王磊+趙曉永

摘 要：隨著云計算的興起和發(fā)展，云技術(shù)由最初的商業(yè)、工業(yè)應(yīng)用滲透至學(xué)術(shù)及教育領(lǐng)域，云計算課程已經(jīng)得到越來越多本科高等院校的重視和普及。不同于傳統(tǒng)的計算機學(xué)科，云計算課程所涉及的內(nèi)容新、知識結(jié)構(gòu)復(fù)雜、理論抽象、實踐性強，傳統(tǒng)教學(xué)模式無法與之適應(yīng)。本文在分析云計算課程教學(xué)現(xiàn)狀和問題的基礎(chǔ)上，借鑒工程教育CDIO模式，以項目為載體將云計算課程內(nèi)容分解至CDIO構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)和運作的工程項目生命周期各階段中，采取項目驅(qū)動+分組競爭的教學(xué)方法及考核機制。理論知識結(jié)合項目案例的組織模式大大提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果，使得云計算課程教學(xué)目標(biāo)更加具體、明確，教學(xué)過程更加敏捷、有效，對學(xué)生和教師都具有重要指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵字：CDIO；項目驅(qū)動；分組競爭；云計算；教學(xué)模式

基金項目：北京信息科技大學(xué)2015年度教學(xué)改革立項資助（項目號2015KGYB33）

1 研究背景概述

近年來，信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展和廣泛應(yīng)用對技術(shù)人才的需求逐年攀升。尤其對于云計算、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)人才的需求呈井噴式增長。為此，高校必須在實踐中積極踐行前瞻教育的創(chuàng)新模式，逐步開設(shè)云計算、大數(shù)據(jù)等相關(guān)課程，力求貼合社會實際的人才需求，為行業(yè)輸出既有基本理論知識又有關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)的云計算、大數(shù)據(jù)處理專門人才。

比較契合的是，CDIO工程教育模式與應(yīng)用型技術(shù)人才培養(yǎng)的目標(biāo)如出一轍，非常符合云計算、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)課程的授課需求及目標(biāo)[1]，即以扎實理論基礎(chǔ)、強化工程實踐能力、提升應(yīng)用能力為目的，最終構(gòu)建起全面協(xié)調(diào)發(fā)展的云計算、大數(shù)據(jù)應(yīng)用型人才培養(yǎng)體系，使高校學(xué)生的新技術(shù)知識結(jié)構(gòu)和能力水平更符合社會的需要。

CDIO工程教育模式是近年來國際工程教育改革的最新成果，是麻省理工學(xué)院、瑞典皇家工學(xué)院等多所國際知名大學(xué)聯(lián)合成立跨國研究合作組織并創(chuàng)立的現(xiàn)代工程教育模式。CDIO代表構(gòu)思（Conceive ）、設(shè)計（Design）、實現(xiàn)（ Implement ）和運作（Operate），它以產(chǎn)品研發(fā)到運行的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動的、實踐的、課程之間存在有機聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程理論和技能[2]。具體來說，就是選擇接近工程實際的涉及技術(shù)、經(jīng)濟、企業(yè)和社會的團(tuán)隊綜合類項目為教學(xué)案例，結(jié)合專業(yè)核心課程的教學(xué)，使學(xué)生在CDIO的全過程中不斷地在工程基礎(chǔ)知識、個人能力、人際團(tuán)隊能力和工程系統(tǒng)能力4個方面得到全面的訓(xùn)練和提高。CDIO理念不僅繼承和發(fā)展了歐美20世紀(jì)90年代工程教育大改革的理念，更重要的是提出了系統(tǒng)的能力培養(yǎng)教學(xué)大綱，對工程教育應(yīng)達(dá)到的能力目標(biāo)給出全面、系統(tǒng)、具體的表述。全球多所院校采用CDIO工程教育理念和教學(xué)大綱，取得了良好效果，按CDIO模式培養(yǎng)的學(xué)生深受社會與企業(yè)歡迎。

2 問題的提出

目前國內(nèi)一部分高校開設(shè)了云計算、大數(shù)據(jù)等相關(guān)課程，高校力求為大數(shù)據(jù)市場培養(yǎng)出可熟練使用云計算、大數(shù)據(jù)技術(shù)解決實際問題的優(yōu)質(zhì)人才。但就目前的培養(yǎng)思路和教學(xué)模式來說，還存在一定的問題：

