基于CDIO 理念的云计算综合实训课程教学改革研究

王志晓，张 博

（中国矿业大学计算机科学与技术学院，江苏 徐州 221116）

0 引言

2016年，“新工科”概念的提出为工程人才的培养与工程教育理论的探索提供了新视角和新思路，也是为了应对新一轮科技革命和产业革命的浪潮[1]。与老工科相比，新工科更加重视学科的实用性以及各个学科之间的交叉性与综合性，致力于提供一流的工程教育，促进产业转型，提高国家的核心竞争力[2]。

云计算技术作为“新工科”建设的重点，国内多所高校已积极开设云计算技术相关课程。云计算综合实训作为是云计算技术课程的配套实践环节，属于计算机科学与技术专业的专业实践课。对云计算综合实训课程建设展开深入研究，整改教学内容，优化教学方法，加强课程与企业以及行业之间的联系，提高课程的实践性和应用性，具有较强的实际意义，同时，对工科院校云计算技术的教学改革有一定的借鉴意义。

1 课程目标

云计算综合实训作为实践课，采用校企合作的方式，与华为技术有限公司联合开展课程建设。经过本实训课程的训练，使学生掌握华为FusionSphere虚拟化套件、鲲鹏云服务和实际应用案例，培养学生使用云计算技术解决实际问题的动手能力，为后续课程的学习及开展相关的科学研究奠定基础。

2 教学内容

CDIO 是构思（Conceive），设计（Design），实现（Implement），运作（Operate）4个英文单词的缩写，它是“做中学”和“基于项目教育和学习”（Project based education and learning）的集中概括和抽象表达[3-4]。本文围绕“做中学”的原则，对云计算综合实训的教学内容进行改革，推行项目导向、问题驱动的“教、学、做、评”一体化教学模式，编写了《云计算综合实训》实验指导书，教学内容如表1（P109）所示。

表1 教学内容设计

实验分为两种：

（1）验证型实验：要求学生能够按照实验指导书的操作流程，独立完成华为FusionSphere虚拟化套件的使用、企业自动化办公（OfficeAutomation，OA）系统的高可用部署和存算分离架构的实验，掌握服务器虚拟化的相关知识、华为云鲲鹏云服务的使用、Docker的基本操作、Hadoop集群的搭建以及MapReduce和Spark程序的编写和调试等相关知识点；

（2）进阶型实验：该类实验任务没有标准的实验流程，学生需要根据现有知识，进行研究性学习。学生从多个任务中选择一个，根据实验指导书的要求，完成技术选型、环境搭建、程序编写等任务。

通过情境教学法、任务驱动法优化教学内容。情境案例规模必须适中。规模太大无法在有限的课时内完成，规模太小不利于团队实践。同时，案例必须易中有难，难中有易。太难的项目会给学生造成挫败感，没有继续完成项目的动力。太容易的项目又无法调动学生的积极性，无法达到较好的教学效果。

基于以上考虑，本课程选择中小规模的项目作为情境案例。下面具体介绍各个实验选择的案例。

实验1──华为FusionSphere虚拟化套件实验。根据实验手册，完成FusionCompute的安装、资源配置，虚拟机创建和虚拟机磁盘操作等实验，并验证如下问题：Fusion-Compute是不是基于KVM开发的？如果是，那有没有用到 QEMU 和 Libvirt？

实验2──鲲鹏云上应用高可用部署实验。Oasys项目（https://gitee.com/github-5407963/oasys_mysql）是一个开源的OA办公自动化应用。该实验通过在鲲鹏云服务器上完成Oasys项目的高可用部署，使学生掌握鲲鹏云服务器、云数据库、弹性负载均衡和弹性伸缩服务的部署和配置流程。

实验3──鲲鹏云容器实验。该实验围绕Nginx镜像的构建过程，完成Docker主机的安装和配置、镜像的搜索和下载、容器生命周期的基本管理、容器网络的管理，使学生掌握Docker的安装和配置、Docker镜像、Docker Hub、Docker容器的基本操作。

实验4──鲲鹏云BigData Pro集群搭建。该实验基于鲲鹏云对象存储服务（OBS）和鲲鹏云弹性云服务（ECS）构建一个存算分离的基本架构，并通过运行一个分布式并行计算程序来完成存算分离架构的验证。实验数据存储在OBS中，通过在ECS上部署开源组件（Hadoop和Spark）构成计算环境，最后编写MapReduce和Spark程序访问存储在OBS上的数据进行计算并输出结果，如单词出现次数统计（Word Count）。实验的基本步骤包含：购买并配置ECS和OBS；搭建Hadoop集群；搭建Spark集群；编写MapReduce和Spark程序验证存算分离。

实验5──鲲鹏云大数据离线分析。该实验模拟真实电商业务场景，通过大数据组件和技术来处理日志数据和业务数据，让学生能够学习到大数据离线批处理的步骤和流程。通过华为大数据平台的MapReduce服务来实现数据仓库分层的搭建，并进行报表分析得到活跃、转化率、GMV指标，将结果导入关系型数据库，最终进行可视化展示。

