“云計算技術(shù)”課程多元化教學(xué)的探究與實踐

高國舉 黃河

關(guān)鍵詞：云計算技術(shù)；本科教學(xué)；教學(xué)模式；多元化

1引言

“云計算技術(shù)”屬于計算機領(lǐng)域中一門綜合性很強的專業(yè)課程，其基本知識點包括云計算定義、云交付模型、云部署模式、云計算機制、虛擬化技術(shù)、云計算數(shù)據(jù)中心、數(shù)據(jù)處理與并行編程、云安全、云計算應(yīng)用等[1-2]。一方面，“云計算技術(shù)”課程涉及大量的前期基礎(chǔ)知識，如云計算數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)拓撲問題與“計算機網(wǎng)絡(luò)”課程息息相關(guān)、云計算內(nèi)存虛擬化技術(shù)與“操作系統(tǒng)”課程密切相關(guān)、云計算存儲虛擬化技術(shù)與“計算機組成和原理”課程相關(guān)[3-4]：另一方面，該課程涉及很多前沿擴展技術(shù)[5-6]，如大數(shù)據(jù)統(tǒng)計與測量技術(shù)（布隆過濾器、Count-Min和HyperLogLog等）、服務(wù)器外接存儲技術(shù)（DAS，NAS，IP/FC SAN等）、云安全與大數(shù)據(jù)隱私保護技術(shù)（K匿名、L多樣性、差分隱私等）。另外，該課程還要求學(xué)生具有強大的實踐動手能力，以搭建云計算平臺，從而實現(xiàn)云計算相關(guān)實驗（包括阿里云應(yīng)用、Hadoop搭建、MapReduce操作、Spark應(yīng)用等）。本課程的目的與任務(wù)是使學(xué)生通過本課程學(xué)習(xí)，從云計算的基本概念人手，由淺人深學(xué)習(xí)云計算的相關(guān)知識，掌握云計算關(guān)鍵技術(shù)和云部署模式，以及云計算機制等。本課程除了要求學(xué)生掌握云計算的基礎(chǔ)理論知識，還重點培養(yǎng)學(xué)生的分析與處理問題的能力，為今后更深入的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

2教學(xué)現(xiàn)狀及存在的問題

教學(xué)實踐發(fā)現(xiàn)，“云計算技術(shù)”課程的教學(xué)主要存在以下3個問題。

（1）前期基礎(chǔ)要求較高。正如上文所述，“云計算技術(shù)”是一門綜合性非常強的課程，其涉及大量的前期基礎(chǔ)知識結(jié)構(gòu)，包括計算機網(wǎng)絡(luò)拓撲（如Fat-tree）、存儲與容錯技術(shù)（如磁盤陣列）、外接存儲技術(shù)（如DAS，NAS，SAN）、內(nèi)存虛擬化（如分段分頁技術(shù)）等。若學(xué)生沒有學(xué)習(xí)過相關(guān)的前導(dǎo)課程，則將很難透徹地學(xué)好“云計算技術(shù)”這門課程。不僅如此，該課程包含非常多的陌生概念和技術(shù)，如分布式鎖服務(wù)、虛擬化技術(shù)、分布式結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)表、分布式一致性算法（Paxos算法）、軟件定義網(wǎng)絡(luò)等，學(xué)生對相關(guān)概念的接觸較少，很難快速理解相關(guān)知識點，尤其是涉及分布式的相關(guān)概念。

（2）前沿擴展技術(shù)較多。正如課程上所介紹的，大數(shù)據(jù)是需求，云計算是手段，云計算與大數(shù)據(jù)密切相關(guān)。所以，該課程涉及很多針對大數(shù)據(jù)的前沿擴展技術(shù)，如網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)測量技術(shù)可以解決大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中的DDoS攻擊檢測、掃描攻擊檢測等問題，其具體包括網(wǎng)絡(luò)流量大小測量、基數(shù)測量、持續(xù)性測量等測量任務(wù)，教師在課程教學(xué)中將著重介紹Google云計算架構(gòu)包含的一些優(yōu)化技術(shù)（BitMap、布隆過濾器、HyperLogLog等），另外，還會擴展介紹一些高效的網(wǎng)絡(luò)測量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)．包括Count-Min Sketch等：再如，在“云安全”章節(jié)將會介紹較多大數(shù)據(jù)隱私保護技術(shù)，具體包括大數(shù)據(jù)發(fā)布過程中涉及的K匿名、L多樣性匿名、T相近匿名等，大數(shù)據(jù)存儲過程中涉及的同態(tài)加密、大數(shù)據(jù)審計技術(shù)等，大數(shù)據(jù)挖掘過程中涉及的差分隱私（拉普拉斯機制和指數(shù)機制）、聯(lián)邦學(xué)習(xí)、安全多方計算等。因為涉及較多的前沿擴展技術(shù)，加大了學(xué)生的學(xué)習(xí)難度。

