計(jì)算機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)課程新技術(shù)引入與實(shí)驗(yàn)環(huán)境建設(shè)實(shí)踐

楊利明，單子鵬，馬劍鋒，高 玨

（上海大學(xué) 計(jì)算中心，上海 200444）

1 新興信息技術(shù)發(fā)展需求與重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容選擇

在《國務(wù)院關(guān)于加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定》中列出了七大國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)體系，其中包括“新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)”，其主要內(nèi)容是，“加快建設(shè)寬帶、泛在、融合、安全的信息網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，推動(dòng)新一代移動(dòng)通信、下一代互聯(lián)網(wǎng)核心設(shè)備和智能終端的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化，加快推進(jìn)三網(wǎng)融合，促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算的研發(fā)和示范應(yīng)用。”在國家政策的指引下，物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算技術(shù)領(lǐng)域蓬勃發(fā)展，在生活、生產(chǎn)還是科研創(chuàng)新中都得以廣泛應(yīng)用。為應(yīng)對這一需求，在計(jì)算機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)課程的教學(xué)中，就必須逐步增加相關(guān)知識(shí)體系和實(shí)踐要求。

涉及物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等新興信息技術(shù)的細(xì)分領(lǐng)域很多，包括網(wǎng)絡(luò)通信、系統(tǒng)集成、數(shù)據(jù)處理、嵌入式系統(tǒng)、分布式計(jì)算、虛擬化技術(shù)等，很多技術(shù)都需要在專業(yè)知識(shí)具備的條件下才能進(jìn)一步學(xué)習(xí)和掌握。因此，筆者選取這些不同領(lǐng)域中具有普遍共性內(nèi)容的Linux操作系統(tǒng)以及已經(jīng)廣泛應(yīng)用的云計(jì)算技術(shù)作為教學(xué)突破口。

1.1 Linux操作系統(tǒng)

作為一個(gè)大眾化的計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)，微軟的Windows操作系統(tǒng)一直是計(jì)算機(jī)技術(shù)課程教材中的重點(diǎn)內(nèi)容，介紹Linux操作系統(tǒng)的篇幅則較少。實(shí)際上，隨著新興信息技術(shù)的發(fā)展，開源的Linux操作系統(tǒng)已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。

Linux操作系統(tǒng)是“類Unix”操作系統(tǒng)的總稱，這些操作系統(tǒng)采用Linux作為操作系統(tǒng)的內(nèi)核，具有許多Unix操作系統(tǒng)的特點(diǎn)，如多用戶、多任務(wù)、可移植性、豐富的網(wǎng)絡(luò)功能、強(qiáng)大的安全機(jī)制等。Linux是一個(gè)自由開源的操作系統(tǒng)內(nèi)核，許多程序員加入Linux社區(qū)參與Linux的開發(fā)，將Linux操作系統(tǒng)打造成性能出色、穩(wěn)定可靠的操作系統(tǒng)。

在桌面應(yīng)用領(lǐng)域，雖然Windows操作系統(tǒng)在桌面應(yīng)用中一直占有絕對的優(yōu)勢，但隨著Linux操作系統(tǒng)圖形界面和桌面應(yīng)用軟件方面的發(fā)展，Linux操作系統(tǒng)在桌面應(yīng)用方面也得到了顯著的提高，不少桌面用戶轉(zhuǎn)而使用Linux操作系統(tǒng)。

在高端服務(wù)器領(lǐng)域，由于Linux內(nèi)核穩(wěn)定可靠且開放源代碼，越來越多的企業(yè)選擇了Linux操作系統(tǒng)。在Linux操作系統(tǒng)上，企業(yè)可以架構(gòu)Web服務(wù)器、郵件服務(wù)器、DNS服務(wù)器、負(fù)載均衡服務(wù)器等，大大降低了企業(yè)的運(yùn)營成本，且無須考慮商業(yè)軟件的版權(quán)問題。近幾年，Linux系統(tǒng)已經(jīng)深入到電信、金融、政府、教育、銀行、石油等各個(gè)行業(yè)，超大型互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)也都在使用Linux操作系統(tǒng)作為其服務(wù)器端的程序運(yùn)行平臺(tái)。

在嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域，因?yàn)長inux內(nèi)核支持大量的微處理體系結(jié)構(gòu)、硬件設(shè)備、圖形支持和通信協(xié)議，所以在嵌入式應(yīng)用的領(lǐng)域里，從因特網(wǎng)設(shè)備（路由器、交換機(jī)、防火墻，負(fù)載均衡器等）到專用的控制系統(tǒng)（自動(dòng)售貨機(jī)、手機(jī)、PDA、各種家用電器等），Linux操作系統(tǒng)都有廣闊的應(yīng)用市場。特別是經(jīng)過近幾年的發(fā)展，Linux操作系統(tǒng)已經(jīng)成功地躋身于主流嵌入式開發(fā)平臺(tái)，如采用Linux內(nèi)核的Android系統(tǒng)在智能手機(jī)領(lǐng)域牢牢占據(jù)了一席之地。

