基于人工智能的跨專業(yè)實驗教學(xué)平臺云桌面構(gòu)建研究

劉 君（湖北經(jīng)濟(jì)學(xué)院，湖北 武漢 430205）

結(jié)合《國家級實驗教學(xué)示范中心管理辦法》，為創(chuàng)新實驗室管理機(jī)制，探索實驗實訓(xùn)教學(xué)改革，開展實驗實訓(xùn)教學(xué)，把實驗教學(xué)中心建成學(xué)校組織實驗實訓(xùn)教學(xué)、培養(yǎng)學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新精神的重要教學(xué)基地，學(xué)校對實驗教學(xué)的歸口服務(wù)職能從邊界上給予擴(kuò)展進(jìn)行整體轉(zhuǎn)型改革。

一、云桌面構(gòu)建的研究背景

處于改革進(jìn)程中的實驗教學(xué)中心需實現(xiàn)三個階段性目標(biāo)。其一是樹立先進(jìn)的教育教學(xué)理念，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，大膽創(chuàng)新，完善實驗教學(xué)體系，推進(jìn)實驗教學(xué)的系統(tǒng)化標(biāo)準(zhǔn)化，為打造一流本科教育提供有力支撐；其二是搭建完備的實驗教學(xué)平臺。形成特色鮮明的實驗室文化，建設(shè)高水平的實驗教學(xué)團(tuán)隊，推出一批顯性教研教改成果；其三為力爭到2025年，打造出涵蓋教學(xué)改革成果孵化基地、實驗實訓(xùn)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教學(xué)基地、實驗教學(xué)師資培養(yǎng)基地、實驗教學(xué)資源共享基地、社會咨詢服務(wù)培訓(xùn)基地的綜合體，達(dá)到國內(nèi)同類平臺的一流水平。

通過剝離與實驗教學(xué)無關(guān)的職能，實驗教學(xué)中心職責(zé)得以進(jìn)一步明晰，主要涵蓋實驗實訓(xùn)教學(xué)體系建設(shè)；實驗實訓(xùn)教學(xué)及競賽的組織實施、管理和考核；實驗實訓(xùn)課程建設(shè)；實驗教學(xué)隊伍建設(shè)；實驗教學(xué)改革研究、方案制定和項目申報；實驗教學(xué)資源的配置與調(diào)度；實驗儀器設(shè)備及使用統(tǒng)計、分析和績效評價；實驗實訓(xùn)教學(xué)資源的開放運行等復(fù)合內(nèi)容。作為教學(xué)部門，實驗教學(xué)中心在承擔(dān)跨專業(yè)跨學(xué)科綜合實驗實訓(xùn)的教學(xué)設(shè)計與實施工作中，圍繞學(xué)?！叭腥龑崱比瞬排囵B(yǎng)目標(biāo)，陸續(xù)開設(shè)出《企業(yè)沙盤推演》《企業(yè)資源計劃》《經(jīng)營管理綜合仿真實習(xí)》三門實驗實訓(xùn)課程，且已成為學(xué)校本科教學(xué)計劃的有機(jī)組成部分。

二、云桌面建設(shè)方案的需求

經(jīng)過前述梳理，一個特色鮮明的實驗教學(xué)體系由基礎(chǔ)實驗教學(xué)、專業(yè)實驗教學(xué)、跨專業(yè)實驗教學(xué)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實驗教學(xué)四方面內(nèi)容所組成，這一體系在與實驗機(jī)房相結(jié)合過程中還需要疊加考慮臨時性的各種上機(jī)考試環(huán)境部署。當(dāng)我們客觀地看待實驗室計算機(jī)性能配置存在差異化的事實，便能更理性地理解批量安裝操作系統(tǒng)和實驗軟件先后采用的PCI還原卡同傳、Pxe網(wǎng)克、Ghost AI Snapshot安裝腳本、終端云管理系統(tǒng)推送等多種實現(xiàn)途徑。要言之，這些方法在不同時期的實驗教學(xué)環(huán)境下從沒有絕對優(yōu)勢與劣勢，只有適配不同的硬件性能和不斷發(fā)展的實驗教學(xué)類別。以往認(rèn)為實驗室計算機(jī)存在操作系統(tǒng)不統(tǒng)一、軟件繁冗、故障頻發(fā)、資源浪費等弊端的觀點過于片面。

