计算机教学实验中心信息化管理探索与实践

霍迎秋， 费攀峰， 张晓峰， 范 军， 朱珊娜

(西北农林科技大学 信息工程学院，陕西 杨凌 712100)



·实验教学示范中心建设·

计算机教学实验中心信息化管理探索与实践

霍迎秋， 费攀峰， 张晓峰， 范 军， 朱珊娜

(西北农林科技大学 信息工程学院，陕西 杨凌 712100)

仪器设备的高效管理和维护是提升实验教学质量的重要基础保障，针对实验室管理过程中存在的各种问题，以西北农林科技大学计算机教学实验中心为例，采用先进的信息技术，如主机还原技术、访问控制技术、虚拟技术、电子教室、计费管理和网络监控等改进教学实验中心的管理，信息技术的应用极大地改善了计算机教学实验中心的实习环境，为实验教学的顺利开展提供了坚实的保障。

访问控制； 信息技术； 计费管理； 网络监控； 还原技术

0 引 言

高校教学实验中心是人才培养和科学研究的重要平台[1-3]，是衡量学校办学水平的重要标志之一。计算机教学实验中心直接管理众多仪器设备，如计算机、服务器、交换机、各种专业的实验箱等设备，如何高效管理和使用如此众多的实验设备，充分发挥设备的价值，完成繁重的教学实验和科研实验任务，是一个非常重要且有意义的问题。近年来，基于网络化、信息化的管理技术已应用到实验室管理之中，如基于SNMP协议开发管理系统对设备进行管理[4-5]，基于WEB开发B/S结构的管理系统简化部署[6-7]，基于ARP协议开发局域网管理系统[8-9]和分布式监控系统[10]等，都取得了很好的管理效果。信息化管理技术的应用简化了纷繁复杂的管理任务，提高了工作效率，为保障教学实验和科研实验的有序进行提供了坚实的基础。

1 计算机教学实验中心现状分析

计算机教学实验中心是陕西省省级计算机实验教学示范中心，实行学校与信息工程学院两级管理，实验室对外开放。实验中心总建筑面积5 000 m2，拥有1 000余台联想高性能PC机、24台IBM服务器、1台Cisco4506核心交换机、1台天融信防火墙、18台Cisco3560三层交换机和60余台Cisco2960二层交换机，以及高性能平台、高光谱平台、三维打印机和数字化仪。共设有网络应用技术实验室、程序设计实验室、数字媒体实验室、电子商务实验室、计算机应用技术实验室、信息检索实验室、软件工程实验室、大数据管理实验室、软件测试实验室、网络与信息安全实验室、组成与接口实验室、嵌入式系统实验室、单片机与控制实验室，数电模电实验室等14个功能实验室和高性能计算平台、高光谱成像平台、三维扫描与数字化平台等3个大型仪器科研服务平台。功能结构图，如图1所示。

图1 实验中心功能结构图

实验中心的主要职责是，完成学校大学计算机文化基础、计算机网络基础、程序设计等公共课程的实验教学任务和信息工程学院计算机科学与技术、信息管理与信息系统、电子商务、软件工程等4个专业81门专业课程的实验教学任务，同时承担国家财政部会计职称考试(西北考点)，省全国计算机等级考试、省会计从业资格考试、NIT考试、NTET考试等每年一度的大型无纸化网络考试，以及大学计算机文化基础、计算机网络基础、linux程序设计、ACM选报赛、C语言程序设计、JAVA程序设计等很多课程的无纸化网络考试。大量的实验教学和频繁的网络化考试，给实验室管理人员带来了挑战，必须实施信息化、网络化的管理，才能够提高工作效率，顺利完成实验教学任务。为此计算机教学实验中心搭建了千兆接入、万兆主干的高速局域网，将14个专业实验室、3个科研平台与校园网互联起来，通过校园网连入全国教育科研网络和Internet。高速局域网为课程实验和无纸化网络考试的进行提供了硬件基础支持。实验中心网络拓扑结构图，见图2。每个实验室划分为一个VLAN，共设置14个VLAN。VLAN之间实行访问控制不能互相通信，以缩小故障区，保证整个实验中心的网络稳定。

2 信息化技术应用的探索与实践

计算机教学实验中心结合多年的实践教学经验，通过不断探索将信息技术应用到具体教学管理实践中，大大简化了重复性的操作，降低了出错的概率，提高了工作的效率，保障了实验教学的顺利进行。下面将分几个方面具体介绍在实验教学中应用到的各项信息技术。

图2 实验中心拓扑结构

2.1 主机控制与管理

主机的控制与管理是实验中心最重要的工作。根据各个实验室安排实验课程的不同，在样本主机上安装相应课程的软件并配置好实验环境，接着对主机系统安全配置及网络参数的配置，最后通过局域网网络对拷将样本主机的系统分发到实验室的每台计算机上。涉及到的主要管理技术包含如下两个方面。

