計算機技術基礎課程新技術引入與實驗環境建設實踐

楊利明，單子鵬，馬劍鋒，高 玨

（上海大學 計算中心，上海 200444）

1 新興信息技術發展需求與重點教學內容選擇

在《國務院關于加快培育和發展戰略性新興產業的決定》中列出了七大國家戰略性新興產業體系，其中包括“新一代信息技術產業”，其主要內容是，“加快建設寬帶、泛在、融合、安全的信息網絡基礎設施，推動新一代移動通信、下一代互聯網核心設備和智能終端的研發及產業化，加快推進三網融合，促進物聯網、云計算的研發和示范應用。”在國家政策的指引下，物聯網、云計算技術領域蓬勃發展，在生活、生產還是科研創新中都得以廣泛應用。為應對這一需求，在計算機技術基礎課程的教學中，就必須逐步增加相關知識體系和實踐要求。

涉及物聯網、云計算等新興信息技術的細分領域很多，包括網絡通信、系統集成、數據處理、嵌入式系統、分布式計算、虛擬化技術等，很多技術都需要在專業知識具備的條件下才能進一步學習和掌握。因此，筆者選取這些不同領域中具有普遍共性內容的Linux操作系統以及已經廣泛應用的云計算技術作為教學突破口。

1.1 Linux操作系統

作為一個大眾化的計算機操作系統，微軟的Windows操作系統一直是計算機技術課程教材中的重點內容，介紹Linux操作系統的篇幅則較少。實際上，隨著新興信息技術的發展，開源的Linux操作系統已經得到廣泛的應用。

Linux操作系統是“類Unix”操作系統的總稱，這些操作系統采用Linux作為操作系統的內核，具有許多Unix操作系統的特點，如多用戶、多任務、可移植性、豐富的網絡功能、強大的安全機制等。Linux是一個自由開源的操作系統內核，許多程序員加入Linux社區參與Linux的開發，將Linux操作系統打造成性能出色、穩定可靠的操作系統。

在桌面應用領域，雖然Windows操作系統在桌面應用中一直占有絕對的優勢，但隨著Linux操作系統圖形界面和桌面應用軟件方面的發展，Linux操作系統在桌面應用方面也得到了顯著的提高，不少桌面用戶轉而使用Linux操作系統。

在高端服務器領域，由于Linux內核穩定可靠且開放源代碼，越來越多的企業選擇了Linux操作系統。在Linux操作系統上，企業可以架構Web服務器、郵件服務器、DNS服務器、負載均衡服務器等，大大降低了企業的運營成本，且無須考慮商業軟件的版權問題。近幾年，Linux系統已經深入到電信、金融、政府、教育、銀行、石油等各個行業，超大型互聯網企業也都在使用Linux操作系統作為其服務器端的程序運行平臺。

在嵌入式應用領域，因為Linux內核支持大量的微處理體系結構、硬件設備、圖形支持和通信協議，所以在嵌入式應用的領域里，從因特網設備（路由器、交換機、防火墻，負載均衡器等）到專用的控制系統（自動售貨機、手機、PDA、各種家用電器等），Linux操作系統都有廣闊的應用市場。特別是經過近幾年的發展，Linux操作系統已經成功地躋身于主流嵌入式開發平臺，如采用Linux內核的Android系統在智能手機領域牢牢占據了一席之地。

1.2 云計算技術

云計算即“計算服務”，將計算資源作為“服務”可以通過互聯網來獲取。云計算是分布式處理、并行處理和網格計算的發展，或者說是這些計算機科學概念的商業實現。其核心技術是分布式的計算方法，特別強調虛擬化技術的應用。簡單地說，云計算就是網絡計算，它是一種依托Internet的超級計算模型，將巨大的資源聯系在一起為用戶提供各種IT服務。云計算的一個核心理念就是通過不斷提高“云”的處理能力，減少用戶終端的處理負擔，使用戶終端最終簡化為一個單純的輸入輸出設備，并能夠按需享受“云”的強大計算處理能力。

