計算機教學實驗中心信息化管理探索與實踐

霍迎秋， 費攀峰， 張曉峰， 范 軍， 朱珊娜

(西北農林科技大學 信息工程學院，陜西 楊凌 712100)

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·實驗教學示范中心建設·

計算機教學實驗中心信息化管理探索與實踐

霍迎秋， 費攀峰， 張曉峰， 范 軍， 朱珊娜

(西北農林科技大學 信息工程學院，陜西 楊凌 712100)

儀器設備的高效管理和維護是提升實驗教學質量的重要基礎保障，針對實驗室管理過程中存在的各種問題，以西北農林科技大學計算機教學實驗中心為例，采用先進的信息技術，如主機還原技術、訪問控制技術、虛擬技術、電子教室、計費管理和網絡監控等改進教學實驗中心的管理，信息技術的應用極大地改善了計算機教學實驗中心的實習環境，為實驗教學的順利開展提供了堅實的保障。

訪問控制； 信息技術； 計費管理； 網絡監控； 還原技術

0 引 言

高校教學實驗中心是人才培養和科學研究的重要平臺[1-3]，是衡量學校辦學水平的重要標志之一。計算機教學實驗中心直接管理眾多儀器設備，如計算機、服務器、交換機、各種專業的實驗箱等設備，如何高效管理和使用如此眾多的實驗設備，充分發揮設備的價值，完成繁重的教學實驗和科研實驗任務，是一個非常重要且有意義的問題。近年來，基于網絡化、信息化的管理技術已應用到實驗室管理之中，如基于SNMP協議開發管理系統對設備進行管理[4-5]，基于WEB開發B/S結構的管理系統簡化部署[6-7]，基于ARP協議開發局域網管理系統[8-9]和分布式監控系統[10]等，都取得了很好的管理效果。信息化管理技術的應用簡化了紛繁復雜的管理任務，提高了工作效率，為保障教學實驗和科研實驗的有序進行提供了堅實的基礎。

1 計算機教學實驗中心現狀分析

計算機教學實驗中心是陜西省省級計算機實驗教學示范中心，實行學校與信息工程學院兩級管理，實驗室對外開放。實驗中心總建筑面積5 000 m2，擁有1 000余臺聯想高性能PC機、24臺IBM服務器、1臺Cisco4506核心交換機、1臺天融信防火墻、18臺Cisco3560三層交換機和60余臺Cisco2960二層交換機，以及高性能平臺、高光譜平臺、三維打印機和數字化儀。共設有網絡應用技術實驗室、程序設計實驗室、數字媒體實驗室、電子商務實驗室、計算機應用技術實驗室、信息檢索實驗室、軟件工程實驗室、大數據管理實驗室、軟件測試實驗室、網絡與信息安全實驗室、組成與接口實驗室、嵌入式系統實驗室、單片機與控制實驗室，數電模電實驗室等14個功能實驗室和高性能計算平臺、高光譜成像平臺、三維掃描與數字化平臺等3個大型儀器科研服務平臺。功能結構圖，如圖1所示。

圖1 實驗中心功能結構圖

實驗中心的主要職責是，完成學校大學計算機文化基礎、計算機網絡基礎、程序設計等公共課程的實驗教學任務和信息工程學院計算機科學與技術、信息管理與信息系統、電子商務、軟件工程等4個專業81門專業課程的實驗教學任務，同時承擔國家財政部會計職稱考試(西北考點)，省全國計算機等級考試、省會計從業資格考試、NIT考試、NTET考試等每年一度的大型無紙化網絡考試，以及大學計算機文化基礎、計算機網絡基礎、linux程序設計、ACM選報賽、C語言程序設計、JAVA程序設計等很多課程的無紙化網絡考試。大量的實驗教學和頻繁的網絡化考試，給實驗室管理人員帶來了挑戰，必須實施信息化、網絡化的管理，才能夠提高工作效率，順利完成實驗教學任務。為此計算機教學實驗中心搭建了千兆接入、萬兆主干的高速局域網，將14個專業實驗室、3個科研平臺與校園網互聯起來，通過校園網連入全國教育科研網絡和Internet。高速局域網為課程實驗和無紙化網絡考試的進行提供了硬件基礎支持。實驗中心網絡拓撲結構圖，見圖2。每個實驗室劃分為一個VLAN，共設置14個VLAN。VLAN之間實行訪問控制不能互相通信，以縮小故障區，保證整個實驗中心的網絡穩定。

2 信息化技術應用的探索與實踐

計算機教學實驗中心結合多年的實踐教學經驗，通過不斷探索將信息技術應用到具體教學管理實踐中，大大簡化了重復性的操作，降低了出錯的概率，提高了工作的效率，保障了實驗教學的順利進行。下面將分幾個方面具體介紹在實驗教學中應用到的各項信息技術。

