“智能+中醫藥”計算機教學實驗室建設

鄭曉梅 萬佼 李剛

［摘 要］ 南京中醫藥大學計算機教學實驗室在“智能+中醫藥”復合專業人才培養新模式的背景下，由于處于起步階段，硬件資源有限。在“智能+中醫藥”計算機教學實驗室建設過程中，可共享軟件環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境干凈、輕量，從而提升機器性能，又可以方便實驗室技術人員、學生和教師通過共享軟件環境資源輕松部署復雜實驗環境，提升課程實驗效率，從而助力“智能+中醫藥”專業發展與人才培養。

［關鍵詞］ “智能+中醫藥”；計算機教學實驗室；可共享軟件環境體系；實驗效率

［基金項目］ 2022年度江蘇省教育科學“十四五”規劃重點課題“數字賦能中醫藥創新創業實踐平臺建設研究”（B202201169）；2022年度教育部產學合作協同育人項目“中醫藥智能化產教融合實驗中心”（221005875122022）；2022年度南京中醫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，南京中醫藥大學人工智能與信息技術學院副教授，教學實驗中心主任，主要從事軟件建模與測試、中醫特征信息建模與分析驗證研究；萬佼（1977―），女，江蘇宜興人，中醫學碩士，南京中醫藥大學人工智能與信息技術學院副研究員，教學副院長（通信作者），主要從事中醫學、高等教育管理研究；李剛（1978―），男，江蘇鎮江人，信息管理學博士，南京中醫藥大學人工智能與信息技術學院講師（通信作者），主要從事數字信息資源管理及服務、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

人工智能與大數據已成為新的國家戰略，教育也在從方方面面去適應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新行動計劃》中強調，要加強人工智能領域專業建設，推進“新工科”建設，形成“人工智能+X”復合專業培養新模式［2］。南京中醫藥大學圍繞“智能+中醫藥”發展戰略，以培養具備“以計算為基礎的大數據智能化系統分析、設計、實現和應用的綜合能力的計算機專業系統能力”的中醫藥智能人才為目標，建設“智能+中醫藥”相關特色課程。對“智能+中醫藥”計算機教學實驗室軟件環境的建設是專業發展、人才培養的重要支撐。

一、國內高校研究主流思路及特點

為支撐“智能+X”專業發展，針對計算機教學實驗室的實驗平臺環境建設，國內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研究”、重慶大學馮永等［4］提出的“共智融合的大數據智能化人才培養研究與實踐”、大連理工大學梁冰等［5］提出的“計算機科學拔尖人才培養實驗室建設模式探索”、哈爾濱理工大學王敏［6］提出的“基于Docker的數據科學虛擬化實驗平臺構建”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，在此基礎上購買具有超高計算能力的高性能服務器架構重型云平臺，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據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器和計算機節點，以及已經成熟的云平臺產品；（2）使用時對客戶端的硬件要求低，客戶端與服務器生成的虛擬機實時交互，對服務器硬件要求和網絡要求非常高，如果使用人數過多、硬件負擔過重或者網絡不穩定，數據傳輸會卡頓；（3）不能充分利用客戶機本身的硬件資源，軟件環境不能移植，實驗場所往往限制在校園網或者實驗中心局域網內。

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

二、“智能+中醫藥”計算機實驗室軟件環境建設過程中存在的問題

南京中醫藥大學人工智能與信息技術學院在“智能+中醫藥”的專業發展模式下，和大多數院校“智能+X”專業一樣，由于處于起步階段，建設資金有限，硬件資源不夠豐富，無法采用國內主流建設思路，存在如下問題。

1.“智能+中醫藥”計算機教學實驗室不能做到專業實驗室專用。專業實驗室除了需要支撐專業教學、學生科創及教師科研工作以外，還需要支撐全校相關信息基礎課程的實踐教學任務、承接各類大規模考試及培訓任務，專業實驗室的使用功能呈現多元化需求。多元化需求使得軟件系統臃腫、龐雜，拉低了計算機的運行性能，影響學生實驗實踐的質量和效率。

2.“智能+中醫藥”大數據智能化課程的建設。較多的實驗項目應用軟件環境安裝復雜、對硬件的要求高，且很多軟件環境在同一系統下存在沖突，部署困難。

3.“智能+中醫藥”部分實驗項目軟件環境部署過程復雜，共享移植需求較高。部分專業實驗項目軟件環境部署花費時間長，有時因為各種原因，如遠程源鏡像關閉無法完成環境部署，嚴重影響實驗教學；部署的復雜應用軟件環境在現有的云桌面條件下，支持同一個型號的機器批量下發，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、學科競賽、創新創業時，教師在備課和科研時，對于相同的實驗應用軟件環境需要重新花費大量的時間進行重復部署，影響教學和科研效率。