1）目前國內(nèi)高校人才培養(yǎng)仍然存在“重基礎(chǔ)理論-輕實踐”的現(xiàn)狀。與其他計算機課程不同，云計算課程的特點就是實踐性特別強。以教師講授為主、學(xué)生訓(xùn)練為輔，先理論后實踐的傳統(tǒng)課程教學(xué)模式往往學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高，學(xué)習(xí)效果不佳。

2）傳統(tǒng)實驗教學(xué)安排與設(shè)置不能滿足云計算（諸如Hadoop分布式云平臺搭建）實踐環(huán)節(jié)的需求，甚至出現(xiàn)脫節(jié)。

3）云計算學(xué)習(xí)過程涉及知識大而全（諸如Linux、Java等前驅(qū)課程），需要相關(guān)基礎(chǔ)知識預(yù)熱模塊。

4）基于不同的云計算應(yīng)用能力，其培養(yǎng)目標(biāo)和層次要求不明確。

針對以上問題需要為云計算新技術(shù)課程設(shè)計一種新的符合課程特點的CDIO教學(xué)模式，不僅能夠通過合理的教學(xué)項目拉動知識，讓知識服務(wù)于項目，同時又能兼顧知識的結(jié)構(gòu)性，循序漸進(jìn)地傳授技術(shù)以推動項目順利進(jìn)行。本文介紹的迭代式CDIO工程教學(xué)模式將實際軟件工程領(lǐng)域的迭代式開發(fā)過程與CDIO思想結(jié)合起來，有效地解決了這一難題。以下將詳細(xì)介紹基于CDIO工程思想的云計算課程授課的設(shè)計思想、實踐案例及考核方法。

3 設(shè)計思想

（一）教學(xué)內(nèi)容的選擇和設(shè)計

云計算平臺是支撐大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用的分布式平臺架構(gòu)。其中，最重要也最具領(lǐng)跑性的分布式技術(shù)當(dāng)屬基于Hadoop的批數(shù)據(jù)處理模式。Hadoop是一個能夠?qū)Υ罅繑?shù)據(jù)進(jìn)行分布式處理的軟件框架，以一種可靠、高效、可伸縮的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，尤其對于非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，有效解決了大數(shù)據(jù)的可靠存儲和處理，該模塊是云計算、大數(shù)據(jù)相關(guān)課程中分布式框架的基礎(chǔ)，我們依據(jù)CDIO工程思想模式對該模塊進(jìn)行了重新設(shè)計開發(fā)，緊緊圍繞：知識體系理論教學(xué)→技術(shù)能力培養(yǎng)→團(tuán)隊合作能力養(yǎng)成三大核心目標(biāo)組織教學(xué)。設(shè)計思路如下：首先，本課程選取航空公司真實案例（如，航班數(shù)據(jù)的統(tǒng)計）為載體，將所有需要學(xué)習(xí)和掌握的理論知識及技術(shù)實踐能力都圍繞該項目進(jìn)行構(gòu)思及設(shè)計，形成一個整體；其次，緊密聯(lián)系課程目標(biāo)和培養(yǎng)計劃，結(jié)合CDIO工程設(shè)計思想，將教學(xué)內(nèi)容按掌握程度和能力要求分為三級：1級為包含本課程主要核心內(nèi)容和能力要求的項目；2級為包含深入理解并使用相關(guān)技術(shù)解決具體場景下關(guān)鍵問題的能力要求項目；3級為增強該門課程能力與理解而設(shè)的應(yīng)用新工具、新思路、新方法的項目。基于上述分析，我們將教學(xué)內(nèi)容設(shè)置為一級項目、二級項目和三級項目共計3個類型來組織教學(xué)[1]。圖1為本文對云計算課程構(gòu)思與分析后的項目與知識模塊的映射。

具體依據(jù)為，Hadoop基于廉價硬件設(shè)備，在分布式文件系統(tǒng)HDFS上進(jìn)行，把應(yīng)用程序分割成許多小工作單元，使用MapReduce編程模型進(jìn)行處理，開啟了大數(shù)據(jù)處理的嶄新時代，其生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。因此，課程緊密圍繞Hadoop的云編程介紹Hadoop平臺的核心模塊和關(guān)鍵技術(shù)，重點夯實Hadoop基礎(chǔ)架構(gòu)及應(yīng)用知識，為后續(xù)深入學(xué)習(xí)大數(shù)據(jù)分析挖掘等復(fù)雜算法及具體應(yīng)用的實現(xiàn)打下良好基礎(chǔ)。endprint

