陳 飛 陳麗芳 謝振平 王曉鋒

( 江南大學(xué) a.數(shù)字媒體學(xué)院;b.物聯(lián)網(wǎng)學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122)

面向云應(yīng)用創(chuàng)新的教學(xué)改革與探索

陳 飛a陳麗芳a謝振平a王曉鋒b

( 江南大學(xué) a.數(shù)字媒體學(xué)院;b.物聯(lián)網(wǎng)學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122)

近年來(lái),信息化技術(shù)的普及為教育事業(yè)帶來(lái)了巨大變革，傳統(tǒng)的教學(xué)模式日益不適合以云計(jì)算和大數(shù)據(jù)為代表的新興課程發(fā)展。針對(duì)云計(jì)算和大數(shù)據(jù)技術(shù)相關(guān)課程的教學(xué)方法展開探索，通過(guò)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)對(duì)云計(jì)算中的虛擬化技術(shù)和并行計(jì)算技術(shù)進(jìn)行重點(diǎn)闡述，在加深學(xué)生對(duì)核心技術(shù)理解的同時(shí)，形成一套完整的理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)體系,以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行云計(jì)算應(yīng)用的探索與創(chuàng)新。

云計(jì)算技術(shù)； 虛擬化技術(shù)； 并行計(jì)算技術(shù)； 教學(xué)實(shí)驗(yàn)； 應(yīng)用創(chuàng)新

1 背景與意義

隨著云計(jì)算技術(shù)的日益成熟，云計(jì)算已經(jīng)不再是一個(gè)虛擬的概念,早已為許多成熟的應(yīng)用服務(wù)提供了實(shí)際的支持。云計(jì)算的特點(diǎn)就是將資源重新整合，統(tǒng)一管理起來(lái)并按需分配給用戶來(lái)使用，所有資源都存儲(chǔ)在云端，用戶只需接入云就可以使用里面的資源，這種計(jì)算模式為新興云應(yīng)用的快速部署和推廣提供了新的機(jī)遇。

云應(yīng)用創(chuàng)新源于云計(jì)算，是近年來(lái)利用云計(jì)算進(jìn)行管理創(chuàng)新或商業(yè)模式創(chuàng)新的一種方式。通常認(rèn)為云創(chuàng)新是指利用先進(jìn)的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)(如云計(jì)算平臺(tái))，對(duì)企業(yè)內(nèi)外部信息、自發(fā)創(chuàng)新體、相關(guān)制度政策等一系列創(chuàng)新資源進(jìn)行有效整合，并建立相應(yīng)主體之間的聯(lián)系，通過(guò)合理的管理方式、科學(xué)的運(yùn)行模式實(shí)現(xiàn)的創(chuàng)新。云創(chuàng)新是一種新型的全面創(chuàng)新，是有目標(biāo)、有平臺(tái)、有驅(qū)動(dòng)、有效果的一種資源整合的創(chuàng)新。

與此同時(shí)，面向云計(jì)算的課程教育也被越來(lái)越多的高校所關(guān)注，它涉及對(duì)云平臺(tái)軟硬件架構(gòu)的了解，對(duì)云應(yīng)用服務(wù)規(guī)律的探索，與主流計(jì)算機(jī)學(xué)科理論的支持和融合等。另一方面，高昂的平臺(tái)開銷，限定的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，固化的課程內(nèi)容，都制約了教學(xué)過(guò)程的靈活性，無(wú)法讓理論教學(xué)與實(shí)踐環(huán)節(jié)充分結(jié)合。對(duì)此，本文通過(guò)設(shè)計(jì)完整的課程體系,為高校教育環(huán)境下的云應(yīng)用創(chuàng)新提供支持。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前全球各個(gè)國(guó)家和地區(qū)都在積極地展開圍繞云計(jì)算教育的應(yīng)用和實(shí)踐。調(diào)查表明，在美國(guó)有34%的高等教育機(jī)構(gòu)和27%的學(xué)校利用云設(shè)施。許多著名的組織都參與到針對(duì)教育的云計(jì)算規(guī)劃中，其中有代表性的有IBM的“藍(lán)云”以及亞馬遜公司的“云計(jì)算開放式基金”。

