人工智能跨專業實驗教學平臺探析
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摘要：本文旨在闡述構建一個基于人工智能的跨專業實驗教學平臺云桌面方案。結合實驗機房開展跨專業教學管理的難點，闡述建設需求，探討云桌面應用趨勢和原理，分析系統構成與物理架構，剖析研究的技術路線和方法。
關鍵詞：跨專業；實驗教學；云桌面
結合《國家級實驗教學示范中心管理辦法》，為創新實驗室管理機制，探索實驗實訓教學改革，開展實驗實訓教學，把實驗教學中心建成學校組織實驗實訓教學、培養學生實踐能力和創新精神的重要教學基地，學校對實驗教學的歸口服務職能從邊界上給予擴展進行整體轉型改革。
一、云桌面構建的研究背景
處于改革進程中的實驗教學中心需實現三個階段性目標。其一是樹立先進的教育教學理念，統籌協調，大膽創新，完善實驗教學體系，推進實驗教學的系統化標準化，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平臺。形成特色鮮明的實驗室文化，建設高水平的實驗教學團隊，推出一批顯性教研教改成果；其三為力爭到2025年，打造出涵蓋教學改革成果孵化基地、實驗實訓創新創業教學基地、實驗教學師資培養基地、實驗教學資源共享基地、社會咨詢服務培訓基地的綜合體，達到國內同類平臺的一流水平。通過剝離與實驗教學無關的職能，實驗教學中心職責得以進一步明晰，主要涵蓋實驗實訓教學體系建設；實驗實訓教學及競賽的組織實施、管理和考核；實驗實訓課程建設；實驗教學隊伍建設；實驗教學改革研究、方案制定和項目申報；實驗教學資源的配置與調度；實驗儀器設備及使用統計、分析和績效評價；實驗實訓教學資源的開放運行等復合內容。作為教學部門，實驗教學中心在承擔跨專業跨學科綜合實驗實訓的教學設計與實施工作中，圍繞學校“三有三實”人才培養目標，陸續開設出《企業沙盤推演》《企業資源計劃》《經營管理綜合仿真實習》三門實驗實訓課程，且已成為學校本科教學計劃有機組成部分。
二、云桌面建設方案的需求
經過前述梳理，一個特色鮮明的實驗教學體系由包含基礎實驗教學、專業實驗教學、跨專業實驗教學和創新創業實驗教學四方面內容所組成，這一體系在于實驗機房相結合過程中還需要疊加考慮臨時性的各種上機考試環境部署。當我們客觀地看待實驗室計算機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和實驗軟件先后采用的PCI還原卡同傳、Pxe網克、GhostAISnapshot安裝腳本、終端云管理系統推送等多種實現途徑。要言之，這些方法在不同時期的實驗教學環境下從沒有絕對優勢與劣勢，只有適配不同的硬件性能和不斷發展的實驗教學類別。以往認為實驗室計算機存在操作系統不統一、軟件繁冗、故障頻發、資源浪費等弊端的觀點過于片面。為了將跨專業跨學科綜合實驗實訓的多業務場景內涵更直觀地在實驗室落地，提升跨專業實驗教學適配度，技術支持部門需要和三門跨專業實驗課程教研室協同探求具體的實施路徑，從整體設計、實現機制、技術要求、數據驅動四個維度進行綜合考量，進而實現技術賦能跨專業實驗教學的發展。通過確認底層邏輯與方法論無誤，結合調研其他院校跨專業實驗技術問題所做的歸因分析，技術與教研部門圍繞跨專業實驗教學目標予以方案拆解。鑒于三門跨專業實驗課程已納入教學計劃，且面向不同年級實驗師生，構建一個相對穩定且界面統一的實驗環境，便于實驗過程中面對面的交流，點對點的情境互動，應該形成方案的首位需求；年度內間次完成三門跨專業實驗蘊含較大的組織投入，同期并行保障專業實驗課和基礎實驗課程教學秩序，將觸發實驗室內設備相對稀缺，組織方法上可用跨專業實驗引導為課程內容前置，實驗答疑與實驗練習后置于課余時間，這一動向再次引發校園網內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實訓規模，相較于專業實驗課程龐大用戶數變動趨勢給技術保障帶來更多不確定性挑戰。可持續視野下，實驗數據與運維數據就重要性而言并行不悖，同屬跨專業實驗教學價值池的組成要素，并派生出數據存儲、調取、利用等諸多需求。綜合列舉出的其他因素，需要我們在實驗室現有設備之外的新領域創造價值，在執行跨專業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教學的方式，以及建立支持整體實驗教學的基礎能力的結構體，利用人工智能、虛擬仿真等技術，構建一個可用性強、靈活便捷、易于管理的基于人工智能的跨專業實驗教學平臺云桌面方案。
三、云桌面的建設策略
