“智能+中医药”计算机教学实验室建设

郑晓梅 万佼 李刚

［摘 要］ 南京中医药大学计算机教学实验室在“智能+中医药”复合专业人才培养新模式的背景下，由于处于起步阶段，硬件资源有限。在“智能+中医药”计算机教学实验室建设过程中，可共享软件环境体系方案的提出与实施，既可以使计算机教学实验室软件环境干净、轻量，从而提升机器性能，又可以方便实验室技术人员、学生和教师通过共享软件环境资源轻松部署复杂实验环境，提升课程实验效率，从而助力“智能+中医药”专业发展与人才培养。

［关键词］ “智能+中医药”；计算机教学实验室；可共享软件环境体系；实验效率

［基金项目］ 2022年度江苏省教育科学“十四五”规划重点课题“数字赋能中医药创新创业实践平台建设研究”（B202201169）；2022年度教育部产学合作协同育人项目“中医药智能化产教融合实验中心”（221005875122022）；2022年度南京中医药大学本科教育教学改革研究重点项目“人工智能+X计算机教学实验室可共享软件环境体系研究”（011063001029C-20）

［作者简介］ 郑晓梅（1978―），女，江苏兴化人，工学硕士，南京中医药大学人工智能与信息技术学院副教授，教学实验中心主任，主要从事软件建模与测试、中医特征信息建模与分析验证研究；万佼（1977―），女，江苏宜兴人，中医学硕士，南京中医药大学人工智能与信息技术学院副研究员，教学副院长（通信作者），主要从事中医学、高等教育管理研究；李刚（1978―），男，江苏镇江人，信息管理学博士，南京中医药大学人工智能与信息技术学院讲师（通信作者），主要从事数字信息资源管理及服务、信息可视化研究。

［中图分类号］ G642.0［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）06-0038-04 ［收稿日期］ 2022-12-08

引言

人工智能与大数据已成为新的国家战略，教育也在从方方面面去适应人工智能带来的冲击［1］。2018年4月，教育部在《高等学校人工智能创新行动计划》中强调，要加强人工智能领域专业建设，推进“新工科”建设，形成“人工智能+X”复合专业培养新模式［2］。南京中医药大学围绕“智能+中医药”发展战略，以培养具备“以计算为基础的大数据智能化系统分析、设计、实现和应用的综合能力的计算机专业系统能力”的中医药智能人才为目标，建设“智能+中医药”相关特色课程。对“智能+中医药”计算机教学实验室软件环境的建设是专业发展、人才培养的重要支撑。

一、国内高校研究主流思路及特点

为支撑“智能+X”专业发展，针对计算机教学实验室的实验平台环境建设，国内高校展开了很多研究，如南京航空航天大学王立松等［3］提出的“面向计算机实验教学的在线虚拟實验室建设研究”、重庆大学冯永等［4］提出的“共智融合的大数据智能化人才培养研究与实践”、大连理工大学梁冰等［5］提出的“计算机科学拔尖人才培养实验室建设模式探索”、哈尔滨理工大学王敏［6］提出的“基于Docker的数据科学虚拟化实验平台构建”等，这些研究工作均给出了解决方案，且这些解决方案主要有两种思路。

思路一，本地安装部署基本软件，在此基础上购买具有超高计算能力的高性能服务器架构重型云平台，在云平台上部署各类教学平台。该思路可以很好地满足学生和教学大数据与智能类实验的要求，有如下特点：（1）需要巨额资金购买高性能服务器和计算机节点，以及已经成熟的云平台产品；（2）使用时对客户端的硬件要求低，客户端与服务器生成的虚拟机实时交互，对服务器硬件要求和网络要求非常高，如果使用人数过多、硬件负担过重或者网络不稳定，数据传输会卡顿；（3）不能充分利用客户机本身的硬件资源，软件环境不能移植，实验场所往往限制在校园网或者实验中心局域网内。

思路二，本地安装部署基本软件，在此基础上通过租赁人工智能服务云平台支撑“智能+X”的专业建设。该思路的特点：通过网络远程使用，简单、方便；需要较高的云平台租赁成本，且对网络实时性能的要求也比较高。

二、“智能+中医药”计算机实验室软件环境建设过程中存在的问题

南京中医药大学人工智能与信息技术学院在“智能+中医药”的专业发展模式下，和大多数院校“智能+X”专业一样，由于处于起步阶段，建设资金有限，硬件资源不够丰富，无法采用国内主流建设思路，存在如下问题。

1.“智能+中医药”计算机教学实验室不能做到专业实验室专用。专业实验室除了需要支撑专业教学、学生科创及教师科研工作以外，还需要支撑全校相关信息基础课程的实践教学任务、承接各类大规模考试及培训任务，专业实验室的使用功能呈现多元化需求。多元化需求使得软件系统臃肿、庞杂，拉低了计算机的运行性能，影响学生实验实践的质量和效率。

2.“智能+中医药”大数据智能化课程的建设。较多的实验项目应用软件环境安装复杂、对硬件的要求高，且很多软件环境在同一系统下存在冲突，部署困难。

3.“智能+中医药”部分实验项目软件环境部署过程复杂，共享移植需求较高。部分专业实验项目软件环境部署花费时间长，有时因为各种原因，如远程源镜像关闭无法完成环境部署，严重影响实验教学；部署的复杂应用软件环境在现有的云桌面条件下，支持同一个型号的机器批量下发，但无法支持不同型号的机器共享同传，无法使学生和教师共享，缺乏共享性。学生在课后作业、学科竞赛、创新创业时，教师在备课和科研时，对于相同的实验应用软件环境需要重新花费大量的时间进行重复部署，影响教学和科研效率。

