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淺析高校實(shí)驗(yàn)室信息化平臺(tái)在云計(jì)算技術(shù)下的構(gòu)建論文

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淺析高校實(shí)驗(yàn)室信息化平臺(tái)在云計(jì)算技術(shù)下的構(gòu)建論文

  隨著信息技術(shù)的發(fā)展與實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革管理體制的深入,實(shí)驗(yàn)室建設(shè)正走向網(wǎng)絡(luò)信息化時(shí)代。云計(jì)算技術(shù)的不斷成熟與發(fā)展改善了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)管理模式的限制與束縛,為了能夠有效提高實(shí)驗(yàn)室的資源優(yōu)化配置和服務(wù)能力,提出了基于云計(jì)算技術(shù)構(gòu)建高校實(shí)驗(yàn)室信息化平臺(tái)的建設(shè)方案,其目的是有效整合資源,降低實(shí)驗(yàn)室資金投入,使實(shí)驗(yàn)室能夠全方位滿足師生開放性的教學(xué)需求,適應(yīng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的要求。

淺析高校實(shí)驗(yàn)室信息化平臺(tái)在云計(jì)算技術(shù)下的構(gòu)建論文

  1.高校實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)狀與問(wèn)題

  近年來(lái),各高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)己經(jīng)具有一定規(guī)模,實(shí)驗(yàn)的軟硬件環(huán)境得到了改善,實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量也相應(yīng)提高了,然而,在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和管理方面仍然存在不足。

  1.1 計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng):型號(hào)、配置參差不齊,加大更新與維護(hù)成本及難度

  實(shí)驗(yàn)室建設(shè)初期,計(jì)算機(jī)的型號(hào)與配置相同,隨著時(shí)間的推移,使用過(guò)程中硬件不斷損耗,不同時(shí)間段的維護(hù)與更新會(huì)使用不同型號(hào)的組件。由于計(jì)算機(jī)硬件的飛速發(fā)展,更換組件難以找到原有的型號(hào),使得維護(hù)后的計(jì)算機(jī)組件都較原有組件有所升級(jí),勢(shì)必造成實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的實(shí)際配置逐漸拉大差距參差不齊。與此同時(shí),高校擴(kuò)招和教學(xué)體制的改革,促使實(shí)驗(yàn)室規(guī)模不斷擴(kuò)大,計(jì)算機(jī)數(shù)量需求激增,但由于經(jīng)費(fèi)等原因限制,實(shí)驗(yàn)室建設(shè)只能分批次實(shí)現(xiàn),分批購(gòu)置和更換老舊設(shè)備,同樣造成了實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)上的極大差距。由于實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備配置差異大,品牌種類繁多,在實(shí)驗(yàn)教學(xué)使用過(guò)程中不斷升級(jí)更新,直接造成了實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)的運(yùn)行維護(hù)成本升高和難度加大。

  1.2 計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng):實(shí)驗(yàn)室功能單一,信息資源共享性差,無(wú)法滿足快速發(fā)展的信息化教學(xué)需要

  高校實(shí)驗(yàn)室雖然計(jì)算機(jī)數(shù)量眾多,但屬于自建、自管、自用的狀態(tài),資源利用率并不高。一般每種應(yīng)用系統(tǒng)單獨(dú)配備一臺(tái)物理服務(wù)器,造成服務(wù)器資源浪費(fèi)和能耗浪費(fèi)。并且實(shí)驗(yàn)室功能單一,信息資源分散,互聯(lián)互通不暢,優(yōu)秀教學(xué)資源難以共享,無(wú)法滿足快速發(fā)展的信息化教學(xué)需要,成為當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室信息化深層次推進(jìn)和發(fā)展的瓶頸之一。

  1.3 系統(tǒng)安全性:人員流動(dòng)性大,用戶水平參差不齊,病毒猖獗,増大安全隱患

  實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)著各專業(yè)各層次的公共課、專業(yè)課、課程設(shè)計(jì)等多種教學(xué)任務(wù),還承擔(dān)著多種不同類型的考試任務(wù),同時(shí)U盤等移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備的大量使用與網(wǎng)絡(luò)上各種釣魚網(wǎng)站的出現(xiàn),這些都導(dǎo)致計(jì)算機(jī)很容易受到病毒、木馬的攻擊;另一方面,用戶水平參差不齊,往往有意或無(wú)意去更改系統(tǒng)設(shè)置,甚至誤刪系統(tǒng)文件,造成計(jì)算機(jī)無(wú)法啟動(dòng);尤其少數(shù)用戶安全意識(shí)淡薄,從網(wǎng)絡(luò)下載與上傳娛樂(lè)軟件,更容易引起計(jì)算機(jī)感染病毒并漫延至整個(gè)實(shí)驗(yàn)室,極大地增大了實(shí)驗(yàn)室的安全隱患。

