“信息存储技术”的课程建设与教学实践

刘 芳 肖 侬 蔡志平 王志英

摘要:数据的爆炸式增长对信息存储技术提出了巨大挑战,也对信息存储人才的培养提出了迫切需求,因此“信息存储”系列课程的建设和发展迫在眉睫。本文首先分析了美国和国内高校开设信息存储课程的现状,然后结合我校的实践情况,从教学目标、教学内容、教学方式与学时分配、教学组织、成绩评价方式等方面探讨了信息存储课程的课程建设和教学实践。

关键词:信息存储技术;存储系列课程;教学探讨

中图分类号:G642 文献标识码:B

1引言

因特网的蓬勃发展,社会的数字化变革,导致了数据呈爆炸式增长。到2008年底,全球数据内容的总量激增为4870亿GB。海量数据对存储系统的巨大需求,使得存储产业步入高速发展的黄金时期。另一方面,以指数方式持续增长的信息量,对存储系统在存储容量、数据可用性、I/O性能、动态可扩展性、易维护性和开放性等方面提出了更高需求,对现有的存储技术提出了严峻挑战。当前,我国存储人才紧缺,随着科技的发展,需要有更多信息存储人才的储备。

清华大学、国防科学技术大学、华中科技大学等高校已经开设了“信息存储”系列课程,但是在教材建设、技术跟踪、实验课程等方面都存在一些困难。为有效解决现有困难,需要跟踪国外顶尖高校的课程建设情况,积极开展交流,提升“信息存储”系列课程的建设水平。

本文首先分析了美国几所高校和国内高校开设信息存储课程的现状,继而结合国防科技大学计算机学院在信息存储课程教学方面的实践情况,从教学目标、教学内容、教学方式与学时分配、教学组织、成绩评价方式等方面对“信息存储技术”课程建设情况进行详细介绍,探讨了信息存储课程的课程规划和建设。

2国内外信息存储课程分析

以信息技术与信息资源为核心的科技高速发展推动了信息存储技术的高速发展,许多大学都开设了信息存储方向的课程。我们对卡内基梅隆大学、加州大学伯克利分校、加州大学圣克鲁兹分校、哥伦比亚大学等几所美国著名高校的信息存储课程开设情况进行了调研,各个大学的教学内容各有特色,既注重反映国际上信息存储的发展趋势,也注重培养学生的科研能力。

2.1卡内基梅隆大学(Carnegie Mellon University)

在信息存储方向,卡内基梅隆大学的电子与计算机工程系为本科生开设了“数据存储系统与技术导论(18-316:Introduction to Data Storage Systems Technology)”、“数据存储系统(18-416:Data Storage Systems)”、“数据存储系统设计工程(18-517:Data Storage Systems Design Project)”共三门课程,并为研究生开设了“高级存储系统(18-746:Advanced Storage Systems)”课程,该课程介绍存储系统的设计、实现与应用,主要内容包括网络附加存储(NAS)、磁盘阵列、存储网格、存储管理、高级文件系统、广域网数据共享计划、存储安全。

卡内基梅隆大学的存储课程体系层次清晰,由浅入深,从存储基础知识到存储系统的应用和设计,再到对存储新技术的研究,不仅加深了学生对存储技术和存储系统的理解,也锻炼了学生进行存储系统设计和存储技术研发的能力。

2.2美国加州大学圣克鲁兹分校(University of California, Santa Cruz)

加州大学圣克鲁兹分校的计算机系为研究生开设信息存储方向的一系列课程。

其中“存储系统(CMPS 229:Storage Systems)”课程主要从可靠性、可扩展性、鲁棒性、安全性等方面系统介绍了存储设备、存储体系结构、本地文件系统、高性能文件系统、下一代存储设备和结构等内容。课程报告要求学生通过阅读大量文献,自选一个与存储相关的选题,完成一篇3000～5000字的论文报告(技术研究、工程实现、研究综述均可)。

“计算机系统高级专题:存储系统(CMPS 290S:Advanced Topics in Computer Systems: Storage Systems)”课程主要从存储技术、文件系统、分布式文件系统、高性能存储系统、下一代存储系统等方面介绍存储系统的设计与实现。

此外,加州大学圣克鲁兹分校的Extension in Silicon Valley还开设有“数据存储基础(21940–001:Data Storage Essential)”和“存储网络设计与体系结构(21939:Storage Networking Design and Architecture)”两门课程。

2.3美国哥伦比亚大学(Columbia University)

哥伦比亚大学计算机科学系为研究生开设“网络存储系统高级专题(CS E6998-10:Advanced Topics in Network Storage Systems)”课程,主要介绍磁盘阵列、NAS、SAN、文件系统、网络存储的最新进展等。

