中医院校计算机实验室数字化设计与实现

李晓燕+李京忠

[摘要] 数字化建设是提高中医院校计算机教学与实验水平的重要手段。本文归纳了中医院校计算机实验室存在的主要问题，对数字化建设中实验室网络环境、桌面部署、多媒体教学、虚拟实验、资源共享以及综合布线等环节进行了较全面设计和构建，拓展了教学手段，增强了学生动手能力及创新能力的培养，形成了面向中医药的教学与实践数字化空间。

[关键词] 计算机实验室；虚拟桌面部署；虚拟化实验

[中图分类号] TP383 [文献标识码] A [文章编号] 1673-7210（2018）01（c）-0171-05

[Abstract] Digital construction is an important means to improve computer teaching and experimental level in traditional Chinese medicine colleges. This paper summarizes the main problems existing in the computer laboratory of traditional Chinese medicine colleges. In the digital construction， the network environment， desktop deployment， multimedia teaching， virtual experiment， resource sharing and integrated wiring are comprehensively designed and constructed. The training of students′ practical ability and innovation ability is enhanced， formed the teaching and practice of digital space for traditional Chinese medicine.

[Key words] Computer lab； Virtual desktop deployment； Virtualization experiment

計算机技术在中医信息化领域有着广泛的应用，从望闻问切到理法方药再到文献整理，已发展成为研究和发展中医必不可少的工具。计算机实验室是学生将专业理论知识转换为实际应用能力的重要场所，一般中医院校的计算机实验室都是作为公用实验室而设置，承担着十几门计算机课程以及各学院医学专业相关课程的教学任务，需求复杂、使用率高，给计算机实验室的管理工作带来了极大挑战。如何科学有效地管理好计算机实验室，保证计算机的高效、正常运行，保障教学和科研工作顺利进行，已经成为医科院校计算机实验室管理的一个重要课题[1]。

1 中医院校计算机实验室存在的主要问题

1.1 一室多用

目前信息化已融入学校教学的各个方面，计算机实验室所起的作用越来越大，需求不断增长。但中医院校不像理工科院校各专业都有独立的计算机实验室来承担相应的教学任务，一般都是设置公用计算机实验室来满足全校的教学与实验需求。计算机实验室除承载着十几门计算机专业和医学专业课程外，每年还要承接各种计算机机考任务，如“中医执业医师考试”“住院医师考试”“医师资格人机对话考试”以及各种培训任务；同时计算机实验室作为重要的教学资源，业余时间还要对学生开放，为学生提供自主学习平台；有的院校还采用计算机实验室和语音实验室混合建设，充分共享计算机硬件资源。

1.2 系统和软件配备复杂

多教学任务需要配置多操作系统及众多软件。目前中医院校的计算机实验室多采用基于硬盘保护卡模式，可以对计算机操作系统及硬盘中数据进行保护，且在重启计算机系统后，保护卡能自动还原硬盘数据到保护之前的初始状态[2]。通过对硬盘进行多分区，每个分区安装不同操作系统和应用软件，实现多系统管理来满足不同专业课程的需求；受限于硬盘大小的限制，不可能用太多的分区来安装系统和软件，且管理众多分区也容易出现混乱；集中安装应用软件在少数几个系统，更易造成相互影响，甚至无法使用。

1.3 实验教学困难

中医院校的计算机实验室一般都缺少完善的实验环境。只能同时满足少数几门计算机课程开展实验，当课程内容差异较大时，必须重新配置机房环境；计算机实验室的硬盘保护卡，每次实验课后，都要恢复到保护状态，但在实际操作中，有些实验之间是具有一定的延续性，下节课的实验可能要在上节课实验结果的基础上继续进行，因此需要保持实验状态，传统的实验室环境很难满足这样的需求；部分学生不能在正常上课时间完成实验内容，或者想在课下对实验内容进行重复，加深理解，但由于没有专业的实验环境而无法开展，从而影响学生的实验学习效果；一些需要多台计算机共同参与完成的实验，只能采取多人一组来实施，且实验环境搭建费时费力。

