摘要：对云计算技术专业人才的培养是近年来高校本科教学的一个热点问题，云计算技术是一门以实践为中心的课程，实验教学对培养学生的云计算设计和应用能力具有重要作用。文章从实验平台建设、实验内容设计、实验模式改革、创新实践能力培养等方面对云计算课程的实验教学进行有益的探索，旨在提升实验教学质量，有效训练学生对云计算环境的认知、分析、设计和运用能力。
关键词：实验教学；云计算实验平台；实验模式；实践创新
引言
云计算技术是近年来计算机和互联网领域的研究热点，云计算技术的迅速发展对高校培养高素质复合型和创新型工程技术人才提出新的要求，因而云计算课程正逐渐成为电子信息类专业的核心课程。目前，国内各高校根据自己的实际情况，开设云计算相关的课程，在培养云计算专业人才方面进行探索和实践[1-2]。为促进学生掌握云计算相关技术，培养学生的云计算设计和应用能力，河海大学在物联网工程专业开设云计算技术与应用课程，主要介绍云计算的基本理论、关键技术以及云系统的架构和应用。课程的目标是让学生了解云计算的解决方案，掌握云计算的服务模式，并在此基础上通过实践部署云平台，进而在云平台上构建相关云应用。由于云计算是来源于互联网企业的一项综合性技术，是虚拟化、分布式计算、并行计算、负载平衡等多种计算机和网络技术发展融合的成果，云计算技术的实践性、时代性与发展性，决定云计算是一门以实践为中心的课程，因此实验环节对整个课程的教学质量起至关重要的作用。笔者对云计算技术与应用课程的实验教学进行探索和实践，通过构建实验平台、优化实验内容、创新实验模式、强化综合设计训练等措施，帮助学生掌握云计算的理论知识和实用技术，使学生在未来的就业市场更有竞争实力。
1构建云计算实验平台
为了给云计算课程的教学和实践提供实验环境支持，笔者采用“IBMOpenStackSolutionforSystemX”云平台解决方案设计企业级私有云架构[3]，构建基于OpenStack的云计算实验平台并在其上部署虚拟桌面、分布式计算等应用环境，按实验需求分配基础设施资源，提供实验教学的软硬件环境支持。OpenStack是一整套云计算开源软件项目的综合，旨在为公共及私有云的建设与管理提供软件，实现基础设施级的资源配置。基于OpenStack的云计算实验平台根据用户需求快速创建实验环境，为云计算课程以及其他物联网专业课程提供应用开发和环境管理服务。云计算实验平台框架如图1所示。云计算实验平台的物理设施资源包括网络、计算和存储设备等，通过使用虚拟化技术KVM对底层硬件进行虚拟化，形成统一的虚拟资源池[4]。云计算实验平台中部署了OpenStack的核心服务组件，包括存储服务、计算服务、镜像服务、认证服务、网络服务等，以提供实验所需的软硬件资源管理；同时还配置了开源的网络资源监控工具Ganglia和Nagios，对云平台的运行状况及性能进行实时监控。Nagios用于监控云平台的主机、网络和服务状态，Ganglia用于监控系统资源负荷情况。在基于OpenStack的云实验平台下配置常用的云应用工具，如数据库、桌面云系统、分布式数据处理和存储平台Hadoop等。桌面云系统为实验教学提供一种自主创建和管理虚拟机实验环境的方式，采用VDI（virtualdesktopinstructure，虚拟桌面架构）模式构建。云实验平台将实验所需的软件环境制作为镜像，需要时再利用这些镜像创建虚拟机，学生只需获得使用权限，通过桌面云登录到虚拟机，就可获得所需的实验资源。云实验平台下的Hadoop应用环境为分布式数据处理的相关实验以及专业工程实践提供环境支持和展示服务；在OpenStack云平台中部署Hadoop，不仅能充分利用云平台中未被利用的计算资源，最大限度地提高服务器资源利用率，还可简化Hadoop集群的部署工作，大大提高实验环境的部署效率。
2产学合作，优化实验内容
云计算实验教学的目标是引导学生动手对云平台进行操作和配置，加深理解云计算的理论和架构并掌握一些云应用构建和部署的经典技术，最终能够利用云平台开发各种应用。围绕这个目标，河海大学与IBM公司合作共同建设云计算技术与应用课程，设计云计算实验的关键内容和实验项目，帮助学生对所学理论和技术建立完整的知识体系；在教学实施过程中通过IBM公司提供技术支持和平台支持、教师参加IBM的云计算技术培训等各种方式，积极吸收云计算企业的前沿科技成果；充分利用IBM公司提供的云平台资源实施相关的实验项目，设计IaaS、PaaS以及SaaS相关的实验项目并持续完善课程教学内容，优化课程体系。在IaaS级别上的实验项目主要是对开源云平台OpenStack的部署和应用。通过安装和配置OpenStack核心组件，学生可以深入理解基础设施云架构，从而理解怎样构建公有云和私有云；学生采用脚本安装或源码安装方式搭建一个多节点的OpenStack云平台，安装OpenStack的主要组件服务并对OpenStack云平台实现基本的操作管理，掌握IaaS平台对基础设施资源的分配和使用模式。在PaaS级别上的实验项目包括Hadoop以及IBMBlueMix平台的应用。学生通过搭建一个Hadoop集群的分布式计算平台，熟悉其核心组件，同时自主研究大数据分析算法，对现实中海量数据处理场景进行分析，并在Hadoop集群环境中处理实现。