2.4国内高校

国内高校一方面依托在信息存储方面的科研优势,另一方面充分借助存储领域的存储设备资源,和一些知名存储公司(如EMC、Segate、McData、浪潮等)合作,如国防科技大学、清华大学、华中科技大学、深圳大学、东南大学、中山大学等,纷纷开设了存储技术方向的课程培养了一大批信息存储人才。但是与国外著名高校的信息存储课程开设情况相比,国内高校开设的存储课程在存储教材建设、前沿技术跟踪、存储实验教学等方面都不同程度地存在一些困难,尤其体现在存储教材的缺乏、现有教材内容的滞后、对存储实践教学没有给予充分的重视等方面。为有效解决现有困难,我们要更积极地开展教学交流,提升“信息存储”系列课程的建设水平。

同时还需注意,当前我国新型存储专业人才紧缺是很严重的事实,国内开设信息存储方面课程的高校还较少,“信息存储”系列课程的建设和发展还未受到应有的重视。随着科技的发展,我国需要有更多信息存储人才和技术的储备,今后更多的高校有望开设存储技术相关课程。

3 “信息存储技术”课程的教学实践

为满足在社会信息化进程中对信息存储技术人才的急切需求,国防科技大学计算机学院依托在信息存储方面的科研优势,分别开设了本科生选修课程“信息存储系统”和研究生课程“信息存储技术”。下面以“信息存储技术”课程为例,系统介绍该课程的教学体系以及在该体系下进行的实践工作,希望能有一定的借鉴作用。

3.1课程概述

“信息存储技术”是面向计算机科学与技术专业的博士研究生、硕士研究生单独设置的一门具有36个学时(其中课堂讲授24学时、主题研讨6学时、课内实验6学时)的重要课程,主要从存储技术、典型存储系统以及未来存储的发展等多个方面,从技术和理论的不同层面,系统介绍信息存储技术的总体发展情况和未来发展趋势,分析信息存储系统的国内外发展现状。

3.2课程教学内容

“信息存储技术”课程系统性强、内容广、更新快,我们在课程教学实践中既注重反映国际上信息存储的发展趋势,也注重培养学生的科研能力。

3.2.1课堂讲授

课堂讲授使学生对信息存储技术有一个全面的了解,建立起存储的基本概念,了解存储技术前沿和信息存储技术的实际应用。教学内容组织如下:

(1) 绪论

了解信息存储技术的发展过程,信息存储技术的定义和关键特性,存储层次结构,信息存储的发展现状、面临的挑战以及未来发展趋势等。

(2) 存储技术基础

掌握构成存储系统的一些关键性技术,包括一些传统存储介质(如磁盘、光盘等)以及新型存储介质(如闪存Flash Memory、相变存储PCM等);了解存储设备的接口;掌握独立冗余磁盘阵列(RAID)的基本特性、数据管理思想、工作模式和性能差异。

(3) 大规模网络存储技术

掌握NAS、SAN、存储网格等网络存储技术基本原理;了解附网存储系统、存储区域网的存储模型、存储方式、实现与管理;了解基于对象存储技术、广域网络存储技术的特点;了解新型网络存储结构。

(4) 存储文件系统

掌握网络文件系统、并行文件系统、对象存储文件系统、分布式文件系统的架构、技术特点和性能以及各自的优点和适用性。

(5) 大规模存储管理

了解大规模存储网络管理、大规模存储设备管理、数据管理的功能及应用;理解存储虚拟化的概念和特点、体系结构和实现方式以及存储虚拟化的实际应用。了解存储系统安全管理技术以及存储系统的数据备份和数据恢复。

3.2.2主题研讨

在主题研讨环节,通过阅读文献、主持和参与主题研讨、撰写课程论文等活动,帮助研究生了解国内外有关信息存储领域的最新研究成果、研究方法和主要观点;初步培养博士、硕士研究生在信息存储前沿领域发现问题,解决问题,以及开展学术交流的能力。主题研讨的教学内容组织如下:

(1) 主题研讨要求

① 研讨分组

3位学生组成一组,参与课程研讨活动。

② 课程研讨

要求每组学生主持一次课堂研讨;记录一次课堂研讨;形成研讨论文。

③ 阅读文献列表

研讨阅读文献主要来源于FAST、ICDCS、MSST、ACM ToS等重要学术会议和期刊上近两年发表的信息存储领域研究成果,以及CMU、UC Berkeley、UC Santa Cruz等大学存储实验室研究人员发表的论文。

