云計(jì)算在計(jì)算機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用研究

李曉月

（河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，河南 新鄉(xiāng)453003）

利用互聯(lián)網(wǎng)來(lái)進(jìn)行計(jì)算機(jī)教育已經(jīng)有一段時(shí)間，但是如何用新的技術(shù)來(lái)進(jìn)行教學(xué)，由于技術(shù)發(fā)展的迅速性一直沒(méi)有得到很好的解決。作為教師，只有不斷的學(xué)習(xí)研究新的技術(shù)，才能進(jìn)行更好的教學(xué)。近年來(lái)，云計(jì)算和云服務(wù)成為研究的熱點(diǎn)，本文是在分析現(xiàn)有的云計(jì)算特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，利用云計(jì)算服務(wù)平臺(tái)，并在此平臺(tái)上部署教學(xué)資源，初步設(shè)計(jì)了一個(gè)適合計(jì)算機(jī)教學(xué)的云計(jì)算應(yīng)用系統(tǒng)。學(xué)生可以用瘦終端連接到云上，大大節(jié)省了學(xué)校硬件的支出。通過(guò)該教學(xué)方式，學(xué)生既學(xué)到了課本上的知識(shí)，又增強(qiáng)了動(dòng)手能力。

1 云計(jì)算的定義和特點(diǎn)

云計(jì)算(Cloud computing)是分布式計(jì)算（Dstributed Computing）、并行計(jì)算（Parallel Computing）、效用計(jì)算（Utility Computing）、網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)（Network Storage Technologies）、虛擬化 （Virtualization）、負(fù)載 均衡（Load Balance）等傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展融合的產(chǎn)物[1]。其通過(guò)使計(jì)算分布在大量的分散式的計(jì)算機(jī)上，而非本地計(jì)算機(jī)或單一的遠(yuǎn)程服務(wù)器中。這使得用戶能夠?qū)①Y源切換到需要的應(yīng)用上，根據(jù)需求訪問(wèn)指定的計(jì)算機(jī)和存儲(chǔ)系統(tǒng)等資源。

云計(jì)算大概可以分為以下三類服務(wù)模型[2-3]：基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（IaaS），平臺(tái)即服務(wù)（PaaS）和軟件即服務(wù)（SaaS）。IaaS(Infrastructureas-a-Service)：基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)。用戶通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)可以從分布的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)設(shè)施獲得服務(wù)。PaaS(Platform-as-a-Service)：平臺(tái)即服務(wù)。PaaS實(shí)際上是指將軟件研發(fā)的平臺(tái)作為一種服務(wù)，提供操作系統(tǒng)、開(kāi)放編程環(huán)境、數(shù)據(jù)庫(kù)、Web服務(wù)等。SaaS(Software-as-a-Service)：軟件即服務(wù)。它是一種通過(guò)Internet提供軟件的模式，用戶無(wú)需一次性購(gòu)買(mǎi)軟件，通過(guò)按次計(jì)費(fèi)等計(jì)費(fèi)模式向供應(yīng)商付費(fèi)。

被普遍接受的云計(jì)算特點(diǎn)如下[4]：

（1）超大規(guī)模

云具有相當(dāng)?shù)囊?guī)模，Google云計(jì)算已經(jīng)擁有100多萬(wàn)臺(tái)服務(wù)器，Amazon、IBM、微軟等的云均擁有幾十萬(wàn)臺(tái)服務(wù)器。企業(yè)私有云一般擁有數(shù)百上千臺(tái)服務(wù)器。

（2）虛擬化

云計(jì)算通過(guò)虛擬化技術(shù)使云平臺(tái)下方的基礎(chǔ)設(shè)備和上方的應(yīng)用軟件分離，支持用戶在不同地方、使用各種終端獲取應(yīng)用服務(wù)。所請(qǐng)求的資源來(lái)自云，而不是固定的某個(gè)服務(wù)器上。應(yīng)用在云中某處運(yùn)行，不用擔(dān)心應(yīng)用運(yùn)行的具體位置，只需使用相應(yīng)的服務(wù)。

