，可以讓一個MATLAB響應(yīng)更多的用戶請求，減少系統(tǒng)開銷。

該解決方案的具體做法是將用戶MATLAB程序封裝成指定名字的作業(yè)，通過MATLAB提交給相應(yīng)的作業(yè)管理器，由作業(yè)管理器調(diào)度MATLAB集群處理。同時采用MATLAB定時器技術(shù)在集群端間隔一定時間掃描作業(yè)管理器中的作業(yè)狀態(tài)，對狀態(tài)為完成的作業(yè)，取回其結(jié)果并以文本形式保存到指定目錄下，客戶通過文件監(jiān)聽和Ajax技術(shù)獲取該文本文件中的結(jié)果。這樣使得作業(yè)提交、作業(yè)計算和輸出結(jié)果分別在不同的計算機(jī)上完成。

通過MATLAB定時器輸出已完成作業(yè)的計算結(jié)果的MATLAB函數(shù)如下：

function getResult（savepath，jobmanager）

[p q r jobM]=findJob（jobmanager）；

for i=1：length（jobM）

directory=get（jobM（i），’UserName’）；

filename=[directory，datestr（now，30）]；

result=getAllOutputArguments（jobM（i））；

xlswrite（[savepath ‘＼’ directory ‘＼’ filename]，result）

destroy（jobM（i））

end

前端頁面的實現(xiàn) 數(shù)學(xué)實驗云平臺采用J2EE中的Jsp+

Servlet+Bean的MVC（Model View Controller）設(shè)計模式，前端頁面采用Bootstrap框架開發(fā)，會根據(jù)顯示器大小自動調(diào)整頁面顯示，用戶可以在電腦、移動設(shè)備上登錄該平臺。用戶成功登錄系統(tǒng)后，進(jìn)入數(shù)學(xué)實驗或者科學(xué)計算模塊之后，可以新建實驗（科研）項目，或者進(jìn)入已有的實驗（科研）項目，編寫計算程序提交作業(yè)，保存計算程序到數(shù)據(jù)庫，方便下次調(diào)用查看，科學(xué)計算模塊允許用戶上傳計算需要的數(shù)據(jù)和其他M文件。

4 結(jié)語

本研究基于云計算的技術(shù)理念，在J2EE環(huán)境下開發(fā)基于MATLAB分布式計算技術(shù)的數(shù)學(xué)實驗云平臺，具有開放性、即時性、易接觸性，能夠方便快捷地為廣大師生提供數(shù)學(xué)實驗和科學(xué)計算服務(wù)。該平臺將數(shù)學(xué)實驗室軟硬件計算資源組建成集群，可以進(jìn)行大型科學(xué)計算，充分發(fā)揮實驗室資源的潛在效能。用戶通過瀏覽器即可向該平臺提交計算任務(wù)獲取計算結(jié)果，實現(xiàn)實驗室資源的校內(nèi)校際共享，有利于提高實驗教學(xué)水平。因此，本研究為高校利用現(xiàn)有實驗室構(gòu)建云計算實驗室及實現(xiàn)其資源共享做了有益嘗試，并為數(shù)學(xué)實驗室的未來發(fā)展拓展了道路，符合教育技術(shù)信息化的未來發(fā)展方向。

⒖嘉南

[1]孫蘇菁，白占兵.關(guān)于數(shù)學(xué)實驗室建設(shè)的若干思考[J].科技視界，2013（11）：41.

[2]宋紹云，師紅.基于Matlab Web Server的數(shù)學(xué)實驗室體系結(jié)構(gòu)的建立[J].玉溪師范學(xué)院學(xué)報，2007（12）：38-42.