為了將跨專業(yè)跨學(xué)科綜合實驗實訓(xùn)的多業(yè)務(wù)場景內(nèi)涵更直觀地在實驗室落地，提升跨專業(yè)實驗教學(xué)適配度，技術(shù)支持部門需要和三門跨專業(yè)實驗課程教研室協(xié)同探求具體的實施路徑，從整體設(shè)計、實現(xiàn)機(jī)制、技術(shù)要求、數(shù)據(jù)驅(qū)動四個維度綜合考量，進(jìn)而實現(xiàn)技術(shù)賦能跨專業(yè)實驗教學(xué)的發(fā)展。通過確認(rèn)底層邏輯與方法論無誤，結(jié)合調(diào)研其他院?？鐚I(yè)實驗技術(shù)問題所做的歸因分析，技術(shù)與教研部門圍繞跨專業(yè)實驗教學(xué)目標(biāo)予以方案拆解。鑒于三門跨專業(yè)實驗課程已納入教學(xué)計劃，且面向不同年級實驗師生，構(gòu)建一個相對穩(wěn)定且界面統(tǒng)一的實驗環(huán)境，便于實驗過程中面對面的交流、點對點的情境互動，應(yīng)該形成方案的首位需求；年度內(nèi)間次完成三門跨專業(yè)實驗蘊含較大的組織投入，同期并行保障專業(yè)實驗課和基礎(chǔ)實驗課程教學(xué)秩序，將觸發(fā)實驗室內(nèi)設(shè)備相對稀缺，組織方法上可用跨專業(yè)實驗引導(dǎo)為課程內(nèi)容前置，實驗答疑與實驗練習(xí)后置于課余時間，這一動向再次引發(fā)校園網(wǎng)內(nèi)多點多地登錄實驗客戶端的需求；年度逾2400余人的實驗對象有別于兄弟院校同類跨專業(yè)實訓(xùn)規(guī)模，相較于專業(yè)實驗課程龐大用戶數(shù)，變動趨勢給技術(shù)保障帶來更多不確定性挑戰(zhàn)?？沙掷m(xù)視野下，實驗數(shù)據(jù)與運維數(shù)據(jù)就重要性而言并行不悖，同屬跨專業(yè)實驗教學(xué)價值池的組成要素，并派生出數(shù)據(jù)存儲、調(diào)取、利用等諸多需求。

綜合列舉出的其他因素，需要在實驗室現(xiàn)有設(shè)備之外的新領(lǐng)域創(chuàng)造價值，在執(zhí)行跨專業(yè)實驗師生體驗愿景的流程中，重新考慮如何提供非一次性的新功能來改善服務(wù)教學(xué)的方式，以及建立支持整體實驗教學(xué)的基礎(chǔ)能力的結(jié)構(gòu)體，利用人工智能、虛擬仿真等技術(shù)，構(gòu)建一個可用性強(qiáng)、靈活便捷、易于管理的基于人工智能的跨專業(yè)實驗教學(xué)平臺云桌面方案。

三、云桌面的建設(shè)策略

基于人工智能的跨專業(yè)實驗教學(xué)平臺云桌面方案梳理實驗教學(xué)體系，創(chuàng)新現(xiàn)有的實驗教學(xué)模式，形成理論實踐緊密銜接的體系，構(gòu)建多專業(yè)共享的實驗教學(xué)方案，滿足學(xué)生的跨專業(yè)、跨崗位模擬實訓(xùn)，進(jìn)而突破單專業(yè)、脫離社會實際的實驗教學(xué)瓶頸。

