容器技术在教学中的应用与实践

沈晓娟 王佳豪

摘 要：容器技术如Docker和Kubernetes在企业级应用中的广泛普及，为高校教学带来了新的技术机遇和挑战。本文聚焦容器在教学中的应用与实践，探讨其引入流程教学、快速配置教学环境，提升学生容器技术理解和应用能力的策略。通过教学实践，验证基于容器的教学环境有利于简化环境配置、丰富教学场景、提高教学效率和质量，并提出持续优化的建议。

关键词：容器技术；Docker；Kubernetes；教学应用；实践研究

Abstract： The widespread adoption of container technologies like Docker and Kubernetes in enterprise applications presents new technological opportunities and challenges for higher education. This paper focuses on the application and practice of containers in teaching， exploring strategies for introducing process teaching， rapidly configuring teaching environments， and enhancing students' understanding and application abilities of container technology. Through practical teaching experiences， it has been demonstrated that a container-based teaching environment simplifies environment setup， enriches teaching scenarios， and improves teaching efficiency and quality. Recommendations for continuous optimization are also proposed.

Keywords： Container Technology; Docker; Kubernetes; Educational Application; Practical Research.

一、引言

（一）研究背景

容器技术，特别是Docker和Kubernetes，已经成为云计算领域的重要技术。根据市场研究公司Technavio的数据，全球容器市场从2021年到2025年将以年均复合增长率超过30%的速度增长。这一增长不仅体现在企业级应用的广泛采用上，也逐渐影响到教育领域，尤其是在高等教育中的信息技术和计算机科学课程。对比虚拟机等传统技术，容器由于其轻量级和高效性，在实验和实践教学中显示出独特的优势。

（二）研究意义

将容器技术引入高校云计算相关课程教学具有重要意义：一是有利于快速構建教学实践环境，降低环境配置错误，有利于学生学习实践。二是通过容器隔离，构建个性化的环境实践，支持差异化学习。三是有利于开展基于真实业务场景的实践教学，通过模拟真实开发运维场景，提升学生的动手能力和解决实际问题的能力，对接就业需求。

（三）研究现状

在国际上，许多领先的技术大学已经开始将容器技术纳入课程设计中。例如，斯坦福大学就开设了一门专门的课程来教授学生如何利用Docker和Kubernetes来部署和管理微服务，美国加州大学伯克利分校基于Docker容器的大数据教学实践、麻省理工学院利用Kubernetes开展全面系统教学的案例等。国内浙江大学的软件工程专业引入了容器技术，通过让学生在真实的容器环境中完成项目，有效地提高了学生的实际操作能力和问题解决能力。已有研究表明，容器技术在简化环境配置、支持个性化方面化学习、模拟真实业务场景等方面优势明显。

二、基于容器技术的教学实践环境设计

（一）技术架构设计

教学实践环境的设计以支撑教学实践活动为目标，采用当前主流的容器技术，构建易于配置、管理和使用的实践环境。

容器引擎：Docker，负责容器的构建、发布和运行。教师和学生可以在Docker容器中运行各种教学实践所需的软件和环境。

容器编排：负责容器的调度、编排、自动伸缩和服务发现等。Kubernetes可以根据实际需求自动管理和扩展容器化的教学实践环境。

镜像仓库：Harbor，负责容器镜像的存储、管理，支持镜像安全扫描

持续集成/发布：负责容器镜像的自动构建、测试和发布。Jenkins可以自动化地构建和部署教学实践环境，提高效率

（二）快速构建个性化实践环境

传统的教学实践环境依赖物理机机或虚拟机，环境配置工作量大，灵活性差，难以支持通常个性化的实践需求。引入容器技术后，可以预先将实践环境所需的各种物理工具和服务资源储备成Docker镜像，通过Docker Compose或Kubernetes编排文件定义所需服务，实现环境的快速构建。

在基于Java的Web开发课程中，利用容器技术可以极大提升教学的灵活性和效率。首先，教师可以构建一个包含JDK、Tomcat、MySQL等必需组件的Docker镜像。这一镜像会包括所有必要的运行时环境和库，确保每位学生都在一个统一且预配置的环境中工作，从而避免了环境差异带来的常见问题。

接着，利用Docker Compose或Kubernetes编排技术，教师可以定义各个服务之间的依赖和通信方式，实现整个开发、测试和生产环境的快速部署。这种一键部署方式不仅简化了学生的操作流程，也让教师更容易管理和更新课程环境。