2 计算机实验室数字化设计与实现

针对传统计算机实验室的存在的种种不足，我校在新校区12间计算机实验室（共计720台计算机）的建设规划中，进行了多方调研及技术分析，认为实验室建设应着重对学生的实践创新、学习交流和团队协作能力的培养。因此我们对实验室网络环境、桌面系统部署、多媒体教学平台、虚拟实验平台、资源共享平台以及综合布线等方案进行了优化，以适应新形势下对培养中医人才的需求。依托本地资源层、局域网资源层、校园网资源层3层结构体系建成的实验室运行两年多来，功能全面、整体稳定、安全可靠，信息化能力有了质的提升。

2.1 网络建设

计算机实验室网络承载着桌面虚拟化、多媒体教学、物联网、资源共享等众多应用，网络性能至关重要。路由和交换是网络建设的基础，也是各种网络应用的传输平台。实验室全部采用千兆交换机，汇聚采用万兆交换机，用6类线组网，每间实验室通过光纤接入楼层交换机，实验室间通过vlan划分，彼此拥有相互独立的私有网段，每台计算机设置固定IP地址，千兆到桌面；实验室之间可根据需要互通互联，学生通过锐捷认证访问校园网和互联网。为了加强学生动手能力的培养，我们还特意建设了一间小组讨论式计算机实验室，每组6人，共8组。每组都配有交换机、路由器以及各种网络工具，学生自己搭建局域网或广域网测试平台，通过熟悉组网设计、模拟真实环境、排除网络故障，熟练掌握网络实用技术。良好的网络环境，为计算机实验室的各项应用打下了良好基础。计算机实验室网络架构见图1。endprint

2.2 虚拟桌面部署

桌面虚拟化就是将桌面操作系统和应用程序进行虚拟化并以文件的形式存储或运行于云中，经过虚拟化的操作系统和应用软件再通过云服务提供给客户机。桌面虚拟化技术使客户机的桌面部署变得更加高效、可靠、安全，实现桌面管理管理高度统一和集中。

DAWNSTOR桌面虚拟化系统是一个具有可灵活分配软硬件资源、方便整合与扩展的基于VOI架构的管理平台。把多用户、多桌面、多环境的系统集中在一起，提供统一的软件推送、软件安装、软件升级、系统远程部署、远程诊断等服务，随时可为各实验室推送其教学所需的应用环境。由一台戴尔PowerEdge R 820机架式服务器，承担全校区12间计算机实验室720台计算机虚拟桌面的保存、推送和管理任务。服务器中保存的虚拟桌面系统镜像由多个节点（快照）组成，其中每个节点都可以做为单独的桌面系统推送到客户端部署使用。虚拟桌面服务器上的镜像系统通过管理平台，采用“边用边下”的涓流技术在后台进行传输数据并缓存到本地硬盘中，当网络中断后，由于客户机硬盘缓存的数据和服务器镜像数据是一致的，因此通过高速缓存定位就可以实现服务器镜像系统和本地缓存系统的热切换，因此即使网络中断、服务器宕机也不会影响系统的正常运行。根据医学专业课程的特点安装各种专业软件，满足多系统、多专业的教学和实验需求，一直是实验室管理的难点，而现在只需根据教学需要配置桌面环境，建立相应的节点并安装好软件，将节点发布到相应实验室，即可快速部署到每个学生桌面上。实验室真正实现了灵活多变的节点式管理模式，可以在不停止实验室正常使用的情况下，快速部署多种独立的系统环境，多样化教学需求得到充分满足，实验室使用效率大幅提升。教学桌面部署、更新、恢复过程见图2。

