云計算本科教學(xué)的實踐探索

肖 鵬，屈喜龍，劉洞波

（湖南工程學(xué)院 計算機(jī)與通信學(xué)院，湖南 湘潭411104）

云計算的基本思想是將空閑的網(wǎng)絡(luò)計算資源通過虛擬化技術(shù)來進(jìn)行彈性組合，從而為各類應(yīng)用程序提供方便、簡易、安全、可靠的高性能計算服務(wù)。［1，2］由于云計算服務(wù)具備良好的商業(yè)運(yùn)營模式，大量互聯(lián)網(wǎng)公司已經(jīng)開始通過構(gòu)建自己的云計算設(shè)施來為其用戶提供相關(guān)服務(wù)，從而導(dǎo)致對具備云計算相關(guān)知識人才的需求迅速增加。因此，培養(yǎng)掌握云計算相關(guān)理論和應(yīng)用能力的專業(yè)人才已經(jīng)成為當(dāng)前計算機(jī)本科教學(xué)的一項新興任務(wù)，并日益受到國內(nèi)各大高校的重視。

云計算從概念的提出到廣泛應(yīng)用只有不到5年時間，相關(guān)理論和技術(shù)仍然在不斷探索和研究之中，因此如何在高校中開展關(guān)于云計算教學(xué)的研究尚處于起步階段。目前，國內(nèi)高校主要將云計算教學(xué)放在研究生培養(yǎng)階段，并通過縱向科研項目來推動云計算的理論教學(xué)。［3］這種方式雖然有利于培養(yǎng)具備較好理論基礎(chǔ)的人才，但在云計算應(yīng)用技術(shù)的推廣方面則明顯落后于社會的當(dāng)前需求。因此，如何在計算機(jī)專業(yè)的本科階段開展云計算相關(guān)教學(xué)成為近期各大高校重點(diǎn)關(guān)注的一個問題。［4］目前，清華、北大等高?；谄淝捌谠谠朴嬎憧蒲蓄I(lǐng)域的基礎(chǔ)，已經(jīng)在積極地探索本科階段的云計算教學(xué)方法和內(nèi)容，其教學(xué)實踐結(jié)果顯示：高年級的本科學(xué)生已經(jīng)具備一定的云計算先導(dǎo)知識，通過廣泛的課程實踐教學(xué)和案例分析，大部分學(xué)生能夠掌握云計算的相關(guān)應(yīng)用技術(shù)。這一教學(xué)實踐顯示：對本科學(xué)生進(jìn)行云計算理論和技術(shù)的教學(xué)是完全可行的。

但是，以上大學(xué)的經(jīng)驗來自于其充沛的教學(xué)和實驗資源，以及基礎(chǔ)較為扎實的本科生源。若直接推廣到普通高校，則存在一定的現(xiàn)實困難，例如實驗環(huán)境簡易、學(xué)生理論知識不扎實等。針對普通高校的現(xiàn)狀，本文主要探討如何在本科階段開展云計算的理論和實踐教學(xué)，主要目標(biāo)有兩個：確定云計算本科教學(xué)中的教學(xué)內(nèi)容和綱要，探索在本科階段開展云計算教學(xué)的方法。通過結(jié)合相關(guān)教學(xué)實踐經(jīng)驗，本文提出兩個指導(dǎo)性原則：（1）依據(jù)學(xué)生的現(xiàn)有知識和理解能力，有選擇地制定教學(xué)內(nèi)容和綱要；（2）結(jié)合云計算應(yīng)用領(lǐng)域?qū)嵗?，積極開展云計算相關(guān)的實驗和實踐教學(xué)活動。

一 云計算課程的教學(xué)大綱

在已經(jīng)開展云計算教學(xué)的高校中，關(guān)于云計算課程教學(xué)內(nèi)容和基本方法仍然存在大量爭論，其主要觀點(diǎn)分為以下三派：（1）強(qiáng)調(diào)云計算的分布式特性，主張云計算并入“分布式計算”的教學(xué)大綱；［5］（2）強(qiáng)調(diào)云計算的商業(yè)模式及其應(yīng)用領(lǐng)域，主張將云計算并入“電子商務(wù)”的范疇，并通過云系統(tǒng)實例來開展云計算教學(xué)；（3）強(qiáng)調(diào)云計算的“互聯(lián)網(wǎng)”特性，主張將其并入“Web服務(wù)”的教學(xué)。以上三種觀點(diǎn)各自從云計算的某個側(cè)面出發(fā)，都希望通過結(jié)合已有的教學(xué)內(nèi)容來開展云計算教學(xué)。

