云计算本科教学的实践探索

肖 鹏，屈喜龙，刘洞波

（湖南工程学院 计算机与通信学院，湖南 湘潭411104）

云计算的基本思想是将空闲的网络计算资源通过虚拟化技术来进行弹性组合，从而为各类应用程序提供方便、简易、安全、可靠的高性能计算服务。［1，2］由于云计算服务具备良好的商业运营模式，大量互联网公司已经开始通过构建自己的云计算设施来为其用户提供相关服务，从而导致对具备云计算相关知识人才的需求迅速增加。因此，培养掌握云计算相关理论和应用能力的专业人才已经成为当前计算机本科教学的一项新兴任务，并日益受到国内各大高校的重视。

云计算从概念的提出到广泛应用只有不到5年时间，相关理论和技术仍然在不断探索和研究之中，因此如何在高校中开展关于云计算教学的研究尚处于起步阶段。目前，国内高校主要将云计算教学放在研究生培养阶段，并通过纵向科研项目来推动云计算的理论教学。［3］这种方式虽然有利于培养具备较好理论基础的人才，但在云计算应用技术的推广方面则明显落后于社会的当前需求。因此，如何在计算机专业的本科阶段开展云计算相关教学成为近期各大高校重点关注的一个问题。［4］目前，清华、北大等高校基于其前期在云计算科研领域的基础，已经在积极地探索本科阶段的云计算教学方法和内容，其教学实践结果显示：高年级的本科学生已经具备一定的云计算先导知识，通过广泛的课程实践教学和案例分析，大部分学生能够掌握云计算的相关应用技术。这一教学实践显示：对本科学生进行云计算理论和技术的教学是完全可行的。

但是，以上大学的经验来自于其充沛的教学和实验资源，以及基础较为扎实的本科生源。若直接推广到普通高校，则存在一定的现实困难，例如实验环境简易、学生理论知识不扎实等。针对普通高校的现状，本文主要探讨如何在本科阶段开展云计算的理论和实践教学，主要目标有两个：确定云计算本科教学中的教学内容和纲要，探索在本科阶段开展云计算教学的方法。通过结合相关教学实践经验，本文提出两个指导性原则：（1）依据学生的现有知识和理解能力，有选择地制定教学内容和纲要；（2）结合云计算应用领域实例，积极开展云计算相关的实验和实践教学活动。

一 云计算课程的教学大纲

在已经开展云计算教学的高校中，关于云计算课程教学内容和基本方法仍然存在大量争论，其主要观点分为以下三派：（1）强调云计算的分布式特性，主张云计算并入“分布式计算”的教学大纲；［5］（2）强调云计算的商业模式及其应用领域，主张将云计算并入“电子商务”的范畴，并通过云系统实例来开展云计算教学；（3）强调云计算的“互联网”特性，主张将其并入“Web服务”的教学。以上三种观点各自从云计算的某个侧面出发，都希望通过结合已有的教学内容来开展云计算教学。

由于云计算技术本身仍然有很多内容处于不断探索之中，其各类模型和模式都具有较大的演化空间，且各种新的思想、理论、观念和应用模式都在不断更新和改进。因此，笔者认为，将云计算技术限定在某种已有的教学内容框架之中不利于学生准确地理解云计算的主要思想，也容易限制学生的创新开拓性思维。基于以上分析，笔者提出一种“宏观云”的基本理念。所谓“宏观云”云计算是服务计算、分布式计算、协同计算、效用计算等技术的全面综合，代表了计算机网络技术与产业创新模式的融合和汇聚。基于这种“宏观云”理念，本文采用分层方法设计了一套云计算课程的教学大纲和关键教学内容（见表一）。

表一 云计算教学大纲和关键教学内容

以上教学大纲和关键教学内容依据层次递进的方式安排。首先，“云系统体系结构”从总体上将一般的云系统分为四个基本层，这就从整体上归纳了云系统的基本架构和模型；然后，该大纲从四个不同的侧面（包括“虚拟化技术”、“云资源管理策略和方法”、“云安全技术”［6］和“云服务和应用”）来描述云计算领域中的某个主题，其中各个侧面所涉及的知识要点依据其在“云系统体系结构”中的位置进行划分。这种二维的教学大纲既能够清醒地阐明云系统的整体结构，也能从不同层面详述在各个层次上所涉及的相关技术，从而便于学生全面综合地理解云计算的基本概念和相关技术。此外，四个不同的侧面并非固定不变，而是可以随着云计算领域的最新进展进行不断补充，其教学内容也可以依据教学单位的实际情况来动态调整。例如，考虑到学生的知识层次，虚拟化技术和云安全部分可以作为选修内容。