(1) 主机系统配置。主机系统各项参数的配置对操作系统的运行效率起到关键的作用。①将主机名、IP地址和主机位置统一起来，如网络与安全实验室内座位编号01的主机命名为NET001，相应的IP地址设置为：172.16.0.1，子网掩码：255.255.255.0，网关为：172.16.0.252。这样设置有利于故障的快速查询。②在主机上安装防病毒软件，开启ARP防御，防止个别电脑感染网络病毒，造成整个实验室的瘫痪。关闭不用的端口和服务，保证主机安全。③设置晚上11:00自动关机，避免主机不关机的现象发生，节约电力资源。④开发参数设置批处理程序，自动获取实验室内主机的MAC地址，依据MAC地址进行IP地址配置和主机名修改。将管理人员从繁琐的手动设置中解放出来，提高工作效率。⑤开发批处理程序自动进行磁盘映射，主要是为等级考试中磁盘映射服务。

(2) 主机硬件保护及操作系统网络对拷。实验室频繁的用机实验且用户的不固定化，加之各类用户有着各自的操作习惯，如上网、玩游戏等，会更改一些计算机设置、下载程序或安装插件等，导致病毒侵袭、木马横行，有时会造成无法正常关机、系统蓝屏和应用软件故障，甚至系统瘫痪及数据被非法利用或破坏。因此实验中心为每台主机都配置了硬件还原卡，系统重启后自动恢复到原始状态，保护主机的安全。同时硬件还原卡也可以批量修改主机名、IP地址等参数，但是缺点是必须在DOS环境下进行。而上面提到的“参数设置批处理程序”是基于操作系统进行的，可以根据具体应用需求选择。更重要的是还原卡可以网络对拷系统，将样本主机的系统复制到实验室内其他主机上，而不用手动一台一台的安装操作系统和软件，提高了工作效率。

网络对拷的具体操作步骤为，将已安装好操作系统和应用软件的主机作为样本，即发送端，开机按【F10】进入网络对拷界面，设置为“发送端”进入等待其他用户登录的状态。如图3所示。其他主机作为“接收端”，开机自动连接到发送端上。待所有的“接收端”登录到发送端，点击“发送数据”就可以将样本主机的系统拷贝到实验室其他主机上了。

图3 网络对拷

2.2 局域网控制与管理

(1) 主机访问控制管理。局域网内主机访问控制管理是在教学实践中应用最频繁的操作，如当某个实验室进行网络考试时，为了防止作弊行为发生，需要使所有的主机只能连接考试服务器而不能上网。为此实验中心开发了网络边界管理软件，在代理服务器上自动配置访问控制规则[11]，选择性地对流经代理服务器的数据流进行禁止或放行，以此实现对所有主机的访问控制。软件主要界面，如图4所示。

(2) 抓包分析检测故障机。尽管各个实验室内的主机都安装了安全防护软件，由于实验教学量非常大，学生频繁用机，还是不可避免会感染病毒或木马，网络病毒的特点是通过网络迅速传播，造成整个实验室网速慢、不稳定，甚至瘫痪。为了应对这种情况的发生，迅速定位故障机，解决故障。每个实验室都配置1台管理机，安装Ethereal抓包分析软件[12]，侦听网络中传输的数据包，并进行数据分析。找到病毒源，迅速解决故障。

图4 网络边界管理

(3) 多媒体电子教室。将多媒体电子教室软件应用到实验中心教学实验中，极大的方便了网络实验教学的进行，提高了实验教学的效果。主要突出的优点：①教师可以利用“屏幕广播”和“语音教学”功能完成班级集体授课或只针对部分学生辅导，也可以通过点对点的操作与学生交流，针对不同程度的学生布置不同的学习内容，并且实施有针对性的辅导。②学生可以通过“举手发言”功能参与到虚拟的电子教室课堂互动中。③教师可以监控到每个学生的实验过程，必要时可控制学生机，对其进行远程辅导。④教师机可以将本地的操作和讲解过程进行录像，供以后回放，实现电子备课。⑤“文件分发”功能可以将教师机上的文件分发到每个学生机上。学生也可以通过“作业提交”功能提交作业。⑥可以实现“远程关机”、“远程开机”、“程序限制”、“远程设置”等常用的机房管理功能，实现机房的零管理。

