基于華為云的云計(jì)算課程實(shí)踐教學(xué)探索與研究

劉成明 趙偉 龐海波 李瑋瑋

摘?要：掌握云計(jì)算專業(yè)技術(shù)原理、動(dòng)手能力強(qiáng)的專業(yè)人才在業(yè)界面臨廣泛需求。云計(jì)算是一門應(yīng)用性很強(qiáng)的課程，如果只在課堂上講授云計(jì)算的技術(shù)原理而不進(jìn)行實(shí)踐操作無異于紙上談兵。鄭州大學(xué)網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)院在云計(jì)算課程的講授過程中，以“華為—智能基座”產(chǎn)教融合協(xié)同育人基地項(xiàng)目為基礎(chǔ)進(jìn)行了課程合作建設(shè)，結(jié)合華為鯤鵬云平臺(tái)和華為云學(xué)院沙箱實(shí)驗(yàn)室開展實(shí)踐教學(xué)，理論聯(lián)系實(shí)際，將課堂講授理論與課下實(shí)踐相結(jié)合，既促進(jìn)了學(xué)生對(duì)理論模型的理解，又鍛煉了動(dòng)手操作能力，取得了較好的教學(xué)效果。在新工科的背景下，實(shí)踐探索了一條可行的產(chǎn)學(xué)研融合的方法。

關(guān)鍵詞：云計(jì)算；華為云；智能基座；沙箱實(shí)驗(yàn)

Exploration?and?Research?on?Practical?Teaching

of?Cloud?Computing?Course?Based?on?Huawei?Cloud

Liu?Chengming1?Zhao?wei1?Pang?Haibo1?Li?Weiwei2

1.School?of?Cyber?Science?and?Engineering，Zhengzhou?University?HenanZhengzhou?450000；

2.Principal's?Office，Zhengzhou?University?of?Finance?and?Economics?HenanZhengzhou?450000

Abstract：Cloud?computing?is?a?highly?applied?course.If?we?only?teach?the?technical?principles?of?cloud?computing?in?class?without?practical?operation，it?is?tantamount?to?talking?on?paper.During?the?teaching?of?cloud?computing?course，the?school?of?Cyber?Science?and?Engineering，Zhengzhou?University?carried?out?the?course?cooperation?construction?based?on?the?"Huawei?smart?base"?industry?education?integration?collaborative?education?base?project，carried?out?practical?teaching?in?combination?with?Huawei?Kunpeng?cloud?platform?and?the?sandbox?Laboratory?of?Huawei?cloud?college，integrated?theory?with?practice，and?combined?classroom?teaching?theory?with?practice，It?not?only?promotes?students'?understanding?of?the?theoretical?model，but?also?exercises?their?handson?operation?ability，and?achieves?good?teaching?results.Under?the?background?of?new?engineering，a?feasible?method?of?industry?university?research?integration?is?explored.

Keywords：Cloud?computing；Huawei?Cloud；Smart?base；Sandbox?experiment

隨著云計(jì)算繁榮發(fā)展熱潮，市場(chǎng)對(duì)云計(jì)算專業(yè)人才的需求日益強(qiáng)烈，尤其是掌握前沿技術(shù)動(dòng)態(tài)、動(dòng)手實(shí)踐能力強(qiáng)的高端應(yīng)用型復(fù)合人才已成為需求主體。高等院校作為國(guó)家中、高端人才的培養(yǎng)基地應(yīng)該如何順應(yīng)這一發(fā)展趨勢(shì)，在高校課程體系建設(shè)中結(jié)合行業(yè)需求培養(yǎng)出具備大數(shù)據(jù)與云計(jì)算相關(guān)技術(shù)的高素質(zhì)人才，已經(jīng)成為當(dāng)下高校教師和相關(guān)人員的一個(gè)相當(dāng)緊迫的任務(wù)。中國(guó)的云計(jì)算教學(xué)在近年來得到了迅速的發(fā)展，越來越多的高校和教育機(jī)構(gòu)開始開設(shè)相關(guān)課程，涵蓋了從基礎(chǔ)理論到實(shí)踐操作的全方位教學(xué)內(nèi)容。一些國(guó)內(nèi)知名高校如清華大學(xué)、北京大學(xué)等都已經(jīng)開設(shè)了云計(jì)算相關(guān)課程，并且一些高校也開始針對(duì)云計(jì)算行業(yè)的需求開設(shè)了相關(guān)的研究生課程和碩士專業(yè)。此外，國(guó)內(nèi)的一些云計(jì)算服務(wù)商和IT企業(yè)也開始提供與云計(jì)算教學(xué)相關(guān)的培訓(xùn)和課程，例如華為云等。