（1）IT工作環(huán)境統(tǒng)一化：提供一套有效的工作環(huán)境管理手段，統(tǒng)一管理、按工作環(huán)境類別管理、硬件無關(guān)化；（2）內(nèi)網(wǎng)準(zhǔn)入控制：對于內(nèi)網(wǎng)用戶身份進(jìn)行管理，采用基于802.1x協(xié)議的接入控制軟件，虛擬化軟件與這些軟件能配合起來兼容使用；（3）數(shù)據(jù)安全性：桌面端信息泄露主要有網(wǎng)絡(luò)、端口、硬盤三個途徑，能全方位地對數(shù)據(jù)安全進(jìn)行保障；（4）快速故障恢復(fù)：一旦出現(xiàn)斷網(wǎng)和服務(wù)器宕機(jī)要能進(jìn)行災(zāi)難恢復(fù)；（5）在線辦公：目前很多場景都需要進(jìn)行在線辦公，實現(xiàn)在任意一個工作地點都能得到其個性化的桌面，方便管理人員工作；（6）使用壽命長，成本低：采用一體化硬件設(shè)計，無可移動部件，采用最優(yōu)的內(nèi)部部件，壽命達(dá)到普通PC的3-4倍；（7）易安裝部署：采用硬軟件的預(yù)安裝集成技術(shù)，確保在現(xiàn)場環(huán)境短時間內(nèi)能夠使用云桌面；（8）易運行維護(hù)：擁有可視化的運行維護(hù)機(jī)制，維護(hù)方便簡單，能夠在管理端統(tǒng)一地進(jìn)行維護(hù)；（9）低TCO：基于標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)器，無須昂貴的數(shù)據(jù)中心建設(shè)；采用服務(wù)器本地存儲，無須昂貴的SAN存儲；終端采用了低功耗的嵌入式芯片，功耗低；對IT維護(hù)人員要求低，無須專職的運維人員。

四、云桌面的總體應(yīng)用趨勢

云桌面平臺通過為使用任何設(shè)備的用戶提供隨時隨地的訪問，實現(xiàn)了工作空間的轉(zhuǎn)型，與此同時改變了傳統(tǒng)的運維管理與安全控制模式。Security主要為數(shù)據(jù)不落地，接入策略可控；Control主要為系統(tǒng)模板保護(hù)與更新；DaaS主要為其他云平臺提供的托管服務(wù)，出售計算、存儲資源；BYOD為移動辦公。

五、云桌面應(yīng)用原理

在實際使用時，虛擬桌面的所有鏡像、業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)等均有后臺云主機(jī)或者服務(wù)器中，所有應(yīng)用的執(zhí)行與運算也均有后臺。虛擬機(jī)通過桌面系統(tǒng)，將圖像進(jìn)行編碼和壓縮，將變化的矢量數(shù)據(jù)傳送給客戶端，客戶端通過數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼和解壓，進(jìn)行圖像還像，然后顯示出來。而鼠標(biāo)、鍵盤以及其他外設(shè)的信息，通過客戶端，使用網(wǎng)絡(luò)將相關(guān)操作信息傳回到后端的虛擬桌面中。

六、云桌面系統(tǒng)構(gòu)建

綜合現(xiàn)有開源技術(shù)及對前端硬件配置要求，相對適用VDI構(gòu)架。通過虛擬化系統(tǒng)，將后端的云主機(jī)或者服務(wù)器虛擬化，安裝與成批生成虛擬桌面，并通過網(wǎng)絡(luò)將虛擬桌面發(fā)布到前端的終端上。前端的終端是客戶機(jī)、云終端盒子等設(shè)備，也可以通過client的模式，使用傳統(tǒng)的PC電腦和筆記本等，同時還支持手機(jī)、智能終端等移動設(shè)備。

管理員通過配套的管理系統(tǒng)，登陸后端虛擬化系統(tǒng)中，對虛擬桌面進(jìn)行成批的管理，比如統(tǒng)一的鏡像更新、鏈接克隆、安裝系統(tǒng)、策略設(shè)置等操作。

