云计算在中医类课程虚拟教学模式中的应用探讨

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摘要：随着信息技术的发展，中医类课程的教学模式由偏重理论讲述转向以网络和虚拟现实技术为手段的虚拟教学模式，但是随着教学规模的扩大，该模式存在性能上的瓶颈。基于云计算技术的虚拟教学模式开辟了一种新的技术架构，提高了大规模虚拟教学活动的性能，推动了中医类课程虚拟教学模式的改革和发展。

关键词：云计算；虚拟教学模式；中医

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1007-9599 （2013） 02-0000-03

在中医类课程的教学中，除了课堂理论教学，还要求学生具备较强的临床技能，但是现在的很多中医类院校的专业教学依然采用的是重理论轻实践的教学模式，将理论和实践的地位严重错置，这种教学模式很难让学生将理论知识运用到具体的实践中，已经不能适应中医教育的发展。

虚拟教学模式是一种全新的教学模式，它是信息技术发展到一定阶段建立起来的现代教育模式。在中医类课程的教学中，将现有的资源，比如中药标本，中医脉诊、舌诊和针灸等中医技法数字化，虚拟成数字三维模型和动画，将数字模型和动画与病案示例库相结合，营造一个虚拟的三维诊疗环境，在网络环境或者单机环境下利用多媒体虚拟现实技术进行情境再现，将视、听、感、思结合起来，多方位的进行体验，让学生直观的感受到实践的各个环节，并能结合理论知识进行抽象化表述，这种方式能很好的提高教学效果。

在这种教学模式下，从某种程度上讲，的确改善了教学效果，但是由于它基于多媒体数字三维模式，需要计算机或服务器具备较强的计算能力，而且教学资源庞大，学生并发访问的数量巨大，这对网络和计算机硬件的要求非常高。这种情况下，利用先进的云计算模式可以更好的解决问题。

1 虚拟教学模式

虚拟教学模式是一种在虚拟环境中的教学活动，它以网络技术和虚拟现实技术[1]为基础。将多媒体技术和仿真技术结合在一起生成了一种交互式的，让人身临其境的人工虚拟教学环境。[2]虚拟教学模式是现代信息技术发展的必然产物，它将计算机图形图像、三维模型和网络技术等结合起来，利用计算机去处理各种数字化教学信息，使人感受到具有丰富表现能力的多维信息辅助教学氛围。

国内外各种组织研究虚拟教学的课题始终都在进行中。2001年，英国联合信息系统委员会（Joint Information System Committee，JISC）资助了一系列相关研究课题，如利兹大学和牛津大学合作的“给在线学习环境提供在线学习资源”[3]（Providing Online Resources to Online Learning Environments，PROTOLE）项目。国内部分高校图书馆已经注重为教学提供支持服务，如清华大学教参信息系统收录了本科生与研究生的许多课程信息，并将对应的中文参考书也一并收录，而且将图书馆系统的部分功能引入进来，实现了整合。

虚拟教学模式的特征主要包括仿真性、资源共享和多维交互。虚拟教学模式下资源不是归属某一个个体所有，而是被虚拟情景下的所有成员共有。虚拟教学模式架设了一个以学习者为中心的虚拟课堂。在这个课堂中，参与者在虚拟环境中能够切身感受到一种身临其境的体验，虚拟环境通过课程设计再现了一种全新的学习过程。因此，在这种学习环境中，学习者能更真切的体会到参与的乐趣，摆脱了传统课堂上枯燥的说教模式，并且可以自由的出入一个可以选择的、自主控制的学习环境。在这种教学模式中，教与学的交互方式包括听觉、视觉、躯体、情感和社会等多个方面，它们可以通过技术手段的控制来实现。

虚拟教学模式创造了一个完美的虚拟学习环境，它具备开放性、广域性、交互性和实时性，是信息化时代教学改革的重要创新。它涉及到立体显示、三维图形生成、网络以及应用系统开发等技术。随着教学规模的逐步扩大，按照传统方式架设的硬件设备，比如网络和服务器等，当存储设备容量、网络带宽和计算资源被耗完的时候，就一定会产生性能瓶颈，这必将影响虚拟教学模式的应用。为了更好的推广教学信息化，更好的实现虚拟教学模式服务教学的目的，对传统的虚拟学习模式的重新架构显得尤为重要。建立一个统一、开放、灵活的虚拟化信息平台，对各种教学资源进行最大程度、最大范围的整合，将有利于虚拟教学模式更好的发展，而云计算的出现恰恰为它提供了一种完美的解决方案。

2 云计算简介

2.1 云计算的定义

云计算是在现有的网络布局的基础之上提出来的一种服务模式，它的任务处理模式发生了根本的改变，由单机的处理模式变为以网络为中心的任务处理，利用现有的网络资源组建一种虚拟的计算环境，从而服务所有的处理任务。在云计算中，网络成了传递服务、计算能力和信息数据的综合媒介，而且这种虚拟服务提出了按需计算和多人协作等模式。