1.2 云計(jì)算技術(shù)

云計(jì)算即“計(jì)算服務(wù)”，將計(jì)算資源作為“服務(wù)”可以通過互聯(lián)網(wǎng)來獲取。云計(jì)算是分布式處理、并行處理和網(wǎng)格計(jì)算的發(fā)展，或者說是這些計(jì)算機(jī)科學(xué)概念的商業(yè)實(shí)現(xiàn)。其核心技術(shù)是分布式的計(jì)算方法，特別強(qiáng)調(diào)虛擬化技術(shù)的應(yīng)用。簡單地說，云計(jì)算就是網(wǎng)絡(luò)計(jì)算，它是一種依托Internet的超級計(jì)算模型，將巨大的資源聯(lián)系在一起為用戶提供各種IT服務(wù)。云計(jì)算的一個(gè)核心理念就是通過不斷提高“云”的處理能力，減少用戶終端的處理負(fù)擔(dān)，使用戶終端最終簡化為一個(gè)單純的輸入輸出設(shè)備，并能夠按需享受“云”的強(qiáng)大計(jì)算處理能力。

在云計(jì)算的服務(wù)架構(gòu)中，核心部分是由多臺(tái)計(jì)算機(jī)組成的服務(wù)器“云”。它將資源聚集起來，形成一個(gè)大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理中心，同時(shí)由服務(wù)器中的各種配置工具來支持“云”端的軟件管理、數(shù)據(jù)收集和處理。服務(wù)器根據(jù)用戶客戶端提交的數(shù)據(jù)請求處理數(shù)據(jù)、返回檢索結(jié)果。按照服務(wù)的分類實(shí)現(xiàn)監(jiān)控和測量，保證服務(wù)質(zhì)量、合理分配資源，達(dá)到資源效益的最大化，最終實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和超級計(jì)算能力。只需要一臺(tái)能上網(wǎng)的電腦，用戶就可以在任何地點(diǎn)、用任何設(shè)備快速地獲取資源，享受便捷的云服務(wù)。

2 教學(xué)內(nèi)容與知識(shí)點(diǎn)規(guī)劃

針對Linux操作系統(tǒng)和云計(jì)算技術(shù)的特點(diǎn)，明確知識(shí)要點(diǎn)和技術(shù)路徑，分別采用理論聯(lián)系實(shí)際的方法循序漸進(jìn)地進(jìn)行內(nèi)容編排，以期通過學(xué)習(xí)，讓學(xué)生逐步了解和掌握相關(guān)知識(shí)。

2.1 Linux操作系統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容安排

該部分內(nèi)容分別是Linux操作系統(tǒng)的誕生，Linux操作系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域，Linux的發(fā)行版本、內(nèi)核與殼的概念，Linux文件系統(tǒng)的目錄結(jié)構(gòu)、常用命令與操作、系統(tǒng)配置、典型服務(wù)搭建等。

在該部分內(nèi)容中，首先，從Linux的發(fā)展歷史開始講起，讓學(xué)生對這種比較陌生的操作系統(tǒng)逐漸產(chǎn)生興趣；然后，強(qiáng)調(diào)它的應(yīng)用價(jià)值，讓學(xué)生逐步領(lǐng)會(huì)該技術(shù)在現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展中的重要性，從而增強(qiáng)學(xué)習(xí)該技術(shù)的主動(dòng)性和信心。在具體的內(nèi)容安排上，首先，讓學(xué)生區(qū)分種類繁多的各種發(fā)行版本；然后，再從操作系統(tǒng)的原理出發(fā)簡要介紹Linux系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制，進(jìn)而具體講解Linux系統(tǒng)的基本操作，讓學(xué)生與常見的Windows操作系統(tǒng)進(jìn)行對比學(xué)習(xí)，分析其中的共性和差異，以便更好地理解Linux系統(tǒng)；最后，通過具體的應(yīng)用程序安裝，實(shí)現(xiàn)典型的基于網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)，從而加強(qiáng)學(xué)生對Linux的理解。

2.2 云計(jì)算技術(shù)教學(xué)內(nèi)容安排

該部分內(nèi)容也分為6個(gè)小節(jié)，分別是云計(jì)算簡介、云計(jì)算的實(shí)現(xiàn)機(jī)制、云計(jì)算的服務(wù)類型、云計(jì)算的發(fā)展現(xiàn)狀、云計(jì)算的商用實(shí)例、校園云計(jì)算服務(wù)平臺(tái)等。