2.3 虚拟技术的应用

(1) 主机虚拟化。一些课程的实验教学，如计算机网络应用基础、Linux程序设计，需要用到多个操作系统环境。如果采用每台主机安装多个操作系统进行不同的实验课程时需要频繁切换，给学生做实验带来不便，也增加了出问题的概率，增加了管理成本。采用在主机端安装VMWare虚拟机软件[13]，将一台物理主机虚拟为多台逻辑主机，不同的逻辑主机安装不同的操作系统，如宿主机安装Win7系统，虚拟机安装“Windows2003”和“Linux”操作系统，从而在一个操作系统上实现多个虚拟机得多操作系统，实现多系统的实验环境，既方便了学生做实验也方便了实验室人员的管理。

(2) 服务器虚拟化。虚拟技术也应用到了服务器端，通过在服务器上安装服务器版虚拟软件“VMWare”将服务器虚拟为多台逻辑服务器[14-15]，每台服务器分别配置一个服务，如作业管理系统、实习报告提交系统、c语言判题系统等，充分发挥服务器的硬件性能，能够在确保投入成本的同时，提高运营效率，节约能源降低经济成本和空间浪费。

(3) 桌面虚拟技术。通过搭建桌面云计算平台，可以利用虚拟化技术实现桌面(包括系统、应用、数据)和设备的分离[16-17]。桌面的管理完全集中到服务器端，从而实现桌面系统的集中管理、灵活部署、灾难恢复等，能够极大的降低运维的工作量，同时，数据的安全性得到保障，并能够实现随时随地的个人桌面访问。目前，学院正在研究搭建桌面云的技术方案，期望可以通过云平台进一步改善教学实验、科研环境，提升实验教学质量。

2.4 实验室开放及计费管理

实验室实行开放式管理，即在满足实验教学之余，对外开放象征性的收取水电和管理费用。实验室有课程实验时，管理人员将所有主机设置为免费上机，实验结束设置为对外开放模式。学生可以持学校的“一卡通”刷卡上机，实验结束后，刷卡下机。为此学院和公司联合开发了分布式“计费管理系统”。为学生提供一个自由、开放的实验教学环境，有利于提高学生的实践动手能力，培养创新性思维。

2.5 网络化视频监控系统

为了加强对实验室的安全防范和管理，搭建了“分布式视频监控系统”见图5。实验中心任何一台电脑都可以通过浏览器对各个实验室的设备进行实时、有效的监控，防止不测事件的发生，保证了实验中心设备的安全。同时实验中心承办的各类大型无纸化网络考试，如全国会计职称考试，陕西省会计从业资格考试，考试中心也要求能够通过互联网对考场进行远程监控，并录像保存，防止作弊情况的发生，保证考试的公平合理。

图5 监控系统结构图

3 结 语

中心信息化管理方案，目前除桌面虚拟化管理尚未实施，其他信息化管理方案已全部实施完成。通过信息化改造，实验中心的管理层次更加清晰，管理手段更加高效、便捷。为实验教学的顺利进行提供了坚实

的保障。通过网络化、智能化的主机管理，提高了管理效率，有效保障了设备的运行，使设备利用率保持在99%以上。通过有效的主机控制管理及故障分析软件，及时发现网络故障点，节省了故障排查时间，为故障的顺利解决提供了先决条件。通过电子教室管理软件，使电子课堂分组实验，分组讨论成为可能，提高了课程实验效果。老师和同学都给予了积极的评价。通过计费管理软件，为实验室对外开放提供可能，为学生课外实验和创新活动提供了便利，同时提高了设备的利用率。信息化的网络监控方案为实验室设备安全、防火、防盗、无纸化考试，提供了有效的监测手段。信息技术的应用极大简化了实验中心网络管理操作，解决了以前没有办法解决的问题，提高了管理效率，更好地保障了实验教学的顺利开展。

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On Information Management for Computer Teaching Experiment Center

HUOYing-qiu,FEIPan-feng,ZHANGXiao-feng,FANJun,ZHUShan-na

(College of Information Engineering, Northwest A & F University， Yangling 712100, China)

The efficient management and maintenance for equipment is the foundation to improve the experimental teaching quality. For the various problems existed in the lab management, taking the computer teaching experiment center of Northwest A&F University as an example, some information technologies are introduced in experimental teaching, such as instant restore, access control, virtualization technology, e-learning classroom, accounting management and network monitor. It is the information technology that improves the experimental environment of the experimental teaching center significantly and provides the solid foundation for the smooth progress of the teaching.

access control; information technology; accounting management; network monitor; restore technology

2015-03-26

国家自然科学基金项目(61271280)；中央高校科技创新一般项目(2014YB067)；大学生科技创新国家级项目(201410712095)；校级计算机网络优质课程建设项目

霍迎秋(1978-)，男，河北唐山人，博士，实验师，研究方向：计算机网络、并行计算。

Tel.：18092121869；E-mail:fallying@nwsuaf.edu.cn

TP 393

A

1006-7167(2016)01-0125-04