④ 研讨报告提交形式

学期结束,以组为单位提交一份研讨论文和演讲PPT。

(2) 研讨组织

每次研讨课2个学时,每个学时讨论1～2个特定的主题。负责该主题的小组的学生负责引导和记录对该主题的讨论,其中1位同学负责就该主题做讲演并引起讨论,另2位学生发表见解,并负责记录讨论。

每次研讨课前,教师指定围绕一个特定主题的3～4篇必读文献。负责主持该主题讨论的3位学生要阅读由教师指定的有关该主题的必读文献全文,并根据需要查阅其他相关文献。其他所有的学生要阅读有关该主题的必读文献摘要、引言、相关工作和结论部分。要求所有学生出席每次的研讨课程,积极参与课堂讨论。

(3) 研讨评分

① 出席课程、参与讨论情况:20%

② 研讨会主题发言、研讨组织情况:40%

③ 研讨论文、演讲PPT:40%

3.2.3课内实验

通过实验动手环节,在理论和实践相结合的基础上,深入了解信息存储系统的体系结构和组成,并能够清楚地知道在不同应用环境中不同的存储解决方案,培养学生应用存储管理系统对信息存储系统进行有效管理的工作能力以及科学作风和协作能力等。实验主要内容如下:

(1) 存储系统硬件构造了解:通过拆装存储系统了解其内部构造及各部件作用。

(2) 存储系统的软件安装调试:包括服务器操作系统安装、存储操作系统安装、存储管理软件安装、双机软件安装调试等。

(3) 存储连接方式实践:包括DAS、NAS和SAN等存储方案的比较和分析。

3.3课程学时分配与考核评分

教学学时共36学时,其中课堂讲授24学时、研讨课时6学时、实验课时6学时。学时分配如表1所示:

合理评定课程成绩是督促学生掌握知识的手段,不是教学的最终目的,完成整个课程的主题研讨和课内实验就是一种综合能力的体现,所以我们在“信息存储技术”课程中采取全面考核和综合评定的办法。评分比例为:主题研讨:70%;实验报告:30%。其中,全面考核是指每个学生都要在主题研讨和实验检查中进行发言、组织、报告,以及动手实践操作,并回答老师的现场提问;综合评定主要指考察学生的知识掌握能力、综合总结能力(研讨报告)、创新能力和实践动手能力4个方面,使课程成绩能全面反映学生的实际能力。

3.4教学效果分析

“信息存储技术”课程的开设受到了同学们的欢迎。以本学期教学情况为例,有接近40%的同学选修了该门课程,有10组同学做了主题研讨报告,他们的研讨文献主要来源于FAST、ACM ToS等顶级会议和期刊。课堂上的讨论非常激烈,有不少同学都主动查阅了其他相关文献,提出了许多丰富的观点和见解。

通过课程的学习,受到主题研讨的启发,有2位博士研究生和2位硕士研究生分别撰写了科技论文,分别投稿国际会议和国内期刊。本课程注重反映了国际上信息存储技术的发展趋势,引导研究生开展学术研究,培养了他们的科学研究能力,达到了预期的效果。

通过课内实验,学生们更深入直观地了解了信息存储系统的体系结构和组成,以及在不同应用环境中不同的存储解决方案,也更进一步地深入理解了课堂讲授的若干知识。

同时,我们也充分认识到,我们的存储系列课程建设水平与国外著名高校的信息存储课程还存在一定的差距。要赶上国际先进水平,一方面需要我们积极开展信息存储方面的科学研究,进一步依托信息存储领域的科研优势;另一方面需要我们充分了解存储领域的实际需求,借助存储领域的存储技术储备,进一步加强和一些知名存储公司的合作。

4结束语

计算和存储是计算机系统的两大基本任务,随着全球数据的高速增长,信息存储技术已成为极其重要的计算机系统技术。

“信息存储技术”作为学习计算机系统的重要课程,在完成存储基本原理知识学习的同时,必须加强对学生的创新意识和实践能力的培养。因此在“信息存储技术”的课程建设中,开展主题研讨和课内实验,充分重视教学互动和实践动手环节,对提高教学质量,加深学生对所学存储原理知识的理解,增强学生开创能力是非常有益的,符合新时期人才培养的需要。

在“信息存储技术”的教学实践中,主动查阅其他相关文献的学生越来越多,不同的观点和见解也越来越丰富,反映出学生的求知欲望是很强的,而且富有创新精神。“信息存储技术”教学的实践使我们深深体会到课堂讲授、主题研讨和实验教学等多种教学方式相结合是培养学生专业素质的有效途径,对学生能力的培养起到积极作用。

参考文献:

[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,王志强,申向军,等.“网络存储技术”课程教学探讨与实践[J]. 计算机教育,2009(3):96-99.