“信息存儲技術(shù)”的課程建設(shè)與教學(xué)實(shí)踐

劉 芳 肖 儂 蔡志平 王志英

摘要:數(shù)據(jù)的爆炸式增長對信息存儲技術(shù)提出了巨大挑戰(zhàn),也對信息存儲人才的培養(yǎng)提出了迫切需求,因此“信息存儲”系列課程的建設(shè)和發(fā)展迫在眉睫。本文首先分析了美國和國內(nèi)高校開設(shè)信息存儲課程的現(xiàn)狀,然后結(jié)合我校的實(shí)踐情況,從教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式與學(xué)時分配、教學(xué)組織、成績評價方式等方面探討了信息存儲課程的課程建設(shè)和教學(xué)實(shí)踐。

關(guān)鍵詞:信息存儲技術(shù);存儲系列課程;教學(xué)探討

中圖分類號:G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B

1引言

因特網(wǎng)的蓬勃發(fā)展,社會的數(shù)字化變革,導(dǎo)致了數(shù)據(jù)呈爆炸式增長。到2008年底,全球數(shù)據(jù)內(nèi)容的總量激增為4870億GB。海量數(shù)據(jù)對存儲系統(tǒng)的巨大需求,使得存儲產(chǎn)業(yè)步入高速發(fā)展的黃金時期。另一方面,以指數(shù)方式持續(xù)增長的信息量,對存儲系統(tǒng)在存儲容量、數(shù)據(jù)可用性、I/O性能、動態(tài)可擴(kuò)展性、易維護(hù)性和開放性等方面提出了更高需求,對現(xiàn)有的存儲技術(shù)提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。當(dāng)前,我國存儲人才緊缺,隨著科技的發(fā)展,需要有更多信息存儲人才的儲備。

清華大學(xué)、國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)、華中科技大學(xué)等高校已經(jīng)開設(shè)了“信息存儲”系列課程,但是在教材建設(shè)、技術(shù)跟蹤、實(shí)驗(yàn)課程等方面都存在一些困難。為有效解決現(xiàn)有困難,需要跟蹤國外頂尖高校的課程建設(shè)情況,積極開展交流,提升“信息存儲”系列課程的建設(shè)水平。

本文首先分析了美國幾所高校和國內(nèi)高校開設(shè)信息存儲課程的現(xiàn)狀,繼而結(jié)合國防科技大學(xué)計算機(jī)學(xué)院在信息存儲課程教學(xué)方面的實(shí)踐情況,從教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式與學(xué)時分配、教學(xué)組織、成績評價方式等方面對“信息存儲技術(shù)”課程建設(shè)情況進(jìn)行詳細(xì)介紹,探討了信息存儲課程的課程規(guī)劃和建設(shè)。

2國內(nèi)外信息存儲課程分析

以信息技術(shù)與信息資源為核心的科技高速發(fā)展推動了信息存儲技術(shù)的高速發(fā)展,許多大學(xué)都開設(shè)了信息存儲方向的課程。我們對卡內(nèi)基梅隆大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校、加州大學(xué)圣克魯茲分校、哥倫比亞大學(xué)等幾所美國著名高校的信息存儲課程開設(shè)情況進(jìn)行了調(diào)研,各個大學(xué)的教學(xué)內(nèi)容各有特色,既注重反映國際上信息存儲的發(fā)展趨勢,也注重培養(yǎng)學(xué)生的科研能力。

2.1卡內(nèi)基梅隆大學(xué)(Carnegie Mellon University)

在信息存儲方向,卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的電子與計算機(jī)工程系為本科生開設(shè)了“數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)與技術(shù)導(dǎo)論(18-316:Introduction to Data Storage Systems Technology)”、“數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)(18-416:Data Storage Systems)”、“數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)設(shè)計工程(18-517:Data Storage Systems Design Project)”共三門課程,并為研究生開設(shè)了“高級存儲系統(tǒng)(18-746:Advanced Storage Systems)”課程,該課程介紹存儲系統(tǒng)的設(shè)計、實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用,主要內(nèi)容包括網(wǎng)絡(luò)附加存儲(NAS)、磁盤陣列、存儲網(wǎng)格、存儲管理、高級文件系統(tǒng)、廣域網(wǎng)數(shù)據(jù)共享計劃、存儲安全。

卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的存儲課程體系層次清晰,由淺入深,從存儲基礎(chǔ)知識到存儲系統(tǒng)的應(yīng)用和設(shè)計,再到對存儲新技術(shù)的研究,不僅加深了學(xué)生對存儲技術(shù)和存儲系統(tǒng)的理解,也鍛煉了學(xué)生進(jìn)行存儲系統(tǒng)設(shè)計和存儲技術(shù)研發(fā)的能力。

2.2美國加州大學(xué)圣克魯茲分校(University of California, Santa Cruz)

加州大學(xué)圣克魯茲分校的計算機(jī)系為研究生開設(shè)信息存儲方向的一系列課程。

其中“存儲系統(tǒng)(CMPS 229:Storage Systems)”課程主要從可靠性、可擴(kuò)展性、魯棒性、安全性等方面系統(tǒng)介紹了存儲設(shè)備、存儲體系結(jié)構(gòu)、本地文件系統(tǒng)、高性能文件系統(tǒng)、下一代存儲設(shè)備和結(jié)構(gòu)等內(nèi)容。課程報告要求學(xué)生通過閱讀大量文獻(xiàn),自選一個與存儲相關(guān)的選題,完成一篇3000～5000字的論文報告(技術(shù)研究、工程實(shí)現(xiàn)、研究綜述均可)。

“計算機(jī)系統(tǒng)高級專題:存儲系統(tǒng)(CMPS 290S:Advanced Topics in Computer Systems: Storage Systems)”課程主要從存儲技術(shù)、文件系統(tǒng)、分布式文件系統(tǒng)、高性能存儲系統(tǒng)、下一代存儲系統(tǒng)等方面介紹存儲系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)。

此外,加州大學(xué)圣克魯茲分校的Extension in Silicon Valley還開設(shè)有“數(shù)據(jù)存儲基礎(chǔ)(21940–001:Data Storage Essential)”和“存儲網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與體系結(jié)構(gòu)(21939:Storage Networking Design and Architecture)”兩門課程。

2.3美國哥倫比亞大學(xué)(Columbia University)

哥倫比亞大學(xué)計算機(jī)科學(xué)系為研究生開設(shè)“網(wǎng)絡(luò)存儲系統(tǒng)高級專題(CS E6998-10:Advanced Topics in Network Storage Systems)”課程,主要介紹磁盤陣列、NAS、SAN、文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)存儲的最新進(jìn)展等。

2.4國內(nèi)高校

國內(nèi)高校一方面依托在信息存儲方面的科研優(yōu)勢,另一方面充分借助存儲領(lǐng)域的存儲設(shè)備資源,和一些知名存儲公司(如EMC、Segate、McData、浪潮等)合作,如國防科技大學(xué)、清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、深圳大學(xué)、東南大學(xué)、中山大學(xué)等,紛紛開設(shè)了存儲技術(shù)方向的課程培養(yǎng)了一大批信息存儲人才。但是與國外著名高校的信息存儲課程開設(shè)情況相比,國內(nèi)高校開設(shè)的存儲課程在存儲教材建設(shè)、前沿技術(shù)跟蹤、存儲實(shí)驗(yàn)教學(xué)等方面都不同程度地存在一些困難,尤其體現(xiàn)在存儲教材的缺乏、現(xiàn)有教材內(nèi)容的滯后、對存儲實(shí)踐教學(xué)沒有給予充分的重視等方面。為有效解決現(xiàn)有困難,我們要更積極地開展教學(xué)交流,提升“信息存儲”系列課程的建設(shè)水平。

同時還需注意,當(dāng)前我國新型存儲專業(yè)人才緊缺是很嚴(yán)重的事實(shí),國內(nèi)開設(shè)信息存儲方面課程的高校還較少,“信息存儲”系列課程的建設(shè)和發(fā)展還未受到應(yīng)有的重視。隨著科技的發(fā)展,我國需要有更多信息存儲人才和技術(shù)的儲備,今后更多的高校有望開設(shè)存儲技術(shù)相關(guān)課程。

3 “信息存儲技術(shù)”課程的教學(xué)實(shí)踐

為滿足在社會信息化進(jìn)程中對信息存儲技術(shù)人才的急切需求,國防科技大學(xué)計算機(jī)學(xué)院依托在信息存儲方面的科研優(yōu)勢,分別開設(shè)了本科生選修課程“信息存儲系統(tǒng)”和研究生課程“信息存儲技術(shù)”。下面以“信息存儲技術(shù)”課程為例,系統(tǒng)介紹該課程的教學(xué)體系以及在該體系下進(jìn)行的實(shí)踐工作,希望能有一定的借鑒作用。