（3）高可靠性

云使用了數(shù)據(jù)多副本容錯(cuò)、計(jì)算節(jié)點(diǎn)同構(gòu)可互換等措施來(lái)保障服務(wù)的高可靠性，使用云計(jì)算比使用本地計(jì)算機(jī)可靠。

（4）通用性

云計(jì)算不針對(duì)特定的應(yīng)用，在云的支撐下可以構(gòu)造出千變?nèi)f化的應(yīng)用，同一個(gè)云可以同時(shí)支撐不同的應(yīng)用運(yùn)行。

（5）高可擴(kuò)展性

云的規(guī)模可以動(dòng)態(tài)伸縮，滿足應(yīng)用和用戶定制的需要。

2 云計(jì)算在計(jì)算機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用及注意的問(wèn)題

傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)教學(xué)，雖然體系清晰、結(jié)構(gòu)合理，但是其過(guò)于注重理論環(huán)節(jié)的教學(xué)，而忽略了實(shí)踐教學(xué)的重要性。因此，本文引入云計(jì)算到教學(xué)中去，目的是增強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)的部分，讓學(xué)生多動(dòng)手、勤思考。云計(jì)算的出現(xiàn)給現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法上的創(chuàng)新帶了機(jī)遇和挑戰(zhàn)，合理的利用云計(jì)算技術(shù)優(yōu)勢(shì)，以實(shí)現(xiàn)信息、教學(xué)資源的最大共享。因此，在當(dāng)前的教學(xué)中適當(dāng)?shù)囊朐朴?jì)算是有必要的，下面就本文基于云計(jì)算的教學(xué)系統(tǒng)作簡(jiǎn)單的介紹。

2.1 云計(jì)算平臺(tái)

本文選擇了亞馬遜的云計(jì)算服務(wù)，亞馬遜的云名為亞馬遜網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（Amazon Web Services,AWS）[5]，目前主要由4塊核心服務(wù)組成：簡(jiǎn)單存儲(chǔ)服務(wù)（Simple Storage Service，S3）；彈性計(jì)算云（Elastic Compute Cloud，EC2）；簡(jiǎn)單排列服務(wù)（Simple Queuing Service）以及簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)（Simple DB）。由于其提供服務(wù)的完善性，是本文選擇該平臺(tái)的原因。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

圖1是系統(tǒng)的整體架構(gòu)。通過(guò)SSH來(lái)訪問(wèn)機(jī)器資源，利用EC2來(lái)運(yùn)行所有的計(jì)算機(jī)教學(xué)關(guān)鍵組件（包括Apache、MySQL等），采用S3來(lái)存儲(chǔ)所有的數(shù)據(jù)，并在EC2中提供負(fù)載均衡服務(wù)，使用AWS自動(dòng)部署學(xué)生開(kāi)發(fā)的應(yīng)用，用Auto Scaling Group來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)的彈性伸縮。彈性負(fù)載均衡模塊自動(dòng)將應(yīng)用入口流量分發(fā)到多個(gè)EC2實(shí)例上，使得應(yīng)用具有更高的容錯(cuò)性。用CloudWatch來(lái)監(jiān)控ELB的運(yùn)行情況，包括請(qǐng)求數(shù)、請(qǐng)求延遲等。

數(shù)據(jù)備份通過(guò)EC2生成卷的快照snapshot，并將其存儲(chǔ)到S3上，第一份snapshot是全量的，之后均為增量快照。在安全性方面，EC2提供了多種機(jī)制來(lái)保護(hù)用戶的計(jì)算資源，本文通過(guò)Web Service接口配置防火墻來(lái)控制實(shí)例之間的網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)；同時(shí)，通過(guò)VPC(Virtual Private Cloud）來(lái)實(shí)現(xiàn)更為嚴(yán)格的安全配置。當(dāng)在VPC內(nèi)部啟動(dòng)EC2資源時(shí)，通過(guò)指定希望使用的IP范圍來(lái)孤立自己的計(jì)算實(shí)例，并使用加密IPsec VPN來(lái)連接到已有的IT基礎(chǔ)架構(gòu)。除此之外，本文還在VPC內(nèi)部啟動(dòng)專有實(shí)例（Dedicated Instance），專有實(shí)例是在VPC中運(yùn)行的EC2實(shí)例，且提供了額外的獨(dú)立性以專供一個(gè)用戶使用，這樣就大大的增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性。