1?概述

云計(jì)算是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算模式，通過虛擬化技術(shù)將計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源和網(wǎng)絡(luò)資源等以服務(wù)的方式提供給用戶，用戶可以根據(jù)需要隨時(shí)按需使用這些資源，而無須投資建設(shè)自己的計(jì)算設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。云計(jì)算的基本思想是將計(jì)算和存儲(chǔ)等資源作為一種服務(wù)提供給用戶，用戶只需要根據(jù)自己的需求選擇合適的服務(wù)并支付相應(yīng)的費(fèi)用即可使用，無須關(guān)心底層的硬件和軟件的細(xì)節(jié)。

2003年至2006年間谷歌發(fā)表了3篇論文闡述了其云計(jì)算平臺(tái)的三大關(guān)鍵技術(shù)，推動(dòng)云計(jì)算成為全球關(guān)注度最高的IT詞匯之一。云計(jì)算是一種商業(yè)計(jì)算模型，它將一些大型服務(wù)器集群，包括計(jì)算服務(wù)器、存儲(chǔ)服務(wù)器和帶寬資源等集中起來，并通過專門軟件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)管理。用戶可以動(dòng)態(tài)申請(qǐng)部分資源，支持各種應(yīng)用程序的運(yùn)轉(zhuǎn)，無須為煩瑣的細(xì)節(jié)而煩惱，能夠更加專注于自己的業(yè)務(wù)，有利于提高效率、降低成本和技術(shù)創(chuàng)新。緊隨谷歌等云計(jì)算服務(wù)商之后，我國(guó)大型IT企業(yè)如華為、百度等紛紛提供云計(jì)算服務(wù)，促使國(guó)內(nèi)云計(jì)算應(yīng)用市場(chǎng)進(jìn)一步發(fā)展成熟，市場(chǎng)空間顯著擴(kuò)大。

目前云計(jì)算課程教學(xué)的現(xiàn)狀如下：

（1）缺乏有效的云計(jì)算教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。云計(jì)算課程體系龐大，技術(shù)面覆蓋硬件部署、集群配置、數(shù)據(jù)獲取與存儲(chǔ)以及各種算法平臺(tái)的安裝與部署。云計(jì)算教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的配置與部署復(fù)雜度遠(yuǎn)高于在PC機(jī)上安裝操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件。

（2）學(xué)生的自主學(xué)習(xí)積極性不高。由于缺乏有效的云計(jì)算教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，目前一部分學(xué)校的云計(jì)算實(shí)驗(yàn)通常采取的方法是在PC機(jī)上安裝若干臺(tái)虛擬機(jī)來模擬幾臺(tái)服務(wù)器并安裝Hadoop、HBase、Yarn、Spark等工具。但是PC機(jī)硬件資源有限，安裝三臺(tái)以上虛擬機(jī)后運(yùn)行非?？D，致使實(shí)驗(yàn)時(shí)間變長(zhǎng)，影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，甚至部分同學(xué)放棄了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。因此缺乏學(xué)生實(shí)踐操作的云平臺(tái)，課堂上所講的云計(jì)算理論終究是紙上談兵，無法轉(zhuǎn)化成真正的云計(jì)算平臺(tái)上的應(yīng)用能力。

（3）云計(jì)算師資隊(duì)伍建設(shè)相對(duì)滯后。信息技術(shù)日新月異，而云計(jì)算又是一種新興的商業(yè)計(jì)算模型，部分老師的知識(shí)儲(chǔ)備不能應(yīng)對(duì)現(xiàn)在飛速發(fā)展的信息技術(shù)，同時(shí)云計(jì)算師資培訓(xùn)也存在諸多不合理的現(xiàn)象，因此導(dǎo)致不能很好開展云計(jì)算課程教學(xué)工作［1］。

（4）課程體系設(shè)置不合理。傳統(tǒng)的云計(jì)算技術(shù)的教學(xué)和實(shí)踐，基本上以虛擬化技術(shù)和云平臺(tái)運(yùn)維為主，無法從根本上改善和提升云計(jì)算課程教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果［2］。

2?云計(jì)算課程體系結(jié)構(gòu)

云計(jì)算課程主要旨在幫助學(xué)生了解云計(jì)算技術(shù)的基本概念、原理、應(yīng)用和未來發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和解決問題的能力。云計(jì)算的學(xué)習(xí)主要包括：