BlueMix是IBM公司推出的PaaS公用平台，学生在BlueMix平台配置开发环境，可以实现移动应用、Web应用、大数据应用和物联网应用的开发和部署[5]，通过自主研发和实践操作理解云计算PaaS平台的可靠、高效以及高可伸缩的处理特点。在SaaS级别上，以IBMWorklight开发环境为核心，将云计算和移动开发相结合，设计海量并发移动应用开发等案例。这些实验内容的设置，旨在通过实践教学结合行业云应用案例，帮助学生掌握云应用的特点以及构建、部署、运行和管理云应用的相关技术。学生通过实验可以了解虚拟化、集群管理、云平台资源分配、云应用部署和发布等多种技术内容，加深对云平台层次模型的理解，提高云平台的实践技能。教师在实验教学实施过程中不断完善和补充实验项目，结合物联网专业的其他实验教学平台，开发与工程训练与工程应用相关的实验项目，如与移动流媒体应用开发实验平台相结合，在云计算平台部署后端移动视频直播服务器，实现手机视频即拍即传、手机视频直播和点播播放功能，设计基于云平台的实时移动视频应用实验项目，作为开放性实验发布。
3依托在线课堂，探索实验教学新模式
在实验教学中，教师可不断丰富教学资源，对实验素材进行整理和测试并补充完善相关的理论知识，编著出版针对本科生层次的云计算实践教程，使学生能够在教程的指导下独立完成实验项目；同时对课程进行在线课堂建设，整合包含视频、PPT、文字等多种媒体形式的实验素材，实现优质资源共享。由于云计算技术发展迅速，平台更新快，很多新的研究成果和技术需要通过网络资源获取，因此在线课堂应密切关注云计算技术的发展动态，紧密跟踪主流云计算平台与技术，及时更新技术资料和知识点，拓宽学生的知识面。依托在线课堂，教师应改革实验教学模式，强化课前预习（在线）和课后拓展（在线）环节并在课堂实验中增加研讨内容，逐步打破传统的单一课堂实验模式，形成“课前预习（线上）+实验研讨（线下）+课后拓展（线上）”的混合型实验模式。在线课堂的开放性和云实验平台的共享性决定课程采用混合型实验模式具有先天优势：学生可以随时提前进行实验预习和设计实验方案，并通过网络平台传给教师审核；教师可以在云实验平台上验证学生提交的实验作品；课后拓展实验所需的软硬件资源可以通过远程登录云实验平台申请分配，并通过虚拟桌面的方式获取。在混合实验模式下，教师在实验前准备相关知识点的视频和阅读资料上传到在线课堂，并为学生制订可完成的预习目标，让学生有的放矢，自由自主地完成与实验相关的预习任务；在实验中引导学生完成实验并进行互动讨论，让班级同学以小组形式开展协同学习，将实验任务落实到组内的每个成员；实验验收时由各组讲解相应内容，教师与其他小组进行点评和提问，参与讨论；要求学生在实验后在线提交实验作品和实验报告，根据学生表现和实验结果打分并计入课程总成绩。混合型实验模式打破传统实验方式对实验场地和时间的限制，让学生自主决定学习时间、学习内容和学习难度，解决学生学习意愿与资源供给的矛盾，从而有效提高实验效果。学生成为教学活动的主体，通过线上学习、线下动手实践和讨论的方式获得良好的学习体验，不仅轻松学习专业知识，还可锻炼自主学习能力、自控能力和表达能力。
4强化综合设计训练
对于云计算的初学者和本科层次的学生来讲，课程教学比较有效的方法是让学生快速建立云计算的基本概念，然后通过实验操作直观了解云平台的使用，在此基础上再深入了解和剖析云计算系统的体系结构和实现模块，因此在实验教学过程中，教师应按照课程教学的进度实时安排实验内容，做到理论和实践相结合，通过实践及时消化理解课堂所授知识点；同时，鼓励学生在完成课堂实验的基础上，充分利用课外时间对云计算进行深入学习和实践，完成拓展实验项目。学生以课外小组的形式提高学习，学习主题不限，可以是IaaS/PaaS平台搭建配置，也可以在云平台上进行应用开发，或者设计一套从底层到应用的云计算解决方案。以PaaS平台BlueMix为例，该云平台具有强大的灵活性和兼容性，不限制开发内容和开发工具，学生可以根据自己的兴趣，充分发挥自身特长，在该平台实现与硬件、网络、软件开发相关的应用并且即时发布到互联网。课后拓展实验环节注重综合能力训练[6]，学生能够充分发挥自己的主动性和创造性，通过在开放的实验环境中设计开发云计算应用系统，逐步培养自主创新意识和创新能力。对于表现突出或者在公有云平台上发布优秀作品的学生，鼓励他们参加国家、省部级组织的云计算相关赛事，如云计算应用大赛、IBM公有云平台开发大赛等，利用学科赛事训练学生的实践创新能力[7]。通过自主学习和参加竞赛，学生能够充分理解最先进的软件开发模式，掌握最新的云计算技术，提高云计算设计和应用能力。
5结语
云实验平台构建、产学合作优化实验内容、在线课堂建设、创新实验模式等措施在云计算实验教学中实施，目的是提升学生的学习体验，启发和引导学生自主学习，有效训练学生的综合实践能力。实验教学帮助学生对云计算建立直观感性的认识，从管理者和开发者的角度了解云平台是什么，能提供什么服务，而不再停留在对云计算空泛的理论认识上。由于云计算技术更新快、实践要求高，教师在今后的实验教学环节中还须设计更为有效的激励机制，以激发学生兴趣，吸引他们投入更多的课外时间开展云计算技术的研究和实验，更好地掌握云计算的实战技能。
作者：金永霞 单位：河海大学物联网工程学院
相关专题：广东自贸区 一带一路 中小学图书馆杂志