進(jìn)一步拆分再合并云計算課程中相關(guān)知識內(nèi)容，確定授課單元模塊，梳理授課主線，本文提出云計算課程具體授課內(nèi)容如表1。

（二）項目的設(shè)計

CDIO教學(xué)模式突出實踐的重要性，要保證學(xué)生在“做中學(xué)”，“學(xué)中做”。通過設(shè)計合理的項目使得大多數(shù)學(xué)生能緊跟教師節(jié)奏，在項目由易到難逐步實現(xiàn)的過程中，學(xué)習(xí)并理解課程所涉及的各個知識模塊，深刻體會到學(xué)習(xí)云計算的積極性和樂趣[3]。本課程將提供一個大數(shù)據(jù)航班實際項目案例。通過一個具體的應(yīng)用場景將擬講授的知識、理論和技術(shù)融會貫通，旨在培養(yǎng)學(xué)生對云計算新技術(shù)的主動學(xué)習(xí)性及快速上手能力。本課程將每一單元模塊核心內(nèi)容圍繞項目案例展開教學(xué)，通過航班項目將整個課程知識體系有機的、系統(tǒng)的整合起來，讓學(xué)生以有趣、主動、協(xié)作及有效的形式和方法學(xué)習(xí)云計算課程的相關(guān)內(nèi)容。

具體分析，本文考慮CDIO四階段作為授課載體，通過構(gòu)思（Conceive ）、設(shè)計（Design）、實現(xiàn)（ Implement ）和運作（Operate），我們基于Hadoop大數(shù)據(jù)處理的相關(guān)授課內(nèi)容及大綱要求設(shè)計為2個1級項目：①教學(xué)前導(dǎo)案例《美國民航航班歷年數(shù)據(jù)統(tǒng)計》；②畢業(yè)設(shè)計《基于Hadoop平臺的云盤系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)》；在此基礎(chǔ)上，將教學(xué)前導(dǎo)項目拆分為兩個2級項目和兩個3級項目，通過知識講解、理論體系梳理和動手實踐環(huán)節(jié)的設(shè)計，形成Hadoop大數(shù)據(jù)處理的知識全覆蓋，具體項目設(shè)計參照圖3。

（三）教學(xué)方法的設(shè)計

1）CDIO前導(dǎo)案例，貫穿課程

在CDIO中，構(gòu)思和設(shè)計的課堂教學(xué)項目應(yīng)滿足以下特點：a） 項目功能與需求易于理解，目標(biāo)和任務(wù)可覆蓋教學(xué)核心內(nèi)容、關(guān)鍵技術(shù)；授課內(nèi)容容易拆分成相對獨立模塊進(jìn)行分時的進(jìn)階補充；b） 選擇學(xué)生感興趣且符合信息技術(shù)趨勢的項目，這樣可以和畢業(yè)設(shè)計、實習(xí)實訓(xùn)、實際工作等環(huán)節(jié)接軌，更能將學(xué)生的理論知識和經(jīng)驗積累拓展及推廣到實際應(yīng)用中；c） 項目任務(wù)分組完成，難度部署盡量合理，軟件項目規(guī)模適中，同時保證教學(xué)內(nèi)容能隨著難度實現(xiàn)由淺入深、由點及面、慢慢推進(jìn)；d） 在實踐環(huán)節(jié)，可以構(gòu)造一張知識理論與項目任務(wù)之間的映射圖譜，將理論與實踐端對端、點到點的對應(yīng)在一起，讓學(xué)生在理解的基礎(chǔ)上真正的對所學(xué)知識活學(xué)、活用。

2）查漏補缺、融會貫通

在基于Hadoop的云計算課程中，所涉及到的云計算、大數(shù)據(jù)相關(guān)理論，如虛擬化、分布式技術(shù)、Linux應(yīng)用、Java程序等開發(fā)的知識與技能方方面面，學(xué)生們即使在配置開發(fā)環(huán)境時都有可能遇到各種未知的問題和困難[4，6]。因此，在課程教學(xué)中，首先對于該任務(wù)單元模塊所涉及的核心知識進(jìn)行系統(tǒng)講解，同時根據(jù)課堂反映和先修課程的掌握情況查漏補缺，實時補充理論知識點，并將其融會貫通運用到現(xiàn)有的項目中來。