該部分內(nèi)容安排的策略也是循序漸進(jìn)、逐步展開，首先，介紹云計(jì)算的起源及其應(yīng)用價(jià)值；然后，具體講解云計(jì)算的實(shí)現(xiàn)機(jī)制、服務(wù)類型，在學(xué)生對云計(jì)算初步了解后，結(jié)合云計(jì)算技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，展示現(xiàn)實(shí)生活中真正的云計(jì)算服務(wù)和應(yīng)用；最后，使用基于校園網(wǎng)絡(luò)的云計(jì)算實(shí)驗(yàn)平臺(tái)快速體驗(yàn)云計(jì)算操作，從而加深印象、深刻理解。

3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容要求

教學(xué)內(nèi)容的理解和掌握需要通過具體的實(shí)驗(yàn)得以加強(qiáng)，有必要設(shè)計(jì)服務(wù)于教學(xué)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境以提升教學(xué)效果。

Linux操作系統(tǒng)的學(xué)習(xí)需要真實(shí)的操作環(huán)境，但在物理計(jì)算機(jī)上安裝有諸多不便，如計(jì)算機(jī)本身已經(jīng)安裝了Windows操作系統(tǒng)等。于是，使用基于Windows的虛擬機(jī)做實(shí)驗(yàn)，成為學(xué)習(xí)Linux操作系統(tǒng)的一個(gè)很好選擇。

隨著云計(jì)算技術(shù)應(yīng)用場景的不斷創(chuàng)新，云計(jì)算技術(shù)的服務(wù)與應(yīng)用分離、服務(wù)平臺(tái)（操作系統(tǒng)）快速搭建、計(jì)算資源彈性獲取、基礎(chǔ)架構(gòu)累積重用等優(yōu)勢在建設(shè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上逐步顯現(xiàn)。結(jié)合云計(jì)算技術(shù)這些特性，進(jìn)一步設(shè)計(jì)基于Web服務(wù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，可以讓學(xué)生在互聯(lián)網(wǎng)（或校園網(wǎng)）上，通過云計(jì)算平臺(tái)根據(jù)自己的配置需求快速創(chuàng)建一臺(tái)已經(jīng)部署了某個(gè)版本Linux操作系統(tǒng)的虛擬計(jì)算機(jī)（云主機(jī)），在體驗(yàn)云計(jì)算技術(shù)的同時(shí)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對Linux操作系統(tǒng)的學(xué)習(xí)。

3.1 校園云計(jì)算實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

校園云計(jì)算實(shí)驗(yàn)平臺(tái)按照典型云計(jì)算服務(wù)邏輯進(jìn)行底層設(shè)計(jì)，上層輔以實(shí)驗(yàn)過程控制面向教學(xué)需求。

首先將物理服務(wù)器采用虛擬化技術(shù)組建計(jì)算資源池。虛擬化的目的就是把物理硬件轉(zhuǎn)化成可以被云計(jì)算操作系統(tǒng)調(diào)用的軟件資源，從而形成包含眾多計(jì)算節(jié)點(diǎn)的虛擬資源池。確定池主，以便通過中間層統(tǒng)一任務(wù)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)計(jì)算節(jié)點(diǎn)上的負(fù)載均衡。

在完成計(jì)算節(jié)點(diǎn)虛擬化的基礎(chǔ)上，將基于IPSAN（IP Based Storage Area Network）的存儲(chǔ)資源通過高速光通道網(wǎng)絡(luò)采用iSCSI（Internet Small Computer System Interface）等方式接入計(jì)算節(jié)點(diǎn)。借助專業(yè)存儲(chǔ)數(shù)萬的IOPS（Input/Output Operations Per Second）能力，對用戶層提供IaaS類型的云主機(jī)或云桌面等云計(jì)算服務(wù)。

底層基礎(chǔ)物理架構(gòu)完成后，在作為中間層的云計(jì)算管理系統(tǒng)之上，需要研發(fā)云計(jì)算服務(wù)平臺(tái)的第三層：面向用戶的Web操作界面，以應(yīng)對教學(xué)實(shí)驗(yàn)需求。為實(shí)現(xiàn)計(jì)算資源利用效率最大化，可以采用預(yù)約限時(shí)使用與計(jì)算資源自動(dòng)回收機(jī)制，具體實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流程如圖1所示。

圖1 云計(jì)算實(shí)驗(yàn)平臺(tái)業(yè)務(wù)流程

3.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

內(nèi)容安排目標(biāo)實(shí)現(xiàn)云計(jì)算過程體驗(yàn)與Linux操作練習(xí)有機(jī)結(jié)合。在校園云計(jì)算實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，學(xué)生可以在預(yù)約的時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行云計(jì)算過程體驗(yàn)。具體內(nèi)容有：在規(guī)定的計(jì)算資源范圍內(nèi)自主定制創(chuàng)建云主機(jī)、連接登錄云主機(jī)、測試使用云主機(jī)性能、更換云主機(jī)操作系統(tǒng)、回收云主機(jī)資源等。

