基于華為云的云計算課程實踐教學探索與研究

劉成明 趙偉 龐海波 李瑋瑋

摘?要：掌握云計算專業技術原理、動手能力強的專業人才在業界面臨廣泛需求。云計算是一門應用性很強的課程，如果只在課堂上講授云計算的技術原理而不進行實踐操作無異于紙上談兵。鄭州大學網絡空間安全學院在云計算課程的講授過程中，以“華為—智能基座”產教融合協同育人基地項目為基礎進行了課程合作建設，結合華為鯤鵬云平臺和華為云學院沙箱實驗室開展實踐教學，理論聯系實際，將課堂講授理論與課下實踐相結合，既促進了學生對理論模型的理解，又鍛煉了動手操作能力，取得了較好的教學效果。在新工科的背景下，實踐探索了一條可行的產學研融合的方法。

關鍵詞：云計算；華為云；智能基座；沙箱實驗

Exploration?and?Research?on?Practical?Teaching

of?Cloud?Computing?Course?Based?on?Huawei?Cloud

Liu?Chengming1?Zhao?wei1?Pang?Haibo1?Li?Weiwei2

1.School?of?Cyber?Science?and?Engineering，Zhengzhou?University?HenanZhengzhou?450000；

2.Principal's?Office，Zhengzhou?University?of?Finance?and?Economics?HenanZhengzhou?450000

Abstract：Cloud?computing?is?a?highly?applied?course.If?we?only?teach?the?technical?principles?of?cloud?computing?in?class?without?practical?operation，it?is?tantamount?to?talking?on?paper.During?the?teaching?of?cloud?computing?course，the?school?of?Cyber?Science?and?Engineering，Zhengzhou?University?carried?out?the?course?cooperation?construction?based?on?the?"Huawei?smart?base"?industry?education?integration?collaborative?education?base?project，carried?out?practical?teaching?in?combination?with?Huawei?Kunpeng?cloud?platform?and?the?sandbox?Laboratory?of?Huawei?cloud?college，integrated?theory?with?practice，and?combined?classroom?teaching?theory?with?practice，It?not?only?promotes?students'?understanding?of?the?theoretical?model，but?also?exercises?their?handson?operation?ability，and?achieves?good?teaching?results.Under?the?background?of?new?engineering，a?feasible?method?of?industry?university?research?integration?is?explored.

Keywords：Cloud?computing；Huawei?Cloud；Smart?base；Sandbox?experiment

隨著云計算繁榮發展熱潮，市場對云計算專業人才的需求日益強烈，尤其是掌握前沿技術動態、動手實踐能力強的高端應用型復合人才已成為需求主體。高等院校作為國家中、高端人才的培養基地應該如何順應這一發展趨勢，在高校課程體系建設中結合行業需求培養出具備大數據與云計算相關技術的高素質人才，已經成為當下高校教師和相關人員的一個相當緊迫的任務。中國的云計算教學在近年來得到了迅速的發展，越來越多的高校和教育機構開始開設相關課程，涵蓋了從基礎理論到實踐操作的全方位教學內容。一些國內知名高校如清華大學、北京大學等都已經開設了云計算相關課程，并且一些高校也開始針對云計算行業的需求開設了相關的研究生課程和碩士專業。此外，國內的一些云計算服務商和IT企業也開始提供與云計算教學相關的培訓和課程，例如華為云等。

1?概述

云計算是一種基于互聯網的計算模式，通過虛擬化技術將計算資源、存儲資源和網絡資源等以服務的方式提供給用戶，用戶可以根據需要隨時按需使用這些資源，而無須投資建設自己的計算設備和網絡設備。云計算的基本思想是將計算和存儲等資源作為一種服務提供給用戶，用戶只需要根據自己的需求選擇合適的服務并支付相應的費用即可使用，無須關心底層的硬件和軟件的細節。

2003年至2006年間谷歌發表了3篇論文闡述了其云計算平臺的三大關鍵技術，推動云計算成為全球關注度最高的IT詞匯之一。云計算是一種商業計算模型，它將一些大型服務器集群，包括計算服務器、存儲服務器和帶寬資源等集中起來，并通過專門軟件實現自動管理。用戶可以動態申請部分資源，支持各種應用程序的運轉，無須為煩瑣的細節而煩惱，能夠更加專注于自己的業務，有利于提高效率、降低成本和技術創新。緊隨谷歌等云計算服務商之后，我國大型IT企業如華為、百度等紛紛提供云計算服務，促使國內云計算應用市場進一步發展成熟，市場空間顯著擴大。

目前云計算課程教學的現狀如下：

（1）缺乏有效的云計算教學實驗平臺。云計算課程體系龐大，技術面覆蓋硬件部署、集群配置、數據獲取與存儲以及各種算法平臺的安裝與部署。云計算教學實驗平臺的配置與部署復雜度遠高于在PC機上安裝操作系統和應用軟件。