在我國(guó),教育信息化建設(shè)一直以來(lái)受到政府的高度重視和大力支持。國(guó)家“十二五”規(guī)劃把云計(jì)算作為新一代IT業(yè)研發(fā)與應(yīng)用的重要領(lǐng)域之一，部分先行的政府機(jī)構(gòu)、企事業(yè)單位和教育機(jī)構(gòu)在研究的基礎(chǔ)上構(gòu)建了獨(dú)有的政府云、企業(yè)云和教育云，尤其是教育云引起了社會(huì)的廣泛關(guān)注?！督逃畔⒒臧l(fā)展規(guī)劃(2011—2020)》也明確指出：建設(shè)教育云資源平臺(tái)，匯聚百家企事業(yè)單位、萬(wàn)名師生開發(fā)優(yōu)秀資源,以建設(shè)國(guó)家數(shù)字教育資源公共服務(wù)平臺(tái)來(lái)幫助所有師生和社會(huì)公眾選擇并獲取優(yōu)質(zhì)服務(wù)資源，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)資源共享和持續(xù)發(fā)展。以上政策都將給云計(jì)算的發(fā)展帶來(lái)廣闊的前景，加強(qiáng)云計(jì)算服務(wù)平臺(tái)的構(gòu)建、促進(jìn)優(yōu)質(zhì)云服務(wù)應(yīng)用的發(fā)展也必將成為新趨勢(shì)。

3 教學(xué)方式

按照“應(yīng)用引領(lǐng)、技術(shù)驅(qū)動(dòng)、科教結(jié)合、協(xié)同創(chuàng)新”的原則，將云計(jì)算與大數(shù)據(jù)的學(xué)科優(yōu)勢(shì)與學(xué)?，F(xiàn)有的設(shè)施資源相結(jié)合，促進(jìn)課程建設(shè)和人才培養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)云計(jì)算服務(wù)創(chuàng)新和關(guān)鍵技術(shù)在教學(xué)環(huán)境中落地，推動(dòng)信息技術(shù)與教育應(yīng)用的深度融合。因此,課題組從以下方面進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)：

3.1 平臺(tái)構(gòu)建

在學(xué)校現(xiàn)有的云平臺(tái)、大數(shù)據(jù)媒體專題實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步利用接入到平臺(tái)的個(gè)人筆記本電腦和臺(tái)式機(jī)組成混合云平臺(tái)，繼續(xù)擴(kuò)建現(xiàn)有的云環(huán)境，逐步完善云計(jì)算、大數(shù)據(jù)技術(shù)以及移動(dòng)應(yīng)用等相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，并針對(duì)教學(xué)中的虛擬化技術(shù)、分布式技術(shù)以及相關(guān)移動(dòng)應(yīng)用開發(fā)等具體場(chǎng)景構(gòu)建合理的實(shí)驗(yàn)?zāi)M開發(fā)環(huán)境。

3.2 課程建設(shè)

在教學(xué)中采用探討的形式，對(duì)云計(jì)算中的重點(diǎn)技術(shù)進(jìn)行歸類劃分，并結(jié)合當(dāng)前流行的云應(yīng)用案例進(jìn)行對(duì)照講解。要求學(xué)生課下搜集涉及相應(yīng)技術(shù)的應(yīng)用程序并自己進(jìn)行分析講解，從而對(duì)其應(yīng)用范圍和適用場(chǎng)景形成直觀的理解,進(jìn)一步擴(kuò)展與云計(jì)算相關(guān)的技術(shù)，形成一整套包含大數(shù)據(jù)、移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)等在內(nèi)的云計(jì)算課程體系。

3.3 人才培養(yǎng)方面

在學(xué)生培育過(guò)程中實(shí)施充分體現(xiàn)理論和實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)模式，提高學(xué)生的動(dòng)手能力和課程參與度，培養(yǎng)學(xué)生基本的編程技能和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，為學(xué)校培養(yǎng)復(fù)合型應(yīng)用創(chuàng)新人才奠定基礎(chǔ)。