基于云計(jì)算技術(shù)對系統(tǒng)配置的快捷和便利性，學(xué)生可以在1分鐘左右的時(shí)間內(nèi)創(chuàng)建或更換自己需要的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，包括不同版本的Windows操作系統(tǒng)、Linux操作系統(tǒng)。

在完成相應(yīng)的Linux系統(tǒng)如CentOS、Debian、Ubuntu等云主機(jī)創(chuàng)建后，學(xué)生使用如Putty、Xshell等遠(yuǎn)程終端連接軟件登錄系統(tǒng)，按照Linux的實(shí)驗(yàn)要求熟悉系統(tǒng)環(huán)境、完成一些基本命令操作。進(jìn)而，可以按照案例或線上教材進(jìn)一步安裝Web服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器等一些典型引用，從而為深入應(yīng)用Linux系統(tǒng)打下基礎(chǔ)。

3.3 項(xiàng)目推動(dòng)

云計(jì)算平臺(tái)具有應(yīng)用與服務(wù)分離、服務(wù)平臺(tái)快速搭建、計(jì)算資源彈性分配、基礎(chǔ)架構(gòu)累積重用等優(yōu)勢。因此，面向教學(xué)實(shí)踐的云計(jì)算實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為教學(xué)實(shí)驗(yàn)快速提供了各種學(xué)習(xí)環(huán)境，也為教師科研和學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐提供了便利的條件。在對Linux、云計(jì)算、Web2.0等技術(shù)進(jìn)一步深入理解后，學(xué)生就有了初步的項(xiàng)目研發(fā)能力，可以基于云計(jì)算平臺(tái)部署數(shù)據(jù)庫、構(gòu)建Web站點(diǎn)等，并實(shí)施一些Web服務(wù)應(yīng)用項(xiàng)目、物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目、大數(shù)據(jù)分析項(xiàng)目等。通過組織校內(nèi)計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力競賽，部分水平較高的同學(xué)脫穎而出，這部分同學(xué)已經(jīng)具備了參與教師科研項(xiàng)目的能力。在教師進(jìn)一步的指導(dǎo)和培養(yǎng)下，學(xué)生逐漸形成自己的興趣與研究方向，進(jìn)而通過組建項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)參加各級創(chuàng)新項(xiàng)目和計(jì)算機(jī)能力競賽等，以賽促學(xué)，進(jìn)一步強(qiáng)化能力培養(yǎng)。

4 結(jié) 語

在計(jì)算機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)課程教材中打破常規(guī)引入相對新鮮的Linux與云計(jì)算技術(shù)，繼之教學(xué)內(nèi)容安排與實(shí)驗(yàn)操作相輔相成，一經(jīng)推出就收到廣大學(xué)生的如潮好評，每個(gè)學(xué)期修選人數(shù)超過3500人次，云計(jì)算實(shí)驗(yàn)平臺(tái)使用數(shù)萬人次。這一方面拓展了學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)，同時(shí)也讓學(xué)生在將來面對專業(yè)學(xué)習(xí)和研究中有更多新的技術(shù)選擇。經(jīng)過連續(xù)多個(gè)學(xué)期的教學(xué)實(shí)踐，新興技術(shù)逐漸深入人心，在各級計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力競賽中開花結(jié)果，如作品《時(shí)光視圖云》《大學(xué)生競賽云平臺(tái)》在2015年（第8屆）中國大學(xué)生計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)大賽中榮獲二等獎(jiǎng)，作品《校園云盤》在2016年（第9屆）中國大學(xué)生計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)大賽中榮獲一等獎(jiǎng)，作品《基于人工智能的普通話測評與提升平臺(tái)》《基于Arduino的智能盆栽呵護(hù)系統(tǒng)》等項(xiàng)目在2017年（第10屆）中國大學(xué)生計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)大賽中榮獲二等獎(jiǎng)等。這些作品的出現(xiàn)和成績的取得，在很大程度上得益于在大學(xué)生計(jì)算機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)課程中引入了新的信息技術(shù)教學(xué)實(shí)踐內(nèi)容，為創(chuàng)新的思想埋下了萌發(fā)的種子。

更正

第9期《計(jì)算機(jī)課程的同伴評價(jià)研究》第三作者梁艷春的單位應(yīng)為“吉林大學(xué)珠海學(xué)院 珠海符號(hào)計(jì)算與知識(shí)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”，特此說明。