（2）學生的自主學習積極性不高。由于缺乏有效的云計算教學實驗平臺，目前一部分學校的云計算實驗通常采取的方法是在PC機上安裝若干臺虛擬機來模擬幾臺服務器并安裝Hadoop、HBase、Yarn、Spark等工具。但是PC機硬件資源有限，安裝三臺以上虛擬機后運行非常卡頓，致使實驗時間變長，影響了學生的學習興趣，甚至部分同學放棄了實驗項目。因此缺乏學生實踐操作的云平臺，課堂上所講的云計算理論終究是紙上談兵，無法轉化成真正的云計算平臺上的應用能力。

（3）云計算師資隊伍建設相對滯后。信息技術日新月異，而云計算又是一種新興的商業計算模型，部分老師的知識儲備不能應對現在飛速發展的信息技術，同時云計算師資培訓也存在諸多不合理的現象，因此導致不能很好開展云計算課程教學工作［1］。

（4）課程體系設置不合理。傳統的云計算技術的教學和實踐，基本上以虛擬化技術和云平臺運維為主，無法從根本上改善和提升云計算課程教學質量和教學效果［2］。

2?云計算課程體系結構

云計算課程主要旨在幫助學生了解云計算技術的基本概念、原理、應用和未來發展趨勢，同時培養學生的實踐能力和解決問題的能力。云計算的學習主要包括：

云計算概述：介紹云計算的定義、基本特點和架構，以及云計算與傳統計算的區別。幫助學生了解云計算的背景和基本知識。

云計算基礎技術：講解云計算中常用的虛擬化技術，如虛擬機、容器等，以及云計算中常用的存儲、網絡、安全等技術。讓學生了解云計算的技術特點和實現原理。

云計算服務：介紹云計算服務的分類、應用場景和特點，例如基礎設施即服務（IaaS）、平臺即服務（PaaS）、軟件即服務（SaaS）等。讓學生了解云計算的各種服務類型及其應用場景。

云計算平臺：介紹各類云計算平臺的特點和應用，例如Amazon?Web?Services（AWS）、Microsoft?Azure、Google?Cloud?Platform（GCP）、阿里云等。

云計算應用：介紹云計算在各個領域的應用場景，例如電子商務、移動互聯網、醫療保健、金融等。讓學生了解云計算在實際應用中的價值和意義。

云計算安全：講解云計算安全的相關概念和實踐，例如網絡安全、數據隱私保護、訪問控制等。讓學生了解云計算的安全問題及其解決方案。

云計算管理：介紹云計算的管理方法和實踐，例如云資源管理、成本管理、性能管理等。讓學生掌握云計算的開發和運維技能。

云計算未來發展：講解云計算技術的最新進展和未來趨勢，例如邊緣計算、多云架構、人工智能等。讓學生掌握云計算前沿領域與最新進展，培養學生科研興趣。

云計算課程的實驗內容可以包括以下幾個方面：

云計算基礎實驗：介紹云計算的基礎知識、云計算平臺的搭建、虛擬化技術的原理、虛擬機的創建與管理、云計算應用的部署和管理等。

云計算平臺實驗：針對不同的云計算平臺（如AWS、Azure、Google?Cloud等），介紹其基本架構和功能，包括虛擬機、存儲、網絡、安全等方面的實驗。

云存儲實驗：介紹云存儲的基本概念和技術，包括對象存儲、塊存儲和文件存儲等，以及云存儲服務的使用和管理。

云計算安全實驗：介紹云計算安全的基本概念和技術，包括網絡安全、數據安全、身份認證和訪問控制等，以及云安全服務的使用和管理。

大數據處理實驗：介紹云計算中的大數據處理技術，包括分布式文件系統、分布式數據處理框架等，以及云計算平臺中的大數據處理服務的使用和管理。

容器化實驗：介紹容器化技術的基本概念和技術，包括Docker和Kubernetes等，以及在云計算平臺上部署和管理容器的實驗。

3?華為云計算及教育推廣

華為在云計算發展初期即開始布局云計算，目前華為云計算經歷了從初創期到起步階段、加速發展和智能時代的開啟，再到全面布局的發展歷程，不斷推動著中國云計算行業的進步和發展。

2011年，華為在中國成立了云計算中心，并發布了云計算解決方案。隨后，華為云計算從起步階段進入智能時代，并進行全面布局。2020年，華為云發布了全球首個基于AI的公有云服務Atlas?900，進一步加強了自身在人工智能領域的實力。同時，華為云也在大數據、物聯網等領域進行全面布局，成為全球領先的云計算服務提供商之一。

華為一直以來都非常注重云計算教育的推廣和普及，通過各種方式和渠道向社會推廣云計算的相關知識和技術，促進云計算行業的健康發展，并為企業和個人提供全面的云計算服務和解決方案。華為與多家高校和培訓機構合作，開設了多種云計算相關的課程和培訓項目，如華為云大學、華為云認證課程、云計算專業、云計算工程師等。華為舉辦了多次云計算技術交流會，邀請了業內專家和學者，分享最新的云計算技術和應用案例，這些交流會也為業內的專業人士提供了一個交流和合作的平臺。華為發布了多份關于云計算市場和技術趨勢的研究報告和白皮書，為行業發展提供了有價值的參考和分析。華為還每年舉辦云計算大賽，旨在提高學生和企業在云計算領域的技術和應用能力。