  2.基于云計(jì)算技術(shù)的高校實(shí)驗(yàn)室信息化平臺(tái)架構(gòu)

  云計(jì)算是一種利用互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地、按需、便捷地訪問(wèn)共享資源池(如計(jì)算設(shè)施、存儲(chǔ)設(shè)備、應(yīng)用程序等)的計(jì)算模式。云計(jì)算系統(tǒng)采用的是虛擬化的技術(shù),所謂虛擬化技術(shù)指的是計(jì)算元件并不在真實(shí)的狀態(tài)下運(yùn)行,所以它并不受硬件容量的限制,無(wú)形之中擴(kuò)充了硬件的容量,能夠根據(jù)服務(wù)提供者和用戶事先商定好的服務(wù)等級(jí)協(xié)議動(dòng)態(tài)地提供服務(wù)。

  云計(jì)算將計(jì)算、存儲(chǔ)、應(yīng)用和服務(wù)都變成了資源,用戶通過(guò)云計(jì)算提供的訪問(wèn)接口可以向云服務(wù)管理層提出申請(qǐng)資源服務(wù)。云計(jì)算的核心服務(wù)層通?梢苑譃3層:一是基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)(IaaS,InfrastructureasaService),如IBM的BlueCloud:二是平臺(tái)即服務(wù)(PaaS,PlatformasaService),如Google的AppEngine;三是軟件即服務(wù)(SaaS,SoftwareasaService)如微軟的Salesforce.com。云計(jì)算環(huán)境具有數(shù)據(jù)安全可靠、客戶端需求低、高靈活度、超大計(jì)算能力資源等特點(diǎn)。

  結(jié)合本校網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的環(huán)境,以分層設(shè)計(jì)為理念,應(yīng)用虛擬化技術(shù),整合優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源,構(gòu)建實(shí)驗(yàn)室信息化平臺(tái)即實(shí)驗(yàn)云系統(tǒng)。該系統(tǒng)架構(gòu)分五層:基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)層、應(yīng)用平臺(tái)服務(wù)層、軟件服務(wù)層、云終端用戶層、云系統(tǒng)管理層。

  2.1 基于云計(jì)算技術(shù)構(gòu)建基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)層

  應(yīng)用云計(jì)算技術(shù),校園局域網(wǎng)連接各實(shí)驗(yàn)中現(xiàn)有的PC機(jī)、服務(wù)器、交換機(jī)、存儲(chǔ)設(shè)施等硬件基礎(chǔ)設(shè)施,組成實(shí)驗(yàn)云系統(tǒng)的最底層即物理資源層,經(jīng)過(guò)虛擬化技術(shù)將某一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)中心的計(jì)算與存儲(chǔ)資源轉(zhuǎn)化為一個(gè)高效靈活的資源池,成為整個(gè)實(shí)驗(yàn)云系統(tǒng)的性能基礎(chǔ)。該層的物理資源可以是本校的硬件設(shè)備,也可以是通過(guò)Internet幾個(gè)學(xué)校共享的設(shè)備,或者從教育云、公有云提供商租用的設(shè)備。這些物理資源構(gòu)成的資源池是實(shí)驗(yàn)云系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施層,它提供的服務(wù)稱IaaS模式。

  在虛擬化技術(shù)的支持下,laaS為上層服務(wù)提供服務(wù)器、存儲(chǔ)與網(wǎng)絡(luò)等基本硬件資源,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)云系統(tǒng)的平臺(tái)進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度管理,為用戶提供彈性的動(dòng)態(tài)服務(wù),云用戶隨時(shí)隨地可以普適接入,使物理資源、網(wǎng)絡(luò)資源能夠像水、電一樣方便地廣泛共享,實(shí)現(xiàn)按需分配。IaaS模式有利于改善資源分配,提高資源利用率。例如:1臺(tái)物理服務(wù)器應(yīng)用虛擬技術(shù)虛擬出5臺(tái)虛擬工作站,動(dòng)態(tài)分配虛擬資源池中的CPU、內(nèi)存、硬盤、I/O設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)資源,根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要分別在5臺(tái)虛擬工作站上安裝不同的OS并配置相應(yīng)的應(yīng)用程序后,將這些虛擬服務(wù)器連成一個(gè)局域網(wǎng),從而可以建立5臺(tái)服務(wù)器連成的實(shí)驗(yàn)云系統(tǒng)。

