容器技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用與實(shí)踐

沈曉娟 王佳豪

摘 要：容器技術(shù)如Docker和Kubernetes在企業(yè)級(jí)應(yīng)用中的廣泛普及，為高校教學(xué)帶來了新的技術(shù)機(jī)遇和挑戰(zhàn)。本文聚焦容器在教學(xué)中的應(yīng)用與實(shí)踐，探討其引入流程教學(xué)、快速配置教學(xué)環(huán)境，提升學(xué)生容器技術(shù)理解和應(yīng)用能力的策略。通過教學(xué)實(shí)踐，驗(yàn)證基于容器的教學(xué)環(huán)境有利于簡(jiǎn)化環(huán)境配置、豐富教學(xué)場(chǎng)景、提高教學(xué)效率和質(zhì)量，并提出持續(xù)優(yōu)化的建議。

關(guān)鍵詞：容器技術(shù)；Docker；Kubernetes；教學(xué)應(yīng)用；實(shí)踐研究

Abstract： The widespread adoption of container technologies like Docker and Kubernetes in enterprise applications presents new technological opportunities and challenges for higher education. This paper focuses on the application and practice of containers in teaching， exploring strategies for introducing process teaching， rapidly configuring teaching environments， and enhancing students' understanding and application abilities of container technology. Through practical teaching experiences， it has been demonstrated that a container-based teaching environment simplifies environment setup， enriches teaching scenarios， and improves teaching efficiency and quality. Recommendations for continuous optimization are also proposed.

Keywords： Container Technology; Docker; Kubernetes; Educational Application; Practical Research.

一、引言

（一）研究背景

容器技術(shù)，特別是Docker和Kubernetes，已經(jīng)成為云計(jì)算領(lǐng)域的重要技術(shù)。根據(jù)市場(chǎng)研究公司Technavio的數(shù)據(jù)，全球容器市場(chǎng)從2021年到2025年將以年均復(fù)合增長(zhǎng)率超過30%的速度增長(zhǎng)。這一增長(zhǎng)不僅體現(xiàn)在企業(yè)級(jí)應(yīng)用的廣泛采用上，也逐漸影響到教育領(lǐng)域，尤其是在高等教育中的信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)科學(xué)課程。對(duì)比虛擬機(jī)等傳統(tǒng)技術(shù)，容器由于其輕量級(jí)和高效性，在實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)中顯示出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

（二）研究意義

將容器技術(shù)引入高校云計(jì)算相關(guān)課程教學(xué)具有重要意義：一是有利于快速構(gòu)建教學(xué)實(shí)踐環(huán)境，降低環(huán)境配置錯(cuò)誤，有利于學(xué)生學(xué)習(xí)實(shí)踐。二是通過容器隔離，構(gòu)建個(gè)性化的環(huán)境實(shí)踐，支持差異化學(xué)習(xí)。三是有利于開展基于真實(shí)業(yè)務(wù)場(chǎng)景的實(shí)踐教學(xué)，通過模擬真實(shí)開發(fā)運(yùn)維場(chǎng)景，提升學(xué)生的動(dòng)手能力和解決實(shí)際問題的能力，對(duì)接就業(yè)需求。

（三）研究現(xiàn)狀

在國際上，許多領(lǐng)先的技術(shù)大學(xué)已經(jīng)開始將容器技術(shù)納入課程設(shè)計(jì)中。例如，斯坦福大學(xué)就開設(shè)了一門專門的課程來教授學(xué)生如何利用Docker和Kubernetes來部署和管理微服務(wù)，美國加州大學(xué)伯克利分校基于Docker容器的大數(shù)據(jù)教學(xué)實(shí)踐、麻省理工學(xué)院利用Kubernetes開展全面系統(tǒng)教學(xué)的案例等。國內(nèi)浙江大學(xué)的軟件工程專業(yè)引入了容器技術(shù)，通過讓學(xué)生在真實(shí)的容器環(huán)境中完成項(xiàng)目，有效地提高了學(xué)生的實(shí)際操作能力和問題解決能力。已有研究表明，容器技術(shù)在簡(jiǎn)化環(huán)境配置、支持個(gè)性化方面化學(xué)習(xí)、模擬真實(shí)業(yè)務(wù)場(chǎng)景等方面優(yōu)勢(shì)明顯。

二、基于容器技術(shù)的教學(xué)實(shí)踐環(huán)境設(shè)計(jì)

（一）技術(shù)架構(gòu)設(shè)計(jì)

教學(xué)實(shí)踐環(huán)境的設(shè)計(jì)以支撐教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)為目標(biāo)，采用當(dāng)前主流的容器技術(shù)，構(gòu)建易于配置、管理和使用的實(shí)踐環(huán)境。

容器引擎：Docker，負(fù)責(zé)容器的構(gòu)建、發(fā)布和運(yùn)行。教師和學(xué)生可以在Docker容器中運(yùn)行各種教學(xué)實(shí)踐所需的軟件和環(huán)境。

