面向云應用創新的教學改革與探索

陳 飛 陳麗芳 謝振平 王曉鋒

( 江南大學 a.數字媒體學院;b.物聯網學院，江蘇 無錫 214122)

面向云應用創新的教學改革與探索

陳 飛a陳麗芳a謝振平a王曉鋒b

( 江南大學 a.數字媒體學院;b.物聯網學院，江蘇 無錫 214122)

近年來,信息化技術的普及為教育事業帶來了巨大變革，傳統的教學模式日益不適合以云計算和大數據為代表的新興課程發展。針對云計算和大數據技術相關課程的教學方法展開探索，通過驗證性實驗環節對云計算中的虛擬化技術和并行計算技術進行重點闡述，在加深學生對核心技術理解的同時，形成一套完整的理論與實踐相結合的教學體系,以引導學生進行云計算應用的探索與創新。

云計算技術； 虛擬化技術； 并行計算技術； 教學實驗； 應用創新

1 背景與意義

隨著云計算技術的日益成熟，云計算已經不再是一個虛擬的概念,早已為許多成熟的應用服務提供了實際的支持。云計算的特點就是將資源重新整合，統一管理起來并按需分配給用戶來使用，所有資源都存儲在云端，用戶只需接入云就可以使用里面的資源，這種計算模式為新興云應用的快速部署和推廣提供了新的機遇。

云應用創新源于云計算，是近年來利用云計算進行管理創新或商業模式創新的一種方式。通常認為云創新是指利用先進的互聯網技術(如云計算平臺)，對企業內外部信息、自發創新體、相關制度政策等一系列創新資源進行有效整合，并建立相應主體之間的聯系，通過合理的管理方式、科學的運行模式實現的創新。云創新是一種新型的全面創新，是有目標、有平臺、有驅動、有效果的一種資源整合的創新。

與此同時，面向云計算的課程教育也被越來越多的高校所關注，它涉及對云平臺軟硬件架構的了解，對云應用服務規律的探索，與主流計算機學科理論的支持和融合等。另一方面，高昂的平臺開銷，限定的實驗環境，固化的課程內容，都制約了教學過程的靈活性，無法讓理論教學與實踐環節充分結合。對此，本文通過設計完整的課程體系,為高校教育環境下的云應用創新提供支持。

2 國內外研究現狀

目前全球各個國家和地區都在積極地展開圍繞云計算教育的應用和實踐。調查表明，在美國有34%的高等教育機構和27%的學校利用云設施。許多著名的組織都參與到針對教育的云計算規劃中，其中有代表性的有IBM的“藍云”以及亞馬遜公司的“云計算開放式基金”。

在我國,教育信息化建設一直以來受到政府的高度重視和大力支持。國家“十二五”規劃把云計算作為新一代IT業研發與應用的重要領域之一，部分先行的政府機構、企事業單位和教育機構在研究的基礎上構建了獨有的政府云、企業云和教育云，尤其是教育云引起了社會的廣泛關注。《教育信息化十年發展規劃(2011—2020)》也明確指出：建設教育云資源平臺，匯聚百家企事業單位、萬名師生開發優秀資源,以建設國家數字教育資源公共服務平臺來幫助所有師生和社會公眾選擇并獲取優質服務資源，實現優質資源共享和持續發展。以上政策都將給云計算的發展帶來廣闊的前景，加強云計算服務平臺的構建、促進優質云服務應用的發展也必將成為新趨勢。

3 教學方式

按照“應用引領、技術驅動、科教結合、協同創新”的原則，將云計算與大數據的學科優勢與學?，F有的設施資源相結合，促進課程建設和人才培養，實現云計算服務創新和關鍵技術在教學環境中落地，推動信息技術與教育應用的深度融合。因此,課題組從以下方面進行教學設計：

3.1 平臺構建

在學?，F有的云平臺、大數據媒體專題實驗室的基礎上，進一步利用接入到平臺的個人筆記本電腦和臺式機組成混合云平臺，繼續擴建現有的云環境，逐步完善云計算、大數據技術以及移動應用等相關課程的實驗教學系統，并針對教學中的虛擬化技術、分布式技術以及相關移動應用開發等具體場景構建合理的實驗模擬開發環境。

3.2 課程建設

在教學中采用探討的形式，對云計算中的重點技術進行歸類劃分，并結合當前流行的云應用案例進行對照講解。要求學生課下搜集涉及相應技術的應用程序并自己進行分析講解，從而對其應用范圍和適用場景形成直觀的理解,進一步擴展與云計算相關的技術，形成一整套包含大數據、移動物聯網等在內的云計算課程體系。

