计算机实验教学系统建设与管理方案研究

路 遥， 范雪松， 崔 建

（北京大学计算中心，北京100871）

0 引 言

计算机实验教学面对的是全校文、理、工、医多专业多学科的本、研学生，面对不同学科知识体系的需求，计算机实验教学平台的建设也有着应对不同需求的不同功能。其实教育在培养学生成长的过程中，一直都在进行着手和脑的实践训练，从小先锻炼孩子的认知和手脚的灵活性，大一点的时候锻炼手和脑配合的协调性，随着孩子的不断成长对于体魄和心智的培养从未间断过，而到了大学里的教学课程中，也应该让学生继续着动手实践和理论学习的交融，这是经过验证的培养学生独立思考能力、优秀的学术素养、开阔的创造创新能力最切实有效的方式方法。

1 实验教学示范中心管理问题探析

高校计算机实验教学示范中心是开展计算机实验教学的重要平台，保证计算机实验教学系统的稳定运行是实施实践教学活动的基础，直接影响着教学工作的开展和实践教学效果［1］。多年来高校的计算机实验室、多媒体教室都在信息技术的飞速发展中不断升级更新，很多计算机实验室中尝试应用新的技术、新理念和新模式都来源于管理大型服务器机房中积累的经验［2］。在计算机实验室管理中可以深刻地感受到随着计算机实践教学模式的改变而日益增长的多样化需求，传统管理模式在很多方面都有些力不从心，无法做到灵活高效应对实际遇到的计算机教学应用需求［3］。很多基于硬件的改造升级只能在环境或外围浅层次去改善计算机实验教学条件，而内在的管理技术拓展和实验教学模式融合才是计算机实验教学提升综合能力，寻求机房发展瓶颈突破的关键［4］。

2 系统管理方案架构设计

管理计算机实验教学示范中心中的计算机软、硬件及网络是很多管理工作员的基本任务之一，尤其是系统软件是最繁琐的一项任务，为了满足上机教学用户的多种需求和实验室承接各种不同应用的实际运营，多个不同的操作系统、多种不同应用软件以及快速响应的系统切换、更新和还原都是管理工作人员在实际工作中天天面临的问题。众所周知，现在计算机实验室的计算机系统管理和系统智能应用被热推虚拟化技术，其在计算机应用领域的应用大有颠覆传统机房系统管理模式的趋势［5］。大家熟知机房使用的虚拟化技术主要可以分为VDI（虚拟桌面架构Virtual Desktop Infrastructure）和VOI（虚拟系统架构Virtual OS Infrastructure）［6］。在实际使用中可以简单地根据各自特性归结为VOI趋向于系统部署管理，VDI 趋向于云桌面应用管理，所以本文探讨的计算机实验室系统管理与部署最适合使用的虚拟化技术就是基于VOI的［7-8］。目前商业化的解决办法是通过购买基于VOI的虚拟化系统管理软件实现计算机实验室的系统部署和管理。但商业软件价格不菲，对于经费紧张和需求并不是非常迫切的实验室来说可能不是好的选择，因此我校设计并完善了一套使用免费应用程序、自主编写代码，并成功部署运行的计算机实验室系统管理方案［9-10］（以下简称综合系统管理方案）（见图1）。

图1 综合实验室系统管理方案

该方案充分考虑了不同角色的使用者对于实验室系统的不同需求，并且进行相应的权限分配，同时兼顾到了课程教学、上机实验、考试培训等诸多灵活的系统使用模式，对实验室系统进行了分层次分步骤地建设与管理，可以灵活满足各方面需求，充分发挥实验室系统的效用。

3 系统管理方案实现

综合系统管理方案包含了计算机系统的制作配置、软件安装和设置、系统镜像制作分发、系统自动初始化配置、不同系统之间的自动切换控制等五部分。

3.1 系统的制作与配置

要建立管理系统，首先需要完成所需的计算机系统的制作与配置。传统计算机实验室的计算机系统多安装微软的操作系统，目前比较普遍的是Windows7 和Windows10，大部分的计算机实验室采用1 到2 个系统即可满足大部分使用需求，一个系统用于正常教学使用，一个用于特殊的使用需求。

3.2 软件安装和设置

软件安装和设置，除了大量开源软件以外，商业正版软件的安装建议都使用网络版许可的认证方式，后期便于多系统的部署及激活。个别软件需要的运行权限较大，在安装完毕后建议在对应的文件夹中提升权限。目前我校的使用环境是操作系统采用KMS 机制进行注册激活。购买的商业软件均使用网络版许可方式进行认证运行，开源软件种类繁多，版本升级较快，与授课教师协商后选用主流稳定版本，每学期进行更新升级。在安装好系统软件后需要设置好计算机自动配置系统参数的无人应答响应程序和文件，做好上述工作后再使用Windows 自带的Sysprep 命令对系统进行初始化封装，这也是在制作系统镜像前的最后一步。