（3）實踐能力要求較強。由于云計算課程同時包括理論知識教學(xué)和實踐教學(xué)，該課程的實驗教學(xué)主要從2個方面開展。首先，教會學(xué)生如何使用常見的商業(yè)云計算平臺，并基于此完成相關(guān)的云計算任務(wù)：其次，引導(dǎo)學(xué)生自己動手搭建及配置云計算平臺，加深學(xué)生對相關(guān)云計算架構(gòu)的理解。基于已有實驗課程經(jīng)驗，筆者發(fā)現(xiàn)學(xué)生的實踐操作能力還有待加強，獨立解決問題的能力也需進一步提高，所以教師需要著重培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題、獨立思考的能力。

3“云計算技術(shù)”課程多元化教學(xué)模式的探索

結(jié)合“云計算技術(shù)”課程的特點與以往的教學(xué)經(jīng)驗，筆者提出了多元化教學(xué)模式，主要從基本理論知識教學(xué)、實驗課程教學(xué)、前沿技術(shù)擴展教學(xué)3個維度對“云計算技術(shù)”課程的教學(xué)改革進行探索和實踐，以加深學(xué)生對基礎(chǔ)知識的理解．提高學(xué)生的實踐動手能力，同時拓寬學(xué)生的知識儲備和國際視野。

（1）基本理論知識教學(xué)。由于“云計算技術(shù)”課程涉及的基礎(chǔ)概念非常多，因此采用以教師為主導(dǎo)的啟發(fā)式講授教學(xué)法為主，以學(xué)生討論或者提問式教學(xué)為輔，同時結(jié)合課外自主學(xué)習(xí)的教學(xué)方法。一方面，為了增加課堂信息以應(yīng)對該課程中大量的陌生概念，采用多媒體PPT的教學(xué)方法來講授，同時輔以板書形式加深學(xué)生理解。在此過程中，教師將首先通過簡單實例展示讓學(xué)生盡快了解云計算，從而激發(fā)學(xué)生對云計算的學(xué)習(xí)興趣，如在帶領(lǐng)學(xué)生學(xué)習(xí)Google云計算架構(gòu)中關(guān)于布隆過濾器的知識之前，教師首先提出了一個有趣的概率例子，即“三門問題”，學(xué)生均積極參與該例子的討論，甚至于課間都會圍繞教師展開激烈的探討，這極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。另一方面，對于課程中關(guān)鍵性概念、設(shè)計思想方面的問題，教師將采用課堂討論的形式，通過引導(dǎo)學(xué)生主動思考來加深理解，從而達到舉一反三的目的，如在講授分布式操作系統(tǒng)Yarn時，教師會引導(dǎo)學(xué)生加入針對該架構(gòu)的優(yōu)缺點討論，從而提高學(xué)生的主動性和積極性。針對缺少前導(dǎo)課程的問題，教師力求以最短時間給學(xué)生補充相關(guān)知識點，包括“計算機網(wǎng)絡(luò)”“操作系統(tǒng)”“計算機組成原理”等課程的重點內(nèi)容，旨在讓學(xué)生全面深入理解云計算的知識框架，達到融會貫通的目的。