2.3 應(yīng)注意的問(wèn)題

系統(tǒng)在運(yùn)行中不可避免的要出現(xiàn)一些問(wèn)題，這些問(wèn)題有些來(lái)自于系統(tǒng)，有些來(lái)自于使用者，不管出自那里都應(yīng)該盡量避免?？偨Y(jié)起來(lái)共有下面兩個(gè)方面：

（1）系統(tǒng)問(wèn)題

系統(tǒng)是否為分布式存儲(chǔ)，如果是的話穩(wěn)定性才有保障，文件要多重備份，即使其中的一份出現(xiàn)了問(wèn)題也不影響使用；是否支持校園網(wǎng)內(nèi)網(wǎng)的支持，本文的教學(xué)大部分情況下是基于校園內(nèi)網(wǎng)的，如果支持的話就可以進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，而不用通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)，這樣就可以提高系統(tǒng)的訪問(wèn)速度。

（2）教師和學(xué)生問(wèn)題

教師對(duì)云計(jì)算的掌握程度問(wèn)題，只有老師完全熟悉系統(tǒng)后，才有可能利用好平臺(tái)來(lái)為學(xué)生上課；學(xué)生對(duì)系統(tǒng)學(xué)習(xí)的接受問(wèn)題，教師通過(guò)生動(dòng)的講述和熟練的應(yīng)用，學(xué)生才能產(chǎn)生興趣并利用該平臺(tái)進(jìn)行課程的學(xué)習(xí)。

3 初步教學(xué)效果

本文通過(guò)對(duì)兩個(gè)教學(xué)班級(jí)實(shí)施不同的教學(xué)方法來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，一個(gè)班級(jí)引入云計(jì)算到課程的教學(xué)中，另一個(gè)沒(méi)有，只應(yīng)用傳統(tǒng)的教學(xué)方法。最后的考核結(jié)果如表1所示，從表中可以看出，此教學(xué)方法在理論教方面提高的并不多，但在實(shí)踐教學(xué)中提高了10個(gè)百分點(diǎn)，綜合提高了7個(gè)百分點(diǎn)。因此，將云計(jì)算引入到教學(xué)中去，還是有必要的。

表1 教學(xué)效果對(duì)比表

4 結(jié)語(yǔ)

計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)隨著時(shí)代的發(fā)展在不斷的發(fā)生變化，只有創(chuàng)新教學(xué)方法，將當(dāng)前流行的、實(shí)用的計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到計(jì)算機(jī)教學(xué)中去，發(fā)揮新技術(shù)在教學(xué)中的作用，才能增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性。本文對(duì)云計(jì)算在計(jì)算機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行了初步研究，并根據(jù)實(shí)際教授課程情況應(yīng)用到自己的教學(xué)中。初步教學(xué)效果表明，此方法對(duì)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)手能力有一定的作用，但是畢竟引入到教學(xué)的時(shí)間有限，還需進(jìn)行長(zhǎng)期的跟蹤調(diào)查，這也是以后要做的工作。

［1］陳全,鄧倩妮.云計(jì)算及其關(guān)鍵技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2009(9):2563.

［2］Praveena K,Bestsy T.Application of Cloud Computing in Academia[J].IUP Journal of system Management,2009,7(3):50-54.

［3］Tuncay E.Effective Use of Cloud Computing in Educational Institutions[J].Procedia-Social and Behavioral Sciences.2010,2(2):938-942.

［4］百度百科.云計(jì)算[EB/OL].http://baike.baidu.com/view/1316082.htm.

［5］曹軍委.基于云計(jì)算的教學(xué)資源共享體系的研究與實(shí)現(xiàn)[D].安徽理工大學(xué),2012.