劉 芳 肖 儂 蔡志平 王志英

摘要:數據的爆炸式增長對信息存儲技術提出了巨大挑戰(zhàn),也對信息存儲人才的培養(yǎng)提出了迫切需求,因此“信息存儲”系列課程的建設和發(fā)展迫在眉睫。本文首先分析了美國和國內高校開設信息存儲課程的現(xiàn)狀,然后結合我校的實踐情況,從教學目標、教學內容、教學方式與學時分配、教學組織、成績評價方式等方面探討了信息存儲課程的課程建設和教學實踐。

關鍵詞:信息存儲技術;存儲系列課程;教學探討

中圖分類號:G642 文獻標識碼:B

1引言

因特網的蓬勃發(fā)展,社會的數字化變革,導致了數據呈爆炸式增長。到2008年底,全球數據內容的總量激增為4870億GB。海量數據對存儲系統(tǒng)的巨大需求,使得存儲產業(yè)步入高速發(fā)展的黃金時期。另一方面,以指數方式持續(xù)增長的信息量,對存儲系統(tǒng)在存儲容量、數據可用性、I/O性能、動態(tài)可擴展性、易維護性和開放性等方面提出了更高需求,對現(xiàn)有的存儲技術提出了嚴峻挑戰(zhàn)。當前,我國存儲人才緊缺,隨著科技的發(fā)展,需要有更多信息存儲人才的儲備。

清華大學、國防科學技術大學、華中科技大學等高校已經開設了“信息存儲”系列課程,但是在教材建設、技術跟蹤、實驗課程等方面都存在一些困難。為有效解決現(xiàn)有困難,需要跟蹤國外頂尖高校的課程建設情況,積極開展交流,提升“信息存儲”系列課程的建設水平。

本文首先分析了美國幾所高校和國內高校開設信息存儲課程的現(xiàn)狀,繼而結合國防科技大學計算機學院在信息存儲課程教學方面的實踐情況,從教學目標、教學內容、教學方式與學時分配、教學組織、成績評價方式等方面對“信息存儲技術”課程建設情況進行詳細介紹,探討了信息存儲課程的課程規(guī)劃和建設。

2國內外信息存儲課程分析

以信息技術與信息資源為核心的科技高速發(fā)展推動了信息存儲技術的高速發(fā)展,許多大學都開設了信息存儲方向的課程。我們對卡內基梅隆大學、加州大學伯克利分校、加州大學圣克魯茲分校、哥倫比亞大學等幾所美國著名高校的信息存儲課程開設情況進行了調研,各個大學的教學內容各有特色,既注重反映國際上信息存儲的發(fā)展趨勢,也注重培養(yǎng)學生的科研能力。

2.1卡內基梅隆大學(Carnegie Mellon University)

在信息存儲方向,卡內基梅隆大學的電子與計算機工程系為本科生開設了“數據存儲系統(tǒng)與技術導論(18-316:Introduction to Data Storage Systems Technology)”、“數據存儲系統(tǒng)(18-416:Data Storage Systems)”、“數據存儲系統(tǒng)設計工程(18-517:Data Storage Systems Design Project)”共三門課程,并為研究生開設了“高級存儲系統(tǒng)(18-746:Advanced Storage Systems)”課程,該課程介紹存儲系統(tǒng)的設計、實現(xiàn)與應用,主要內容包括網絡附加存儲(NAS)、磁盤陣列、存儲網格、存儲管理、高級文件系統(tǒng)、廣域網數據共享計劃、存儲安全。

卡內基梅隆大學的存儲課程體系層次清晰,由淺入深,從存儲基礎知識到存儲系統(tǒng)的應用和設計,再到對存儲新技術的研究,不僅加深了學生對存儲技術和存儲系統(tǒng)的理解,也鍛煉了學生進行存儲系統(tǒng)設計和存儲技術研發(fā)的能力。

2.2美國加州大學圣克魯茲分校(University of California, Santa Cruz)

加州大學圣克魯茲分校的計算機系為研究生開設信息存儲方向的一系列課程。

其中“存儲系統(tǒng)(CMPS 229:Storage Systems)”課程主要從可靠性、可擴展性、魯棒性、安全性等方面系統(tǒng)介紹了存儲設備、存儲體系結構、本地文件系統(tǒng)、高性能文件系統(tǒng)、下一代存儲設備和結構等內容。課程報告要求學生通過閱讀大量文獻,自選一個與存儲相關的選題,完成一篇3000～5000字的論文報告(技術研究、工程實現(xiàn)、研究綜述均可)。