在云計算的服務架構中，核心部分是由多臺計算機組成的服務器“云”。它將資源聚集起來，形成一個大的數據存儲和處理中心，同時由服務器中的各種配置工具來支持“云”端的軟件管理、數據收集和處理。服務器根據用戶客戶端提交的數據請求處理數據、返回檢索結果。按照服務的分類實現監控和測量，保證服務質量、合理分配資源，達到資源效益的最大化，最終實現海量數據的存儲和超級計算能力。只需要一臺能上網的電腦，用戶就可以在任何地點、用任何設備快速地獲取資源，享受便捷的云服務。

2 教學內容與知識點規劃

針對Linux操作系統和云計算技術的特點，明確知識要點和技術路徑，分別采用理論聯系實際的方法循序漸進地進行內容編排，以期通過學習，讓學生逐步了解和掌握相關知識。

2.1 Linux操作系統教學內容安排

該部分內容分別是Linux操作系統的誕生，Linux操作系統的應用領域，Linux的發行版本、內核與殼的概念，Linux文件系統的目錄結構、常用命令與操作、系統配置、典型服務搭建等。

在該部分內容中，首先，從Linux的發展歷史開始講起，讓學生對這種比較陌生的操作系統逐漸產生興趣；然后，強調它的應用價值，讓學生逐步領會該技術在現代社會發展中的重要性，從而增強學習該技術的主動性和信心。在具體的內容安排上，首先，讓學生區分種類繁多的各種發行版本；然后，再從操作系統的原理出發簡要介紹Linux系統的運行機制，進而具體講解Linux系統的基本操作，讓學生與常見的Windows操作系統進行對比學習，分析其中的共性和差異，以便更好地理解Linux系統；最后，通過具體的應用程序安裝，實現典型的基于網絡的服務，從而加強學生對Linux的理解。

2.2 云計算技術教學內容安排

該部分內容也分為6個小節，分別是云計算簡介、云計算的實現機制、云計算的服務類型、云計算的發展現狀、云計算的商用實例、校園云計算服務平臺等。

該部分內容安排的策略也是循序漸進、逐步展開，首先，介紹云計算的起源及其應用價值；然后，具體講解云計算的實現機制、服務類型，在學生對云計算初步了解后，結合云計算技術的發展現狀，展示現實生活中真正的云計算服務和應用；最后，使用基于校園網絡的云計算實驗平臺快速體驗云計算操作，從而加深印象、深刻理解。

3 實驗平臺建設與實驗內容要求

教學內容的理解和掌握需要通過具體的實驗得以加強，有必要設計服務于教學的實驗環境以提升教學效果。

Linux操作系統的學習需要真實的操作環境，但在物理計算機上安裝有諸多不便，如計算機本身已經安裝了Windows操作系統等。于是，使用基于Windows的虛擬機做實驗，成為學習Linux操作系統的一個很好選擇。

隨著云計算技術應用場景的不斷創新，云計算技術的服務與應用分離、服務平臺（操作系統）快速搭建、計算資源彈性獲取、基礎架構累積重用等優勢在建設教學實驗平臺上逐步顯現。結合云計算技術這些特性，進一步設計基于Web服務的實驗教學平臺，可以讓學生在互聯網（或校園網）上，通過云計算平臺根據自己的配置需求快速創建一臺已經部署了某個版本Linux操作系統的虛擬計算機（云主機），在體驗云計算技術的同時，進一步實現對Linux操作系統的學習。

3.1 校園云計算實驗平臺

校園云計算實驗平臺按照典型云計算服務邏輯進行底層設計，上層輔以實驗過程控制面向教學需求。

首先將物理服務器采用虛擬化技術組建計算資源池。虛擬化的目的就是把物理硬件轉化成可以被云計算操作系統調用的軟件資源，從而形成包含眾多計算節點的虛擬資源池。確定池主，以便通過中間層統一任務調度，實現計算節點上的負載均衡。

