人工智能跨专业实验教学平台探析
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摘要：本文旨在阐述构建一个基于人工智能的跨专业实验教学平台云桌面方案。结合实验机房开展跨专业教学管理的难点，阐述建设需求，探讨云桌面应用趋势和原理，分析系统构成与物理架构，剖析研究的技术路线和方法。
关键词：跨专业；实验教学；云桌面
结合《国家级实验教学示范中心管理办法》，为创新实验室管理机制，探索实验实训教学改革，开展实验实训教学，把实验教学中心建成学校组织实验实训教学、培养学生实践能力和创新精神的重要教学基地，学校对实验教学的归口服务职能从边界上给予扩展进行整体转型改革。
一、云桌面构建的研究背景
处于改革进程中的实验教学中心需实现三个阶段性目标。其一是树立先进的教育教学理念，统筹协调，大胆创新，完善实验教学体系，推进实验教学的系统化标准化，为打造一流本科教育提供有力支撑；其二是搭建完备的实验教学平台。形成特色鲜明的实验室文化，建设高水平的实验教学团队，推出一批显性教研教改成果；其三为力争到2025年，打造出涵盖教学改革成果孵化基地、实验实训创新创业教学基地、实验教学师资培养基地、实验教学资源共享基地、社会咨询服务培训基地的综合体，达到国内同类平台的一流水平。通过剥离与实验教学无关的职能，实验教学中心职责得以进一步明晰，主要涵盖实验实训教学体系建设；实验实训教学及竞赛的组织实施、管理和考核；实验实训课程建设；实验教学队伍建设；实验教学改革研究、方案制定和项目申报；实验教学资源的配置与调度；实验仪器设备及使用统计、分析和绩效评价；实验实训教学资源的开放运行等复合内容。作为教学部门，实验教学中心在承担跨专业跨学科综合实验实训的教学设计与实施工作中，围绕学校“三有三实”人才培养目标，陆续开设出《企业沙盘推演》《企业资源计划》《经营管理综合仿真实习》三门实验实训课程，且已成为学校本科教学计划有机组成部分。
二、云桌面建设方案的需求
经过前述梳理，一个特色鲜明的实验教学体系由包含基础实验教学、专业实验教学、跨专业实验教学和创新创业实验教学四方面内容所组成，这一体系在于实验机房相结合过程中还需要叠加考虑临时性的各种上机考试环境部署。当我们客观地看待实验室计算机性能配置存在差异化的事实，便能更理性地理解批量安装操作系统和实验软件先后采用的PCI还原卡同传、Pxe网克、GhostAISnapshot安装脚本、终端云管理系统推送等多种实现途径。要言之，这些方法在不同时期的实验教学环境下从没有绝对优势与劣势，只有适配不同的硬件性能和不断发展的实验教学类别。以往认为实验室计算机存在操作系统不统一、软件繁冗、故障频发、资源浪费等弊端的观点过于片面。为了将跨专业跨学科综合实验实训的多业务场景内涵更直观地在实验室落地，提升跨专业实验教学适配度，技术支持部门需要和三门跨专业实验课程教研室协同探求具体的实施路径，从整体设计、实现机制、技术要求、数据驱动四个维度进行综合考量，进而实现技术赋能跨专业实验教学的发展。通过确认底层逻辑与方法论无误，结合调研其他院校跨专业实验技术问题所做的归因分析，技术与教研部门围绕跨专业实验教学目标予以方案拆解。鉴于三门跨专业实验课程已纳入教学计划，且面向不同年级实验师生，构建一个相对稳定且界面统一的实验环境，便于实验过程中面对面的交流，点对点的情境互动，应该形成方案的首位需求；年度内间次完成三门跨专业实验蕴含较大的组织投入，同期并行保障专业实验课和基础实验课程教学秩序，将触发实验室内设备相对稀缺，组织方法上可用跨专业实验引导为课程内容前置，实验答疑与实验练习后置于课余时间，这一动向再次引发校园网内多点多地登录实验客户端的需求；年度逾2400余人的实验对象有别于兄弟院校同类跨专业实训规模，相较于专业实验课程庞大用户数变动趋势给技术保障带来更多不确定性挑战。可持续视野下，实验数据与运维数据就重要性而言并行不悖，同属跨专业实验教学价值池的组成要素，并派生出数据存储、调取、利用等诸多需求。综合列举出的其他因素，需要我们在实验室现有设备之外的新领域创造价值，在执行跨专业实验师生体验愿景的流程中，重新考虑如何提供非一次性的新功能来改善服务教学的方式，以及建立支持整体实验教学的基础能力的结构体，利用人工智能、虚拟仿真等技术，构建一个可用性强、灵活便捷、易于管理的基于人工智能的跨专业实验教学平台云桌面方案。
三、云桌面的建设策略