云计算以互联网为基础负载资源，主要提供运作平台、存储资源、运算资源、应用程序和计算机基础设施等服务。云计算提供了一个新兴的IT部署和交付模式，通过网络实时提品、服务和解决方案。[4]云计算服务是开放模式下的系统服务，它必须具备几个显著特征。

首先，硬件和软件是“云”里面最基本的资源，网络是“云”的基本负载。云计算与传统的服务模式不同的是，在云计算模式中，企业和机构的数据中心将被放到“云”中，信息服务将由专业的云服务公司为他们提供，这种信息包括不同层次、不同方向和不同类型的数据。对于独立的个体用户来说，也不再需要去投入大量费用来购买软件了。其次，可以根据需要动态的对云计算资源进行扩展和配置，提高了云服务的性能，而且不会造成资源的浪费。通过虚拟化技术，云计算平台能在很短的时间内快速为用户的需求提供响应，这种速度在大规模的“云”上表现的更加明显，然后以按需服务或按需计费的方式轻松实现数据共享。

2.2 云计算的主要服务模式

云计算中的“服务”指的是能够跨网络使用的可重用、细粒度控制的组件服务。[5]服务包括软件即服务、基础设施即服务、平台即服务三种。软件即服务（Software as a Service，SaaS）指的是云平台将应用程序收录进去，然后为需要它的客户提供服务，这是一种应用程序被托管的服务模型，客户很方便的通过互联网去使用这种服务。平台即服务（Platform as a Service，PaaS）指的是一种应用程序的交付模型，它提供完全从互联网构建应用程序和服务所需要的所有资源，这种资源是在线的，不需要下载或安装特殊的软件。基础设施即服务（Infrastructure as a Service，IaaS）指的是云平台提供了硬件资源服务，比如存储服务、打印服务等，用户可以把个人的数据放置在上面。

在云基础设施服务中，云平台提供了计算机基础设施、网络基础设施、基础物理存储介质等硬件资源，这些基础设施成为云平台提供给其他服务的基础和负载。基础设施作为服务也可以直接提供给需要它的个体客户或企业使用。用户使用云基础设施的方式主要是以推送虚拟环境的方式，在终端上通过访问互联网进行。基础设施服务由服务提供商供给，因此，客户完全是按需定制的方式使用这些基础硬件设备。

云平台服务是一种抽象化的开发环境和运行环境服务，这种环境被封装，并将服务的有效载荷进行了打包，生成了独特的Web服务环境。在云平台服务中，典型的应用是Xen镜像（亚马逊网络提供的一种服务），它提供一个基本的Web服务堆栈。

软件服务是最高层，它以IaaS和PaaS为基础，并拥有完整的应用。它通过出租的模式按需提供给用户使用。这意味着某软件的单一实例可以在服务提供商提供的基础设施上独立存在，并且可以同时服务多个客户。

3 基于云计算的虚拟教学模式

3.1 模式框架

由于中医类课程涉及到大量的多媒体模拟，因此，利用基于云计算的虚拟教学模式提供的强大和开放的虚拟教学平台，以及分布式的计算和存储能力，虚拟教学平台的参与者就可以对教学资源进行编辑、更新、上传下载、存储、检索和浏览，通过各种方式参与教学资源的管理，从而实现对知识的管理和共享。本模式框架如图1所示。

在图1中，该教学模式共分为：物理层、虚拟资源层、教学管理层和应用服务层四个层次。物理层提供最基本的硬件设施，包括计算资源、网络资源、存储资源和数据资源，这是其他层次的基石，在云平台中占有举足轻重的地位。这些硬件资源采用灵活的拓扑结构，既可以集中联系，也可以分布联系。它们通过底层的管理软件进行维护管理。底层管理软件主要负责解决服务器吞吐率、硬件散热、能耗降低、故障点上报及替换等问题。

虚拟资源层虚拟了一个资源环境，将分散的物理资源进行梳理和整合，用特殊的合并算法进行计算、存储、通信，并提供各种数据服务。为了保证它提供服务的安全性和易用性，它使用了虚拟化和容错技术。虚拟资源层对上面的各应用服务层是完全透明的，上面各层无需参与虚拟资源层的管理细节。虚拟资源层对物理层的资源进行了虚拟和整合，主要包括任务调度、热点迁移、资源有效部署、故障检测和恢复等任务。通过虚拟资源层，用户感受不到底层模式的影响，仅仅感觉在使用一台功能强大的超级计算机。

教学管理层面向的对象主要是教师和管理者，它实现了对各种教学资源的管理，实现了对教学资源的增加、删除、修改和整合操作，除此之外还包括辅导管理、考试系统的设计和教学管理设计。除此之外，教学管理层还可以对计算资源、通信和硬件资源进行管理。