3.4 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)方面

將創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目與課堂教學(xué)相結(jié)合，構(gòu)建以云服務(wù)為中心的創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目體系。組織學(xué)生參加全國(guó)性的云計(jì)算創(chuàng)新大賽和創(chuàng)業(yè)競(jìng)賽，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神，并利用云開發(fā)環(huán)境推動(dòng)創(chuàng)新型應(yīng)用的落地。

4 課程內(nèi)容

“云計(jì)算技術(shù)”課程作為學(xué)校開設(shè)的一門選修課，具有較重要的地位和作用，該課程系統(tǒng)講授云計(jì)算技術(shù)的專業(yè)知識(shí)，使學(xué)生在學(xué)習(xí)本課程后，能對(duì)云計(jì)算領(lǐng)域具有代表性的Google、Amazon和微軟等公司的云計(jì)算技術(shù)原理和應(yīng)用方法有一個(gè)較全面和系統(tǒng)的了解，掌握GFS、MapReduce、Bigtable等經(jīng)典技術(shù)方案。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生重點(diǎn)掌握云計(jì)算的虛擬化技術(shù)和分布式技術(shù)，對(duì)整個(gè)云計(jì)算技術(shù)的熱點(diǎn)領(lǐng)域有一個(gè)系統(tǒng)的了解和認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)興趣，為以后的云服務(wù)應(yīng)用設(shè)計(jì)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

由于云計(jì)算涉及計(jì)算機(jī)科學(xué)知識(shí)的方方面面，因此在課程安排上考慮將先修課程設(shè)為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)原理以及Linux環(huán)境程序設(shè)計(jì)。學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中需要根據(jù)教學(xué)內(nèi)容預(yù)習(xí)及課后加強(qiáng)學(xué)習(xí)參考書目中的相應(yīng)內(nèi)容，并能夠適當(dāng)瀏覽一些相關(guān)英文網(wǎng)站或技術(shù)文章，以完成課程調(diào)研報(bào)告。考慮教學(xué)對(duì)象為本科生的特點(diǎn)，在教材內(nèi)容選用上應(yīng)盡量采用入門式的架構(gòu)和原理介紹，避免復(fù)雜的算法實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)。課堂教學(xué)內(nèi)容方面，主要分為理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩部分。

4.1 理論教學(xué)

通過(guò)理論部分的講解，使學(xué)生具備以下的基本知識(shí)和技能：

(1) 了解和掌握云計(jì)算的基本概念，云服務(wù)的基本原理和組成結(jié)構(gòu)。具體包含云計(jì)算技術(shù)與傳統(tǒng)IT產(chǎn)業(yè)的區(qū)別和聯(lián)系，云服務(wù)的分類以及云計(jì)算的基本框架和模塊設(shè)計(jì)等。

(2) 重點(diǎn)掌握云計(jì)算中的虛擬化技術(shù)和分布式計(jì)算技術(shù)。虛擬化和分布式計(jì)算是云計(jì)算的兩大重要特性和核心技術(shù)環(huán)節(jié)，它為各種云應(yīng)用的研發(fā)提供了重要支撐。因此，課程教學(xué)將結(jié)合實(shí)例對(duì)不同云服務(wù)中的虛擬化和分布式技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行重點(diǎn)介紹。

(3) 了解云計(jì)算技術(shù)的發(fā)展、應(yīng)用以及當(dāng)前國(guó)際國(guó)內(nèi)研究的熱點(diǎn)、重要成果及其工程應(yīng)用的前景，培養(yǎng)學(xué)生云計(jì)算應(yīng)用的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新思維。

4.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

圍繞云計(jì)算中的虛擬化和并行計(jì)算兩大重點(diǎn)技術(shù)環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)基于虛擬化平臺(tái)的Hadoop實(shí)驗(yàn)。具體包含以下步驟：