由于云計算技術(shù)本身仍然有很多內(nèi)容處于不斷探索之中，其各類模型和模式都具有較大的演化空間，且各種新的思想、理論、觀念和應(yīng)用模式都在不斷更新和改進(jìn)。因此，筆者認(rèn)為，將云計算技術(shù)限定在某種已有的教學(xué)內(nèi)容框架之中不利于學(xué)生準(zhǔn)確地理解云計算的主要思想，也容易限制學(xué)生的創(chuàng)新開拓性思維?；谝陨戏治?，筆者提出一種“宏觀云”的基本理念。所謂“宏觀云”云計算是服務(wù)計算、分布式計算、協(xié)同計算、效用計算等技術(shù)的全面綜合，代表了計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新模式的融合和匯聚?；谶@種“宏觀云”理念，本文采用分層方法設(shè)計了一套云計算課程的教學(xué)大綱和關(guān)鍵教學(xué)內(nèi)容（見表一）。

表一 云計算教學(xué)大綱和關(guān)鍵教學(xué)內(nèi)容

以上教學(xué)大綱和關(guān)鍵教學(xué)內(nèi)容依據(jù)層次遞進(jìn)的方式安排。首先，“云系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)”從總體上將一般的云系統(tǒng)分為四個基本層，這就從整體上歸納了云系統(tǒng)的基本架構(gòu)和模型；然后，該大綱從四個不同的側(cè)面（包括“虛擬化技術(shù)”、“云資源管理策略和方法”、“云安全技術(shù)”［6］和“云服務(wù)和應(yīng)用”）來描述云計算領(lǐng)域中的某個主題，其中各個側(cè)面所涉及的知識要點(diǎn)依據(jù)其在“云系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)”中的位置進(jìn)行劃分。這種二維的教學(xué)大綱既能夠清醒地闡明云系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，也能從不同層面詳述在各個層次上所涉及的相關(guān)技術(shù)，從而便于學(xué)生全面綜合地理解云計算的基本概念和相關(guān)技術(shù)。此外，四個不同的側(cè)面并非固定不變，而是可以隨著云計算領(lǐng)域的最新進(jìn)展進(jìn)行不斷補(bǔ)充，其教學(xué)內(nèi)容也可以依據(jù)教學(xué)單位的實際情況來動態(tài)調(diào)整。例如，考慮到學(xué)生的知識層次，虛擬化技術(shù)和云安全部分可以作為選修內(nèi)容。

二 教學(xué)方法和指導(dǎo)原則

如前所述，通過科研方式來推進(jìn)云計算教學(xué)的方法目前只適用于“211”或“985”類型的高等學(xué)校。在一般普通高校的本科階段開展云計算教學(xué)存在若干困難，其中實驗資源嚴(yán)重不足的困難可以通過逐年積累的方式來改善，難點(diǎn)集中在一般普通高校中本科學(xué)生的知識基礎(chǔ)不牢和理解能力不夠上，主要體現(xiàn)為：（1）預(yù)備性基礎(chǔ)知識不足；（2）跨學(xué)科的知識點(diǎn)聯(lián)系能力較弱；（3）文獻(xiàn)檢索和綜合能力薄弱；（4）創(chuàng)新積極性不足。基于上文提出的教學(xué)大綱，并結(jié)合當(dāng)前我國普通高校的實際情況，本文提出了兩個關(guān)于云計算教學(xué)的指導(dǎo)性原則：（1）依據(jù)學(xué)生的現(xiàn)有知識和理解能力，有選擇性地制定教學(xué)內(nèi)容和綱要；（2）結(jié)合云計算應(yīng)用領(lǐng)域?qū)嵗?，積極開展云計算相關(guān)的實驗和實踐教學(xué)活動?；谶@兩個原則，本文提出一種跨專業(yè)課程的聯(lián)合教學(xué)方法，其主導(dǎo)思想可以概括為：將云計算的關(guān)鍵教學(xué)內(nèi)容融入現(xiàn)有課程之中，以此降低本科學(xué)生在學(xué)習(xí)云計算理論和技術(shù)時的難度，從而克服其“預(yù)備性基礎(chǔ)知識不足”這一缺點(diǎn)。為此，本文作者依據(jù)計算機(jī)專業(yè)教學(xué)大綱和相關(guān)內(nèi)容，總結(jié)了一個關(guān)于云計算教學(xué)內(nèi)容和其它專業(yè)課程的關(guān)聯(lián)表（見表二）。