3.3 人才培養方面

在學生培育過程中實施充分體現理論和實踐相結合的教學模式，提高學生的動手能力和課程參與度，培養學生基本的編程技能和系統設計方法，為學校培養復合型應用創新人才奠定基礎。

3.4 創新創業方面

將創新實踐項目與課堂教學相結合，構建以云服務為中心的創新實踐項目體系。組織學生參加全國性的云計算創新大賽和創業競賽，培養學生的創新精神，并利用云開發環境推動創新型應用的落地。

4 課程內容

“云計算技術”課程作為學校開設的一門選修課，具有較重要的地位和作用，該課程系統講授云計算技術的專業知識，使學生在學習本課程后，能對云計算領域具有代表性的Google、Amazon和微軟等公司的云計算技術原理和應用方法有一個較全面和系統的了解，掌握GFS、MapReduce、Bigtable等經典技術方案。通過本課程的學習，使學生重點掌握云計算的虛擬化技術和分布式技術，對整個云計算技術的熱點領域有一個系統的了解和認識，培養學生的專業興趣，為以后的云服務應用設計打下堅實的基礎。

由于云計算涉及計算機科學知識的方方面面，因此在課程安排上考慮將先修課程設為計算機網絡、操作系統、數據庫原理以及Linux環境程序設計。學生在學習過程中需要根據教學內容預習及課后加強學習參考書目中的相應內容，并能夠適當瀏覽一些相關英文網站或技術文章，以完成課程調研報告?？紤]教學對象為本科生的特點，在教材內容選用上應盡量采用入門式的架構和原理介紹，避免復雜的算法實現和優化設計。課堂教學內容方面，主要分為理論教學和實驗教學兩部分。

4.1 理論教學

通過理論部分的講解，使學生具備以下的基本知識和技能：

(1) 了解和掌握云計算的基本概念，云服務的基本原理和組成結構。具體包含云計算技術與傳統IT產業的區別和聯系，云服務的分類以及云計算的基本框架和模塊設計等。

(2) 重點掌握云計算中的虛擬化技術和分布式計算技術。虛擬化和分布式計算是云計算的兩大重要特性和核心技術環節，它為各種云應用的研發提供了重要支撐。因此，課程教學將結合實例對不同云服務中的虛擬化和分布式技術的應用場景進行重點介紹。

(3) 了解云計算技術的發展、應用以及當前國際國內研究的熱點、重要成果及其工程應用的前景，培養學生云計算應用的創新意識和創新思維。

4.2 實驗教學

圍繞云計算中的虛擬化和并行計算兩大重點技術環節，設計基于虛擬化平臺的Hadoop實驗。具體包含以下步驟：

(1) 虛擬化平臺搭建。采用VMware Workstation 10.01構建虛擬化環境，并利用Ubuntu 14.04 LTS作為虛擬機鏡像。在搭建過程中要求學生熟悉虛擬機部署的基本方法，并掌握Linux系統中利用terminal命令行進行基本的系統操作。

(2) 環境配置。對部署的虛擬機配置ssh無密碼登錄，并配置JDK環境變量，為Hadoop運行做準備。下載完Hadoop之后通過輸入命令bin/hadoop進行驗證環境配置是否成功。

(3) 單節點偽分布式架構。首先啟動DFS文件系統，通過在本機訪問http://localhost:50070/ 訪問元數據節點頁面，驗證DFS是否正常啟動。然后啟動Yarn，并通過http://localhost:8088/訪問資源管理頁面。最后通過jps命令檢測所有進程就緒。

(4) 完全分布式架構 (進階篇)。當學生完成了單節點偽分布式架構后，可以進一步部署docker節點實現完全分布式架構。在這種狀態下，位于master節點的namenode需要與位于不同slave節點的datanode進程進行通信。

(5) 掌握map-reduce技術并行計算編程。當Hadoop系統框架搭建完成之后，進一步要求學生分別熟悉Map函數和Reduce函數的編程模式。從理解wordcount源代碼分析入手，通過修改初始代碼實現詞頻的降序排列，以及嘗試實現矩陣乘法等不同應用的要求。

實驗過程中學生需要掌握虛擬化技術的基本原理，熟練使用各種虛擬化工具完成虛擬化平臺的搭建。在此基礎上，進一步掌握map-reduce的分布式編程技術，滿足開發云平臺高任務量的并行計算的需求，為以后的云創新應用打下基礎。