云計(jì)算概述：介紹云計(jì)算的定義、基本特點(diǎn)和架構(gòu)，以及云計(jì)算與傳統(tǒng)計(jì)算的區(qū)別。幫助學(xué)生了解云計(jì)算的背景和基本知識(shí)。

云計(jì)算基礎(chǔ)技術(shù)：講解云計(jì)算中常用的虛擬化技術(shù)，如虛擬機(jī)、容器等，以及云計(jì)算中常用的存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)、安全等技術(shù)。讓學(xué)生了解云計(jì)算的技術(shù)特點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)原理。

云計(jì)算服務(wù)：介紹云計(jì)算服務(wù)的分類、應(yīng)用場(chǎng)景和特點(diǎn)，例如基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（IaaS）、平臺(tái)即服務(wù)（PaaS）、軟件即服務(wù)（SaaS）等。讓學(xué)生了解云計(jì)算的各種服務(wù)類型及其應(yīng)用場(chǎng)景。

云計(jì)算平臺(tái)：介紹各類云計(jì)算平臺(tái)的特點(diǎn)和應(yīng)用，例如Amazon?Web?Services（AWS）、Microsoft?Azure、Google?Cloud?Platform（GCP）、阿里云等。

云計(jì)算應(yīng)用：介紹云計(jì)算在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用場(chǎng)景，例如電子商務(wù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、醫(yī)療保健、金融等。讓學(xué)生了解云計(jì)算在實(shí)際應(yīng)用中的價(jià)值和意義。

云計(jì)算安全：講解云計(jì)算安全的相關(guān)概念和實(shí)踐，例如網(wǎng)絡(luò)安全、數(shù)據(jù)隱私保護(hù)、訪問控制等。讓學(xué)生了解云計(jì)算的安全問題及其解決方案。

云計(jì)算管理：介紹云計(jì)算的管理方法和實(shí)踐，例如云資源管理、成本管理、性能管理等。讓學(xué)生掌握云計(jì)算的開發(fā)和運(yùn)維技能。

云計(jì)算未來發(fā)展：講解云計(jì)算技術(shù)的最新進(jìn)展和未來趨勢(shì)，例如邊緣計(jì)算、多云架構(gòu)、人工智能等。讓學(xué)生掌握云計(jì)算前沿領(lǐng)域與最新進(jìn)展，培養(yǎng)學(xué)生科研興趣。

云計(jì)算課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可以包括以下幾個(gè)方面：

云計(jì)算基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)：介紹云計(jì)算的基礎(chǔ)知識(shí)、云計(jì)算平臺(tái)的搭建、虛擬化技術(shù)的原理、虛擬機(jī)的創(chuàng)建與管理、云計(jì)算應(yīng)用的部署和管理等。

云計(jì)算平臺(tái)實(shí)驗(yàn)：針對(duì)不同的云計(jì)算平臺(tái)（如AWS、Azure、Google?Cloud等），介紹其基本架構(gòu)和功能，包括虛擬機(jī)、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)、安全等方面的實(shí)驗(yàn)。

云存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)：介紹云存儲(chǔ)的基本概念和技術(shù)，包括對(duì)象存儲(chǔ)、塊存儲(chǔ)和文件存儲(chǔ)等，以及云存儲(chǔ)服務(wù)的使用和管理。

云計(jì)算安全實(shí)驗(yàn)：介紹云計(jì)算安全的基本概念和技術(shù)，包括網(wǎng)絡(luò)安全、數(shù)據(jù)安全、身份認(rèn)證和訪問控制等，以及云安全服務(wù)的使用和管理。

大數(shù)據(jù)處理實(shí)驗(yàn)：介紹云計(jì)算中的大數(shù)據(jù)處理技術(shù)，包括分布式文件系統(tǒng)、分布式數(shù)據(jù)處理框架等，以及云計(jì)算平臺(tái)中的大數(shù)據(jù)處理服務(wù)的使用和管理。

容器化實(shí)驗(yàn)：介紹容器化技術(shù)的基本概念和技術(shù)，包括Docker和Kubernetes等，以及在云計(jì)算平臺(tái)上部署和管理容器的實(shí)驗(yàn)。

