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《计算机技术基础课程新技术引入和实验环境建设实践》

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计算机技术基础课程新技术引入

与实验环境建设实践

杨利明,单子鹏,马剑锋,高?珏

（上海大学计算中心,上海 200444）

摘?要：分析新技术教学的必要性,探讨如何在计算机技术基础课程中合理添加云计算等教学内容和要求,本着“教学重在实践”的思想阐述如何利用新技术建设相应的实验环境,使新技术的教学与实验环节相辅相成,从而提升教学内容与教学效果.

关键词：新兴信息技术；课程建设；Linux；云计算；实验环境

1新兴信息技术发展需求与重点教学内容选择

在《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》中列出了七大国家战略性新兴产业体系,其中包括“新一代信息技术产业”,其主要内容是,“加快建设宽带、泛在、融合、安全的信息网络基础设施,推动新一代移动通信、下一代互联网核心设备和智能终端的研发及产业化,加快推进三网融合,促进物联网、云计算的研发和示范应用.”在国家政策的指引下,物联网、云计算技术领域蓬勃发展,在生活、生产还是科研创新中都得以广泛应用.为应对这一需求,在计算机技术基础课程的教学中,就必须逐步增加相关知识体系和实践要求.

涉及物联网、云计算等新兴信息技术的细分领域很多,包括网络通信、系统集成、数据处理、嵌入式系统、分布式计算、虚拟化技术等,很多技术都需要在专业知识具备的条件下才能进一步学习和掌握.因此,笔者选取这些不同领域中具有普遍共性内容的Linux操作系统以及已经广泛应用的云计算技术作为教学突破口.

1.1Linux操作系统

作为一个大众化的计算机操作系统,微软的Windows操作系统一直是计算机技术课程教材中的重点内容,介绍Linux操作系统的篇幅则较少.实际上,随着新兴信息技术的发展,开源的Linux操作系统已经得到广泛的应用.

Linux操作系统是“类Unix”操作系统的总称,这些操作系统采用Linux作为操作系统的内核,具有许多Unix操作系统的特点,如多用户、多任务、可移植性、丰富的网络功能、强大的安全机制等.Linux是一个自由开源的操作系统内核,许多程序员加入Linux社区参与Linux的开发,将Linux操作系统打造成性能出色、稳定可靠的操作系统.

在桌面应用领域,虽然Windows操作系统在桌面应用中一直占有绝对的优势,但随着Linux操作系统图形界面和桌面应用软件方面的发展,Linux操作系统在桌面应用方面也得到了显著的提高,不少桌面用户转而使用Linux操作系统.

在高端服务器领域,由于Linux内核稳定可靠且开放源代码,越来越多的企业选择了Linux操作系统.在Linux操作系统上,企业可以架构Web服务器、邮件服务器、DNS服务器、负载均衡服务器等,大大降低了企业的运营成本,且无须考虑商业软件的版权问题.近几年,Linux系统已经深入到电信、金融、政府、教育、银行、石油等各个行业,超大型互联网企业也都在使用Linux操作系统作为其服务器端的程序运行平台.

在嵌入式应用领域,因为Linux内核支持大量的微处理体系结构、硬件设备、图形支持和通信协议,所以在嵌入式应用的领域里,从因特网设备（路由器、交换机、防火墙,负载均衡器等）到专用的控制系统（自动售货机、手机、PDA、各种家用电器等）,Linux操作系统都有广阔的应用市场.特别是经过近几年的发展,Linux操作系统已经成功地跻身于主流嵌入式开发平台,如采用Linux内核的Android系统在智能手机领域牢牢占据了一席之地.

1.2云计算技术

云计算即“计算服务”,将计算资源作为“服务”可以通过互联网来获取.云计算是分布式处理、并行处理和网格计算的发展,或者说是这些计算机科学概念的商业实现.其核心技术是分布式的计算方法,特别强调虚拟化技术的应用.简单地说,云计算就是网络计算,它是一种依托Internet的超级计算模型,将巨大的资源联系在一起为用户提供各种IT服务.云计算的一个核心理念就是通过不断提高“云”的处理能力,减少用户终端的处理负担,使用户终端最终简化为一个单纯的输入输出设备,并能够按需享受“云”的强大计算处理能力.

