面向云应用创新的教学改革与探索

陈 飞 陈丽芳 谢振平 王晓锋

( 江南大学 a.数字媒体学院;b.物联网学院，江苏 无锡 214122)

面向云应用创新的教学改革与探索

陈 飞a陈丽芳a谢振平a王晓锋b

( 江南大学 a.数字媒体学院;b.物联网学院，江苏 无锡 214122)

近年来,信息化技术的普及为教育事业带来了巨大变革，传统的教学模式日益不适合以云计算和大数据为代表的新兴课程发展。针对云计算和大数据技术相关课程的教学方法展开探索，通过验证性实验环节对云计算中的虚拟化技术和并行计算技术进行重点阐述，在加深学生对核心技术理解的同时，形成一套完整的理论与实践相结合的教学体系,以引导学生进行云计算应用的探索与创新。

云计算技术； 虚拟化技术； 并行计算技术； 教学实验； 应用创新

1 背景与意义

随着云计算技术的日益成熟，云计算已经不再是一个虚拟的概念,早已为许多成熟的应用服务提供了实际的支持。云计算的特点就是将资源重新整合，统一管理起来并按需分配给用户来使用，所有资源都存储在云端，用户只需接入云就可以使用里面的资源，这种计算模式为新兴云应用的快速部署和推广提供了新的机遇。

云应用创新源于云计算，是近年来利用云计算进行管理创新或商业模式创新的一种方式。通常认为云创新是指利用先进的互联网技术(如云计算平台)，对企业内外部信息、自发创新体、相关制度政策等一系列创新资源进行有效整合，并建立相应主体之间的联系，通过合理的管理方式、科学的运行模式实现的创新。云创新是一种新型的全面创新，是有目标、有平台、有驱动、有效果的一种资源整合的创新。

与此同时，面向云计算的课程教育也被越来越多的高校所关注，它涉及对云平台软硬件架构的了解，对云应用服务规律的探索，与主流计算机学科理论的支持和融合等。另一方面，高昂的平台开销，限定的实验环境，固化的课程内容，都制约了教学过程的灵活性，无法让理论教学与实践环节充分结合。对此，本文通过设计完整的课程体系,为高校教育环境下的云应用创新提供支持。

2 国内外研究现状

目前全球各个国家和地区都在积极地展开围绕云计算教育的应用和实践。调查表明，在美国有34%的高等教育机构和27%的学校利用云设施。许多著名的组织都参与到针对教育的云计算规划中，其中有代表性的有IBM的“蓝云”以及亚马逊公司的“云计算开放式基金”。

在我国,教育信息化建设一直以来受到政府的高度重视和大力支持。国家“十二五”规划把云计算作为新一代IT业研发与应用的重要领域之一，部分先行的政府机构、企事业单位和教育机构在研究的基础上构建了独有的政府云、企业云和教育云，尤其是教育云引起了社会的广泛关注。《教育信息化十年发展规划(2011—2020)》也明确指出：建设教育云资源平台，汇聚百家企事业单位、万名师生开发优秀资源,以建设国家数字教育资源公共服务平台来帮助所有师生和社会公众选择并获取优质服务资源，实现优质资源共享和持续发展。以上政策都将给云计算的发展带来广阔的前景，加强云计算服务平台的构建、促进优质云服务应用的发展也必将成为新趋势。

3 教学方式

按照“应用引领、技术驱动、科教结合、协同创新”的原则，将云计算与大数据的学科优势与学校现有的设施资源相结合，促进课程建设和人才培养，实现云计算服务创新和关键技术在教学环境中落地，推动信息技术与教育应用的深度融合。因此,课题组从以下方面进行教学设计：

3.1 平台构建

在学校现有的云平台、大数据媒体专题实验室的基础上，进一步利用接入到平台的个人笔记本电脑和台式机组成混合云平台，继续扩建现有的云环境，逐步完善云计算、大数据技术以及移动应用等相关课程的实验教学系统，并针对教学中的虚拟化技术、分布式技术以及相关移动应用开发等具体场景构建合理的实验模拟开发环境。