3）強化實踐、注重創(chuàng)新

云計算課程實踐性非常強，作為新技術(shù)本身就還在不斷的完善和發(fā)展中，因此課堂培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)在用中學(xué)、做中學(xué)、切實做到理論聯(lián)系實際。同時培養(yǎng)創(chuàng)新意識，尤其要注重對學(xué)生在新方法、新技術(shù)及新思路應(yīng)用能力方面的培養(yǎng)，提升大家對于信息技術(shù)軟、硬件及云計算體系架構(gòu)、大數(shù)據(jù)處理框架的認(rèn)知和理解。

4）緊跟前沿、與時俱進(jìn)

基于CDIO的各個環(huán)節(jié)，課程設(shè)置時應(yīng)從構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)和運作四個階段進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容和項目實施的設(shè)計與安排。在此過程中，項目設(shè)置和內(nèi)容編排不僅要基于信息技術(shù)不斷完善與發(fā)展的研究現(xiàn)狀，同時還要進(jìn)行IT、互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)用人標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)要求的充分調(diào)研，盡力做到既加強計算機新技術(shù)運用能力的培養(yǎng)，促進(jìn)信息技術(shù)與專業(yè)知識的融合，又提高學(xué)生應(yīng)用虛擬化、Hadoop分布式框架等技術(shù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)處理的能力，同時兼顧層出不窮的主流框架、核心模型、主流大數(shù)據(jù)解決方案等[5]。

4 實踐案例

為了更好的引導(dǎo)和部署授課內(nèi)容和教學(xué)過程，本課程選用符合授課目標(biāo)和課程設(shè)置的基于Hadoop統(tǒng)計大數(shù)據(jù)航班架次的案例[7]，項目目標(biāo)設(shè)置為：

基于美國民航航班的歷年數(shù)據(jù)（1987年-2008年），開發(fā)MapReduce應(yīng)用程序計算其中某一年各個航班的飛行數(shù)據(jù)。

最終統(tǒng)計結(jié)果以Web頁面方式呈現(xiàn)。

數(shù)據(jù)獲取來源如下：

http：//stat-computing.org/dataexpo/2009/the-data.html

數(shù)據(jù)格式：

壓縮的BZipped CSV（以逗號分隔）格式

例：Year，Month， DayofMonth，DayOfWeek， DepTime， CRSDepTime， ArrTime， CRSArrTime， UniqueCarrier， FlightNum， TailNum， ActualElapsedTime， CRSElapsedTime， AirTime， ArrDelay， DepDelay， Origin， Dest， Distance， TaxiIn， TaxiOut， Cancelled， CancellationCode， Diverted， CarrierDelay， WeatherDelay， NASDelay， SecurityDelay， LateAircraft Delay

1987，10，14，3，741，730，912，849，PS，1451，NA，91，79，NA，23，11，SAN，SFO，447，NA，NA，0，NA，0，NA，NA，NA，NA，NA

1987，10，15，4，729，730，903，849，PS，1451，NA，94，79，NA，14，-1，SAN，SFO 447 NA NA 0 NA 0 NA NA NA NA NA ，447，NA，NA，0，NA，0，NA，NA，NA，NA，NA……endprint

以上迭代式CDIO教學(xué)模式已應(yīng)用于我院信息管理與信息系統(tǒng)三年級本科生的《云計算戰(zhàn)略及實施》的教學(xué)中，項目的構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)和部署運行，共計學(xué)時32個學(xué)時，全部在實驗室上課，教師邊講邊引導(dǎo)，學(xué)生邊聽邊設(shè)計并實施。

5 考核方法的設(shè)計

云計算、大數(shù)據(jù)開發(fā)類課程以實踐和理論技術(shù)并重，因而課程的考核基于理論考查和項目實訓(xùn)匯報兩部分。學(xué)生需要參加理論筆試與實訓(xùn)答辯兩個環(huán)節(jié)，最后進(jìn)行權(quán)重總評獲得該課程成績。理論部分由每個考生獨立完成；項目實訓(xùn)環(huán)節(jié)由3-4名學(xué)生

