“智能+中醫(yī)藥”計算機教學實驗室建設(shè)

鄭曉梅 萬佼 李剛

［摘 要］ 南京中醫(yī)藥大學計算機教學實驗室在“智能+中醫(yī)藥”復(fù)合專業(yè)人才培養(yǎng)新模式的背景下，由于處于起步階段，硬件資源有限。在“智能+中醫(yī)藥”計算機教學實驗室建設(shè)過程中，可共享軟件環(huán)境體系方案的提出與實施，既可以使計算機教學實驗室軟件環(huán)境干凈、輕量，從而提升機器性能，又可以方便實驗室技術(shù)人員、學生和教師通過共享軟件環(huán)境資源輕松部署復(fù)雜實驗環(huán)境，提升課程實驗效率，從而助力“智能+中醫(yī)藥”專業(yè)發(fā)展與人才培養(yǎng)。

［關(guān)鍵詞］ “智能+中醫(yī)藥”；計算機教學實驗室；可共享軟件環(huán)境體系；實驗效率

［基金項目］ 2022年度江蘇省教育科學“十四五”規(guī)劃重點課題“數(shù)字賦能中醫(yī)藥創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐平臺建設(shè)研究”（B202201169）；2022年度教育部產(chǎn)學合作協(xié)同育人項目“中醫(yī)藥智能化產(chǎn)教融合實驗中心”（221005875122022）；2022年度南京中醫(yī)藥大學本科教育教學改革研究重點項目“人工智能+X計算機教學實驗室可共享軟件環(huán)境體系研究”（011063001029C-20）

［作者簡介］ 鄭曉梅（1978―），女，江蘇興化人，工學碩士，南京中醫(yī)藥大學人工智能與信息技術(shù)學院副教授，教學實驗中心主任，主要從事軟件建模與測試、中醫(yī)特征信息建模與分析驗證研究；萬佼（1977―），女，江蘇宜興人，中醫(yī)學碩士，南京中醫(yī)藥大學人工智能與信息技術(shù)學院副研究員，教學副院長（通信作者），主要從事中醫(yī)學、高等教育管理研究；李剛（1978―），男，江蘇鎮(zhèn)江人，信息管理學博士，南京中醫(yī)藥大學人工智能與信息技術(shù)學院講師（通信作者），主要從事數(shù)字信息資源管理及服務(wù)、信息可視化研究。

［中圖分類號］ G642.0［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）06-0038-04 ［收稿日期］ 2022-12-08

引言

人工智能與大數(shù)據(jù)已成為新的國家戰(zhàn)略，教育也在從方方面面去適應(yīng)人工智能帶來的沖擊［1］。2018年4月，教育部在《高等學校人工智能創(chuàng)新行動計劃》中強調(diào)，要加強人工智能領(lǐng)域?qū)I(yè)建設(shè)，推進“新工科”建設(shè)，形成“人工智能+X”復(fù)合專業(yè)培養(yǎng)新模式［2］。南京中醫(yī)藥大學圍繞“智能+中醫(yī)藥”發(fā)展戰(zhàn)略，以培養(yǎng)具備“以計算為基礎(chǔ)的大數(shù)據(jù)智能化系統(tǒng)分析、設(shè)計、實現(xiàn)和應(yīng)用的綜合能力的計算機專業(yè)系統(tǒng)能力”的中醫(yī)藥智能人才為目標，建設(shè)“智能+中醫(yī)藥”相關(guān)特色課程。對“智能+中醫(yī)藥”計算機教學實驗室軟件環(huán)境的建設(shè)是專業(yè)發(fā)展、人才培養(yǎng)的重要支撐。