3.2 课程建设

在教学中采用探讨的形式，对云计算中的重点技术进行归类划分，并结合当前流行的云应用案例进行对照讲解。要求学生课下搜集涉及相应技术的应用程序并自己进行分析讲解，从而对其应用范围和适用场景形成直观的理解,进一步扩展与云计算相关的技术，形成一整套包含大数据、移动物联网等在内的云计算课程体系。

3.3 人才培养方面

在学生培育过程中实施充分体现理论和实践相结合的教学模式，提高学生的动手能力和课程参与度，培养学生基本的编程技能和系统设计方法，为学校培养复合型应用创新人才奠定基础。

3.4 创新创业方面

将创新实践项目与课堂教学相结合，构建以云服务为中心的创新实践项目体系。组织学生参加全国性的云计算创新大赛和创业竞赛，培养学生的创新精神，并利用云开发环境推动创新型应用的落地。

4 课程内容

“云计算技术”课程作为学校开设的一门选修课，具有较重要的地位和作用，该课程系统讲授云计算技术的专业知识，使学生在学习本课程后，能对云计算领域具有代表性的Google、Amazon和微软等公司的云计算技术原理和应用方法有一个较全面和系统的了解，掌握GFS、MapReduce、Bigtable等经典技术方案。通过本课程的学习，使学生重点掌握云计算的虚拟化技术和分布式技术，对整个云计算技术的热点领域有一个系统的了解和认识，培养学生的专业兴趣，为以后的云服务应用设计打下坚实的基础。

由于云计算涉及计算机科学知识的方方面面，因此在课程安排上考虑将先修课程设为计算机网络、操作系统、数据库原理以及Linux环境程序设计。学生在学习过程中需要根据教学内容预习及课后加强学习参考书目中的相应内容，并能够适当浏览一些相关英文网站或技术文章，以完成课程调研报告。考虑教学对象为本科生的特点，在教材内容选用上应尽量采用入门式的架构和原理介绍，避免复杂的算法实现和优化设计。课堂教学内容方面，主要分为理论教学和实验教学两部分。

4.1 理论教学

通过理论部分的讲解，使学生具备以下的基本知识和技能：

(1) 了解和掌握云计算的基本概念，云服务的基本原理和组成结构。具体包含云计算技术与传统IT产业的区别和联系，云服务的分类以及云计算的基本框架和模块设计等。

(2) 重点掌握云计算中的虚拟化技术和分布式计算技术。虚拟化和分布式计算是云计算的两大重要特性和核心技术环节，它为各种云应用的研发提供了重要支撑。因此，课程教学将结合实例对不同云服务中的虚拟化和分布式技术的应用场景进行重点介绍。

(3) 了解云计算技术的发展、应用以及当前国际国内研究的热点、重要成果及其工程应用的前景，培养学生云计算应用的创新意识和创新思维。

4.2 实验教学

围绕云计算中的虚拟化和并行计算两大重点技术环节，设计基于虚拟化平台的Hadoop实验。具体包含以下步骤：

(1) 虚拟化平台搭建。采用VMware Workstation 10.01构建虚拟化环境，并利用Ubuntu 14.04 LTS作为虚拟机镜像。在搭建过程中要求学生熟悉虚拟机部署的基本方法，并掌握Linux系统中利用terminal命令行进行基本的系统操作。

(2) 环境配置。对部署的虚拟机配置ssh无密码登录，并配置JDK环境变量，为Hadoop运行做准备。下载完Hadoop之后通过输入命令bin/hadoop进行验证环境配置是否成功。

(3) 单节点伪分布式架构。首先启动DFS文件系统，通过在本机访问http://localhost:50070/ 访问元数据节点页面，验证DFS是否正常启动。然后启动Yarn，并通过http://localhost:8088/访问资源管理页面。最后通过jps命令检测所有进程就绪。

(4) 完全分布式架构 (进阶篇)。当学生完成了单节点伪分布式架构后，可以进一步部署docker节点实现完全分布式架构。在这种状态下，位于master节点的namenode需要与位于不同slave节点的datanode进程进行通信。