3?華為云計(jì)算及教育推廣

華為在云計(jì)算發(fā)展初期即開始布局云計(jì)算，目前華為云計(jì)算經(jīng)歷了從初創(chuàng)期到起步階段、加速發(fā)展和智能時(shí)代的開啟，再到全面布局的發(fā)展歷程，不斷推動(dòng)著中國(guó)云計(jì)算行業(yè)的進(jìn)步和發(fā)展。

2011年，華為在中國(guó)成立了云計(jì)算中心，并發(fā)布了云計(jì)算解決方案。隨后，華為云計(jì)算從起步階段進(jìn)入智能時(shí)代，并進(jìn)行全面布局。2020年，華為云發(fā)布了全球首個(gè)基于AI的公有云服務(wù)Atlas?900，進(jìn)一步加強(qiáng)了自身在人工智能領(lǐng)域的實(shí)力。同時(shí)，華為云也在大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域進(jìn)行全面布局，成為全球領(lǐng)先的云計(jì)算服務(wù)提供商之一。

華為一直以來都非常注重云計(jì)算教育的推廣和普及，通過各種方式和渠道向社會(huì)推廣云計(jì)算的相關(guān)知識(shí)和技術(shù)，促進(jìn)云計(jì)算行業(yè)的健康發(fā)展，并為企業(yè)和個(gè)人提供全面的云計(jì)算服務(wù)和解決方案。華為與多家高校和培訓(xùn)機(jī)構(gòu)合作，開設(shè)了多種云計(jì)算相關(guān)的課程和培訓(xùn)項(xiàng)目，如華為云大學(xué)、華為云認(rèn)證課程、云計(jì)算專業(yè)、云計(jì)算工程師等。華為舉辦了多次云計(jì)算技術(shù)交流會(huì)，邀請(qǐng)了業(yè)內(nèi)專家和學(xué)者，分享最新的云計(jì)算技術(shù)和應(yīng)用案例，這些交流會(huì)也為業(yè)內(nèi)的專業(yè)人士提供了一個(gè)交流和合作的平臺(tái)。華為發(fā)布了多份關(guān)于云計(jì)算市場(chǎng)和技術(shù)趨勢(shì)的研究報(bào)告和白皮書，為行業(yè)發(fā)展提供了有價(jià)值的參考和分析。華為還每年舉辦云計(jì)算大賽，旨在提高學(xué)生和企業(yè)在云計(jì)算領(lǐng)域的技術(shù)和應(yīng)用能力。

4?云計(jì)算實(shí)踐教學(xué)

除了理論和技術(shù)的講解，我們利用多種手段經(jīng)過教學(xué)實(shí)踐，使學(xué)生了解如何使用云計(jì)算和云存儲(chǔ)，認(rèn)識(shí)分布式系統(tǒng)和云架構(gòu)在計(jì)算機(jī)應(yīng)用中的作用，了解大數(shù)據(jù)處理流程，領(lǐng)會(huì)其基本思想和分析與解決問題的思路。

為了讓學(xué)生進(jìn)一步提升云計(jì)算課程的實(shí)踐效果，本課程采用兩種方法來創(chuàng)建云計(jì)算的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。第一種是利用教育部—華為“智能基座”產(chǎn)教融合協(xié)同育人基地項(xiàng)目提供的服務(wù)器構(gòu)建華為私有云；第二種是利用華為云學(xué)院免費(fèi)提供的沙箱實(shí)驗(yàn)室，提升云計(jì)算課程的實(shí)踐效果。根據(jù)教育部—華為“智能基座”產(chǎn)教融合協(xié)同育人基地共建協(xié)議，華為為我校贊助四臺(tái)彈性云服務(wù)器（ECS），配置華為私有云平臺(tái)環(huán)境，并將其中一臺(tái)綁定彈性公網(wǎng)IP地址（EIP），這樣可快速通過參數(shù)設(shè)置配置好一個(gè)小型服務(wù)器集群，并可通過操作系統(tǒng)鏡像快速安裝操作系統(tǒng)?；诖诵⌒图?，可在云計(jì)算課程的實(shí)踐課上進(jìn)行Hadoop集群部署、Hbase集群部署、Hive、Spark等實(shí)踐操作。

為了讓用戶快速體驗(yàn)華為云服務(wù)，利用華為云學(xué)院免費(fèi)提供的沙箱實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)一步提升學(xué)生的在線體驗(yàn)云計(jì)算的實(shí)踐效果。沙箱實(shí)驗(yàn)室是輕量級(jí)的華為云官方實(shí)驗(yàn)平臺(tái)［3］，共提供了75個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，涵蓋云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)和安全等多個(gè)領(lǐng)域。用戶可一鍵創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)環(huán)境，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)手冊(cè)指導(dǎo)，快速體驗(yàn)華為云服務(wù)，在云端實(shí)現(xiàn)云服務(wù)的實(shí)踐、調(diào)測(cè)和驗(yàn)證。