圖2 實驗中心拓撲結構

2.1 主機控制與管理

主機的控制與管理是實驗中心最重要的工作。根據各個實驗室安排實驗課程的不同，在樣本主機上安裝相應課程的軟件并配置好實驗環境，接著對主機系統安全配置及網絡參數的配置，最后通過局域網網絡對拷將樣本主機的系統分發到實驗室的每臺計算機上。涉及到的主要管理技術包含如下兩個方面。

(1) 主機系統配置。主機系統各項參數的配置對操作系統的運行效率起到關鍵的作用。①將主機名、IP地址和主機位置統一起來，如網絡與安全實驗室內座位編號01的主機命名為NET001，相應的IP地址設置為：172.16.0.1，子網掩碼：255.255.255.0，網關為：172.16.0.252。這樣設置有利于故障的快速查詢。②在主機上安裝防病毒軟件，開啟ARP防御，防止個別電腦感染網絡病毒，造成整個實驗室的癱瘓。關閉不用的端口和服務，保證主機安全。③設置晚上11:00自動關機，避免主機不關機的現象發生，節約電力資源。④開發參數設置批處理程序，自動獲取實驗室內主機的MAC地址，依據MAC地址進行IP地址配置和主機名修改。將管理人員從繁瑣的手動設置中解放出來，提高工作效率。⑤開發批處理程序自動進行磁盤映射，主要是為等級考試中磁盤映射服務。

(2) 主機硬件保護及操作系統網絡對拷。實驗室頻繁的用機實驗且用戶的不固定化，加之各類用戶有著各自的操作習慣，如上網、玩游戲等，會更改一些計算機設置、下載程序或安裝插件等，導致病毒侵襲、木馬橫行，有時會造成無法正常關機、系統藍屏和應用軟件故障，甚至系統癱瘓及數據被非法利用或破壞。因此實驗中心為每臺主機都配置了硬件還原卡，系統重啟后自動恢復到原始狀態，保護主機的安全。同時硬件還原卡也可以批量修改主機名、IP地址等參數，但是缺點是必須在DOS環境下進行。而上面提到的“參數設置批處理程序”是基于操作系統進行的，可以根據具體應用需求選擇。更重要的是還原卡可以網絡對拷系統，將樣本主機的系統復制到實驗室內其他主機上，而不用手動一臺一臺的安裝操作系統和軟件，提高了工作效率。

網絡對拷的具體操作步驟為，將已安裝好操作系統和應用軟件的主機作為樣本，即發送端，開機按【F10】進入網絡對拷界面，設置為“發送端”進入等待其他用戶登錄的狀態。如圖3所示。其他主機作為“接收端”，開機自動連接到發送端上。待所有的“接收端”登錄到發送端，點擊“發送數據”就可以將樣本主機的系統拷貝到實驗室其他主機上了。

圖3 網絡對拷

2.2 局域網控制與管理

(1) 主機訪問控制管理。局域網內主機訪問控制管理是在教學實踐中應用最頻繁的操作，如當某個實驗室進行網絡考試時，為了防止作弊行為發生，需要使所有的主機只能連接考試服務器而不能上網。為此實驗中心開發了網絡邊界管理軟件，在代理服務器上自動配置訪問控制規則[11]，選擇性地對流經代理服務器的數據流進行禁止或放行，以此實現對所有主機的訪問控制。軟件主要界面，如圖4所示。

(2) 抓包分析檢測故障機。盡管各個實驗室內的主機都安裝了安全防護軟件，由于實驗教學量非常大，學生頻繁用機，還是不可避免會感染病毒或木馬，網絡病毒的特點是通過網絡迅速傳播，造成整個實驗室網速慢、不穩定，甚至癱瘓。為了應對這種情況的發生，迅速定位故障機，解決故障。每個實驗室都配置1臺管理機，安裝Ethereal抓包分析軟件[12]，偵聽網絡中傳輸的數據包，并進行數據分析。找到病毒源，迅速解決故障。

圖4 網絡邊界管理

(3) 多媒體電子教室。將多媒體電子教室軟件應用到實驗中心教學實驗中，極大的方便了網絡實驗教學的進行，提高了實驗教學的效果。主要突出的優點：①教師可以利用“屏幕廣播”和“語音教學”功能完成班級集體授課或只針對部分學生輔導，也可以通過點對點的操作與學生交流，針對不同程度的學生布置不同的學習內容，并且實施有針對性的輔導。②學生可以通過“舉手發言”功能參與到虛擬的電子教室課堂互動中。③教師可以監控到每個學生的實驗過程，必要時可控制學生機，對其進行遠程輔導。④教師機可以將本地的操作和講解過程進行錄像，供以后回放，實現電子備課。⑤“文件分發”功能可以將教師機上的文件分發到每個學生機上。學生也可以通過“作業提交”功能提交作業。⑥可以實現“遠程關機”、“遠程開機”、“程序限制”、“遠程設置”等常用的機房管理功能，實現機房的零管理。