5 考核方式

課程考核主要采用兩種方式，分別為課堂演講和作業報告。

5.1 課堂演講

要求學生對日常生活中的一款云應用軟件/平臺進行調研，總結其相關的云計算的技術點，并在課堂進行演講匯報。對數字媒體學院65名學生的選題方向進行整理統計,其結果如圖1所示。

圖1 課堂匯報選題

根據數據統計，學生所感興趣的云應用主要集中在移動云和云游戲相關方面的內容。其中移動云應用以小米云、360手機助手、騰訊手機云管家等為代表，云游戲方面主要調研了Gaikai、Onlive等國外著名的云游戲服務提供商，并對比介紹了國內的格來云游戲等。另外，學生關注的熱點集中在云音樂、云筆記以及云盤等應用服務。這些結果反映了以云計算所提供的隨時隨地(anytime and anywhere)的各種便捷化應用服務已經滲透到當代大學生生活的方方面面，其中，移動手機云應用成為突出代表。

5.2 云應用設計報告

考慮到學生間的個體差異，為了充分調動學生的學習積極性，同時也為方便學生自由組隊進行云服務相關的創新創業開發，課后大作業圍繞云應用設計報告的形式，具體選題分為以下幾種：(1) 服務策劃。主要負責進行市場調研，結合云服務的特性，分析潛在的市場需求，討論可以提供的云服務形式。(2) 架構設計。由于云服務往往需要面對海量的用戶訪問，因此要對比傳統方案根據不同服務形式考慮云服務系統的整體架構。(3) 代碼編寫。利用實驗課程中掌握的Hadoop虛擬化實驗平臺，開發一個分布式計算的具體應用。學生可以根據自己的興趣對以上題目選擇其中一項完成設計報告，具體的不同方向統計結果,如圖2所示。

圖2 云應用設計報告選題

由圖2數據的統計結果表明，大約10%的學生選擇了產品策劃，大約15%的學生通過代碼編寫實現了具體的云服務小型應用。絕大部分學生選擇了架構設計分析，具體包含大約35%涉及以HDFS為代表的分布式存儲方案和非結構型數據庫分析，16%的內容涉及以分布式CDN為代表的云端網絡服務，5%的內容涉及應對DDoS攻擊等云服務安全問題。對統計結果進行分析后發現，這些選題的方向與當前云服務所提供的主要服務類型密切相關。

6 建議與結論

由于云計算屬于IT產業中的新興領域，涉及不同學科中各方面的專業知識，對高校課程教學工作提出了新的挑戰。根據云計算技術教學方案的實施結果，課題組對高校的云計算教學提出以下建議：

(1) 在課程中宜采用“理論講解+案例分析+實驗訓練”相結合的方式，更易于學生對知識的理解掌握。

(2) 在實驗設置上要充分利用云平臺以及個人電腦等資源,對教學內容制定合理的實驗方案。

(3) 根據學生的興趣特長，圍繞云服務應用創新，制定不同的任務分工，可以調動學生的積極性和參與度，從而為高校創新創業計劃的實現做準備。

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TeachingReformandExplorationoftheInnovationofCloud-basedApplications

CHENFeia,CHENLifanga,XIEZhenpinga,WANGXiaofengb

(a. School of Digital Media; b. School of Internet of Things Engineering, Jiangnan University, Wuxi 214122, China)

The development of information technology has brought great changes to the modern education industry in recent years. Traditional teaching methods can hardly solve the new problems raised by the emerging subjects based on cloud computing and big data. This paper explores the new teaching methods for cloud computing related subjects. The visualization technology and parallel computing technology are illustrated through corresponding experiments. It can be helpful to improve students’ understanding to the core technology of cloud computing. In addition, it can form an integral teaching system including the conceptual illustration and experimental implantation, which guides the students on the exploration and innovation of the new cloud-based applications.

cloud computing; visualization technology; parallel computing; application innovation

2017-08-09

江南大學本科教育教學改革研究項目重點項目“融合專業教育與創新創業教育的數字媒體專業人才培養研究”(JG2015026)；江南大學本科教育教學改革研究項目“媒體智能化需求驅動的數媒技術人才培養方案研究”(JG2015102)；江南大學本科教育教學改革研究項目“基于虛擬實驗平臺的計算機專業創新人才培養模式探索”(JG2015031)

陳飛(1984— )，男，山東泰安人,副教授，博士研究生，研究方向：云計算，網絡優化。

10.13750/j.cnki.issn.1671-7880.2017.06.009

TU 43；O 344

A

1671-7880(2017)06-0031-04

責任編輯俞林