本課程從華為云沙箱實(shí)驗(yàn)室中選取如下幾個(gè)典型實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生動(dòng)手完成：10分鐘快速入門ECS、基于華為云鯤鵬彈性云服務(wù)器部署Web應(yīng)用、MapReduce服務(wù)初體驗(yàn)、基于Spark實(shí)現(xiàn)車主駕駛行為分析等。通過入門ECS操作，掌握彈性云服務(wù)器的創(chuàng)建登錄、彈性云服務(wù)器的規(guī)格調(diào)整以及彈性云服務(wù)器的刪除。通過部署web應(yīng)用，使學(xué)生掌握在云平臺(tái)搭建網(wǎng)站的基本方法。通過MapReduce實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生掌握MapReduce進(jìn)行數(shù)據(jù)并行處理的原理及具體操作方法。通過車主駕駛行為分析實(shí)現(xiàn)，使學(xué)生掌握基于Spark的分布式內(nèi)存處理組件的使用方法和通過大數(shù)據(jù)分析來挖掘車主的不規(guī)范駕駛行為的具體實(shí)戰(zhàn)體驗(yàn)。

相較于直接在云平臺(tái)上開展實(shí)驗(yàn)，利用華為沙箱實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）省去環(huán)境配置的煩瑣過程。在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生需要自己配置實(shí)驗(yàn)環(huán)境，包括安裝各種軟件、配置參數(shù)等，這是一個(gè)煩瑣而容易出錯(cuò)的過程。而利用華為沙箱實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生只需要登錄虛擬機(jī)，即可開始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

（2）提供高效穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。學(xué)生可以隨時(shí)登錄虛擬機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不受時(shí)間和空間的限制，同時(shí)也不會(huì)對(duì)教學(xué)機(jī)房的硬件資源造成壓力。

（3）提供豐富的實(shí)驗(yàn)資源。華為沙箱實(shí)驗(yàn)室提供了各種開源軟件和云服務(wù)的實(shí)驗(yàn)資源，包括Hadoop、Spark、Kubernetes等，可以滿足不同課程的實(shí)驗(yàn)需求。

（4）降低教學(xué)成本。利用華為沙箱實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以降低教學(xué)成本。教師不需要購(gòu)買和維護(hù)昂貴的硬件設(shè)備和軟件許可證，同時(shí)也可以節(jié)省教師和學(xué)生的時(shí)間和精力。

結(jié)語(yǔ)

我校軟件工程專業(yè)研究生的云計(jì)算課程的教學(xué)實(shí)踐，以及學(xué)生通過在華為云平臺(tái)和華為云沙箱實(shí)驗(yàn)室的實(shí)踐操作，不但加深了對(duì)云計(jì)算相關(guān)理論的理解，而且大大提升了云計(jì)算平臺(tái)的實(shí)際動(dòng)手能力，使學(xué)生在云計(jì)算的實(shí)際操作應(yīng)用中得心應(yīng)手，而且為學(xué)生在未來大數(shù)據(jù)與云計(jì)算的更高層次奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。在新工科的背景下，我校實(shí)踐探索了一條可行的產(chǎn)學(xué)研融合的路徑。

參考文獻(xiàn)：

［1］梁弘宇，羅良好.云計(jì)算專業(yè)的教學(xué)實(shí)踐案例分析［J］.電子技術(shù)，2021，50（05）：6263.

［2］田紅，楊曉英，馬志妍，等.淺析基于校企合作的高職院校云計(jì)算技術(shù)與應(yīng)用專業(yè)建設(shè)——以甘肅交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院為例［J］.教育教學(xué)論壇，2018（49）：3435.

［3］華為沙箱實(shí)驗(yàn)室，https：//lab.huaweicloud.com/testList.html.

基金項(xiàng)目：2022年本科高校研究性教學(xué)改革研究與實(shí)踐項(xiàng)目（2022SXJXLX006）；2022年河南省研究生教育改革與質(zhì)量提升工程項(xiàng)目（YJS2022ZX04）

作者簡(jiǎn)介：劉成明（1979—?），男，漢族，山東沂源人，博士研究生，副教授，研究方向：計(jì)算機(jī)視覺、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云計(jì)算。