一、國內(nèi)高校研究主流思路及特點

為支撐“智能+X”專業(yè)發(fā)展，針對計算機教學實驗室的實驗平臺環(huán)境建設(shè)，國內(nèi)高校展開了很多研究，如南京航空航天大學王立松等［3］提出的“面向計算機實驗教學的在線虛擬實驗室建設(shè)研究”、重慶大學馮永等［4］提出的“共智融合的大數(shù)據(jù)智能化人才培養(yǎng)研究與實踐”、大連理工大學梁冰等［5］提出的“計算機科學拔尖人才培養(yǎng)實驗室建設(shè)模式探索”、哈爾濱理工大學王敏［6］提出的“基于Docker的數(shù)據(jù)科學虛擬化實驗平臺構(gòu)建”等，這些研究工作均給出了解決方案，且這些解決方案主要有兩種思路。

思路一，本地安裝部署基本軟件，在此基礎(chǔ)上購買具有超高計算能力的高性能服務(wù)器架構(gòu)重型云平臺，在云平臺上部署各類教學平臺。該思路可以很好地滿足學生和教學大數(shù)據(jù)與智能類實驗的要求，有如下特點：（1）需要巨額資金購買高性能服務(wù)器和計算機節(jié)點，以及已經(jīng)成熟的云平臺產(chǎn)品；（2）使用時對客戶端的硬件要求低，客戶端與服務(wù)器生成的虛擬機實時交互，對服務(wù)器硬件要求和網(wǎng)絡(luò)要求非常高，如果使用人數(shù)過多、硬件負擔過重或者網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸會卡頓；（3）不能充分利用客戶機本身的硬件資源，軟件環(huán)境不能移植，實驗場所往往限制在校園網(wǎng)或者實驗中心局域網(wǎng)內(nèi)。

思路二，本地安裝部署基本軟件，在此基礎(chǔ)上通過租賃人工智能服務(wù)云平臺支撐“智能+X”的專業(yè)建設(shè)。該思路的特點：通過網(wǎng)絡(luò)遠程使用，簡單、方便；需要較高的云平臺租賃成本，且對網(wǎng)絡(luò)實時性能的要求也比較高。

二、“智能+中醫(yī)藥”計算機實驗室軟件環(huán)境建設(shè)過程中存在的問題

南京中醫(yī)藥大學人工智能與信息技術(shù)學院在“智能+中醫(yī)藥”的專業(yè)發(fā)展模式下，和大多數(shù)院?！爸悄?X”專業(yè)一樣，由于處于起步階段，建設(shè)資金有限，硬件資源不夠豐富，無法采用國內(nèi)主流建設(shè)思路，存在如下問題。

1.“智能+中醫(yī)藥”計算機教學實驗室不能做到專業(yè)實驗室專用。專業(yè)實驗室除了需要支撐專業(yè)教學、學生科創(chuàng)及教師科研工作以外，還需要支撐全校相關(guān)信息基礎(chǔ)課程的實踐教學任務(wù)、承接各類大規(guī)?？荚嚰芭嘤柸蝿?wù)，專業(yè)實驗室的使用功能呈現(xiàn)多元化需求。多元化需求使得軟件系統(tǒng)臃腫、龐雜，拉低了計算機的運行性能，影響學生實驗實踐的質(zhì)量和效率。

2.“智能+中醫(yī)藥”大數(shù)據(jù)智能化課程的建設(shè)。較多的實驗項目應(yīng)用軟件環(huán)境安裝復(fù)雜、對硬件的要求高，且很多軟件環(huán)境在同一系統(tǒng)下存在沖突，部署困難。

3.“智能+中醫(yī)藥”部分實驗項目軟件環(huán)境部署過程復(fù)雜，共享移植需求較高。部分專業(yè)實驗項目軟件環(huán)境部署花費時間長，有時因為各種原因，如遠程源鏡像關(guān)閉無法完成環(huán)境部署，嚴重影響實驗教學；部署的復(fù)雜應(yīng)用軟件環(huán)境在現(xiàn)有的云桌面條件下，支持同一個型號的機器批量下發(fā)，但無法支持不同型號的機器共享同傳，無法使學生和教師共享，缺乏共享性。學生在課后作業(yè)、學科競賽、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)時，教師在備課和科研時，對于相同的實驗應(yīng)用軟件環(huán)境需要重新花費大量的時間進行重復(fù)部署，影響教學和科研效率。