(1) 虛擬化平臺(tái)搭建。采用VMware Workstation 10.01構(gòu)建虛擬化環(huán)境，并利用Ubuntu 14.04 LTS作為虛擬機(jī)鏡像。在搭建過(guò)程中要求學(xué)生熟悉虛擬機(jī)部署的基本方法，并掌握Linux系統(tǒng)中利用terminal命令行進(jìn)行基本的系統(tǒng)操作。

(2) 環(huán)境配置。對(duì)部署的虛擬機(jī)配置ssh無(wú)密碼登錄，并配置JDK環(huán)境變量，為Hadoop運(yùn)行做準(zhǔn)備。下載完Hadoop之后通過(guò)輸入命令bin/hadoop進(jìn)行驗(yàn)證環(huán)境配置是否成功。

(3) 單節(jié)點(diǎn)偽分布式架構(gòu)。首先啟動(dòng)DFS文件系統(tǒng)，通過(guò)在本機(jī)訪問(wèn)http://localhost:50070/ 訪問(wèn)元數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)頁(yè)面，驗(yàn)證DFS是否正常啟動(dòng)。然后啟動(dòng)Yarn，并通過(guò)http://localhost:8088/訪問(wèn)資源管理頁(yè)面。最后通過(guò)jps命令檢測(cè)所有進(jìn)程就緒。

(4) 完全分布式架構(gòu) (進(jìn)階篇)。當(dāng)學(xué)生完成了單節(jié)點(diǎn)偽分布式架構(gòu)后，可以進(jìn)一步部署docker節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)完全分布式架構(gòu)。在這種狀態(tài)下，位于master節(jié)點(diǎn)的namenode需要與位于不同slave節(jié)點(diǎn)的datanode進(jìn)程進(jìn)行通信。

(5) 掌握map-reduce技術(shù)并行計(jì)算編程。當(dāng)Hadoop系統(tǒng)框架搭建完成之后，進(jìn)一步要求學(xué)生分別熟悉Map函數(shù)和Reduce函數(shù)的編程模式。從理解wordcount源代碼分析入手，通過(guò)修改初始代碼實(shí)現(xiàn)詞頻的降序排列，以及嘗試實(shí)現(xiàn)矩陣乘法等不同應(yīng)用的要求。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中學(xué)生需要掌握虛擬化技術(shù)的基本原理，熟練使用各種虛擬化工具完成虛擬化平臺(tái)的搭建。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步掌握map-reduce的分布式編程技術(shù)，滿足開發(fā)云平臺(tái)高任務(wù)量的并行計(jì)算的需求，為以后的云創(chuàng)新應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

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(yè)報(bào)告。

5.1 課堂演講

要求學(xué)生對(duì)日常生活中的一款云應(yīng)用軟件/平臺(tái)進(jìn)行調(diào)研，總結(jié)其相關(guān)的云計(jì)算的技術(shù)點(diǎn)，并在課堂進(jìn)行演講匯報(bào)。對(duì)數(shù)字媒體學(xué)院65名學(xué)生的選題方向進(jìn)行整理統(tǒng)計(jì),其結(jié)果如圖1所示。

圖1 課堂匯報(bào)選題

根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，學(xué)生所感興趣的云應(yīng)用主要集中在移動(dòng)云和云游戲相關(guān)方面的內(nèi)容。其中移動(dòng)云應(yīng)用以小米云、360手機(jī)助手、騰訊手機(jī)云管家等為代表，云游戲方面主要調(diào)研了Gaikai、Onlive等國(guó)外著名的云游戲服務(wù)提供商，并對(duì)比介紹了國(guó)內(nèi)的格來(lái)云游戲等。另外，學(xué)生關(guān)注的熱點(diǎn)集中在云音樂(lè)、云筆記以及云盤等應(yīng)用服務(wù)。這些結(jié)果反映了以云計(jì)算所提供的隨時(shí)隨地(anytime and anywhere)的各種便捷化應(yīng)用服務(wù)已經(jīng)滲透到當(dāng)代大學(xué)生生活的方方面面，其中，移動(dòng)手機(jī)云應(yīng)用成為突出代表。