(5) 掌握map-reduce技术并行计算编程。当Hadoop系统框架搭建完成之后，进一步要求学生分别熟悉Map函数和Reduce函数的编程模式。从理解wordcount源代码分析入手，通过修改初始代码实现词频的降序排列，以及尝试实现矩阵乘法等不同应用的要求。

实验过程中学生需要掌握虚拟化技术的基本原理，熟练使用各种虚拟化工具完成虚拟化平台的搭建。在此基础上，进一步掌握map-reduce的分布式编程技术，满足开发云平台高任务量的并行计算的需求，为以后的云创新应用打下基础。

5 考核方式

课程考核主要采用两种方式，分别为课堂演讲和作业报告。

5.1 课堂演讲

要求学生对日常生活中的一款云应用软件/平台进行调研，总结其相关的云计算的技术点，并在课堂进行演讲汇报。对数字媒体学院65名学生的选题方向进行整理统计,其结果如图1所示。

图1 课堂汇报选题

根据数据统计，学生所感兴趣的云应用主要集中在移动云和云游戏相关方面的内容。其中移动云应用以小米云、360手机助手、腾讯手机云管家等为代表，云游戏方面主要调研了Gaikai、Onlive等国外著名的云游戏服务提供商，并对比介绍了国内的格来云游戏等。另外，学生关注的热点集中在云音乐、云笔记以及云盘等应用服务。这些结果反映了以云计算所提供的随时随地(anytime and anywhere)的各种便捷化应用服务已经渗透到当代大学生生活的方方面面，其中，移动手机云应用成为突出代表。

5.2 云应用设计报告

考虑到学生间的个体差异，为了充分调动学生的学习积极性，同时也为方便学生自由组队进行云服务相关的创新创业开发，课后大作业围绕云应用设计报告的形式，具体选题分为以下几种：(1) 服务策划。主要负责进行市场调研，结合云服务的特性，分析潜在的市场需求，讨论可以提供的云服务形式。(2) 架构设计。由于云服务往往需要面对海量的用户访问，因此要对比传统方案根据不同服务形式考虑云服务系统的整体架构。(3) 代码编写。利用实验课程中掌握的Hadoop虚拟化实验平台，开发一个分布式计算的具体应用。学生可以根据自己的兴趣对以上题目选择其中一项完成设计报告，具体的不同方向统计结果,如图2所示。

图2 云应用设计报告选题

由图2数据的统计结果表明，大约10%的学生选择了产品策划，大约15%的学生通过代码编写实现了具体的云服务小型应用。绝大部分学生选择了架构设计分析，具体包含大约35%涉及以HDFS为代表的分布式存储方案和非结构型数据库分析，16%的内容涉及以分布式CDN为代表的云端网络服务，5%的内容涉及应对DDoS攻击等云服务安全问题。对统计结果进行分析后发现，这些选题的方向与当前云服务所提供的主要服务类型密切相关。

6 建议与结论

由于云计算属于IT产业中的新兴领域，涉及不同学科中各方面的专业知识，对高校课程教学工作提出了新的挑战。根据云计算技术教学方案的实施结果，课题组对高校的云计算教学提出以下建议：

(1) 在课程中宜采用“理论讲解+案例分析+实验训练”相结合的方式，更易于学生对知识的理解掌握。

(2) 在实验设置上要充分利用云平台以及个人电脑等资源,对教学内容制定合理的实验方案。

(3) 根据学生的兴趣特长，围绕云服务应用创新，制定不同的任务分工，可以调动学生的积极性和参与度，从而为高校创新创业计划的实现做准备。

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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

江南大学本科教育教学改革研究项目重点项目“融合专业教育与创新创业教育的数字媒体专业人才培养研究”(JG2015026)；江南大学本科教育教学改革研究项目“媒体智能化需求驱动的数媒技术人才培养方案研究”(JG2015102)；江南大学本科教育教学改革研究项目“基于虚拟实验平台的计算机专业创新人才培养模式探索”(JG2015031)

陈飞(1984— )，男，山东泰安人,副教授，博士研究生，研究方向：云计算，网络优化。

10.13750/j.cnki.issn.1671-7880.2017.06.009

TU 43；O 344

A

1671-7880(2017)06-0031-04

责任编辑俞林