  2.2 基于云計(jì)算技術(shù)創(chuàng)建應(yīng)用平臺(tái)服務(wù)層

  實(shí)驗(yàn)信息網(wǎng)的數(shù)據(jù)資源中心運(yùn)行在網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)器集群中,實(shí)驗(yàn)中用戶調(diào)用數(shù)據(jù)資源的協(xié)調(diào)和部署平臺(tái)等都通過(guò)云計(jì)算技術(shù)的PaaS模式來(lái)提供,用戶端與服務(wù)器端可采用B/S結(jié)構(gòu)的通信方式。

  PaaS模式作為核心服務(wù)的中間層,既為上層應(yīng)用提供簡(jiǎn)單、可靠的分布式編程框架,又需要基于底層的資源信息調(diào)度作業(yè)、管理數(shù)據(jù),屏蔽底層硬件系統(tǒng)品牌、型號(hào)的差異性。PaaS模式通過(guò)虛擬化技術(shù)提供的集成環(huán)境創(chuàng)建一個(gè)完整的虛擬應(yīng)用平臺(tái)給用戶,包括虛擬硬件資源、數(shù)據(jù)庫(kù)、應(yīng)用程序和服務(wù)器平臺(tái)等。如運(yùn)維人員需要開發(fā)語(yǔ)言實(shí)驗(yàn)環(huán)境,按照需要向?qū)嶒?yàn)云系統(tǒng)提出申請(qǐng),得到核準(zhǔn)后,PaaS會(huì)自動(dòng)創(chuàng)建用戶所需的各項(xiàng)應(yīng)用服務(wù)的虛擬運(yùn)行環(huán)境鏡像,用戶啟動(dòng)應(yīng)用服務(wù)時(shí)PaaS會(huì)自動(dòng)裝載虛擬機(jī)鏡像文件生成相應(yīng)的虛擬機(jī)。不同層次的實(shí)驗(yàn)人員、開發(fā)人員和維護(hù)人員都可以運(yùn)用這個(gè)虛擬應(yīng)用平臺(tái),進(jìn)行定制、開發(fā)程序以及運(yùn)行維護(hù)操作等。

  2.3 基于云計(jì)算技術(shù)提供軟件服務(wù)層

  實(shí)驗(yàn)云系統(tǒng)通過(guò)云計(jì)算技術(shù)給用戶提供基礎(chǔ)設(shè)施、應(yīng)用平臺(tái)及軟件三方面的服務(wù),實(shí)驗(yàn)用戶根據(jù)個(gè)人需求訪問(wèn)所需要的服務(wù)層,硬件資源服務(wù)由IaaS提供,應(yīng)用平臺(tái)服務(wù)由PaaS提供,SaaS面向用戶直接提供軟件服務(wù)。

  實(shí)驗(yàn)用戶向云系統(tǒng)提出需求,通過(guò)Web瀏覽器等云終端統(tǒng)一接口,SaaS將實(shí)驗(yàn)所需軟件包含其運(yùn)行環(huán)境打包給用戶,在使用過(guò)程中軟件不需要用戶端安裝,而是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)使用軟件。SaaS模式許可用戶只需要接入互聯(lián)網(wǎng),便可以在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)享受其提供的服務(wù),突破了軟件安裝對(duì)用戶層機(jī)器性能的限制且兼容性好,與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的軟件服務(wù)模式相比,SaaS模式更簡(jiǎn)單靈活、更實(shí)用、易于維護(hù),真正實(shí)現(xiàn)了一點(diǎn)部署、多點(diǎn)服務(wù)的SaaS模式,使得實(shí)驗(yàn)室的功能更強(qiáng)大,應(yīng)用范圍更廣泛。

  2.4 基于云計(jì)算技術(shù)配置云終端用戶層

  云終端為用戶和實(shí)驗(yàn)云系統(tǒng)提供統(tǒng)一的訪問(wèn)接口,主要通過(guò)云計(jì)算技術(shù)將各種應(yīng)用平臺(tái)或軟件封裝成標(biāo)準(zhǔn)的WebService模式,使云終端用戶層的各個(gè)用戶按需進(jìn)行個(gè)性化配置且互不影響。云終端用戶層的特征是多樣性、低成本性、共享性和綠色性。多樣性體現(xiàn)在云計(jì)算技術(shù)支持PC、筆記本、PDA、手機(jī)等多種終端。低成本性與共享性體現(xiàn)在它對(duì)硬件配置要求很低,用戶使用1臺(tái)瘦客戶端(顯示器、鼠標(biāo)、鍵盤)就可以接入實(shí)驗(yàn)云系統(tǒng),用戶像使用本地計(jì)算機(jī)一樣來(lái)動(dòng)態(tài)地調(diào)配實(shí)驗(yàn)所需要的軟硬件資源,共享云計(jì)算技術(shù)帶來(lái)的海量信息數(shù)據(jù)。綠色性體現(xiàn)能耗低,各種軟件及數(shù)據(jù)資源安全可靠等。例如:傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用中用戶安裝應(yīng)用程序時(shí)需要一臺(tái)擁有1個(gè)CPU、4G內(nèi)存、500G硬盤存儲(chǔ)的計(jì)算機(jī),在云計(jì)算技術(shù)的支持下,用戶只需要利用實(shí)驗(yàn)室信息化平臺(tái)生成一臺(tái)擁有1個(gè)CPU、4G內(nèi)存、500G硬盤存儲(chǔ)的虛擬機(jī),既滿足了用戶的需求,又降低能耗節(jié)約了資源。

