摘要:随着大数据、物联网等新兴技术的迅猛发展,应运而生的云计算给应用型本科院校的教学改革带来了新的方向。针对目前网络工程专业实验教学中设备技术滞后、实验内容创新性不足和课程编排脱节等问题,将云计算技术融入实验室建设与教学设计中,构建基于云计算平台的实验管理、协作、设计教学模式,在大数据时代的新起点上实现网络工程专业实验教学的改革与创新。

云计算基础构建课程目标和内容(云计算在网络工程实验教学中的应用)(1)

1 前言

大数据时代的到来,使得大学生能够通过云课堂、慕课等网络教育资源轻松获取和学习专业知识,在新型教学模式产生的同时,也给传统以教室、机房为中心的计算机实验教学带来了巨大的挑战。自教育部于2014年提出了地方本科高校向应用型本科转型发展后,网络工程作为计算机学科中实践和应用性较强的工程类专业,更需要培养具有较强专业技能和符合“新工科”素质的信息应用人才。目前,由于地方本科院校资金不足,专业实验设备、技术和环境陈旧,使得网络工程专业的教学内容和水平相比现有技术严重滞后,出现了教学和市场脱节的现象,难以满足大数据时代下对该专业人才的技术需求。

云计算作为一种分布式资源利用方法,能够为使用者提供跨越地域与时间的高效计算能力和服务,从根本上解决在高校实验环境、设备、规模不足,资金短缺等问题[3]。因此,构建基于云计算的实验教学和管理模式,用低廉的价格换取海量的计算资源服务,增强网络工程专业的实验教学能力,是提升大学生创新创业能力、地方本科院校向应用型大学转型发展的突破点。

2 存在的问题

网络工程专业旨在培养具有计算机网络、通信技术基础知识,掌握校园网、企业网、大型ISP等多种网络拓扑的设计、配置与调试技术的综合人才[2]。随着大数据时代的到来,网络设备、用户和数据井喷式的增长,以往的网络协议、拓扑结构、实验软硬件已经难以处理大数据所带来的网络问题,导致诸多地方本科院校产学脱节,主要存在以下问题:

2.1 实验设施方面

(1)综合实验室较少。虽然办学规模不断扩大,但地方院校受制于经费,难以扩建设备齐全的网络工程实验室[3]。主要包括:构建实验室的工程量庞大、耗资多、建设周期长,而地方本科院校的实验室大多只用于科研与教学,所以难以承担价格昂贵的计算设备,虽然逐步、阶段性建设能够减轻院校的财政负担,但是网络技术的发展瞬息万变,等待意味着落后,使得教学发展事倍功半。

(2)实验室设备与技术滞后。分布式计算集群、云计算网络、5G网络等新技术层出不穷,但地方院校的网络工程教学依旧采用思科模拟软件、普通PC机路由器进行教学,大多数实验也都停留在虚拟环境模拟和理论教学上,并未真操实练,导致学习积极性不高。

(3)虚拟技术尚未完善。目前,地方高校多采用虚拟仿真软件(虚拟实验室EVE-NG、思科模拟器CPT、网络模拟器gns3)模拟真实网络设备进行实验,但虚拟软件受控于PC机显示操作,网络设备的实际环境、细节与操作问题无法显示,与真实的网络布线、拓扑设计的大相径庭,导致学生的创新、动手能力受到较大限制。

2.2 实验教学方面

(1)部分专业实验学时较少,且无法在实验室完成,例如:网络集群部署、网络综合布线调研、无线网络信号勘测等,需要到企业机房、现场进行实验。

(2)路由交换、网络安全等实验项目缺乏设计性和创新性,网络技术推陈出新,老师与学生没有转变依赖教材的“教与学”思维模式,在等待新技术教材出版的过程中,该技术可能已經淘汰,导致实验教学始终无法跟上网络技术更新的步伐。