表二 云計算關(guān)鍵教學(xué)內(nèi)容關(guān)聯(lián)課程及其關(guān)聯(lián)內(nèi)容

通過表二所示的關(guān)聯(lián)內(nèi)容，我們可以看出云計算是一門集合了大量計算機(jī)專業(yè)課程的綜合性學(xué)科。不同的專業(yè)課程存在若干與云計算密切相關(guān)的內(nèi)容，某些專業(yè)課程則通過不同側(cè)面與云計算技術(shù)發(fā)生聯(lián)系。［7，8］以上關(guān)聯(lián)性決定了不能簡單地將云計算設(shè)定為特定課程的延續(xù)。對此，我們提出的聯(lián)合教學(xué)方法是，依據(jù)各門專業(yè)課程中的知識點(diǎn)與云計算中關(guān)鍵教學(xué)內(nèi)容的聯(lián)系，增加與云計算相關(guān)的討論和分析，將復(fù)雜的云計算教學(xué)以“化整為零”的方式融入各門專業(yè)課程的教學(xué)中。這種跨專業(yè)課程的聯(lián)合教學(xué)方法具有以下顯著優(yōu)點(diǎn)：（1）降低本科學(xué)生在學(xué)習(xí)云計算理論和技術(shù)時的難度；（2）以云計算理論和技術(shù)來深化現(xiàn)有課程的教學(xué)內(nèi)容，使傳統(tǒng)課程教學(xué)與最新技術(shù)緊密結(jié)合，消除學(xué)生對傳統(tǒng)課程內(nèi)容的疲憊感；（3）培養(yǎng)學(xué)生的跨專業(yè)知識聯(lián)系能力。以上跨專業(yè)聯(lián)合教學(xué)方法，需要對現(xiàn)有其它課程教學(xué)大綱進(jìn)行適度修改和補(bǔ)充。

三 教學(xué)實例分析與討論

基于以上教學(xué)大綱和教學(xué)方法，筆者在本校網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)方向的本科學(xué)生中開展了若干教學(xué)實踐。目前，該方向的本科學(xué)生主修計算機(jī)專業(yè)的核心課程，同時輔修若干網(wǎng)絡(luò)通信相關(guān)課程，這些課程基本涵蓋了表二所示的“現(xiàn)有課程”。學(xué)生的知識層次和理解能力在一般普通高校中具有一定的代表性。以上教學(xué)方法主要在大三和大四學(xué)生中開展，通過兩年的聯(lián)合式教學(xué)實踐，90%以上的學(xué)生基本理解和掌握了云計算的基本概念和主要應(yīng)用領(lǐng)域，部分學(xué)生主動參與了與云計算相關(guān)的實踐活動；10%左右的學(xué)生在畢業(yè)課題設(shè)計時選擇了云計算相關(guān)的課題，并成功地開發(fā)了若干基于云計算技術(shù)的應(yīng)用程序。以上結(jié)果顯示：采用針對性的原則來開展云計算教學(xué)能夠有效地激發(fā)本科學(xué)生對云計算的學(xué)習(xí)興趣，也可以克服若干關(guān)于云計算教學(xué)的困難。目前，本教學(xué)方法仍在不斷探索之中，相關(guān)實驗資源的不足是制約實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的主要因素。在今后的教學(xué)中，我們將通過不斷累積的方式在現(xiàn)有的實驗條件下構(gòu)建云計算數(shù)據(jù)中心，目標(biāo)是部署一個中小規(guī)模的虛擬數(shù)據(jù)中心，并通過各類模擬仿真系統(tǒng)來開展相關(guān)的實踐教學(xué)活動，爭取幫助學(xué)生在實際云環(huán)境中獲得相關(guān)開發(fā)和編程經(jīng)驗。

四 結(jié) 語

本文針對普通高校中計算機(jī)專業(yè)學(xué)生的云計算課程教學(xué)，提出了一個二維的教學(xué)大綱，并探討了如何通過“聯(lián)合式教學(xué)”方式來克服云計算教學(xué)中的困難。教學(xué)實踐結(jié)果表明，本文所提出的教學(xué)方法能夠有效地激發(fā)本科學(xué)生對云計算技術(shù)的學(xué)習(xí)興趣，同時也克服若干在本科階段中開展云計算教學(xué)的困難。今后，我們將繼續(xù)探索云計算的教學(xué)方法，并結(jié)合該領(lǐng)域的新問題和新技術(shù)來擴(kuò)展教學(xué)大綱。同時，我們還將探索如何通過虛擬仿真平臺的方式來拓展云計算教學(xué)的途徑，爭取實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化虛擬教學(xué)與實驗的整合。

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