在完成計算節點虛擬化的基礎上，將基于IPSAN（IP Based Storage Area Network）的存儲資源通過高速光通道網絡采用iSCSI（Internet Small Computer System Interface）等方式接入計算節點。借助專業存儲數萬的IOPS（Input/Output Operations Per Second）能力，對用戶層提供IaaS類型的云主機或云桌面等云計算服務。

底層基礎物理架構完成后，在作為中間層的云計算管理系統之上，需要研發云計算服務平臺的第三層：面向用戶的Web操作界面，以應對教學實驗需求。為實現計算資源利用效率最大化，可以采用預約限時使用與計算資源自動回收機制，具體實現業務流程如圖1所示。

圖1 云計算實驗平臺業務流程

3.2 實驗內容

內容安排目標實現云計算過程體驗與Linux操作練習有機結合。在校園云計算實驗平臺上，學生可以在預約的時間段內進行云計算過程體驗。具體內容有：在規定的計算資源范圍內自主定制創建云主機、連接登錄云主機、測試使用云主機性能、更換云主機操作系統、回收云主機資源等。

基于云計算技術對系統配置的快捷和便利性，學生可以在1分鐘左右的時間內創建或更換自己需要的系統實驗環境，包括不同版本的Windows操作系統、Linux操作系統。

在完成相應的Linux系統如CentOS、Debian、Ubuntu等云主機創建后，學生使用如Putty、Xshell等遠程終端連接軟件登錄系統，按照Linux的實驗要求熟悉系統環境、完成一些基本命令操作。進而，可以按照案例或線上教材進一步安裝Web服務器、數據庫服務器等一些典型引用，從而為深入應用Linux系統打下基礎。

3.3 項目推動

云計算平臺具有應用與服務分離、服務平臺快速搭建、計算資源彈性分配、基礎架構累積重用等優勢。因此，面向教學實踐的云計算實驗平臺為教學實驗快速提供了各種學習環境，也為教師科研和學生創新實踐提供了便利的條件。在對Linux、云計算、Web2.0等技術進一步深入理解后，學生就有了初步的項目研發能力，可以基于云計算平臺部署數據庫、構建Web站點等，并實施一些Web服務應用項目、物聯網項目、大數據分析項目等。通過組織校內計算機應用能力競賽，部分水平較高的同學脫穎而出，這部分同學已經具備了參與教師科研項目的能力。在教師進一步的指導和培養下，學生逐漸形成自己的興趣與研究方向，進而通過組建項目團隊參加各級創新項目和計算機能力競賽等，以賽促學，進一步強化能力培養。

4 結 語

在計算機技術基礎課程教材中打破常規引入相對新鮮的Linux與云計算技術，繼之教學內容安排與實驗操作相輔相成，一經推出就收到廣大學生的如潮好評，每個學期修選人數超過3500人次，云計算實驗平臺使用數萬人次。這一方面拓展了學生的知識結構，同時也讓學生在將來面對專業學習和研究中有更多新的技術選擇。經過連續多個學期的教學實踐，新興技術逐漸深入人心，在各級計算機應用能力競賽中開花結果，如作品《時光視圖云》《大學生競賽云平臺》在2015年（第8屆）中國大學生計算機設計大賽中榮獲二等獎，作品《校園云盤》在2016年（第9屆）中國大學生計算機設計大賽中榮獲一等獎，作品《基于人工智能的普通話測評與提升平臺》《基于Arduino的智能盆栽呵護系統》等項目在2017年（第10屆）中國大學生計算機設計大賽中榮獲二等獎等。這些作品的出現和成績的取得，在很大程度上得益于在大學生計算機技術基礎課程中引入了新的信息技術教學實踐內容，為創新的思想埋下了萌發的種子。

更正

第9期《計算機課程的同伴評價研究》第三作者梁艷春的單位應為“吉林大學珠海學院 珠海符號計算與知識工程教育部重點實驗室”，特此說明。