3.3 系统镜像的制作和分发

系统镜像的制作和分发，这是商业软件最突出的优势环节，我校使用过两种免费方案，第1 种采用传统的较早版本的GHOST软件通过网络实现客户端和教师端的磁盘映射连接，每台客户端运行GHOST程序可以实现系统制作上传到服务器和从服务器上读取镜像文件进行系统恢复。第2 种采用目前最流行的免费开源的FOG软件，对准备好的客户端系统通过PXE 与服务器连接并上传封装好的系统镜像，同时也可以实现分发部署系统。

采用GHOST的方案比较简单，客户端通过USB启动盘加载网卡驱动，通过命令行NET USE命令与服务器磁盘进行映射连接，运行提前配置好的批处理文件。

该方案对于管理人员的技术水平要求不高，只要第一次配置完，平时恢复系统时只用插拔个USB 启动盘即可实现系统恢复，但传输速度较慢，服务器压力大。

采用FOG的方案运行效率更高，FOG是一个基于Linux的免费、开源、图形界面的应用程序，支持计算机实验室使用最多的微软Windows系统（XP、Vista、7、8/8.1、10）以及Linux 和Mac OS X，并且支持Web 界面的管理操作，其摒弃传统的磁盘、光盘、U 盘等引导介质，客户端计算机通过PXE引导连接到服务器后自动下载一个小型的Linux 客户端程序，实现后续的系统备份和恢复等功能，本文使用的是REDHAT Linux，同样的硬件和网络环境下FOG方案比GHOST的方案效率高出100%，但对系统管理员技术要求较高［11］。比较有意思的是在我校举行的第42 届ACM-ICPC 国际大学生程序设计竞赛全球总决赛期间，与ICPC 组委会的技术团队（来自美国、俄罗斯、加拿大、德国、瑞士、意大利等多个国家高校的技术人员）一起工作，他们都反馈自己在使用FOG 程序进行各种场合下的系统备份、恢复和部署工作，对于FOG的评价极高，因此实验室采用FOG 的方案用于计算机实验室系统的部署与管理［12］。

3.4 系统自动初始化配置

系统自动初始化配置，这部分编写了相应的配置程序（见图1）。

图1 自动初始化配置

根据当前计算机网卡的MAC地址进行匹配，从提前编排好的系统配置信息清单中读取对应的数据，通过运行命令行去配置当前计算机的机器名、IP 地址、子网掩码、网关、DNS、加域环境、配置权限等内容（见图2）。

图2 配置信息列表

程序自动运行过程中安排了多次计算机的自动重启，保证每一步配置的生效，根据程序运行最后一步是通过kms命令去激活Windows 系统和Office 软件（见图3），代码设计在系统环境变量中可以查看当前自动配置进行的步骤是否顺利完成，所有操作均写入自定义的日志文件中。

图3 操作日志记录

系统自动执行完配置程序后将会停留在Windows登陆界面，如果配置成功将可以看到域用户登录的选项，多个系统情况下每个系统的配置方式一样，至此此台计算机可以投入使用。

3.5 自动切换控制

不同系统之间的自动切换控制，这部分也是自主编写的代码进行操作，通过Windows系统中的bcdedit命令进行修改系统中的标识和默认顺序，实现了开机直接进入系统，不给用户提供系统选择菜单，做到其他非当前选择的系统对用户隐身。控制开机进入到哪个系统是通过Java程序编写系统标识，预先设定一台服务器作为目标机器，该服务器可以和计算机实验室内的计算机进行网络通信，这里设置的特定端口为3575，通信过程中发现服务器给的指令标识要切换进入特定系统，实验室内的计算机将自动重启切换（见图4）。

图4 系统自动切换

4 结 语

由于篇幅有限不在此展开阐述全部流程的运行细节，以上5 步可组成一套综合的计算机实验室系统部署和管理方案。在多年计算机实验室管理工作中，技术人员的工作经常是要不停地更新计算机的操作系统，尽管有各种辅助的商用软件，但对于新产品的调研往往并不能完全满足日益增长的使用需求，这时候就需要有自身具备以开源应用为基础，二次开发寻求更适合自身使用环境的综合方案［13］，需换位思考，将发展重点重新回归到最初的发展、建设、服务理念上，针对老师和学生在实践教学中遇到的问题进行总结，如何提高计算机实践教学效率［14］，如果集中让学生同步进行授课与动手实践的融合，如何更充分地发挥计算机机房在实践教学中的功能［15］，如何更好地运用热点技术、新理念和现有资源，以计算机实验教学的溯源需求为切入点［16］，为老师和学生提供更便利的计算机实验教学平台功能、支持和服务是我们真正要解决和攻克的问题。