医学院校虚拟实验平台初探

摘要：本文针对结合医学院校虚拟实验室的实际情况，提出了一个基于云计算的虚拟实验教学平台。利用桌面云系统，搭建统一、开放的虚拟实验管理平台，支持用户通过浏览器开展实验，将各学科虚拟实验室联结起来，以提高IT资源和应用程序的效率和可用性。

【关键词】虚拟实验室；云计算；实验教学平台

1现有虚拟实验室的特点

虚拟实验室的概念最初由麻省理工学院提出，发展至今，已经扩展到多个学科领域，成为高校实验教学的重要组成部分。在国外，虚拟实验已成功的应用于解剖教学、放射治疗定位、具有危险性的人体实验、化学虚拟现实系统等等。国内各专业教学系统和虚拟实验系统也逐渐增多。以我校为例，目前很多课程拥有自己的实验平台，如计算机网络实验、模拟医院信息管理、模拟药店、虚拟生化实验系统等。各种各样的虚拟实验室在教学应用和管理方面的问题也逐渐凸显。主要体现在以下方面。从服务器端的情况看，服务器数量虽多，但差异大，硬件配置性能相差很大，有些托管在网络中心，有些由专业系部自己管理，资源较为分散且利用率低。从客户端的情况看，机房大多通过传统保护卡更新维护，日常管理维护工作量较大，不能满足快速变化的教学需求和实验要求。从实验教学本身来看，高校的实验教学对资源的要求有着显著的时间密集性和资源一致性的特点。在上课时间，大量学生统一访问和使用，而在没有课程的时候，教学资源又是大量闲置，造成高峰资源不足和低峰资源浪费的双重矛盾。云计算技术是解决这些问题的一个可行方案，云计算将分散的计算、存储、网络资源集中起来，虚拟化成资源池，按需动态的为用户提供所需的资源，具有资源节约、服务能力强、资源动态化和使用动态化等方面的优势。本文针对医学院校虚拟实验的软硬件要求，结合云计算技术，搭建了统一的实验管理平台，达到合理分配资源，提高资源利用率，以实现实验管理的灵活性，快速响应教学的变化。

2实验平台整体架构

我们构建的虚拟实验平台是在云计算提供的服务基础上，增加用户层，工作过程是学生通过浏览器，连接到Web服务器，按照不同的学科，将不同实验构件进行组合，进入不同的实验场景，实现实验创建并完成实验。实验平台的Web服务器连接组成一个内网，运行web服务、实验所需的各种软件和数据库。Web服务负责管理实验流程，响应客户端请求，控制实验节点完成各项实验功能，从数据库中读取实验场景、设备等信息，将操作日志和实验结果保存于数据库。同时，数据库中存有各科实验的参考资料，包括实验教材、指导书、参考代码、视频教程、动画等。客户端只需要普通PC机，通过浏览器登陆即可进行实验。平台整体框架如图1所示。通过云计算提供的服务，可以在一台物理机上部署多台虚拟机，也可以在虚拟机上配置各种系统环境，安装不同的服务器和数据库软件，而不用面对物理机一台台进行环境的搭建。

3平台的详细设计与构建

3.1集智云桌面管理系统的部署

集智桌面云管理系统（ADS）利用虚拟技术和PAAS、SAAS技术，通过校园网将分布在不同地点的计算机进行整合统一，通过一台服务器实现对几百台电脑终端的管理集中化、部署智能化和更新维护自动化。ADS系统可设置多个组，每组管理多个客户端。因此，我们在应用中，根据不同机房、不同硬件配置、不同软件环境、不同的虚拟实验用途、不同的专业课程要求等对各种类型的计算机采用分组管理策略。在磁盘管理中，ADS允许在服务器上为每个组创建一个与之对应的虚拟磁盘。在该虚拟磁盘上进行“分区规划、系统配置、还原方式、使用者行为管理策略”等创建一个磁盘模版。在进行部署时，我们直接将该模版复制到客户端本地硬盘，并在虚拟磁盘上设置该磁盘的管理策略，进行磁盘剩余空间的调配。计算机系统部署时，客户端的系统部署与维护在后台自动运行，一切都在客户端正常使用中完成，无须停机停课进行系统部署维护，因而可以大幅度提升机房的日常运营维护效率。

3.2实验平台网站

实验平台采用B/S模式，客户端通过浏览器登陆网站，进入相应的虚拟实验室，完成实验。网站的主要功能模块包括用户管理、虚拟实验室管理、虚拟实验管理及在线交流协作等。网站允许用户通过浏览器远程访问服务器端的实验程序，服务器端接受浏览器端发送的实验请求，分析和处理实验参数，经过计算模拟将结果返回。有些课程的虚拟实验为了呈现动态交互，每一步命令执行都需要更新显示，这增加了网络的通信量，易导致过载。如果服务器只负责数据检索，计算和可视化都在浏览器端实现，易造成网页显示速度太慢。因此，均衡考虑，我们将网站设计为在服务器端进行数据检索和处理，可视化和交互在浏览器端完成，通过JavaScript脚本等实现。

3.3用户单点登录

虚拟实验平台采用统一的用户认证机制，用户在单点登陆后，可以平台中无障碍的穿梭于各个虚拟实验室之间。单点登录的实现可以是以服务器为中心的单点登录、以客户端为中心的单点登录或客户/服务器模式的单点登录。单点登录常见的实现机制有基于经纪人的方式、基于人的方式、基于网关的方式、基于令牌的方式、基于人和经纪人的方式等。我们利用CAS开源软件，建立以服务器为中心的单点登录模型，将用户认证信息存储在身份认证服务器上，该信息用于验证用户身份的合法性，由服务器为应用生成唯一不可篡改的票据。

3.4虚拟实验设计及运行

已有的虚拟实验，需要将其数据库迁移，通过Web服务提供数据存取。新的虚拟实验，实现流程分为建模和运行两步。建模的主要功能是建立虚拟实验模型，包括实验对象模型、实验流程、实验场景等，学科专业性较强。运行是基于预定义的实验模型，运行虚拟实验，存储实验结果，并对实验结果评分。这一步需要实验平台的支持。虚拟实验运行的流程是：（1）加载实验模型。学生登录系统，进入实验中，系统首先从虚拟实验模型数据库中，加载对应的实验模型。（2）虚拟实验运行。虚拟实验引擎根据实验模型，渲染生成界面，展现给学生，并接收用户输入，驱动实验每个步骤，当实验完成时，保存实验结果。（3）结果评分。学生完成实验室，系统给出实验评分。

4结论

虚拟化和云计算技术从一开始就是面向应用的。本文结合虚拟实验教学的实际情况，提出了一个基于云计算的虚拟实验平台，利用桌面云系统，将各学科虚拟实验室联结起来，支持用户通过浏览器开展实验，从而使实验管理更为灵活高效，提高资源利用率。

作者：王伟 何寒晖