三、“智能+中醫(yī)藥”計算機教學實驗室可共享軟件環(huán)境體系方案

為了解決“智能+中醫(yī)藥”計算機教學實驗室建設(shè)中存在的問題，本文提出“智能+中醫(yī)藥”計算機教學實驗室可共享軟件環(huán)境體系建設(shè)方案，該方案所依賴的技術(shù)主要是基于客戶端實模式虛擬化云桌面技術(shù)及Docker輕量級云計算技術(shù)，具體方案如圖1所示。該建設(shè)方案具體實施步驟如下。

1.厘清多元化實驗軟件環(huán)境要求，保障實驗環(huán)境的高性能，規(guī)劃與建設(shè)云桌面虛擬實驗室的系統(tǒng)鏡像和快照群。厘清具有中醫(yī)藥大數(shù)據(jù)智能化特色的實踐教學體系，突出大數(shù)據(jù)智能化需求，兼顧其他課程群和各類大型考試的軟件環(huán)境需求，利用客戶端模式的虛擬化云桌面技術(shù)產(chǎn)品——“江波”，進行系統(tǒng)環(huán)境的鏡像和快照規(guī)劃。先針對不同機型完成操作系統(tǒng)層級基礎(chǔ)鏡像的制作，在此基礎(chǔ)上，合理規(guī)劃高性能實驗室的硬件資源，與任課教學、學生迭代交互，在基礎(chǔ)鏡像下，根據(jù)不同的需要制作、下發(fā)和推送系列快照。

2.梳理同一個快照下的不同軟件環(huán)境，利用Docker應(yīng)用容器沙箱機制，部署“智能+中醫(yī)藥”復(fù)雜實驗項目應(yīng)用軟件環(huán)境，用Docker應(yīng)用容器沙箱隔離機制解決“智能+中醫(yī)藥”復(fù)雜實驗項目應(yīng)用軟件環(huán)境部署困難、易沖突的問題。由于Docker容器中包含了一個系統(tǒng)運行所需的所有環(huán)境，并且容器由鏡像啟動，同一個鏡像啟動的容器環(huán)境必定是完全一致的，所以能夠保證運行環(huán)境的移植，這樣只需要操作系統(tǒng)的內(nèi)核一致，通過遷移Docker鏡像就可滿足實驗項目軟件環(huán)境在不同機型之間的可快速移植性［6］，并且可以很方便地對鏡像進行修改從而改變?nèi)萜鞯膬?nèi)部結(jié)構(gòu)，以滿足新的實驗項目環(huán)境。

3.基于OpenStack，利用教學實驗中心閑置服務(wù)器搭建和配置私有云，建設(shè)Docker實驗環(huán)境資源池，最終形成“智能+中醫(yī)藥”計算機教學實驗室可共享的軟件環(huán)境體系。該體系將教學實驗室、虛擬云桌面服務(wù)器、小型私有云、個人用戶互聯(lián)互通，形成一個共享環(huán)，復(fù)雜實驗應(yīng)用軟件環(huán)境鏡像在這個軟件環(huán)境體系中可供各個節(jié)點共享。

本文所提出的建設(shè)方案最終所形成的軟件環(huán)境共享環(huán)，可最大限度地提高軟件環(huán)境部署效率。如軟件開發(fā)實驗室的某臺計算機——機型1節(jié)點1-1-1部署了一個Docker容器實驗項目鏡像1，實現(xiàn)節(jié)點之間共享的方法和步驟：（1）基于實客戶端模式虛擬云桌面技術(shù)，將節(jié)點1-1-1當前的系統(tǒng)做成一個新的快照上傳至云桌面管理服務(wù)器的機型1的快照樹中，再將該快照下發(fā)至機型1所對應(yīng)的所有節(jié)點1-m-n中，實現(xiàn)了節(jié)點1-1-1部署鏡像到節(jié)點1-m-n的共享；（2）將節(jié)點1-1-1部署的鏡像1上傳至私有云平臺的軟件環(huán)境鏡像資源池，節(jié)點Px可以從資源池下載對應(yīng)的鏡像1來部署實驗環(huán)境，實現(xiàn)了節(jié)點1-1-1部署鏡像到Px的共享；（3）機型2的任意一個節(jié)點從私有云的鏡像資源池下載對應(yīng)的鏡像進行部署，再將部署好的系統(tǒng)制作成云桌面快照上傳至云桌面服務(wù)器機型2的快照樹中，然后將該快照下發(fā)至機型2對應(yīng)的所有的計算機節(jié)點2-m-n，實現(xiàn)了節(jié)點1-1-1部署鏡像到節(jié)點2-m-n的共享。