此外，容器的隔离性特点使得个性化教学设置成为可能。在Web开发课程中，不同学生可能偏好不同的开发工具，如Eclipse或IntelliJ IDEA。通过容器技术，可以为每种IDE创建专用的镜像，学生可以根据个人喜好选择合适的镜像进行拉取和使用。这种方式不仅增加了学生的满意度，还鼓励他们探索和适应各种不同的开发环境。

通过这些实践，容器技术在教学中展现出其强大的环境标准化和个性化能力，极大地提高了教学的可接入性和灵活性，使得学生可以在一个更加贴近真实企业环境的设置中学习和成长。

（三）模拟真实业务场景的实践教学

容器平台良好的隔离性，使得基于真实业务场景开展实践教学成为可能。教师可以通过容器模拟真实的业务系统架构和开发运维流程，引导学生在“真刀真枪”的环境中学习实践。

在现代软件开发课程中，通过使用微服务架构的实践项目，可以显著提升学生的技术技能和解决复杂问题的能力。例如，设计一个模拟的在线商城系统，教师可以引导学生将该系统拆分为多个微服务，每个服务负责一部分功能，如用户管理、产品目录、订单处理等。学生需要为每个微服务创建独立的容器镜像，这些镜像包含了运行各自服务所需的所有依赖和配置。

利用Kubernetes作为容器编排工具，学生将学习如何部署和管理这些微服务。在部署过程中，学生不仅需要编写服务间的调用代码来实现整个系统的业务功能，还将涉及到更高级的技术操作，如设置服务的自动扩展规则，以应对可能的流量增长。此外，教师可以设置模拟的业务场景，如流量管理、灰度发布和A/B测试，让学生在控制實验条件下测试新功能的性能和影响。

更进一步，为了培养学生的容错设计能力，教师可以引入故障注入技术，模拟各种服务故障，如网络延迟、服务宕机等。学生需要设计和实施相应的容错措施，如重试逻辑、断路器模式和服务降级策略，以确保系统的高可用性和稳定性。

通过这样的教学设计，学生不仅能够深入理解微服务架构的工作原理和组成部分，还能实际操作和优化一个复杂的系统。这种基于真实业务场景的学习经验是非常宝贵的，它不仅提升了学生的技术能力，还增强了他们面对真实工作挑战时的应对能力，为他们未来的职业生涯奠定了坚实的基础。

三、教学效果评估与优化建议

（一）教学效果评估

采用容器技术进行教学，对提升教学效果具有积极意义。从学生反馈来看，容器平台有利于提升学习兴趣和主动性，同时快速获取实践环境，将更多的时间用于学习业务逻辑的设计与实现。模拟生产环境进行实践，有助于学生建立完整的知识体系。

（二）持续优化建议

容器技术迭代迅速，教学实践也应与时俱进。针对持续优化教学，建议从以下方面着手：

（1）及时更新技术栈：跟踪容器技术的发展趋势，及时引入Serverless、Service Mesh等新兴技术，拓展教学场景。

（2）加强校企合作：引入企业生产项目，让学生真正参与项目的容器化改造，提升实践能力。邀请企业专家开展座谈会、指导教学，促进师生与劳动力的交流。

（3）开发在线实训平台：将容器环境与在线实训平台集成，学生通过浏览器即可访问个性化实践环境，提升学习便捷性。

（4）探索教学新模式：尝试项目驱动、场景模拟等教学模式创新，激发学生的学习兴趣。鼓励学生参与开源项目实践，推广项目经验。

四、结论

本文探讨了将容器技术引入教学实践的思路和实践，介绍了基于Docker和Kubernetes构建个性化实践环境，设计贴近场景业务的实践教学方法，并评估了教学效果，提出了持续优化建议。飞速发展的时代，高校教学要紧跟技术前沿，将新技术与教学深度融合，以培养适应时代发展需要的创新型人才。高校容器技术为教学创新提供了新的思路，值得在更大范围推广应用。

未来，还需在更多课程和专业领域探索教学容器技术应用，完善评估和优化机制，推动教学模式变革。同时加强与企业合作，促进产教融合，以教学反哺科技创新，提升人才培养质量。

参考文献：

[1]高海，李磊.基于容器云的高校教学实践平台设计与实现[J].软件工程，2019（2）：18-21.

[2]彭建文.云计算课程实践教学研究——以Docker和Kubernetes为例[J].西安工业大学学报，2021，41（3）：101-106.