3.1課程概述

“信息存儲技術(shù)”是面向計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的博士研究生、碩士研究生單獨(dú)設(shè)置的一門具有36個學(xué)時(其中課堂講授24學(xué)時、主題研討6學(xué)時、課內(nèi)實(shí)驗(yàn)6學(xué)時)的重要課程,主要從存儲技術(shù)、典型存儲系統(tǒng)以及未來存儲的發(fā)展等多個方面,從技術(shù)和理論的不同層面,系統(tǒng)介紹信息存儲技術(shù)的總體發(fā)展情況和未來發(fā)展趨勢,分析信息存儲系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀。

3.2課程教學(xué)內(nèi)容

“信息存儲技術(shù)”課程系統(tǒng)性強(qiáng)、內(nèi)容廣、更新快,我們在課程教學(xué)實(shí)踐中既注重反映國際上信息存儲的發(fā)展趨勢,也注重培養(yǎng)學(xué)生的科研能力。

3.2.1課堂講授

課堂講授使學(xué)生對信息存儲技術(shù)有一個全面的了解,建立起存儲的基本概念,了解存儲技術(shù)前沿和信息存儲技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。教學(xué)內(nèi)容組織如下:

(1) 緒論

了解信息存儲技術(shù)的發(fā)展過程,信息存儲技術(shù)的定義和關(guān)鍵特性,存儲層次結(jié)構(gòu),信息存儲的發(fā)展現(xiàn)狀、面臨的挑戰(zhàn)以及未來發(fā)展趨勢等。

(2) 存儲技術(shù)基礎(chǔ)

掌握構(gòu)成存儲系統(tǒng)的一些關(guān)鍵性技術(shù),包括一些傳統(tǒng)存儲介質(zhì)(如磁盤、光盤等)以及新型存儲介質(zhì)(如閃存Flash Memory、相變存儲PCM等);了解存儲設(shè)備的接口;掌握獨(dú)立冗余磁盤陣列(RAID)的基本特性、數(shù)據(jù)管理思想、工作模式和性能差異。

(3) 大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)存儲技術(shù)

掌握NAS、SAN、存儲網(wǎng)格等網(wǎng)絡(luò)存儲技術(shù)基本原理;了解附網(wǎng)存儲系統(tǒng)、存儲區(qū)域網(wǎng)的存儲模型、存儲方式、實(shí)現(xiàn)與管理;了解基于對象存儲技術(shù)、廣域網(wǎng)絡(luò)存儲技術(shù)的特點(diǎn);了解新型網(wǎng)絡(luò)存儲結(jié)構(gòu)。

(4) 存儲文件系統(tǒng)

掌握網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)、并行文件系統(tǒng)、對象存儲文件系統(tǒng)、分布式文件系統(tǒng)的架構(gòu)、技術(shù)特點(diǎn)和性能以及各自的優(yōu)點(diǎn)和適用性。

(5) 大規(guī)模存儲管理

了解大規(guī)模存儲網(wǎng)絡(luò)管理、大規(guī)模存儲設(shè)備管理、數(shù)據(jù)管理的功能及應(yīng)用;理解存儲虛擬化的概念和特點(diǎn)、體系結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方式以及存儲虛擬化的實(shí)際應(yīng)用。了解存儲系統(tǒng)安全管理技術(shù)以及存儲系統(tǒng)的數(shù)據(jù)備份和數(shù)據(jù)恢復(fù)。

3.2.2主題研討

在主題研討環(huán)節(jié),通過閱讀文獻(xiàn)、主持和參與主題研討、撰寫課程論文等活動,幫助研究生了解國內(nèi)外有關(guān)信息存儲領(lǐng)域的最新研究成果、研究方法和主要觀點(diǎn);初步培養(yǎng)博士、碩士研究生在信息存儲前沿領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)問題,解決問題,以及開展學(xué)術(shù)交流的能力。主題研討的教學(xué)內(nèi)容組織如下:

(1) 主題研討要求

① 研討分組

3位學(xué)生組成一組,參與課程研討活動。

② 課程研討

要求每組學(xué)生主持一次課堂研討;記錄一次課堂研討;形成研討論文。

③ 閱讀文獻(xiàn)列表

研討閱讀文獻(xiàn)主要來源于FAST、ICDCS、MSST、ACM ToS等重要學(xué)術(shù)會議和期刊上近兩年發(fā)表的信息存儲領(lǐng)域研究成果,以及CMU、UC Berkeley、UC Santa Cruz等大學(xué)存儲實(shí)驗(yàn)室研究人員發(fā)表的論文。

④ 研討報告提交形式

學(xué)期結(jié)束,以組為單位提交一份研討論文和演講PPT。

(2) 研討組織

每次研討課2個學(xué)時,每個學(xué)時討論1～2個特定的主題。負(fù)責(zé)該主題的小組的學(xué)生負(fù)責(zé)引導(dǎo)和記錄對該主題的討論,其中1位同學(xué)負(fù)責(zé)就該主題做講演并引起討論,另2位學(xué)生發(fā)表見解,并負(fù)責(zé)記錄討論。

每次研討課前,教師指定圍繞一個特定主題的3～4篇必讀文獻(xiàn)。負(fù)責(zé)主持該主題討論的3位學(xué)生要閱讀由教師指定的有關(guān)該主題的必讀文獻(xiàn)全文,并根據(jù)需要查閱其他相關(guān)文獻(xiàn)。其他所有的學(xué)生要閱讀有關(guān)該主題的必讀文獻(xiàn)摘要、引言、相關(guān)工作和結(jié)論部分。要求所有學(xué)生出席每次的研討課程,積極參與課堂討論。

(3) 研討評分

① 出席課程、參與討論情況:20%

② 研討會主題發(fā)言、研討組織情況:40%

③ 研討論文、演講PPT:40%

3.2.3課內(nèi)實(shí)驗(yàn)

通過實(shí)驗(yàn)動手環(huán)節(jié),在理論和實(shí)踐相結(jié)合的基礎(chǔ)上,深入了解信息存儲系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和組成,并能夠清楚地知道在不同應(yīng)用環(huán)境中不同的存儲解決方案,培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用存儲管理系統(tǒng)對信息存儲系統(tǒng)進(jìn)行有效管理的工作能力以及科學(xué)作風(fēng)和協(xié)作能力等。實(shí)驗(yàn)主要內(nèi)容如下:

(1) 存儲系統(tǒng)硬件構(gòu)造了解:通過拆裝存儲系統(tǒng)了解其內(nèi)部構(gòu)造及各部件作用。

(2) 存儲系統(tǒng)的軟件安裝調(diào)試:包括服務(wù)器操作系統(tǒng)安裝、存儲操作系統(tǒng)安裝、存儲管理軟件安裝、雙機(jī)軟件安裝調(diào)試等。

(3) 存儲連接方式實(shí)踐:包括DAS、NAS和SAN等存儲方案的比較和分析。

3.3課程學(xué)時分配與考核評分

教學(xué)學(xué)時共36學(xué)時,其中課堂講授24學(xué)時、研討課時6學(xué)時、實(shí)驗(yàn)課時6學(xué)時。學(xué)時分配如表1所示:

合理評定課程成績是督促學(xué)生掌握知識的手段,不是教學(xué)的最終目的,完成整個課程的主題研討和課內(nèi)實(shí)驗(yàn)就是一種綜合能力的體現(xiàn),所以我們在“信息存儲技術(shù)”課程中采取全面考核和綜合評定的辦法。評分比例為:主題研討:70%;實(shí)驗(yàn)報告:30%。其中,全面考核是指每個學(xué)生都要在主題研討和實(shí)驗(yàn)檢查中進(jìn)行發(fā)言、組織、報告,以及動手實(shí)踐操作,并回答老師的現(xiàn)場提問;綜合評定主要指考察學(xué)生的知識掌握能力、綜合總結(jié)能力(研討報告)、創(chuàng)新能力和實(shí)踐動手能力4個方面,使課程成績能全面反映學(xué)生的實(shí)際能力。

3.4教學(xué)效果分析

“信息存儲技術(shù)”課程的開設(shè)受到了同學(xué)們的歡迎。以本學(xué)期教學(xué)情況為例,有接近40%的同學(xué)選修了該門課程,有10組同學(xué)做了主題研討報告,他們的研討文獻(xiàn)主要來源于FAST、ACM ToS等頂級會議和期刊。課堂上的討論非常激烈,有不少同學(xué)都主動查閱了其他相關(guān)文獻(xiàn),提出了許多豐富的觀點(diǎn)和見解。