2.3 多媒體教学平台

多媒体教学平台具有理论教学与实践教学互动的特点，从而能够有效促进计算机教学方式的多样化，是传统教学模式与现代教学模式的有机结合[3-4]。联想传奇多媒体教学软件是一套基于Windows系列操作系统的教学软件，由教师机软件和学生机软件两部分组成，其主要功能通过局域网构建一个使教师和学生之间能够互相沟通、易教易懂的教学平台。教师通过这个平台软件，实现教学演示、个别辅导、视频广播、屏幕查看、学生示范、电子抢答、警告、锁定学生、语音广播、远程命令、下发文件、收取作业、师生通话、集体讨论、分组讨论、视频点播等功能。教学演示是最重要的功能，教师的屏幕内容实时向学生传送，全屏幕显示方式时，可锁定学生机的鼠标和键盘，学生将不能操作计算机；如果是以窗口方式显示，学生则可以和教师一起，一边操作一边进行练习，实现操作与练习同时进行[3，5-6]。

教师机和学生机通过教室编号来区分所在实验室，只有教师机与学生机教室编号一致，学生机才能连入教师机，接受教师机的屏幕广播及其他管理功能。由于我们采用桌面虚拟化的方式部署系统，由一个镜像系统推送到12间实验室720台电脑，也就是说这720台计算机教室编号会完全一样，这样将无法完成教室的划分。为此，我们编写了脚本程序自动修改教师端和学生端配置文件，推送部署桌面时通过识别IP地址和MAC地址自动生成相应对的教室编号，简化了系统维护难度，否则就需要对每间实验室单独生成镜像系统进行维护。

2.4 虚实结合实验平台

实验教学是理论教学的继续和有益补充，更是对理论课教学的强化与深化，是学生全面掌握理论知识、形成创新意识、提升动手能力、改善综合能力的重要环节[7]。中医院校计算机实验应转变为与医学教育密切结合，提供满足现代数字化医院信息技术技能训练的多功能实验教学环境[8]。传统的实验教学平台比较固定，而云计算实验教学平台能够打破空间的限制，把课堂实验教学延伸到课堂之外，并且可以多人并行、相互隔离，扩大了运行空间[9-10]。云计算实验平台可以很好地适应各医学专业特点，是中医院校计算机实验室开展相关实验教学理想的选择。虚拟云实验室采用云计算的设计理念，以虚拟机为主要表现形式，可以同时部署多种实验环境。采用B/S架构，用户无需下载或安装客户端软件，便可以进行不同系统、不同环境、不同内容的实验。教师和学生无论身在何处，都可以通过云平台使用虚拟实验设备，同时学生也可以通过云平台进行交流合作，教师可看到学生的实验情况，还可以对学生进行实时指导。学生课后可以通过网络连入虚拟实验平台，利用所搭建的实验环境继续进行学习，从而突破了传统计算机实验室的时空局限性，大大提高了学生的学习兴趣与效率。

虚拟机技术从根本上改变了计算机实验的性质，将实际的机器操作转换为虚拟软件模拟，有着传统实验教学无可比拟的优势[11-12]。但真实的实验环境才是最优的选择，虚拟仿真平台虽然可以解决很多问题，但在投资有限的情况下，受限于服务器及网络的压力，部署虚拟机数量有限，不能大规模应用。通过虚实组合构建适合实验项目及开展的实验，坚持“实”为基础、“虚”为补充，取长补短，建立“虚实结合”的实验教学平台[13]。要通过虚拟实验教学弥补实际实验教学的不足，扩展学生的学习能力，培养学生的操作能力以及创新能力[14]。