“計算機系統(tǒng)高級專題:存儲系統(tǒng)(CMPS 290S:Advanced Topics in Computer Systems: Storage Systems)”課程主要從存儲技術、文件系統(tǒng)、分布式文件系統(tǒng)、高性能存儲系統(tǒng)、下一代存儲系統(tǒng)等方面介紹存儲系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)。

此外,加州大學圣克魯茲分校的Extension in Silicon Valley還開設有“數據存儲基礎(21940–001:Data Storage Essential)”和“存儲網絡設計與體系結構(21939:Storage Networking Design and Architecture)”兩門課程。

2.3美國哥倫比亞大學(Columbia University)

哥倫比亞大學計算機科學系為研究生開設“網絡存儲系統(tǒng)高級專題(CS E6998-10:Advanced Topics in Network Storage Systems)”課程,主要介紹磁盤陣列、NAS、SAN、文件系統(tǒng)、網絡存儲的最新進展等。

2.4國內高校

國內高校一方面依托在信息存儲方面的科研優(yōu)勢,另一方面充分借助存儲領域的存儲設備資源,和一些知名存儲公司(如EMC、Segate、McData、浪潮等)合作,如國防科技大學、清華大學、華中科技大學、深圳大學、東南大學、中山大學等,紛紛開設了存儲技術方向的課程培養(yǎng)了一大批信息存儲人才。但是與國外著名高校的信息存儲課程開設情況相比,國內高校開設的存儲課程在存儲教材建設、前沿技術跟蹤、存儲實驗教學等方面都不同程度地存在一些困難,尤其體現(xiàn)在存儲教材的缺乏、現(xiàn)有教材內容的滯后、對存儲實踐教學沒有給予充分的重視等方面。為有效解決現(xiàn)有困難,我們要更積極地開展教學交流,提升“信息存儲”系列課程的建設水平。

同時還需注意,當前我國新型存儲專業(yè)人才緊缺是很嚴重的事實,國內開設信息存儲方面課程的高校還較少,“信息存儲”系列課程的建設和發(fā)展還未受到應有的重視。隨著科技的發(fā)展,我國需要有更多信息存儲人才和技術的儲備,今后更多的高校有望開設存儲技術相關課程。

3 “信息存儲技術”課程的教學實踐

為滿足在社會信息化進程中對信息存儲技術人才的急切需求,國防科技大學計算機學院依托在信息存儲方面的科研優(yōu)勢,分別開設了本科生選修課程“信息存儲系統(tǒng)”和研究生課程“信息存儲技術”。下面以“信息存儲技術”課程為例,系統(tǒng)介紹該課程的教學體系以及在該體系下進行的實踐工作,希望能有一定的借鑒作用。

3.1課程概述

“信息存儲技術”是面向計算機科學與技術專業(yè)的博士研究生、碩士研究生單獨設置的一門具有36個學時(其中課堂講授24學時、主題研討6學時、課內實驗6學時)的重要課程,主要從存儲技術、典型存儲系統(tǒng)以及未來存儲的發(fā)展等多個方面,從技術和理論的不同層面,系統(tǒng)介紹信息存儲技術的總體發(fā)展情況和未來發(fā)展趨勢,分析信息存儲系統(tǒng)的國內外發(fā)展現(xiàn)狀。

3.2課程教學內容

“信息存儲技術”課程系統(tǒng)性強、內容廣、更新快,我們在課程教學實踐中既注重反映國際上信息存儲的發(fā)展趨勢,也注重培養(yǎng)學生的科研能力。

3.2.1課堂講授

課堂講授使學生對信息存儲技術有一個全面的了解,建立起存儲的基本概念,了解存儲技術前沿和信息存儲技術的實際應用。教學內容組織如下:

(1) 緒論

了解信息存儲技術的發(fā)展過程,信息存儲技術的定義和關鍵特性,存儲層次結構,信息存儲的發(fā)展現(xiàn)狀、面臨的挑戰(zhàn)以及未來發(fā)展趨勢等。