（2）實驗課程教學(xué)。實驗教學(xué)主要以學(xué)生實踐動手為主，教師講授教學(xué)為輔，并結(jié)合討論與提問的教學(xué)模式。首先，教師向?qū)W生強調(diào)編程實踐的重要性，從根本思想上提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。接著，教師合理設(shè)計實驗內(nèi)容，尤其是注重實驗內(nèi)容的典型性和趣味性，讓實踐課程達到全面提高學(xué)生動手能力和解決實際問題能力的目的。最后，教師編寫相關(guān)的實驗手冊，既能引導(dǎo)學(xué)生的實驗步驟，又不至于讓學(xué)生簡單照著實驗步驟執(zhí)行而缺少自己的思考。實驗教學(xué)的核心是培養(yǎng)學(xué)生的實踐編程能力，以及分析問題、解決問題、自主反思的能力。擬從3個方面展開實驗教學(xué)，首先是基于阿里云搭建Java Web開發(fā)環(huán)境，在此基礎(chǔ)上設(shè)計實現(xiàn)動態(tài)的項目（如設(shè)計可統(tǒng)計展示不同客戶端IP訪問次數(shù)的個性化界面），接著是基于VMWare部署Hadoop、配置并操作HDFS、設(shè)置SSH免密操作，在此基礎(chǔ)上編寫運行MapReduce程序（如文本中的詞頻統(tǒng)計），最后是基于VMWare環(huán)境搭建、配置、測試Spark，并且能基于Spark完成大數(shù)據(jù)分析處理。

（3）前沿擴展技術(shù)教學(xué)?！霸朴嬎慵夹g(shù)”課程的特點是與前沿技術(shù)的結(jié)合非常緊密，為了開闊學(xué)生的思維和眼界，本課程將介紹較多的前沿擴展技術(shù)。在講解Google分布式結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)表Bigtable的性能優(yōu)化時，教師將著重介紹布隆過濾器的相關(guān)內(nèi)容，尤其是為了引出布隆過濾器的設(shè)計動機，教師將首先介紹BitMap結(jié)構(gòu)，由于BitMap的空間效果仍然沒達到最好的效果，因此教師引出了性能較好的基于概率性的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——布隆過濾器，并且進一步給學(xué)生講解布隆過濾器的優(yōu)缺點，從而帶領(lǐng)學(xué)生一起討論布隆過濾器假陽性的分析過程。另外，教師還將給學(xué)生介紹Google云計算架構(gòu)采用高效的大數(shù)據(jù)基數(shù)測量技術(shù)HyperLogLog算法，首先是介紹HyperLogLog算法的設(shè)計動機，通過擲硬幣這個滿足伯努利過程的簡單例子出發(fā)，帶領(lǐng)學(xué)生理解基本概念，引導(dǎo)學(xué)生思考該過程，并能分析出相關(guān)的理論界限。該部分主要采用“拋錨式”教學(xué)法，即在講授過程中基于簡單實例提出相關(guān)問題（如HyperLogLog為什么采用調(diào)和平均數(shù)而不是算術(shù)平均數(shù)），引導(dǎo)學(xué)生進一步思考，然后通過不斷深入介紹，讓學(xué)生由淺入深地理解HyperLogLog算法的本質(zhì)。最后，通過課后作業(yè)的形式加深學(xué)生的理解，并且拋出Count-Min這個高效的網(wǎng)絡(luò)流量大小測量的概念，讓學(xué)生通過自己查找相關(guān)資料達到學(xué)習(xí)前沿技術(shù)的目的。同時，教師還將在講授云計算數(shù)據(jù)中心架構(gòu)的過程中通過東西向流量問題引出SDN模型，在講解存儲虛擬化的過程中引出服務(wù)器外接存儲技術(shù)（DAS，NAS，IP/FC SAN）的概念，在講解云安全的過程中引出大數(shù)據(jù)隱私保護技術(shù)（K匿名、L多樣性、T相近、同態(tài)加密、差分隱私等）。

4結(jié)束語

通過本課程理論知識教學(xué)，學(xué)生能夠掌握云計算的基本概念、實現(xiàn)機制、分布式系統(tǒng)架構(gòu)、虛擬化技術(shù)、云存儲與云安全等相關(guān)知識；通過實踐課程教學(xué)，學(xué)生不僅能夠掌握商業(yè)云平臺的運行模式和使用方式，而且可以自己動手搭建云計算架構(gòu)，從而完成分布式計算任務(wù)（即MapReduce程序），進一步加強學(xué)生實踐動手能力與大數(shù)據(jù)分析處理能力：通過前沿擴展技術(shù)教學(xué)，學(xué)生不僅可以更好地理解云計算整體架構(gòu)，而且可以開闊眼界，不至于閉門造車，從而進一步開啟科學(xué)的思維方式，增強不斷學(xué)習(xí)和適應(yīng)計算機技術(shù)快速發(fā)展的能力。由此可見，本文提出的多元化教學(xué)模式可以切實提升“云計算技術(shù)”課程的教學(xué)效果。