在云计算的服务架构中,核心部分是由多台计算机组成的服务器“云”.它将资源聚集起来,形成一个大的数据存储和处理中心,同时由服务器中的各种配置工具来支持“云”端的软件管理、数据收集和处理.服务器根据用户客户端提交的数据请求处理数据、返回检索结果.按照服务的分类实现监控和测量,保证服务质量、合理分配资源,达到资源效益的最大化,最终实现海量数据的存储和超级计算能力.只需要一台能上网的电脑,用户就可以在任何地点、用任何设备快速地获取资源,享受便捷的云服务.

2教学内容与知识点规划

针对Linux操作系统和云计算技术的特点,明确知识要点和技术路径,分别采用理论联系实际的方法循序渐进地进行内容编排,以期通过学习,让学生逐步了解和掌握相关知识.

2.1Linux操作系统教学内容安排

该部分内容分别是Linux操作系统的诞生,Linux操作系统的应用领域,Linux的发行版本、内核与壳的概念,Linux文件系统的目录结构、常用命令与操作、系统配置、典型服务搭建等.

在该部分内容中,首先,从Linux的发展历史开始讲起,让学生对这种比较陌生的操作系统逐渐产生兴趣；然后,强调它的应用价值,让学生逐步领会该技术在现代社会发展中的重要性,从而增强学习该技术的主动性和信心.在具体的内容安排上,首先,让学生区分种类繁多的各种发行版本；然后,再从操作系统的原理出发简要介绍Linux系统的运行机制,进而具体讲解Linux系统的基本操作,让学生与常见的Windows操作系统进行对比学习,分析其中的共性和差异,以便更好地理解Linux系统；最后,通过具体的应用程序安装,实现典型的基于网络的服务,从而加强学生对Linux的理解.

2.2云计算技术教学内容安排

该部分内容也分为6个小节,分别是云计算简介、云计算的实现机制、云计算的服务类型、云计算的发展现状、云计算的商用实例、校园云计算服务平台等.

该部分内容安排的策略也是循序渐进、逐步展开,首先,介绍云计算的起源及其应用价值；然后,具体讲解云计算的实现机制、服务类型,在学生对云计算初步了解后,结合云计算技术的发展现状,展示现实生活中真正的云计算服务和应用；最后,使用基于校园网络的云计算实验平台快速体验云计算操作,从而加深印象、深刻理解.

3实验平台建设与实验内容要求

教学内容的理解和掌握需要通过具体的实验得以加强,有必要设计服务于教学的实验环境以提升教学效果.

Linux操作系统的学习需要真实的操作环境,但在物理计算机上安装有诸多不便,如计算机本身已经安装了Windows操作系统等.于是,使用基于Windows的虚拟机做实验,成为学习Linux操作系统的一个很好选择.

随着云计算技术应用场景的不断创新,云计算技术的服务与应用分离、服务平台（操作系统）快速搭建、计算资源弹性获取、基础架构累积重用等优势在建设教学实验平台上逐步显现.结合云计算技术这些特性,进一步设计基于Web服务的实验教学平台,可以让学生在互联网（或校园网）上,通过云计算平台根据自己的配置需求快速创建一台已经部署了某个版本Linux操作系统的虚拟计算机（云主机）,在体验云计算技术的同时,进一步实现对Linux操作系统的学习.

3.1校园云计算实验平台

校园云计算实验平台按照典型云计算服务逻辑进行底层设计,上层辅以实验过程控制面向教学需求.

首先将物理服务器采用虚拟化技术组建计算资源池.虚拟化的目的就是把物理硬件转化成可以被云计算操作系统调用的软件资源,从而形成包含众多计算节点的虚拟资源池.确定池主,以便通过中间层统一任务调度,实现计算节点上的负载均衡.