三、“智能+中医药”计算机教学实验室可共享软件环境体系方案

为了解决“智能+中医药”计算机教学实验室建设中存在的问题，本文提出“智能+中医药”计算机教学实验室可共享软件环境体系建设方案，该方案所依赖的技术主要是基于客户端实模式虚拟化云桌面技术及Docker轻量级云计算技术，具体方案如图1所示。该建设方案具体实施步骤如下。

1.厘清多元化实验软件环境要求，保障实验环境的高性能，规划与建设云桌面虚拟实验室的系统镜像和快照群。厘清具有中医药大数据智能化特色的实践教学体系，突出大数据智能化需求，兼顾其他课程群和各类大型考试的软件环境需求，利用客户端模式的虚拟化云桌面技术产品——“江波”，进行系统环境的镜像和快照规划。先针对不同机型完成操作系统层级基础镜像的制作，在此基础上，合理规划高性能实验室的硬件资源，与任课教学、学生迭代交互，在基础镜像下，根据不同的需要制作、下发和推送系列快照。

2.梳理同一个快照下的不同软件环境，利用Docker应用容器沙箱机制，部署“智能+中医药”复杂实验项目应用软件环境，用Docker应用容器沙箱隔离机制解决“智能+中医药”复杂实验项目应用软件环境部署困难、易冲突的问题。由于Docker容器中包含了一个系统运行所需的所有环境，并且容器由镜像启动，同一个镜像启动的容器环境必定是完全一致的，所以能够保证运行环境的移植，这样只需要操作系统的内核一致，通过迁移Docker镜像就可满足实验项目软件环境在不同机型之间的可快速移植性［6］，并且可以很方便地对镜像进行修改从而改变容器的内部结构，以满足新的实验项目环境。

3.基于OpenStack，利用教学实验中心闲置服务器搭建和配置私有云，建设Docker实验环境资源池，最终形成“智能+中医药”计算机教学实验室可共享的软件环境体系。该体系将教学实验室、虚拟云桌面服务器、小型私有云、个人用户互联互通，形成一个共享环，复杂实验应用软件环境镜像在这个软件环境体系中可供各个节点共享。

本文所提出的建设方案最终所形成的软件环境共享环，可最大限度地提高软件环境部署效率。如软件开发实验室的某台计算机——机型1节点1-1-1部署了一个Docker容器实验项目镜像1，实现节点之间共享的方法和步骤：（1）基于实客户端模式虚拟云桌面技术，将节点1-1-1当前的系统做成一个新的快照上传至云桌面管理服务器的机型1的快照树中，再将该快照下发至机型1所对应的所有节点1-m-n中，实现了节点1-1-1部署镜像到节点1-m-n的共享；（2）将节点1-1-1部署的镜像1上传至私有云平台的软件环境镜像资源池，节点Px可以从资源池下载对应的镜像1来部署实验环境，实现了节点1-1-1部署镜像到Px的共享；（3）机型2的任意一个节点从私有云的镜像资源池下载对应的镜像进行部署，再将部署好的系统制作成云桌面快照上传至云桌面服务器机型2的快照树中，然后将该快照下发至机型2对应的所有的计算机节点2-m-n，实现了节点1-1-1部署镜像到节点2-m-n的共享。

教师或学生在机房外的节点P4处部署实验项目镜像2，首先将镜像2上传至云平台的镜像资源池，再按照如下方法和步骤实现节点之间的共享：（1）学生或教师Px可从资源池中下载镜像进行系统部署，实现P4到Px的共享；（2）计算机实验室教师通过实验室计算机节点下载镜像进行系统部署，制作系统快照上传至实云桌面管理服务器，再通过实客户端模式虚拟云桌面技术将快照下发至对应的机型所有节点，其他机型如法炮制，从而能够实现P4实验环境镜像到计算机实验室所有计算机节点的共享。

结语

本文所提出方案的创新点在于：（1）使用实客户端模式的虚拟云桌面技术解决“智能+中医药”专业发展模式下，计算机教学实验室复杂的多元化使用需求所导致的软件环境臃肿、计算机性能降低等问题；（2）利用Docker容器的隔离性解决由于“智能+中医药”复杂实验项目同一快照下不同实验项目应用软件环境冲突的问题；（3）整个“智能+中医药”计算机教学实验室可共享软件环境体系方案在以软件环境镜像资源私有云平台为核心的支撑下，可以实现体系节点间的软件环境镜像的共享，极大地提高环境部署效率，提高实验教学质量，助力专业发展与人才培养；（4）可在“智能+中医药”背景下可共享的软件环境体系建设模式和方案的基础上，总结“智能+X”与“智能+中医药”与高校计算机教学实验室的共性和个性，通过提炼和优化，形成“智能+X”高校计算机教学实验室可共享软件环境体系建设新模式、新思路，是国内主流解决方案的友好过渡和有力补充。

参考文献

［1］马静，缑林峰，韩小宝，等.人工智能+新工科背景下航空发动控制专业教学改革［J］.教育现代化，2022，9（6）：169-173.

［2］教育部.关于印发《高等学校人工智能创新行动计划》的通知：教技〔2018〕3号［A/OL］.（2018-04-10）［2022-10-08］.http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A16/s7062/201804/t20180410_332722.html.

［3］王立松，朱广蔚，江爱华.面向计算机实验教学的在线虚拟实验室建设研究［J］.工业和信息化教育，2018（9）：86-88.

［4］冯永，钟将，王茜，等.共智融合的大数据智能化人才培养研究与实践［J］.智能引领与智慧教育，2021（4）：16-25.

［5］梁冰，冯林.计算机科学拔尖人才培養实验室建设模式探索［J］.实验室研究与探索，2018，37（5）：278-281+293.

［6］王敏.基于Docker的数据科学虚拟化实验平台构建［J］.实验室科学，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