在应用服务层，用户需要对资源进行申请，并注册应用服务，这样才能确定所需要的资源和应用服务。应用服务的功能包括编辑、更新、存储、上传/下载、浏览检索和等。应用服务层的各项功能和教学管理层联系的非常紧密。在该层，用户可以建立自己的私有个性化管理空间，并根据需要选取相关的资源和服务。通过管理权限的设置，用户可以对资源实行分级共享和，从而实现知识共享的目的。

3.2 应用方式

在虚拟化资源平台上构建的应用服务层和教学管理层，可以为用户提供一种个性化的教学资源管理服务。如果用户存在需求，则可以提出资源及应用申请，那么应用服务层将会提供应用和资源服务。

在应用方式上，用户的应用申请在流程上主要分为三步。第一，用户通过服务软件注册，并登录到云平台网络，然后对相关资源提出申请。当用户需要管理教学资源时，应用服务层就向教学管理层提出申请；当教学资源管理层接收到应用服务层的申请后，管理组件就会去检查教学资源的状态和对应的存储信息；如果该教学资源存在并可用，则被教学资源的监控组件监控到，然后将其状态和存储信息传回给应用执行组件；应用执行组件根据提出的应用程序申请去调用相应的服务程序，并将最终结果返回到应用服务层。

在云计算环境中，绝大部分资源都存放在虚拟“云”中，“云”的架构、拓扑结构、资源配置和技术实现对用户都是透明的，所以用户并不需要去了解具体的处理细节和执行过程，只需简单的将终端接入网络，就可以享受虚拟教学平台提供的服务。

因为应用服务和教学管理服务均构建在虚拟资源层上面，可以运行在不同的硬件环境下，具有较高的可移植性。虚拟教学模式的运行环境可以是私有云（Private Cloud），所谓私有云是指学校的某个院系部门内部的局部云计算环境。也可以是共同体云（Community Cloud），即构建在学校多个院系部门共同建立的大局域网上的云。或者是混合云（Hybrid Cloud），即构建在其中任意两种网络互连之上的云计算环境。这种“云”利用虚拟机技术，比如Xen等，实现了对底层的硬件和操作系统进行虚拟，可以隐藏硬件资源在不同的地理位置、不一样的物理性质和不同的操作模式之间的差异，使得用户体验如同在一台超级计算机上一样。

本文的应用研究将围绕开源的Hadoop技术架构展开，采用HBase作为海量数据管理系统，HDFS（分布式文件系统）作为分布式存储系统，Xen作为虚拟机，基于Hadoop技术路线的MapReduce作为并行编程模型。Hadoop是一个分布式系统基础架构，它采用主/从模式，将数据拆分成多个数据块，由主模块到从模块构造一种索引或者映射，分别存储到不同的存储节点上。集群将由一个Namenode和不定数目的Datanodes组成。Namenode是一个中心服务器，功能是解决客户对文件系统的访问问题以及负责管理文件系统的Namespace。Datanodes主要负责管理节点上的存储。这是一种单节点的设计模式，它可以很好的简化系统的设计，并能轻松的实现。另外，Hadoop是开源的，这有利于进行二次开发，建立原型系统和实验。

4 结论

随着信息技术的发展，中医类课程更多的采用了多媒体虚拟现实技术，但是这种模式受限于软硬件的规模，很容易造成性能瓶颈，如果将云计算引入进来，利用Hadoop云计算技术，提出智能化的中医类课程虚拟教学模式，将能从根本上解决问题。在后续的应用开发工作中本课题将建立一个云计算虚拟原型系统，并结合数据挖掘和智能技术，设计一个用于对教学资源进行智能评估的并行挖掘工具，然后在原型系统上进行测试和实验，从运行性能和系统扩展性等角度对其进行比较，验证所提出的方法的实用性和执行效率。

参考文献：

[1]汪成为，高文，王行仁.灵境（虚拟现实）技术的理论，实现及应用[M].清华大学出版社，1996，13-16.

[2]周振军，张庆秀，马彦华.虚拟教学技术教学应用分析[J].内蒙古师范大学学报（教育科学版），2005，5（18）102-103，130.

[3]Sofifiou M.PORTOLE final report[EB/OL].http：//informs.hud.ac.uk，2010-10-08.

[4]唐箭.云计算数据库研究及其在远程教学中的应用[J].赤峰学院学报，2009（9）：232-233.

[5]周庆辉.云计算实践指南[M].北京，机械工业出版社，2010.

[作者简介]杨枫，男，讲师，研究方向：语义网，数据挖掘，人工智能。

*2011年度河南中医学院科研苗圃工程医药相关类研究项目资助（MP2011-53）；河南省基础与前沿技术研究计划项目资助（122300410345）