2.3 虛擬技術的應用

(1) 主機虛擬化。一些課程的實驗教學，如計算機網絡應用基礎、Linux程序設計，需要用到多個操作系統環境。如果采用每臺主機安裝多個操作系統進行不同的實驗課程時需要頻繁切換，給學生做實驗帶來不便，也增加了出問題的概率，增加了管理成本。采用在主機端安裝VMWare虛擬機軟件[13]，將一臺物理主機虛擬為多臺邏輯主機，不同的邏輯主機安裝不同的操作系統，如宿主機安裝Win7系統，虛擬機安裝“Windows2003”和“Linux”操作系統，從而在一個操作系統上實現多個虛擬機得多操作系統，實現多系統的實驗環境，既方便了學生做實驗也方便了實驗室人員的管理。

(2) 服務器虛擬化。虛擬技術也應用到了服務器端，通過在服務器上安裝服務器版虛擬軟件“VMWare”將服務器虛擬為多臺邏輯服務器[14-15]，每臺服務器分別配置一個服務，如作業管理系統、實習報告提交系統、c語言判題系統等，充分發揮服務器的硬件性能，能夠在確保投入成本的同時，提高運營效率，節約能源降低經濟成本和空間浪費。

(3) 桌面虛擬技術。通過搭建桌面云計算平臺，可以利用虛擬化技術實現桌面(包括系統、應用、數據)和設備的分離[16-17]。桌面的管理完全集中到服務器端，從而實現桌面系統的集中管理、靈活部署、災難恢復等，能夠極大的降低運維的工作量，同時，數據的安全性得到保障，并能夠實現隨時隨地的個人桌面訪問。目前，學院正在研究搭建桌面云的技術方案，期望可以通過云平臺進一步改善教學實驗、科研環境，提升實驗教學質量。

2.4 實驗室開放及計費管理

實驗室實行開放式管理，即在滿足實驗教學之余，對外開放象征性的收取水電和管理費用。實驗室有課程實驗時，管理人員將所有主機設置為免費上機，實驗結束設置為對外開放模式。學生可以持學校的“一卡通”刷卡上機，實驗結束后，刷卡下機。為此學院和公司聯合開發了分布式“計費管理系統”。為學生提供一個自由、開放的實驗教學環境，有利于提高學生的實踐動手能力，培養創新性思維。

2.5 網絡化視頻監控系統

為了加強對實驗室的安全防范和管理，搭建了“分布式視頻監控系統”見圖5。實驗中心任何一臺電腦都可以通過瀏覽器對各個實驗室的設備進行實時、有效的監控，防止不測事件的發生，保證了實驗中心設備的安全。同時實驗中心承辦的各類大型無紙化網絡考試，如全國會計職稱考試，陜西省會計從業資格考試，考試中心也要求能夠通過互聯網對考場進行遠程監控，并錄像保存，防止作弊情況的發生，保證考試的公平合理。

圖5 監控系統結構圖

3 結 語

中心信息化管理方案，目前除桌面虛擬化管理尚未實施，其他信息化管理方案已全部實施完成。通過信息化改造，實驗中心的管理層次更加清晰，管理手段更加高效、便捷。為實驗教學的順利進行提供了堅實

的保障。通過網絡化、智能化的主機管理，提高了管理效率，有效保障了設備的運行，使設備利用率保持在99%以上。通過有效的主機控制管理及故障分析軟件，及時發現網絡故障點，節省了故障排查時間，為故障的順利解決提供了先決條件。通過電子教室管理軟件，使電子課堂分組實驗，分組討論成為可能，提高了課程實驗效果。老師和同學都給予了積極的評價。通過計費管理軟件，為實驗室對外開放提供可能，為學生課外實驗和創新活動提供了便利，同時提高了設備的利用率。信息化的網絡監控方案為實驗室設備安全、防火、防盜、無紙化考試，提供了有效的監測手段。信息技術的應用極大簡化了實驗中心網絡管理操作，解決了以前沒有辦法解決的問題，提高了管理效率，更好地保障了實驗教學的順利開展。

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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

國家自然科學基金項目(61271280)；中央高校科技創新一般項目(2014YB067)；大學生科技創新國家級項目(201410712095)；校級計算機網絡優質課程建設項目

霍迎秋(1978-)，男，河北唐山人，博士，實驗師，研究方向：計算機網絡、并行計算。

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

TP 393

A

1006-7167(2016)01-0125-04