5.2 云應(yīng)用設(shè)計(jì)報(bào)告

考慮到學(xué)生間的個(gè)體差異，為了充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，同時(shí)也為方便學(xué)生自由組隊(duì)進(jìn)行云服務(wù)相關(guān)的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)開發(fā)，課后大作業(yè)圍繞云應(yīng)用設(shè)計(jì)報(bào)告的形式，具體選題分為以下幾種：(1) 服務(wù)策劃。主要負(fù)責(zé)進(jìn)行市場(chǎng)調(diào)研，結(jié)合云服務(wù)的特性，分析潛在的市場(chǎng)需求，討論可以提供的云服務(wù)形式。(2) 架構(gòu)設(shè)計(jì)。由于云服務(wù)往往需要面對(duì)海量的用戶訪問(wèn)，因此要對(duì)比傳統(tǒng)方案根據(jù)不同服務(wù)形式考慮云服務(wù)系統(tǒng)的整體架構(gòu)。(3) 代碼編寫。利用實(shí)驗(yàn)課程中掌握的Hadoop虛擬化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，開發(fā)一個(gè)分布式計(jì)算的具體應(yīng)用。學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣對(duì)以上題目選擇其中一項(xiàng)完成設(shè)計(jì)報(bào)告，具體的不同方向統(tǒng)計(jì)結(jié)果,如圖2所示。

圖2 云應(yīng)用設(shè)計(jì)報(bào)告選題

由圖2數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，大約10%的學(xué)生選擇了產(chǎn)品策劃，大約15%的學(xué)生通過(guò)代碼編寫實(shí)現(xiàn)了具體的云服務(wù)小型應(yīng)用。絕大部分學(xué)生選擇了架構(gòu)設(shè)計(jì)分析，具體包含大約35%涉及以HDFS為代表的分布式存儲(chǔ)方案和非結(jié)構(gòu)型數(shù)據(jù)庫(kù)分析，16%的內(nèi)容涉及以分布式CDN為代表的云端網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，5%的內(nèi)容涉及應(yīng)對(duì)DDoS攻擊等云服務(wù)安全問(wèn)題。對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，這些選題的方向與當(dāng)前云服務(wù)所提供的主要服務(wù)類型密切相關(guān)。

6 建議與結(jié)論

由于云計(jì)算屬于IT產(chǎn)業(yè)中的新興領(lǐng)域，涉及不同學(xué)科中各方面的專業(yè)知識(shí)，對(duì)高校課程教學(xué)工作提出了新的挑戰(zhàn)。根據(jù)云計(jì)算技術(shù)教學(xué)方案的實(shí)施結(jié)果，課題組對(duì)高校的云計(jì)算教學(xué)提出以下建議：

(1) 在課程中宜采用“理論講解+案例分析+實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練”相結(jié)合的方式，更易于學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解掌握。

(2) 在實(shí)驗(yàn)設(shè)置上要充分利用云平臺(tái)以及個(gè)人電腦等資源,對(duì)教學(xué)內(nèi)容制定合理的實(shí)驗(yàn)方案。

(3) 根據(jù)學(xué)生的興趣特長(zhǎng)，圍繞云服務(wù)應(yīng)用創(chuàng)新，制定不同的任務(wù)分工，可以調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和參與度，從而為高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃的實(shí)現(xiàn)做準(zhǔn)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(xué)本科教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目重點(diǎn)項(xiàng)目“融合專業(yè)教育與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的數(shù)字媒體專業(yè)人才培養(yǎng)研究”(JG2015026)；江南大學(xué)本科教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目“媒體智能化需求驅(qū)動(dòng)的數(shù)媒技術(shù)人才培養(yǎng)方案研究”(JG2015102)；江南大學(xué)本科教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目“基于虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的計(jì)算機(jī)專業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)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(jì)算，網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。

10.13750/j.cnki.issn.1671-7880.2017.06.009

TU 43；O 344

A

1671-7880(2017)06-0031-04

責(zé)任編輯俞林