二 教学方法和指导原则

如前所述，通过科研方式来推进云计算教学的方法目前只适用于“211”或“985”类型的高等学校。在一般普通高校的本科阶段开展云计算教学存在若干困难，其中实验资源严重不足的困难可以通过逐年积累的方式来改善，难点集中在一般普通高校中本科学生的知识基础不牢和理解能力不够上，主要体现为：（1）预备性基础知识不足；（2）跨学科的知识点联系能力较弱；（3）文献检索和综合能力薄弱；（4）创新积极性不足。基于上文提出的教学大纲，并结合当前我国普通高校的实际情况，本文提出了两个关于云计算教学的指导性原则：（1）依据学生的现有知识和理解能力，有选择性地制定教学内容和纲要；（2）结合云计算应用领域实例，积极开展云计算相关的实验和实践教学活动。基于这两个原则，本文提出一种跨专业课程的联合教学方法，其主导思想可以概括为：将云计算的关键教学内容融入现有课程之中，以此降低本科学生在学习云计算理论和技术时的难度，从而克服其“预备性基础知识不足”这一缺点。为此，本文作者依据计算机专业教学大纲和相关内容，总结了一个关于云计算教学内容和其它专业课程的关联表（见表二）。

表二 云计算关键教学内容关联课程及其关联内容

通过表二所示的关联内容，我们可以看出云计算是一门集合了大量计算机专业课程的综合性学科。不同的专业课程存在若干与云计算密切相关的内容，某些专业课程则通过不同侧面与云计算技术发生联系。［7，8］以上关联性决定了不能简单地将云计算设定为特定课程的延续。对此，我们提出的联合教学方法是，依据各门专业课程中的知识点与云计算中关键教学内容的联系，增加与云计算相关的讨论和分析，将复杂的云计算教学以“化整为零”的方式融入各门专业课程的教学中。这种跨专业课程的联合教学方法具有以下显著优点：（1）降低本科学生在学习云计算理论和技术时的难度；（2）以云计算理论和技术来深化现有课程的教学内容，使传统课程教学与最新技术紧密结合，消除学生对传统课程内容的疲惫感；（3）培养学生的跨专业知识联系能力。以上跨专业联合教学方法，需要对现有其它课程教学大纲进行适度修改和补充。

三 教学实例分析与讨论

基于以上教学大纲和教学方法，笔者在本校网络工程专业方向的本科学生中开展了若干教学实践。目前，该方向的本科学生主修计算机专业的核心课程，同时辅修若干网络通信相关课程，这些课程基本涵盖了表二所示的“现有课程”。学生的知识层次和理解能力在一般普通高校中具有一定的代表性。以上教学方法主要在大三和大四学生中开展，通过两年的联合式教学实践，90%以上的学生基本理解和掌握了云计算的基本概念和主要应用领域，部分学生主动参与了与云计算相关的实践活动；10%左右的学生在毕业课题设计时选择了云计算相关的课题，并成功地开发了若干基于云计算技术的应用程序。以上结果显示：采用针对性的原则来开展云计算教学能够有效地激发本科学生对云计算的学习兴趣，也可以克服若干关于云计算教学的困难。目前，本教学方法仍在不断探索之中，相关实验资源的不足是制约实践教学环节的主要因素。在今后的教学中，我们将通过不断累积的方式在现有的实验条件下构建云计算数据中心，目标是部署一个中小规模的虚拟数据中心，并通过各类模拟仿真系统来开展相关的实践教学活动，争取帮助学生在实际云环境中获得相关开发和编程经验。

四 结 语

本文针对普通高校中计算机专业学生的云计算课程教学，提出了一个二维的教学大纲，并探讨了如何通过“联合式教学”方式来克服云计算教学中的困难。教学实践结果表明，本文所提出的教学方法能够有效地激发本科学生对云计算技术的学习兴趣，同时也克服若干在本科阶段中开展云计算教学的困难。今后，我们将继续探索云计算的教学方法，并结合该领域的新问题和新技术来扩展教学大纲。同时，我们还将探索如何通过虚拟仿真平台的方式来拓展云计算教学的途径，争取实现网络化虚拟教学与实验的整合。

［1］ 陈 康，郑纬民．云计算：系统实例与研究现状［J］．软件学报，2009（5）：1337－1348．

［2］ 童晓渝，张云勇，徐 雷．智能普适网络［J］．通信学报，2011（7）：182－188．

［3］ 罗军舟，金嘉晖，宋爱波，东 方．云计算：体系架构与关键技术［J］．通信学报，2011（7）：3－21．

［4］ 王智广，刘伟峰．“并行计算”课程算法实践教学的新工具：CUDA编程模型［J］．计算机教育，2008（23）．

［5］ 陈国良，安 虹，陈 岐，郑启龙，单久龙．并行算法实践［M］．北京：高等教育出版社，2003．

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