七、云桌面系統(tǒng)物理架構(gòu)

云桌面系統(tǒng)為虛擬桌面應(yīng)用和管理的云計算服務(wù)產(chǎn)品，底層采用云平臺作為承載，上層運行云桌面應(yīng)用軟件，同時具備對虛擬化平臺和云桌面資源的運營管理，提供相應(yīng)的調(diào)度策略以及操作維護(hù)等功能。

八、技術(shù)路線與研究方法

（一）研究方法

根據(jù)本項目的研究內(nèi)容和特點，主要采用文獻(xiàn)研究、調(diào)查研究、案例研究法和定性/定量分析相結(jié)合的研究方法來對本項目進(jìn)行研究。其一是文獻(xiàn)研究：憑借高校圖書館資源，找到與跨專業(yè)實驗教學(xué)和基于人工智能的云桌面有關(guān)的理論和文獻(xiàn)、系統(tǒng)分析相關(guān)的資料、參考之前的成果，進(jìn)行科研、小結(jié)及創(chuàng)新。其二為調(diào)查研究：只有通過調(diào)查研究方法，獲得最新的相關(guān)研究資料，并通過分析調(diào)查數(shù)據(jù)了解跨專業(yè)實驗教學(xué)和基于人工智能的云桌面應(yīng)用，才能對相關(guān)技術(shù)和原理進(jìn)行融合，從而構(gòu)建方案。其三為案例研究法：選擇其他高校跨專業(yè)平臺和云桌面的案例進(jìn)行研究，由個別到一般，由特殊到普遍，從而發(fā)現(xiàn)優(yōu)勢和不足。其四采取定性分析和定量分析相結(jié)合：基于人工智能的跨專業(yè)實驗教學(xué)平臺云桌面構(gòu)建方案采取定性分析和定量分析相結(jié)合的方法。首先利用定性分析的方法從架構(gòu)上形成跨專業(yè)實驗教學(xué)平臺。然后利用先進(jìn)的現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)采用定量實驗法來進(jìn)行基于人工智能的云桌面設(shè)計，同時采用數(shù)學(xué)方法來提煉信息的數(shù)據(jù)模型，以便指導(dǎo)方案構(gòu)建的決策。

（二）技術(shù)路線

本項目的技術(shù)路線就是依托人工智能技術(shù)，以跨專業(yè)實驗教學(xué)平臺為基礎(chǔ)，構(gòu)建出云桌面方案，并以其為模型，擴(kuò)展到其余的高?？鐚I(yè)實驗教學(xué)平臺。其主要技術(shù)路線從跨專業(yè)實驗教學(xué)平臺調(diào)研-基于人工智能的云桌面調(diào)研-技術(shù)研究-原理融合-構(gòu)建方案。

九、結(jié)語

在學(xué)校支持下，實驗教學(xué)中心精心部署基于人工智能的跨專業(yè)實驗教學(xué)平臺云桌面平臺，發(fā)揮了連接重要功能。在《企業(yè)沙盤推演》《企業(yè)資源計劃》《經(jīng)營管理綜合仿真實習(xí)》三門實驗實訓(xùn)課程中連接師與生、課程內(nèi)容與仿真業(yè)務(wù)、實驗數(shù)據(jù)與運維數(shù)據(jù)，連接更多的信息孤島。在在線教育中連接更多的終端，師與生的連接形式也變得更豐富，在跨專業(yè)實驗過程中建立高效的組織、人員、系統(tǒng)、產(chǎn)品、業(yè)務(wù)連接。基于人工智能的云桌面核心不止于計算，適配于服務(wù)三門大規(guī)模跨專業(yè)實驗課現(xiàn)實應(yīng)用場景，經(jīng)過數(shù)年實驗教學(xué)配套訓(xùn)練，云計算技術(shù)在應(yīng)用中逐步精細(xì)找到需求點，更加適應(yīng)大規(guī)模并發(fā)壓力下的實戰(zhàn)性能和安全優(yōu)化。