基于人工智能的跨专业实验教学平台云桌面方案梳理实验教学体系，创新现有的实验教学模式，形成理论实践紧密衔接的体系，构建多专业共享的实验教学方案，满足学生的跨专业、跨岗位模拟实训，进而突破单专业、脱离社会实际的实验教学瓶颈。1.IT工作环境统一化：提供一套有效的工作环境管理手段，统一管理、按工作环境类别管理、硬件无关化。2.内网准入控制：对于内网用户身份进行管理，采用基于802.1x协议的接入控制软件，虚拟化软件与这些软件能配合起来兼容使用。3.数据安全性：桌面端信息泄露主要三个途径：网络、端口、硬盘。能全方位地对数据安全进行保障。4.快速故障恢复：一旦出现断网和服务器宕机要能进行灾难恢复。5.在线办公：目前很多场景都需要进行在线办公，实现在任意一个工作地点都能得到其个性化的桌面，方便管理人员工作。6.使用寿命长，成本低：采用一体化硬件设计，无可移动部件，采用最优的内部部件，寿命达到普通PC的3-4倍。7.易安装部署：采用硬软件的预安装集成技术，确保在现场环境短时间内能够使用云桌面。8.易运行维护：拥有可视化的运行维护机制，维护方便简单，能够在管理端统一的进行维护。9.低TCO：基于标准服务器，无须昂贵的数据中心建设；采用服务器本地存储，无须昂贵的SAN存储；终端采用了低功耗的嵌入式芯片，功耗低；并且对IT维护人员要求低，无须专职的运维人员。
四、云桌面的总体应用趋势
云桌面平台通过为使用任何设备的用户提供随时随地的访问，实现了工作空间的转型，与此同时改变了传统的运维管理与安全控制模式。Security主要为数据不落地，接入策略可控；Control主要为系统模板保护与更新；DaaS主要为其他云平台提供的托管服务，出售计算、存储资源；BYOD为移动办公。如图：
五、云桌面应用原理
在实际使用时，虚拟桌面的所有镜像、业务、数据等均有后台云主机或者服务器中，所有的应用的执行与运算也均有后台。虚拟机通过桌面系统，将图像进行编码和压缩，将变化的矢量数据传送给客户端，客户端通过数据进行解码和解压，进行图像还像，然后显示出来。而鼠标、键盘以及其他外设的信息，通过客户端，使用网络将相关操作信息传回到后端的虚拟桌面中。如下图所示：
六、云桌面系统构建
综合现有开源技术及对前端硬件配置要求，相对适用VDI构架。通过虚拟化系统，将后端的云主机或者服务器虚拟化，安装与成批生成虚拟桌面，并通过网络将虚拟桌面发布到前端的终端上。前端的终端瘦客户机、云终端盒子等设备，也可以通过client的模式，使用传统的PC电脑和笔记本等，同时还支持手机、智能终端等移动设备。管理员通过配套的管理系统，登陆后端虚拟化系统中，对虚拟桌面进行成批的管理，比如统一的镜像更新、链接克隆、安装系统、策略设置等操作。如图：
七、云桌面系统
物理架构云桌面系统为虚拟桌面应用和管理的云计算服务产品，底层采用云平台作为承载，上层运行云桌面应用软件，同时具备对虚拟化平台和云桌面资源的运营管理，提供相应的调度策略，以及操作维护等功能。
八、技术路线与研究方法
（一）研究方法
根据本项目的研究内容和特点，主要采用文献研究、调查研究、案例研究法、和定性/定量分析相结合的研究方法来对本项目进行研究。其一是文献研究：凭借高校图书馆资源，找到与跨专业实验教学和基于人工智能的云桌面有关的理论和文献、系统分析相关的资料、参考之前的成果，进行科研、小结及创新。其二为调查研究：俗话说：“没有调查就没有发言权”，只有通过调查研究方法，获得最新的相关研究资料，并通过分析调查数据了解跨专业实验教学和基于人工智能的云桌面应用，才能对相关技术和原理进行融合，从而构建方案。其三为案例研究法：选择其他高校跨专业平台和云桌面的案例进行研究，由个别到一般，由特殊到普遍，从而发现优势和不足。其四采取定性分析和定量分析相结合：基于人工智能的跨专业实验教学平台云桌面构建方案采取定性分析和定量分析相结合的方法。首先利用定性分析的方法从架构上形成跨专业实验教学平台。然后利用先进的现代教学技术采用定量实验法来进行基于人工智能的云桌面设计，同时采用数学方法来提炼信息的数据模型，以便指导方案构建的决策。
（二）技术路线
本项目的技术路线就是依托人工智能技术，以跨专业实验教学平台为基础，构建出云桌面方案，并以其为模型，扩展到其余的高校跨专业实验教学平台。其主要技术路线从跨专业实验教学平台调研-基于人工智能的云桌面调研-技术研究-原理融合-构建方案。技术路线如图1。
九、余补
在学校支持下，实验教学中心精心部署基于人工智能的跨专业实验教学平台云桌面平台，发挥了连接重要功能。在《企业沙盘推演》《企业资源计划》《经营管理综合仿真实习》三门实验实训课程中连接师与生、课程内容与仿真业务、实验数据与运维数据，连接更多的信息孤岛。在新冠疫情等不确定情形的在线教育中连接更多的终端，师与生的连接形式也变得更丰富，在跨专业实验过程中建立高效的组织、人员、系统、产品、业务连接。基于人工智能的云桌面核心不止于计算，适配于服务三门大规模跨专业实验课现实应用场景，经过数年实验教学配套训练，云计算技术在应用中逐步精细找到需求点，更加适应大规模并发压力下的实战性能和安全优化。
作者:刘君 单位:湖北经济学院