通過課程的學(xué)習(xí),受到主題研討的啟發(fā),有2位博士研究生和2位碩士研究生分別撰寫了科技論文,分別投稿國際會議和國內(nèi)期刊。本課程注重反映了國際上信息存儲技術(shù)的發(fā)展趨勢,引導(dǎo)研究生開展學(xué)術(shù)研究,培養(yǎng)了他們的科學(xué)研究能力,達(dá)到了預(yù)期的效果。

通過課內(nèi)實(shí)驗(yàn),學(xué)生們更深入直觀地了解了信息存儲系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和組成,以及在不同應(yīng)用環(huán)境中不同的存儲解決方案,也更進(jìn)一步地深入理解了課堂講授的若干知識。

同時,我們也充分認(rèn)識到,我們的存儲系列課程建設(shè)水平與國外著名高校的信息存儲課程還存在一定的差距。要趕上國際先進(jìn)水平,一方面需要我們積極開展信息存儲方面的科學(xué)研究,進(jìn)一步依托信息存儲領(lǐng)域的科研優(yōu)勢;另一方面需要我們充分了解存儲領(lǐng)域的實(shí)際需求,借助存儲領(lǐng)域的存儲技術(shù)儲備,進(jìn)一步加強(qiáng)和一些知名存儲公司的合作。

4結(jié)束語

計算和存儲是計算機(jī)系統(tǒng)的兩大基本任務(wù),隨著全球數(shù)據(jù)的高速增長,信息存儲技術(shù)已成為極其重要的計算機(jī)系統(tǒng)技術(shù)。

“信息存儲技術(shù)”作為學(xué)習(xí)計算機(jī)系統(tǒng)的重要課程,在完成存儲基本原理知識學(xué)習(xí)的同時,必須加強(qiáng)對學(xué)生的創(chuàng)新意識和實(shí)踐能力的培養(yǎng)。因此在“信息存儲技術(shù)”的課程建設(shè)中,開展主題研討和課內(nèi)實(shí)驗(yàn),充分重視教學(xué)互動和實(shí)踐動手環(huán)節(jié),對提高教學(xué)質(zhì)量,加深學(xué)生對所學(xué)存儲原理知識的理解,增強(qiáng)學(xué)生開創(chuàng)能力是非常有益的,符合新時期人才培養(yǎng)的需要。

在“信息存儲技術(shù)”的教學(xué)實(shí)踐中,主動查閱其他相關(guān)文獻(xiàn)的學(xué)生越來越多,不同的觀點(diǎn)和見解也越來越豐富,反映出學(xué)生的求知欲望是很強(qiáng)的,而且富有創(chuàng)新精神。“信息存儲技術(shù)”教學(xué)的實(shí)踐使我們深深體會到課堂講授、主題研討和實(shí)驗(yàn)教學(xué)等多種教學(xué)方式相結(jié)合是培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)素質(zhì)的有效途徑,對學(xué)生能力的培養(yǎng)起到積極作用。

參考文獻(xiàn):

[1]IDC,EMC. As the Economy Contracts,the Digital Universe Expands[EB/OL]. May, 2009. http://www.emc.com/collateral/demos/microsites/idc-digital-universe/iview.htm.

[2]CMU ECE Student: Academic Guide-List of Courses[EB/OL]. http://www.ece.cmu.edu/undergraduate/guide/appendix-f.html, 2009.

[3]CMU ECE Course 18-746: Storage Systems[EB/OL]. http://www.ece.cmu.edu/～ganger/ece746.spring08/, January 2008.

[4]UC Santa Cruz - CMPS 229: Storage Systems[EB/OL]. http://www.soe.ucsc.edu/courses/course?cmps229, January 2008.

[5]Columbia University Course: CS E6998-10: Advanced Topics in Network Storage Systems[EB/OL]. http://www1.cs.columbia.edu/～magoutis/cs699810-spring04/index.html, Spring 2004.

[6]梁正平,王志強(qiáng),申向軍,等.“網(wǎng)絡(luò)存儲技術(shù)”課程教學(xué)探討與實(shí)踐[J]. 計算機(jī)教育,2009(3):96-99.