理論考核：掌握Hadoop系統(tǒng)架構(gòu)、HDFS分布式文件系統(tǒng)、MapReduce編程模型、大數(shù)據(jù)處理平臺Pig及Pig腳本應(yīng)用、數(shù)據(jù)倉庫工具Hive及無限大表數(shù)據(jù)庫HBase等基礎(chǔ)理論知識和關(guān)鍵技術(shù)，期末進(jìn)行閉卷筆試。

項目開發(fā)及匯報：學(xué)生以小組為單位參照教學(xué)項目《美國民航航班歷年數(shù)據(jù)統(tǒng)計》進(jìn)行CDIO階段計劃并實施。項目各階段由小組集體討論、并將任務(wù)分工后分配至每個人，教師進(jìn)行檢查指導(dǎo)。最終，每個小組將課題所涉及的項目內(nèi)容、步驟、關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行歸納整理，以PPT形式進(jìn)行講解和匯報；同時，將所開發(fā)的Hadoop大數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)部署到教師機上，進(jìn)行系統(tǒng)功能演示，教師由每組的這兩部分成績進(jìn)行綜合評價，如圖4所示，為課堂上學(xué)生進(jìn)行現(xiàn)場答辯的情景。

6 案例拓展

在該課程后續(xù)拓展案例中，我們進(jìn)一步設(shè)計了一級項目《基于Hadoop平臺的云盤系統(tǒng)》，既對先修云計算課程進(jìn)行理論梳理和項目實踐的拓展，又進(jìn)一步實現(xiàn)CDIO所主導(dǎo)的基本能力與素質(zhì)的提升。該項目旨在實現(xiàn)基于Hadoop平臺搭建云盤系統(tǒng)，針對私人產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行有效管理與存儲。具體來說，系統(tǒng)功能設(shè)計為登錄注冊模塊、系統(tǒng)管理、用戶管理、文件夾管理、文件管理、系統(tǒng)公告管理、留言管理共7個功能模塊[8]，如圖5所示。

具體來說，圍繞項目需求和授課內(nèi)容的設(shè)置，本項目在系統(tǒng)中設(shè)計了用戶與管理員兩種角色：

管理員

功能：查看用戶信息、添加用戶信息、添加文件夾、查看文件夾信息、添加文件、查看文件信息、添加系統(tǒng)公告、查看系統(tǒng)公告、添加留言反饋、查看留言反饋、查看共享狀態(tài)、查看角色信息、修改個人密碼、查看登錄日志、查看在線用戶。

用戶

功能：查看個人信息、添加文件夾、查看文件夾信息、添加文件、查看文件信息、添加系統(tǒng)公告、查看系統(tǒng)公告、添加留言反饋、查看留言反饋、修改密碼。

基于這樣的項目設(shè)計，我們實施整個項目過程中涉及到的知識模塊見表2：

7 總結(jié)與展望

本文所涉及到的項目案例均已在授課實踐中進(jìn)行了嘗試和檢驗，盡管迭代式工程模式CDIO授課方法對教師的教學(xué)能力和實踐經(jīng)歷有著更高的要求，但卻給學(xué)生對云計算等新技術(shù)課程的學(xué)習(xí)帶來了較好的效果。相比于計算機類課程的傳統(tǒng)教學(xué)方法，CDIO的學(xué)習(xí)方法和模式，大大提升了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、加速對前沿理論知識的快速理解、鍛煉新技術(shù)的實踐水平，最終培養(yǎng)學(xué)生對云計算、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)的學(xué)習(xí)、掌握和運用能力。此外，分組競爭的考核方法和標(biāo)準(zhǔn)也為教學(xué)效果提供了重要的保障，加強了學(xué)生主動學(xué)習(xí)、團(tuán)隊協(xié)作以及項目管理中的基本能力與素質(zhì)。

在實際教學(xué)中，我們也可以基于校企合作產(chǎn)學(xué)研模式，與相關(guān)企業(yè)構(gòu)建實訓(xùn)基地，借鑒豐富的工程項目資源，促使CDIO教學(xué)模式中教學(xué)內(nèi)容與實際環(huán)境的需求和使用高度統(tǒng)一。本文所探討的CDIO教學(xué)模式中的案例、方法及設(shè)計思路將為云計算、大數(shù)據(jù)等相關(guān)課程的教學(xué)提供有益參考和補充。

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