实验6──鲲鹏云大数据实时分析。实时分析是大数据五大应用场景中比较重要的场景。处理数据量巨大，一般每秒产生数据在百兆以上。像购物、新闻、视频等信息流推荐，电商销售数据实时统计都是实时分析的典型应用。该案例通过编写的Python脚本模拟产生商品的实时销售数据，然后由Flume+Kafka完成数据采集，通过鲲鹏云数据湖探索服务（Data Lake Insight，DLI）中的Flink作业进行数据实时分析（商品销售总额和销售总额排名前五的店铺），分析结果存入鲲鹏云关系型数据库服务（Relational Database Service，RDS），最后通过数据可视化服务（Data Lake Visualization，DLV）读取RDS中的数据，提供丰富多样的2D、3D可视化。

3 教学过程设计

下面以实验1──华为FusionSphere虚拟化套件实验为例，介绍教学过程设计。实验1的教学目标是使学生积掌握计算虚拟化理论，理解KVM、Xen以及华为的Fusion-Sphere的运行机制。本文基于CDIO教学理念，按照构思→设计→实施→改进和展示的整体思路，设计以下教学过程。

3.1 构思和设计阶段

首先，借鉴基于问题的学习策略（PBL）[5]，引导学生讨论什么是虚拟化。接着，进一步引导学生讨论虚拟化带来的特性，比如每台物理机上同时运行多个虚拟机可以提高硬件资源利用率，降低运行成本；软硬件的解耦使虚拟机可以不受当前物理服务器的限制，在集群范围内实现虚拟机的在线动态迁移，进而实现高可用性、动态资源调度、容错容灾等。然后，学生在学习平台完成学习任务，浏览相关实验指导书，对所进行实验进行总体构思，明确详细的项目内容和具体任务，并在线完成课前测试。

3.2 实施阶段

采用互动教学法，使用“学习通”平台的投票和抽签工具增加学生的参与度，活跃课堂气氛。采用PBL教学法，使用“学习通”平台的教学工具，设置提交的作业，并投到大屏幕供全班同学分析和纠错，学生要在讲台讲解思路，接受其他同学的质疑答辩。

3.3 改进和展示阶段

教师回顾本次实验的知识点和技能点，通过启发讨论和教学互动的方式，引导学生总结归纳。

3.3.1 启发式讨论

讨论1：结合1型和2型虚拟化的特点──分区、隔离、封装和独立，请2～3位同学分别结合自己所学、所见举一些实际的例子来讨论。

讨论2：从介绍开源的虚拟化技术基于内核的虚拟机（Kernel-based Virtual Machine，KVM）和Xen入手，讨论KVM如何实现的CPU全虚拟化？为什么Xen可以同时支持全虚拟化和半虚拟化？引导学生从实际案例入手，逐步探讨具体虚拟化解决方案背后所蕴含的虚拟化思想。

3.3.2 适时提问、温故知新

提问1：结合前述云计算的内容，提问1～2位同学有关什么是云计算的特点，以及虚拟化和云计算的区别与联系。

提问2：FusionCompute是不是基于KVM开发的？如果是，那有没有用到QEMU和Libvirt？

4 课程内容建设

4.1 产教融合协同协同育人

为了解决教学内容与行业需求以及前沿技术脱节的问题。我院与华为技术有限公司合作，联合建设“智能基座”产教融合协同育人基地。将华为云计算技术引入到课程教学中，基于华为鲲鹏云计算基础设施开展教学。通过校企合作，加快新工科建设，以产业和技术发展的最新需求推动高校人才培养改革、教学资源建设。

为了提高师资水平，我院安排课程负责人和骨干教师参加”全国高校计算机系统能力提升高级研修班”，学习华为云计算课程，并获得全国高等学校计算机教育研究会联合华为公司共同颁发的结业证书。

图1 结业证书

4.2 云计算实验室建设

实验的展开需要强大的云计算基础设施做支撑，表2为实验1所需的设备清单。建立云计算实验室的成本高,不但需要投入大量的资金购买计算、存储和网络设备，还需要专人对设备进行运维。通过与华为合作，每次实验所需的云计算资源和服务都以华为云代金的方式提供给学生，大大降低了开设云计算相关实验的投入。

表2 实验1所需设备清单

4.3 建设线上教学资源

在“学习通”平台建课。根据课程的培养目标，实现课程教学资源的上传下载、教学任务的布置、师生在线讨论答疑、学生作业提交、老师在线考核、开源项目的共享等功能。

5 教学反思

为了提高云计算综合实训的教学效果，促进学生实践能力的培养。我院与华为技术有限公司合作，通过联合建设“智能基座”产教融合协同育人基地，将华为云计算技术引入到课程教学中，基于华为鲲鹏云计算基础设施开展实践教学。本文基于CDIO教学理念设计教学过程，通过情境教学法优化教学内容，创建适当规模的案例，引导学生主动思考。本次教学改革历时一年多，通过对2018级同学展开调查，结果显示学生对该课程的获得感明显提升，学生的动手能力和学习主动性有显著提高。