教師或?qū)W生在機房外的節(jié)點P4處部署實驗項目鏡像2，首先將鏡像2上傳至云平臺的鏡像資源池，再按照如下方法和步驟實現(xiàn)節(jié)點之間的共享：（1）學生或教師Px可從資源池中下載鏡像進行系統(tǒng)部署，實現(xiàn)P4到Px的共享；（2）計算機實驗室教師通過實驗室計算機節(jié)點下載鏡像進行系統(tǒng)部署，制作系統(tǒng)快照上傳至實云桌面管理服務(wù)器，再通過實客戶端模式虛擬云桌面技術(shù)將快照下發(fā)至對應(yīng)的機型所有節(jié)點，其他機型如法炮制，從而能夠?qū)崿F(xiàn)P4實驗環(huán)境鏡像到計算機實驗室所有計算機節(jié)點的共享。

結(jié)語

本文所提出方案的創(chuàng)新點在于：（1）使用實客戶端模式的虛擬云桌面技術(shù)解決“智能+中醫(yī)藥”專業(yè)發(fā)展模式下，計算機教學實驗室復(fù)雜的多元化使用需求所導致的軟件環(huán)境臃腫、計算機性能降低等問題；（2）利用Docker容器的隔離性解決由于“智能+中醫(yī)藥”復(fù)雜實驗項目同一快照下不同實驗項目應(yīng)用軟件環(huán)境沖突的問題；（3）整個“智能+中醫(yī)藥”計算機教學實驗室可共享軟件環(huán)境體系方案在以軟件環(huán)境鏡像資源私有云平臺為核心的支撐下，可以實現(xiàn)體系節(jié)點間的軟件環(huán)境鏡像的共享，極大地提高環(huán)境部署效率，提高實驗教學質(zhì)量，助力專業(yè)發(fā)展與人才培養(yǎng)；（4）可在“智能+中醫(yī)藥”背景下可共享的軟件環(huán)境體系建設(shè)模式和方案的基礎(chǔ)上，總結(jié)“智能+X”與“智能+中醫(yī)藥”與高校計算機教學實驗室的共性和個性，通過提煉和優(yōu)化，形成“智能+X”高校計算機教學實驗室可共享軟件環(huán)境體系建設(shè)新模式、新思路，是國內(nèi)主流解決方案的友好過渡和有力補充。

參考文獻

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Construction of Computer Teaching Laboratory for “Intelligence+Traditional Chinese Medicine”： Sharable Software Environment System

ZHENG Xiao-mei， WAN Jiao， LI Gang

（College of Artificial Intelligence and Information Technology， Nanjing University of Chinese Medicine， Nanjing， Jiangsu 210023， China）

Abstract： Under the background of the new mode of “Intelligence + Traditional Chinese Medicine” compound professional training， the computer teaching laboratory in colleges and universities is in its infancy and has limited hardware resources. In this paper， a scheme of building Sharable Software Environment System for “Intelligence + Traditional Chinese Medicine” computer teaching laboratory is proposed and implemented. This scheme can make the software environment of computer teaching laboratory clean and lightweight， thus improving the performance of the machine. It is also convenient for lab technicians， students and teachers to easily deploy a complex experimental environment by sharing software environment resources， thus improving the efficiency of the course experiment and helping the development and talents cultivation of Intelligence + Traditional Chinese Medicine.

Key words： Intelligence + Traditional Chinese Medicine; computer teaching laboratory; Sharable Software Environment System; the efficiency of the course experiment