基于云計算的醫學院校虛擬實驗平臺構建

王偉 何寒暉

摘 要 本文針對結合醫學院校虛擬實驗室的實際情況，提出了一個基于云計算的虛擬實驗教學平臺。利用桌面云系統，搭建統一、開放的虛擬實驗管理平臺，支持用戶通過瀏覽器開展實驗，將各學科虛擬實驗室聯結起來，以提高 IT 資源和應用程序的效率和可用性。

【關鍵詞】虛擬實驗室 云計算 實驗教學平臺

1 現有虛擬實驗室的特點

虛擬實驗室的概念最初由麻省理工學院提出，發展至今，已經擴展到多個學科領域，成為高校實驗教學的重要組成部分。在國外，虛擬實驗已成功的應用于解剖教學、放射治療定位、具有危險性的人體實驗、化學虛擬現實系統等等。國內各專業教學系統和虛擬實驗系統也逐漸增多。以我校為例，目前很多課程擁有自己的實驗平臺，如計算機網絡實驗、模擬醫院信息管理、模擬藥店、虛擬生化實驗系統等。

各種各樣的虛擬實驗室在教學應用和管理方面的問題也逐漸凸顯。主要體現在以下方面。從服務器端的情況看，服務器數量雖多，但差異大，硬件配置性能相差很大，有些托管在網絡中心，有些由專業系部自己管理，資源較為分散且利用率低。從客戶端的情況看，機房大多通過傳統保護卡更新維護，日常管理維護工作量較大，不能滿足快速變化的教學需求和實驗要求。從實驗教學本身來看，高校的實驗教學對資源的要求有著顯著的時間密集性和資源一致性的特點。在上課時間，大量學生統一訪問和使用，而在沒有課程的時候，教學資源又是大量閑置，造成高峰資源不足和低峰資源浪費的雙重矛盾。

云計算技術是解決這些問題的一個可行方案，云計算將分散的計算、存儲、網絡資源集中起來，虛擬化成資源池，按需動態的為用戶提供所需的資源，具有資源節約、服務能力強、資源動態化和使用動態化等方面的優勢。

本文針對醫學院校虛擬實驗的軟硬件要求，結合云計算技術，搭建了統一的實驗管理平臺，達到合理分配資源，提高資源利用率，以實現實驗管理的靈活性，快速響應教學的變化。

2 實驗平臺整體架構

我們構建的虛擬實驗平臺是在云計算提供的服務基礎上，增加用戶層，工作過程是學生通過瀏覽器，連接到Web服務器，按照不同的學科，將不同實驗構件進行組合，進入不同的實驗場景，實現實驗創建并完成實驗。

實驗平臺的Web服務器連接組成一個內網，運行web服務、實驗所需的各種軟件和數據庫。Web服務負責管理實驗流程，響應客戶端請求，控制實驗節點完成各項實驗功能，從數據庫中讀取實驗場景、設備等信息，將操作日志和實驗結果保存于數據庫。同時，數據庫中存有各科實驗的參考資料，包括實驗教材、指導書、參考代碼、視頻教程、動畫等。客戶端只需要普通PC機，通過瀏覽器登陸即可進行實驗。平臺整體框架如圖1所示。

通過云計算提供的服務，可以在一臺物理機上部署多臺虛擬機，也可以在虛擬機上配置各種系統環境，安裝不同的服務器和數據庫軟件，而不用面對物理機一臺臺進行環境的搭建。

3 平臺的詳細設計與構建

3.1 集智云桌面管理系統的部署

集智桌面云管理系統（ADS）利用虛擬技術和PAAS、SAAS技術，通過校園網將分布在不同地點的計算機進行整合統一，通過一臺服務器實現對幾百臺電腦終端的管理集中化、部署智能化和更新維護自動化。

ADS系統可設置多個組，每組管理多個客戶端。因此，我們在應用中，根據不同機房、不同硬件配置、不同軟件環境、不同的虛擬實驗用途、不同的專業課程要求等對各種類型的計算機采用分組管理策略。在磁盤管理中，ADS允許在服務器上為每個組創建一個與之對應的虛擬磁盤。在該虛擬磁盤上進行“分區規劃、系統配置、還原方式、使用者行為管理策略”等創建一個磁盤模版。在進行部署時，我們直接將該模版復制到客戶端本地硬盤，并在虛擬磁盤上設置該磁盤的管理策略，進行磁盤剩余空間的調配。

計算機系統部署時，客戶端的系統部署與維護在后臺自動運行，一切都在客戶端正常使用中完成，無須停機停課進行系統部署維護，因而可以大幅度提升機房的日常運營維護效率。

3.2 實驗平臺網站

實驗平臺采用B/S模式，客戶端通過瀏覽器登陸網站，進入相應的虛擬實驗室，完成實驗。網站的主要功能模塊包括用戶管理、虛擬實驗室管理、虛擬實驗管理及在線交流協作等。

網站允許用戶通過瀏覽器遠程訪問服務器端的實驗程序，服務器端接受瀏覽器端發送的實驗請求，分析和處理實驗參數，經過計算模擬將結果返回。有些課程的虛擬實驗為了呈現動態交互，每一步命令執行都需要更新顯示，這增加了網絡的通信量，易導致過載。如果服務器只負責數據檢索，計算和可視化都在瀏覽器端實現，易造成網頁顯示速度太慢。因此，均衡考慮，我們將網站設計為在服務器端進行數據檢索和處理，可視化和交互在瀏覽器端完成，通過JavaScript腳本等實現。

3.3 用戶單點登錄

虛擬實驗平臺采用統一的用戶認證機制，用戶在單點登陸后，可以平臺中無障礙的穿梭于各個虛擬實驗室之間。單點登錄的實現可以是以服務器為中心的單點登錄、以客戶端為中心的單點登錄或客戶/服務器模式的單點登錄。單點登錄常見的實現機制有基于經紀人的方式、基于代理人的方式、基于網關的方式、基于令牌的方式、基于代理人和經紀人的方式等。我們利用CAS開源軟件，建立以服務器為中心的單點登錄模型，將用戶認證信息存儲在身份認證服務器上，該信息用于驗證用戶身份的合法性，由服務器為應用生成唯一不可篡改的票據。

3.4 虛擬實驗設計及運行

已有的虛擬實驗，需要將其數據庫遷移，通過Web服務提供數據存取。新的虛擬實驗，實現流程分為建模和運行兩步。建模的主要功能是建立虛擬實驗模型，包括實驗對象模型、實驗流程、實驗場景等，學科專業性較強。運行是基于預定義的實驗模型，運行虛擬實驗，存儲實驗結果，并對實驗結果評分。這一步需要實驗平臺的支持。

虛擬實驗運行的流程是：

（1）加載實驗模型。學生登錄系統，進入實驗中，系統首先從虛擬實驗模型數據庫中，加載對應的實驗模型。

（2）虛擬實驗運行。虛擬實驗引擎根據實驗模型，渲染生成界面，展現給學生，并接收用戶輸入，驅動實驗每個步驟，當實驗完成時，保存實驗結果。

（3）結果評分。學生完成實驗室，系統給出實驗評分。

4 結論

虛擬化和云計算技術從一開始就是面向應用的。本文結合虛擬實驗教學的實際情況，提出了一個基于云計算的虛擬實驗平臺，利用桌面云系統，將各學科虛擬實驗室聯結起來，支持用戶通過瀏覽器開展實驗，從而使實驗管理更為靈活高效，提高資源利用率。

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作者單位

浙江醫學高等專科學校 浙江省杭州市 310053