3 云计算模式的优势

针对网络工程实验教学所面临的问题,需要依赖以“互联网 ”、云计算和大数据为主的新一代信息技术,将传统教学模式与在线课堂教学模式融合。

3.1 云计算的概念

云是基于互联网的一种抽象比喻,表示大规模、虚拟化的互联网基础设施资源集合,是新兴的计算与存储模式。云计算通过分布式计算、并行计算与虚拟化技术,将分布在各地的互联网资源整合并共享服务。因此,高校能够通过低廉的价格从云计算服务商中获得大规模、高性能的计算资源[3]。

3.2 云计算在实验教学中的优势

(1)规模大、可靠性高

云计算服务提供方一般拥有大量服务器,例如腾讯、阿里巴巴等大型互联网企业的“云计算”代表数十万台服务器,能给予高校实验室强大的计算与存储能力。此外,云计算采用数据多副本容错、计算节点同构可互换等方法为学校用户提供了安全可靠的服务,降低了人为误操作引起的损害。

(2)成本低、扩展性高

云计算资源通常由大量的廉价计算机节点构成,其共享式的资源管理使得高校无需购买价格高昂的设备,便可随时随地使用云计算的资源与服务,节省了购买设备、搭建实验室以及维护管理的成本。

(3)高效的虚拟化服务

云计算利用虚拟化技术使用户可以通过多种终端设备获取应用服务,且数据资源存储在云服务器中心,用户操作不受时间、空间限制。不仅能够满足高校大型科研项目的实验环境,而且能够支持不间断的访问服务[4]。

4 云计算在实验教学中的应用

4.1 实验设施方面

(1)利用云计算获取实验教学资源

实验环境方面:通过购买云计算服务商的基础设施即服务(IaaS),从而获得完善的计算机基础设施(服务器、企业级路由器、企业级交换机等),然后基于在线资源安装相应实验软件,为网络工程专业提供实验管理平台。通过Telnet远程登录云计算服务器,利用虚拟化技术,使师生在通过本地设备便可操作真实的网络集群。

实验安全方面:传统实验课的实验内容均存储在本地,为了防止计算机出现故障导致数据丢失,需要经常进行备份和整理,转移与访问过程较复杂。采用云存储技术保存实验教学内容,通过HDFS分布式文件系统存储,能够保证数据的安全性,节约存储空间,支持随时随地访问和下载实验资源。

(2)结合云计算搭建分布式网络实验室

设计一种基于云计算的分布式网络工程实验平台建设方案,该实验室平台主要包括:基础设施区,由网络设备(路由器、交换机、防火墙)组成,为云计算服务器稳定、安全的连接提供保障;本地实验区,线下实验教学机房;对外实验区,支持外部网络远程登录分布式的实验室,可通过任意智能设备登录到云计算虚拟机进行实验;综合管理区域,该区域负责管理并维护上述区域的设备、实验教学内容。具体部署分布如图1所示。

4.2 实验教学方面

(1)制定云计算网络工程实验计划

缩减部分网络工程专业基础课程量和学时,引进大数据与云计算相关专业教师,制定云计算网络工程师实验计划。实验目标:培养能在互联网信息产业从事网络通信、云计算、分布式等工作的高级应用型人才;实验方向:网络工程、云计算技术方向;实验课程内容,如图2课程体系分布所示。

(2)结合云计算提供网络课程平台

云课堂、慕课等新兴网络课程模式的产生为广大师生提供不受时间、地点限制的教学服务[5]。云计算中心能够为在线实验课堂提供庞大且稳定的实验环境和数据,以及更安全、更高效的网络服务。通过O2O双模式教学,使学生与老师都能够通过云课堂在外地、课余时间,学习感兴趣的实验课程,再结合本地课堂巩固实验项目,进而提升课堂效率。

5 总结

网络工程作为未来互联网发展的关键方向与专业,通过结合云计算技术,改进实验室教学与管理水平,构建新型的实验平台和教学体系,能够更好地服务高校进行人才培养。如何进一步改革网络工程专业的课堂教学模式,是未来研究的重点,也是地方本科高校向应用型本科转型的着力点。

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