容器編排：負(fù)責(zé)容器的調(diào)度、編排、自動(dòng)伸縮和服務(wù)發(fā)現(xiàn)等。Kubernetes可以根據(jù)實(shí)際需求自動(dòng)管理和擴(kuò)展容器化的教學(xué)實(shí)踐環(huán)境。

鏡像倉庫：Harbor，負(fù)責(zé)容器鏡像的存儲(chǔ)、管理，支持鏡像安全掃描

持續(xù)集成/發(fā)布：負(fù)責(zé)容器鏡像的自動(dòng)構(gòu)建、測(cè)試和發(fā)布。Jenkins可以自動(dòng)化地構(gòu)建和部署教學(xué)實(shí)踐環(huán)境，提高效率

（二）快速構(gòu)建個(gè)性化實(shí)踐環(huán)境

傳統(tǒng)的教學(xué)實(shí)踐環(huán)境依賴物理機(jī)機(jī)或虛擬機(jī)，環(huán)境配置工作量大，靈活性差，難以支持通常個(gè)性化的實(shí)踐需求。引入容器技術(shù)后，可以預(yù)先將實(shí)踐環(huán)境所需的各種物理工具和服務(wù)資源儲(chǔ)備成Docker鏡像，通過Docker Compose或Kubernetes編排文件定義所需服務(wù)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境的快速構(gòu)建。

在基于Java的Web開發(fā)課程中，利用容器技術(shù)可以極大提升教學(xué)的靈活性和效率。首先，教師可以構(gòu)建一個(gè)包含JDK、Tomcat、MySQL等必需組件的Docker鏡像。這一鏡像會(huì)包括所有必要的運(yùn)行時(shí)環(huán)境和庫，確保每位學(xué)生都在一個(gè)統(tǒng)一且預(yù)配置的環(huán)境中工作，從而避免了環(huán)境差異帶來的常見問題。

接著，利用Docker Compose或Kubernetes編排技術(shù)，教師可以定義各個(gè)服務(wù)之間的依賴和通信方式，實(shí)現(xiàn)整個(gè)開發(fā)、測(cè)試和生產(chǎn)環(huán)境的快速部署。這種一鍵部署方式不僅簡(jiǎn)化了學(xué)生的操作流程，也讓教師更容易管理和更新課程環(huán)境。

此外，容器的隔離性特點(diǎn)使得個(gè)性化教學(xué)設(shè)置成為可能。在Web開發(fā)課程中，不同學(xué)生可能偏好不同的開發(fā)工具，如Eclipse或IntelliJ IDEA。通過容器技術(shù)，可以為每種IDE創(chuàng)建專用的鏡像，學(xué)生可以根據(jù)個(gè)人喜好選擇合適的鏡像進(jìn)行拉取和使用。這種方式不僅增加了學(xué)生的滿意度，還鼓勵(lì)他們探索和適應(yīng)各種不同的開發(fā)環(huán)境。

通過這些實(shí)踐，容器技術(shù)在教學(xué)中展現(xiàn)出其強(qiáng)大的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)化和個(gè)性化能力，極大地提高了教學(xué)的可接入性和靈活性，使得學(xué)生可以在一個(gè)更加貼近真實(shí)企業(yè)環(huán)境的設(shè)置中學(xué)習(xí)和成長(zhǎng)。

（三）模擬真實(shí)業(yè)務(wù)場(chǎng)景的實(shí)踐教學(xué)

容器平臺(tái)良好的隔離性，使得基于真實(shí)業(yè)務(wù)場(chǎng)景開展實(shí)踐教學(xué)成為可能。教師可以通過容器模擬真實(shí)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)和開發(fā)運(yùn)維流程，引導(dǎo)學(xué)生在“真刀真槍”的環(huán)境中學(xué)習(xí)實(shí)踐。

在現(xiàn)代軟件開發(fā)課程中，通過使用微服務(wù)架構(gòu)的實(shí)踐項(xiàng)目，可以顯著提升學(xué)生的技術(shù)技能和解決復(fù)雜問題的能力。例如，設(shè)計(jì)一個(gè)模擬的在線商城系統(tǒng)，教師可以引導(dǎo)學(xué)生將該系統(tǒng)拆分為多個(gè)微服務(wù)，每個(gè)服務(wù)負(fù)責(zé)一部分功能，如用戶管理、產(chǎn)品目錄、訂單處理等。學(xué)生需要為每個(gè)微服務(wù)創(chuàng)建獨(dú)立的容器鏡像，這些鏡像包含了運(yùn)行各自服務(wù)所需的所有依賴和配置。