(2) 存儲技術基礎

掌握構成存儲系統(tǒng)的一些關鍵性技術,包括一些傳統(tǒng)存儲介質(如磁盤、光盤等)以及新型存儲介質(如閃存Flash Memory、相變存儲PCM等);了解存儲設備的接口;掌握獨立冗余磁盤陣列(RAID)的基本特性、數據管理思想、工作模式和性能差異。

(3) 大規(guī)模網絡存儲技術

掌握NAS、SAN、存儲網格等網絡存儲技術基本原理;了解附網存儲系統(tǒng)、存儲區(qū)域網的存儲模型、存儲方式、實現(xiàn)與管理;了解基于對象存儲技術、廣域網絡存儲技術的特點;了解新型網絡存儲結構。

(4) 存儲文件系統(tǒng)

掌握網絡文件系統(tǒng)、并行文件系統(tǒng)、對象存儲文件系統(tǒng)、分布式文件系統(tǒng)的架構、技術特點和性能以及各自的優(yōu)點和適用性。

(5) 大規(guī)模存儲管理

了解大規(guī)模存儲網絡管理、大規(guī)模存儲設備管理、數據管理的功能及應用;理解存儲虛擬化的概念和特點、體系結構和實現(xiàn)方式以及存儲虛擬化的實際應用。了解存儲系統(tǒng)安全管理技術以及存儲系統(tǒng)的數據備份和數據恢復。

3.2.2主題研討

在主題研討環(huán)節(jié),通過閱讀文獻、主持和參與主題研討、撰寫課程論文等活動,幫助研究生了解國內外有關信息存儲領域的最新研究成果、研究方法和主要觀點;初步培養(yǎng)博士、碩士研究生在信息存儲前沿領域發(fā)現(xiàn)問題,解決問題,以及開展學術交流的能力。主題研討的教學內容組織如下:

(1) 主題研討要求

① 研討分組

3位學生組成一組,參與課程研討活動。

② 課程研討

要求每組學生主持一次課堂研討;記錄一次課堂研討;形成研討論文。

③ 閱讀文獻列表

研討閱讀文獻主要來源于FAST、ICDCS、MSST、ACM ToS等重要學術會議和期刊上近兩年發(fā)表的信息存儲領域研究成果,以及CMU、UC Berkeley、UC Santa Cruz等大學存儲實驗室研究人員發(fā)表的論文。

④ 研討報告提交形式

學期結束,以組為單位提交一份研討論文和演講PPT。

(2) 研討組織

每次研討課2個學時,每個學時討論1～2個特定的主題。負責該主題的小組的學生負責引導和記錄對該主題的討論,其中1位同學負責就該主題做講演并引起討論,另2位學生發(fā)表見解,并負責記錄討論。

每次研討課前,教師指定圍繞一個特定主題的3～4篇必讀文獻。負責主持該主題討論的3位學生要閱讀由教師指定的有關該主題的必讀文獻全文,并根據需要查閱其他相關文獻。其他所有的學生要閱讀有關該主題的必讀文獻摘要、引言、相關工作和結論部分。要求所有學生出席每次的研討課程,積極參與課堂討論。

(3) 研討評分

① 出席課程、參與討論情況:20%

② 研討會主題發(fā)言、研討組織情況:40%

③ 研討論文、演講PPT:40%

3.2.3課內實驗

通過實驗動手環(huán)節(jié),在理論和實踐相結合的基礎上,深入了解信息存儲系統(tǒng)的體系結構和組成,并能夠清楚地知道在不同應用環(huán)境中不同的存儲解決方案,培養(yǎng)學生應用存儲管理系統(tǒng)對信息存儲系統(tǒng)進行有效管理的工作能力以及科學作風和協(xié)作能力等。實驗主要內容如下:

(1) 存儲系統(tǒng)硬件構造了解:通過拆裝存儲系統(tǒng)了解其內部構造及各部件作用。

(2) 存儲系統(tǒng)的軟件安裝調試:包括服務器操作系統(tǒng)安裝、存儲操作系統(tǒng)安裝、存儲管理軟件安裝、雙機軟件安裝調試等。

(3) 存儲連接方式實踐:包括DAS、NAS和SAN等存儲方案的比較和分析。

3.3課程學時分配與考核評分

教學學時共36學時,其中課堂講授24學時、研討課時6學時、實驗課時6學時。學時分配如表1所示:

合理評定課程成績是督促學生掌握知識的手段,不是教學的最終目的,完成整個課程的主題研討和課內實驗就是一種綜合能力的體現(xiàn),所以我們在“信息存儲技術”課程中采取全面考核和綜合評定的辦法。評分比例為:主題研討:70%;實驗報告:30%。其中,全面考核是指每個學生都要在主題研討和實驗檢查中進行發(fā)言、組織、報告,以及動手實踐操作,并回答老師的現(xiàn)場提問;綜合評定主要指考察學生的知識掌握能力、綜合總結能力(研討報告)、創(chuàng)新能力和實踐動手能力4個方面,使課程成績能全面反映學生的實際能力。

3.4教學效果分析

“信息存儲技術”課程的開設受到了同學們的歡迎。以本學期教學情況為例,有接近40%的同學選修了該門課程,有10組同學做了主題研討報告,他們的研討文獻主要來源于FAST、ACM ToS等頂級會議和期刊。課堂上的討論非常激烈,有不少同學都主動查閱了其他相關文獻,提出了許多豐富的觀點和見解。

通過課程的學習,受到主題研討的啟發(fā),有2位博士研究生和2位碩士研究生分別撰寫了科技論文,分別投稿國際會議和國內期刊。本課程注重反映了國際上信息存儲技術的發(fā)展趨勢,引導研究生開展學術研究,培養(yǎng)了他們的科學研究能力,達到了預期的效果。

通過課內實驗,學生們更深入直觀地了解了信息存儲系統(tǒng)的體系結構和組成,以及在不同應用環(huán)境中不同的存儲解決方案,也更進一步地深入理解了課堂講授的若干知識。

同時,我們也充分認識到,我們的存儲系列課程建設水平與國外著名高校的信息存儲課程還存在一定的差距。要趕上國際先進水平,一方面需要我們積極開展信息存儲方面的科學研究,進一步依托信息存儲領域的科研優(yōu)勢;另一方面需要我們充分了解存儲領域的實際需求,借助存儲領域的存儲技術儲備,進一步加強和一些知名存儲公司的合作。

4結束語

計算和存儲是計算機系統(tǒng)的兩大基本任務,隨著全球數據的高速增長,信息存儲技術已成為極其重要的計算機系統(tǒng)技術。

“信息存儲技術”作為學習計算機系統(tǒng)的重要課程,在完成存儲基本原理知識學習的同時,必須加強對學生的創(chuàng)新意識和實踐能力的培養(yǎng)。因此在“信息存儲技術”的課程建設中,開展主題研討和課內實驗,充分重視教學互動和實踐動手環(huán)節(jié),對提高教學質量,加深學生對所學存儲原理知識的理解,增強學生開創(chuàng)能力是非常有益的,符合新時期人才培養(yǎng)的需要。

在“信息存儲技術”的教學實踐中,主動查閱其他相關文獻的學生越來越多,不同的觀點和見解也越來越豐富,反映出學生的求知欲望是很強的,而且富有創(chuàng)新精神?！靶畔⒋鎯夹g”教學的實踐使我們深深體會到課堂講授、主題研討和實驗教學等多種教學方式相結合是培養(yǎng)學生專業(yè)素質的有效途徑,對學生能力的培養(yǎng)起到積極作用。

參考文獻:

[1]IDC,EMC. As the Economy Contracts,the Digital Universe Expands[EB/OL]. May, 2009. http://www.emc.com/collateral/demos/microsites/idc-digital-universe/iview.htm.

[2]CMU ECE Student: Academic Guide-List of Courses[EB/OL]. http://www.ece.cmu.edu/undergraduate/guide/appendix-f.html, 2009.

[3]CMU ECE Course 18-746: Storage Systems[EB/OL]. http://www.ece.cmu.edu/～ganger/ece746.spring08/, January 2008.

[4]UC Santa Cruz - CMPS 229: Storage Systems[EB/OL]. http://www.soe.ucsc.edu/courses/course?cmps229, January 2008.

[5]Columbia University Course: CS E6998-10: Advanced Topics in Network Storage Systems[EB/OL]. http://www1.cs.columbia.edu/～magoutis/cs699810-spring04/index.html, Spring 2004.

[6]梁正平,王志強,申向軍,等.“網絡存儲技術”課程教學探討與實踐[J]. 計算機教育,2009(3):96-99.