基于人工智能的跨專業實驗教學平臺云桌面方案梳理實驗教學體系，創新現有的實驗教學模式，形成理論實踐緊密銜接的體系，構建多專業共享的實驗教學方案，滿足學生的跨專業、跨崗位模擬實訓，進而突破單專業、脫離社會實際的實驗教學瓶頸。1.IT工作環境統一化：提供一套有效的工作環境管理手段，統一管理、按工作環境類別管理、硬件無關化。2.內網準入控制：對于內網用戶身份進行管理，采用基于802.1x協議的接入控制軟件，虛擬化軟件與這些軟件能配合起來兼容使用。3.數據安全性：桌面端信息泄露主要三個途徑：網絡、端口、硬盤。能全方位地對數據安全進行保障。4.快速故障恢復：一旦出現斷網和服務器宕機要能進行災難恢復。5.在線辦公：目前很多場景都需要進行在線辦公，實現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：采用一體化硬件設計，無可移動部件，采用最優的內部部件，壽命達到普通PC的3-4倍。7.易安裝部署：采用硬軟件的預安裝集成技術，確保在現場環境短時間內能夠使用云桌面。8.易運行維護：擁有可視化的運行維護機制，維護方便簡單，能夠在管理端統一的進行維護。9.低TCO：基于標準服務器，無須昂貴的數據中心建設；采用服務器本地存儲，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；并且對IT維護人員要求低，無須專職的運維人員。
四、云桌面的總體應用趨勢
云桌面平臺通過為使用任何設備的用戶提供隨時隨地的訪問，實現了工作空間的轉型，與此同時改變了傳統的運維管理與安全控制模式。Security主要為數據不落地，接入策略可控；Control主要為系統模板保護與更新；DaaS主要為其他云平臺提供的托管服務，出售計算、存儲資源；BYOD為移動辦公。如圖：
五、云桌面應用原理
在實際使用時，虛擬桌面的所有鏡像、業務、數據等均有后臺云主機或者服務器中，所有的應用的執行與運算也均有后臺。虛擬機通過桌面系統，將圖像進行編碼和壓縮，將變化的矢量數據傳送給客戶端，客戶端通過數據進行解碼和解壓，進行圖像還像，然后顯示出來。而鼠標、鍵盤以及其他外設的信息，通過客戶端，使用網絡將相關操作信息傳回到后端的虛擬桌面中。如下圖所示：
六、云桌面系統構建
綜合現有開源技術及對前端硬件配置要求，相對適用VDI構架。通過虛擬化系統，將后端的云主機或者服務器虛擬化，安裝與成批生成虛擬桌面，并通過網絡將虛擬桌面發布到前端的終端上。前端的終端瘦客戶機、云終端盒子等設備，也可以通過client的模式，使用傳統的PC電腦和筆記本等，同時還支持手機、智能終端等移動設備。管理員通過配套的管理系統，登陸后端虛擬化系統中，對虛擬桌面進行成批的管理，比如統一的鏡像更新、鏈接克隆、安裝系統、策略設置等操作。如圖：
七、云桌面系統
物理架構云桌面系統為虛擬桌面應用和管理的云計算服務產品，底層采用云平臺作為承載，上層運行云桌面應用軟件，同時具備對虛擬化平臺和云桌面資源的運營管理，提供相應的調度策略，以及操作維護等功能。
八、技術路線與研究方法
（一）研究方法
根據本項目的研究內容和特點，主要采用文獻研究、調查研究、案例研究法、和定性/定量分析相結合的研究方法來對本項目進行研究。其一是文獻研究：憑借高校圖書館資源，找到與跨專業實驗教學和基于人工智能的云桌面有關的理論和文獻、系統分析相關的資料、參考之前的成果，進行科研、小結及創新。其二為調查研究：俗話說：“沒有調查就沒有發言權”，只有通過調查研究方法，獲得最新的相關研究資料，并通過分析調查數據了解跨專業實驗教學和基于人工智能的云桌面應用，才能對相關技術和原理進行融合，從而構建方案。其三為案例研究法：選擇其他高校跨專業平臺和云桌面的案例進行研究，由個別到一般，由特殊到普遍，從而發現優勢和不足。其四采取定性分析和定量分析相結合：基于人工智能的跨專業實驗教學平臺云桌面構建方案采取定性分析和定量分析相結合的方法。首先利用定性分析的方法從架構上形成跨專業實驗教學平臺。然后利用先進的現代教學技術采用定量實驗法來進行基于人工智能的云桌面設計，同時采用數學方法來提煉信息的數據模型，以便指導方案構建的決策。
（二）技術路線
本項目的技術路線就是依托人工智能技術，以跨專業實驗教學平臺為基礎，構建出云桌面方案，并以其為模型，擴展到其余的高校跨專業實驗教學平臺。其主要技術路線從跨專業實驗教學平臺調研-基于人工智能的云桌面調研-技術研究-原理融合-構建方案。技術路線如圖1。
九、余補
在學校支持下，實驗教學中心精心部署基于人工智能的跨專業實驗教學平臺云桌面平臺，發揮了連接重要功能。在《企業沙盤推演》《企業資源計劃》《經營管理綜合仿真實習》三門實驗實訓課程中連接師與生、課程內容與仿真業務、實驗數據與運維數據，連接更多的信息孤島。在新冠疫情等不確定情形的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，在跨專業實驗過程中建立高效的組織、人員、系統、產品、業務連接。基于人工智能的云桌面核心不止于計算，適配于服務三門大規模跨專業實驗課現實應用場景，經過數年實驗教學配套訓練，云計算技術在應用中逐步精細找到需求點，更加適應大規模并發壓力下的實戰性能和安全優化。
作者:劉君 單位:湖北經濟學院