在完成计算节点虚拟化的基础上,将基于IPSAN（IP Based Storage Area Network）的存储资源通过高速光通道网络采用iSCSI（Internet Small Computer System Interface）等方式接入计算节点.借助专业存储数万的IOPS（Input/Output Operations Per Second）能力,对用户层提供IaaS类型的云主机或云桌面等云计算服务.

底层基础物理架构完成后,在作为中间层的云计算管理系统之上,需要研发云计算服务平台的第三层：面向用户的Web操作界面,以应对教学实验需求.为实现计算资源利用效率最大化,可以采用预约限时使用与计算资源自动回收机制,具体实现业务流程如图1所示.

3.2实验内容

内容安排目标实现云计算过程体验与Linux操作练习有机结合.在校园云计算实验平台上,学生可以在预约的时间段内进行云计算过程体验.具体内容有：在规定的计算资源范围内自主创建云主机、连接登录云主机、测试使用云主机性能、更换云主机操作系统、回收云主机资源等.

基于云计算技术对系统配置的快捷和便利性,学生可以在1分钟左右的时间内创建或更换自己需要的系统实验环境,包括不同版本的Windows操作系统、Linux操作系统.

在完成相应的Linux系统如CentOS、Debian、Ubuntu等云主机创建后,学生使用如Putty、Xshell等远程终端连接软件登录系统,按照Linux的实验要求熟悉系统环境、完成一些基本命令操作.进而,可以按照案例或线上教材进一步安装Web服务器、数据库服务器等一些典型引用,从而为深入应用Linux系统打下基础.

3.3项目推动

云计算平台具有应用与服务分离、服务平台快速搭建、计算资源弹性分配、基础架构累积重用等优势.因此,面向教学实践的云计算实验平台为教学实验快速提供了各种学习环境,也为教师科研和学生创新实践提供了便利的条件.在对Linux、云计算、Web2.0等技术进一步深入理解后,学生就有了初步的项目研发能力,可以基于云计算平台部署数据库、构建Web站点等,并实施一些Web服务应用项目、物联网项目、大数据分析项目等.通过组织校内计算机应用能力竞赛,部分水平较高的同学脱颖而出,这部分同学已经具备了参与教师科研项目的能力.在教师进一步的指导和培养下,学生逐渐形成自己的兴趣与研究方向,进而通过组建项目团队参加各级创新项目和计算机能力竞赛等,以赛促学,进一步强化能力培养.

4结?语

在计算机技术基础课程教材中打破常规引入相对新鲜的Linux与云计算技术,继之教学内容安排与实验操作相辅相成,一经推出就收到广大学生的如潮好评,每个学期修选人数超过3500人次,云计算实验平台使用数万人次.这一方面拓展了学生的知识结构,同时也让学生在将来面对专业学习和研究中有更多新的技术选择.经过连续多个学期的教学实践,新兴技术逐渐深入人心,在各级计算机应用能力竞赛中开花结果,如作品《时光视图云》《大学生竞赛云平台》在2015年（第8届）中国大学生计算机设计大赛中荣获二等奖,作品《校园云盘》在2016年（第9届）中国大学生计算机设计大赛中荣获一等奖,作品《基于人工智能的普通话测评与提升平台》《基于Arduino的智能盆栽呵护系统》等项目在2017年（第10届）中国大学生计算机设计大赛中荣获二等奖等.这些作品的出现和成绩的取得,在很大程度上得益于在大学生计算机技术基础课程中引入了新的信息技术教学实践内容,为创新的思想埋下了萌发的种子.

参考文献：

[1]庄伟明, 王萍. 计算机技术基础[M]. 上海: 上海大学出版社, 2017.

[2]王庆波. 虚拟化与云计算[M]. 北京: 电子工业出版社, 2009.

[3]汪小林, 李涛, 高博, 等. 一种基于虚拟机的个性化计算机实验教学环境[J].计算机教育, 2015(1): 69-74.

（编辑：史志伟）

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