2.5 资源共享平台

由于教育资源分布不足，老师与学生之间缺乏有效的资源共享途径，进而使得大量的教学资源被浪费，形成“信息孤岛”现象[15]。学生要想获得教学课件、视频教程、保存实验状态和结果等需要费很大周折，原有的计算机实验室的文件存储和访问方式已不能满足广大师生对于教学资源的安全存储和访问的需要，我们利用FTP技术及域控认证搭建了教学资源共享平台[16]。借助该平台，教师可实现教学课件、教学视频、应用软件和其他教学资源的上传，供学生下载以及课上课后收发作业，从而实现教学资源的充分共享[17]；学生也可通过该平台将自己收集到的相关学习资料进行上传，经审核后共享给他人使用。基于域控认证和服务器卷影复制技术，该平台下资源保存安全可靠，并且方便师生随时随地访问下载。依托教师主导、学生互动的双主体模式，优质教学资源在网络中真正“流动”起来，实现多层次、多类型的教学资源共享。endprint

2.6 教学管理平台

将现代管理理念与信息技术相结合，实现精确管理，提高工作效率。我们使用Microsoft SharePoint Server开发了基于web 2.0技术的“教学管理平台”，所有的教学文档均以电子文档形式存储，实现了快速检索；创建了计算机实验室电子日历，每个实验室每天每个时段的安排清晰可见，还可通过叠加的方式查看所有实验室的使用情况，有效避免了机房使用冲突；开发了计算机实验室故障报修系统，使管理人员快速了解设备状况，及时修复出现的各种问题，保障教学活动的顺利开展。

2.7 门禁系统

门禁系统与环境监控、视频监控、机房消防系统等共同组成了实验室安全保障体系。它的主要作用就是用来有效实现智能化管理实验室人员进出，以减少无谓的人力資源的投入和提高效率[18]。我校计算机实验室采取开放式、集中管理的模式，使用者具有不确定和流动性的特点，引入门禁系统是非常必要的。校园一卡通已融入到学校生活的方方面面，是学校众多信息化系统的纽带。教师在使用计算机实验室前需获得一卡通授权，在实验室门禁系统上刷卡验证，只有通过验证才能打开实验室房门获得使用权，改变了以往用门锁管理实验室的种种不便，配合视频监控系统，计算机实验室的安全性、易用性、管理性都有很大提升。

2.8 供电系统

计算机实验室对电源质量有着很高的要求，供电系统是计算机网络与通信系统运行的前提保证，电源的不稳定极易造成交换机、路由器、计算机等设备的瞬间损坏以及数据丢失[19-20]。

供电系统是实验室综合布线的一部分，采用380 V三相五线制供电形式，地线和零线分开。一个60座位计算机实验室，包含计算机、交换机、投影仪、门禁系统、灯光、空调以及幕布窗帘电控等，配电盘上至少需要十几路空气开关。如果实验室计算机同时启动产生的瞬间冲击电流很大，非常容易造成实验室及楼层的配电盘空气开关跳闸，所以使用时需要依次合闸，有时稍有不慎还会出现跳闸、合不上闸等现象，使用完毕后需要反次序断开空气开关，十分麻烦，频繁的使用造成空气开关损坏率很高。交流接触器是一种自动化的控制设备，主要用于频繁接通或分断交、直流电路，具有控制容量大，可远距离操作等特点。通过对计算机实验室进行用电功率测算，实验室供电实现了由交流接触器负责控制计算机实验室总电源，从而无需再逐个操作空气开关，一个按钮即可开启实验室全部电力供应，同时也可以在PC机和移动设备上，通过网络软件接通或关闭实验室总电源，启动实验室内各种设备实现远程操控。

3 结语

数字化建设是中医院校发展的必然趋势，是衡量高校教学和科研水平的重要指标之一[21]。我校计算机实验室数字化建设，促进了计算机教学、实验室管理、教育资源共享手段与方法的变革，减轻了实验室管理人员的工作强度，增强了学生动手能力及创新能力的培养，拓展了教学手段，形成了面向中医药的教学与实践数字化空间，促进学生将中医药知识与信息化手段的融会贯通，为培养中医类创新人才奠定了基础。

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（收稿日期：2017-10-16 本文编辑：王 娟）endprint