利用Kubernetes作為容器編排工具，學(xué)生將學(xué)習(xí)如何部署和管理這些微服務(wù)。在部署過程中，學(xué)生不僅需要編寫服務(wù)間的調(diào)用代碼來實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)功能，還將涉及到更高級(jí)的技術(shù)操作，如設(shè)置服務(wù)的自動(dòng)擴(kuò)展規(guī)則，以應(yīng)對(duì)可能的流量增長(zhǎng)。此外，教師可以設(shè)置模擬的業(yè)務(wù)場(chǎng)景，如流量管理、灰度發(fā)布和A/B測(cè)試，讓學(xué)生在控制實(shí)驗(yàn)條件下測(cè)試新功能的性能和影響。

更進(jìn)一步，為了培養(yǎng)學(xué)生的容錯(cuò)設(shè)計(jì)能力，教師可以引入故障注入技術(shù)，模擬各種服務(wù)故障，如網(wǎng)絡(luò)延遲、服務(wù)宕機(jī)等。學(xué)生需要設(shè)計(jì)和實(shí)施相應(yīng)的容錯(cuò)措施，如重試邏輯、斷路器模式和服務(wù)降級(jí)策略，以確保系統(tǒng)的高可用性和穩(wěn)定性。

通過這樣的教學(xué)設(shè)計(jì)，學(xué)生不僅能夠深入理解微服務(wù)架構(gòu)的工作原理和組成部分，還能實(shí)際操作和優(yōu)化一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)。這種基于真實(shí)業(yè)務(wù)場(chǎng)景的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)是非常寶貴的，它不僅提升了學(xué)生的技術(shù)能力，還增強(qiáng)了他們面對(duì)真實(shí)工作挑戰(zhàn)時(shí)的應(yīng)對(duì)能力，為他們未來的職業(yè)生涯奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

三、教學(xué)效果評(píng)估與優(yōu)化建議

（一）教學(xué)效果評(píng)估

采用容器技術(shù)進(jìn)行教學(xué)，對(duì)提升教學(xué)效果具有積極意義。從學(xué)生反饋來看，容器平臺(tái)有利于提升學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性，同時(shí)快速獲取實(shí)踐環(huán)境，將更多的時(shí)間用于學(xué)習(xí)業(yè)務(wù)邏輯的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。模擬生產(chǎn)環(huán)境進(jìn)行實(shí)踐，有助于學(xué)生建立完整的知識(shí)體系。

（二）持續(xù)優(yōu)化建議

容器技術(shù)迭代迅速，教學(xué)實(shí)踐也應(yīng)與時(shí)俱進(jìn)。針對(duì)持續(xù)優(yōu)化教學(xué)，建議從以下方面著手：

（1）及時(shí)更新技術(shù)棧：跟蹤容器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，及時(shí)引入Serverless、Service Mesh等新興技術(shù)，拓展教學(xué)場(chǎng)景。

（2）加強(qiáng)校企合作：引入企業(yè)生產(chǎn)項(xiàng)目，讓學(xué)生真正參與項(xiàng)目的容器化改造，提升實(shí)踐能力。邀請(qǐng)企業(yè)專家開展座談會(huì)、指導(dǎo)教學(xué)，促進(jìn)師生與勞動(dòng)力的交流。

（3）開發(fā)在線實(shí)訓(xùn)平臺(tái)：將容器環(huán)境與在線實(shí)訓(xùn)平臺(tái)集成，學(xué)生通過瀏覽器即可訪問個(gè)性化實(shí)踐環(huán)境，提升學(xué)習(xí)便捷性。

（4）探索教學(xué)新模式：嘗試項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)、場(chǎng)景模擬等教學(xué)模式創(chuàng)新，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。鼓勵(lì)學(xué)生參與開源項(xiàng)目實(shí)踐，推廣項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)。

四、結(jié)論

本文探討了將容器技術(shù)引入教學(xué)實(shí)踐的思路和實(shí)踐，介紹了基于Docker和Kubernetes構(gòu)建個(gè)性化實(shí)踐環(huán)境，設(shè)計(jì)貼近場(chǎng)景業(yè)務(wù)的實(shí)踐教學(xué)方法，并評(píng)估了教學(xué)效果，提出了持續(xù)優(yōu)化建議。飛速發(fā)展的時(shí)代，高校教學(xué)要緊跟技術(shù)前沿，將新技術(shù)與教學(xué)深度融合，以培養(yǎng)適應(yīng)時(shí)代發(fā)展需要的創(chuàng)新型人才。高校容器技術(shù)為教學(xué)創(chuàng)新提供了新的思路，值得在更大范圍推廣應(yīng)用。

未來，還需在更多課程和專業(yè)領(lǐng)域探索教學(xué)容器技術(shù)應(yīng)用，完善評(píng)估和優(yōu)化機(jī)制，推動(dòng)教學(xué)模式變革。同時(shí)加強(qiáng)與企業(yè)合作，促進(jìn)產(chǎn)教融合，以教學(xué)反哺科技創(chuàng)新，提升人才培養(yǎng)質(zhì)量。

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