三、“智能+中醫藥”計算機教學實驗室可共享軟件環境體系方案

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

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

2.梳理同一個快照下的不同軟件環境，利用Docker應用容器沙箱機制，部署“智能+中醫藥”復雜實驗項目應用軟件環境，用Docker應用容器沙箱隔離機制解決“智能+中醫藥”復雜實驗項目應用軟件環境部署困難、易沖突的問題。由于Docker容器中包含了一個系統運行所需的所有環境，并且容器由鏡像啟動，同一個鏡像啟動的容器環境必定是完全一致的，所以能夠保證運行環境的移植，這樣只需要操作系統的內核一致，通過遷移Docker鏡像就可滿足實驗項目軟件環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容器的內部結構，以滿足新的實驗項目環境。

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

本文所提出的建設方案最終所形成的軟件環境共享環，可最大限度地提高軟件環境部署效率。如軟件開發實驗室的某臺計算機——機型1節點1-1-1部署了一個Docker容器實驗項目鏡像1，實現節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，將節點1-1-1當前的系統做成一個新的快照上傳至云桌面管理服務器的機型1的快照樹中，再將該快照下發至機型1所對應的所有節點1-m-n中，實現了節點1-1-1部署鏡像到節點1-m-n的共享；（2）將節點1-1-1部署的鏡像1上傳至私有云平臺的軟件環境鏡像資源池，節點Px可以從資源池下載對應的鏡像1來部署實驗環境，實現了節點1-1-1部署鏡像到Px的共享；（3）機型2的任意一個節點從私有云的鏡像資源池下載對應的鏡像進行部署，再將部署好的系統制作成云桌面快照上傳至云桌面服務器機型2的快照樹中，然后將該快照下發至機型2對應的所有的計算機節點2-m-n，實現了節點1-1-1部署鏡像到節點2-m-n的共享。

教師或學生在機房外的節點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節點之間的共享：（1）學生或教師Px可從資源池中下載鏡像進行系統部署，實現P4到Px的共享；（2）計算機實驗室教師通過實驗室計算機節點下載鏡像進行系統部署，制作系統快照上傳至實云桌面管理服務器，再通過實客戶端模式虛擬云桌面技術將快照下發至對應的機型所有節點，其他機型如法炮制，從而能夠實現P4實驗環境鏡像到計算機實驗室所有計算機節點的共享。

結語

本文所提出方案的創新點在于：（1）使用實客戶端模式的虛擬云桌面技術解決“智能+中醫藥”專業發展模式下，計算機教學實驗室復雜的多元化使用需求所導致的軟件環境臃腫、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+中醫藥”復雜實驗項目同一快照下不同實驗項目應用軟件環境沖突的問題；（3）整個“智能+中醫藥”計算機教學實驗室可共享軟件環境體系方案在以軟件環境鏡像資源私有云平臺為核心的支撐下，可以實現體系節點間的軟件環境鏡像的共享，極大地提高環境部署效率，提高實驗教學質量，助力專業發展與人才培養；（4）可在“智能+中醫藥”背景下可共享的軟件環境體系建設模式和方案的基礎上，總結“智能+X”與“智能+中醫藥”與高校計算機教學實驗室的共性和個性，通過提煉和優化，形成“智能+X”高校計算機教學實驗室可共享軟件環境體系建設新模式、新思路，是國內主流解決方案的友好過渡和有力補充。

參考文獻

［1］馬靜，緱林峰，韓小寶，等.人工智能+新工科背景下航空發動控制專業教學改革［J］.教育現代化，2022，9（6）：169-173.

［2］教育部.關于印發《高等學校人工智能創新行動計劃》的通知：教技〔2018〕3號［A/OL］.（2018-04-10）［2022-10-08］.http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A16/s7062/201804/t20180410_332722.html.

［3］王立松，朱廣蔚，江愛華.面向計算機實驗教學的在線虛擬實驗室建設研究［J］.工業和信息化教育，2018（9）：86-88.

［4］馮永，鐘將，王茜，等.共智融合的大數據智能化人才培養研究與實踐［J］.智能引領與智慧教育，2021（4）：16-25.

［5］梁冰，馮林.計算機科學拔尖人才培養實驗室建設模式探索［J］.實驗室研究與探索，2018，37（5）：278-281+293.

［6］王敏.基于Docker的數據科學虛擬化實驗平臺構建［J］.實驗室科學，2019，22（3）：104-106+110.

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