4?云計算實踐教學

除了理論和技術的講解，我們利用多種手段經過教學實踐，使學生了解如何使用云計算和云存儲，認識分布式系統和云架構在計算機應用中的作用，了解大數據處理流程，領會其基本思想和分析與解決問題的思路。

為了讓學生進一步提升云計算課程的實踐效果，本課程采用兩種方法來創建云計算的實驗環境。第一種是利用教育部—華為“智能基座”產教融合協同育人基地項目提供的服務器構建華為私有云；第二種是利用華為云學院免費提供的沙箱實驗室，提升云計算課程的實踐效果。根據教育部—華為“智能基座”產教融合協同育人基地共建協議，華為為我校贊助四臺彈性云服務器（ECS），配置華為私有云平臺環境，并將其中一臺綁定彈性公網IP地址（EIP），這樣可快速通過參數設置配置好一個小型服務器集群，并可通過操作系統鏡像快速安裝操作系統。基于此小型集群，可在云計算課程的實踐課上進行Hadoop集群部署、Hbase集群部署、Hive、Spark等實踐操作。

為了讓用戶快速體驗華為云服務，利用華為云學院免費提供的沙箱實驗室，進一步提升學生的在線體驗云計算的實踐效果。沙箱實驗室是輕量級的華為云官方實驗平臺［3］，共提供了75個實驗項目，涵蓋云計算、大數據、人工智能、物聯網和安全等多個領域。用戶可一鍵創建實驗環境，并根據實驗手冊指導，快速體驗華為云服務，在云端實現云服務的實踐、調測和驗證。

本課程從華為云沙箱實驗室中選取如下幾個典型實驗，要求學生動手完成：10分鐘快速入門ECS、基于華為云鯤鵬彈性云服務器部署Web應用、MapReduce服務初體驗、基于Spark實現車主駕駛行為分析等。通過入門ECS操作，掌握彈性云服務器的創建登錄、彈性云服務器的規格調整以及彈性云服務器的刪除。通過部署web應用，使學生掌握在云平臺搭建網站的基本方法。通過MapReduce實驗，使學生掌握MapReduce進行數據并行處理的原理及具體操作方法。通過車主駕駛行為分析實現，使學生掌握基于Spark的分布式內存處理組件的使用方法和通過大數據分析來挖掘車主的不規范駕駛行為的具體實戰體驗。

相較于直接在云平臺上開展實驗，利用華為沙箱實驗室進行實驗教學有以下優勢：

（1）省去環境配置的煩瑣過程。在傳統的實驗教學中，學生需要自己配置實驗環境，包括安裝各種軟件、配置參數等，這是一個煩瑣而容易出錯的過程。而利用華為沙箱實驗室，學生只需要登錄虛擬機，即可開始進行實驗。

（2）提供高效穩定的實驗環境。學生可以隨時登錄虛擬機進行實驗，不受時間和空間的限制，同時也不會對教學機房的硬件資源造成壓力。

（3）提供豐富的實驗資源。華為沙箱實驗室提供了各種開源軟件和云服務的實驗資源，包括Hadoop、Spark、Kubernetes等，可以滿足不同課程的實驗需求。

（4）降低教學成本。利用華為沙箱實驗室進行實驗教學，可以降低教學成本。教師不需要購買和維護昂貴的硬件設備和軟件許可證，同時也可以節省教師和學生的時間和精力。

結語

我校軟件工程專業研究生的云計算課程的教學實踐，以及學生通過在華為云平臺和華為云沙箱實驗室的實踐操作，不但加深了對云計算相關理論的理解，而且大大提升了云計算平臺的實際動手能力，使學生在云計算的實際操作應用中得心應手，而且為學生在未來大數據與云計算的更高層次奠定堅實基礎。在新工科的背景下，我校實踐探索了一條可行的產學研融合的路徑。

參考文獻：

［1］梁弘宇，羅良好.云計算專業的教學實踐案例分析［J］.電子技術，2021，50（05）：6263.

［2］田紅，楊曉英，馬志妍，等.淺析基于校企合作的高職院校云計算技術與應用專業建設——以甘肅交通職業技術學院為例［J］.教育教學論壇，2018（49）：3435.

［3］華為沙箱實驗室，https：//lab.huaweicloud.com/testList.html.

基金項目：2022年本科高校研究性教學改革研究與實踐項目（2022SXJXLX006）；2022年河南省研究生教育改革與質量提升工程項目（YJS2022ZX04）

作者簡介：劉成明（1979—?），男，漢族，山東沂源人，博士研究生，副教授，研究方向：計算機視覺、工業互聯網云計算。