  2.5 基于云計(jì)算技術(shù)搭建云系統(tǒng)管理層

  實(shí)驗(yàn)云系統(tǒng)管理層具有承上啟下的作用,提供用戶管理、安全管理、資源管理、數(shù)據(jù)管理、服務(wù)質(zhì)量管理等功能,協(xié)調(diào)實(shí)驗(yàn)信息網(wǎng)絡(luò)的整個(gè)服務(wù)系統(tǒng),如身份認(rèn)證、用戶許可、使用管理、調(diào)度執(zhí)行等。用戶管理對(duì)用戶提出的服務(wù)申請(qǐng)負(fù)責(zé)審核。安全管理負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)安全、數(shù)據(jù)安全、用戶使用安全等。資源管理主要對(duì)虛擬資源池進(jìn)行管理,包括增刪、調(diào)用、修改、維護(hù)等,同時(shí)對(duì)各種虛擬資源進(jìn)行負(fù)載均衡和調(diào)度,為上層服務(wù)進(jìn)行自發(fā)調(diào)節(jié)與全局調(diào)節(jié)以提供保障基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)管理主要存儲(chǔ)和維護(hù)用戶以及實(shí)驗(yàn)云系統(tǒng)中的數(shù)據(jù),云系統(tǒng)將各種數(shù)據(jù)都通過(guò)網(wǎng)絡(luò)保存到遠(yuǎn)端云存儲(chǔ)平臺(tái)上,減小了用戶對(duì)于數(shù)據(jù)管理的負(fù)擔(dān)。服務(wù)質(zhì)量管理包括資源定制的時(shí)效性、按需服務(wù)的可用性及網(wǎng)絡(luò)性能的保障性等。云系統(tǒng)管理層還為管理員提供一個(gè)平臺(tái),在實(shí)驗(yàn)室的日常運(yùn)行維護(hù)中可以方便地完成教學(xué)管理、資源配置和實(shí)驗(yàn)部署等日常工作,還可以進(jìn)行硬件資源的平滑擴(kuò)展和軟件資源的升級(jí)與更新,以及在虛擬化資源上提供新型的定制實(shí)驗(yàn)內(nèi)容等非曰常維護(hù)工作。

  3.基于云計(jì)算技術(shù)的高校實(shí)驗(yàn)室信息化整體性能分析

  3.1 降低硬件成本這構(gòu)建合理的資源共享空間

  在傳統(tǒng)的高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中,硬件約占總投入的70%以上,并且實(shí)驗(yàn)室的使用效率很大程度上受制于計(jì)算機(jī)硬件水平的高低;谠朴(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室信息化后,各實(shí)驗(yàn)室聯(lián)系構(gòu)成一個(gè)實(shí)驗(yàn)云系統(tǒng)。云系統(tǒng)對(duì)用戶端的硬件配置要求很低,用戶只需擁有鼠標(biāo)、鍵盤就可以上網(wǎng)接入到云系統(tǒng)共享云計(jì)算技術(shù)提供的各種資源,使實(shí)驗(yàn)室的功能更強(qiáng)大,應(yīng)用范圍更廣泛。學(xué)校不再需要花費(fèi)巨額資金購(gòu)置大量高性能設(shè)備就可以滿足實(shí)驗(yàn)用戶多層次的需求,極大地降低了實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中購(gòu)置軟硬件設(shè)施及設(shè)備維護(hù)更新的成本,從而以較低的投入獲得高性能。

  3.2 簡(jiǎn)化資源配置構(gòu)建高效的運(yùn)行維護(hù)環(huán)境

  實(shí)驗(yàn)云系統(tǒng)通過(guò)云計(jì)算技術(shù)給用戶提供基礎(chǔ)設(shè)施、應(yīng)用平臺(tái)及軟件三方面的服務(wù)。基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)行維護(hù)由云系統(tǒng)提供,軟件的更新?lián)Q代也由云系統(tǒng)提供,極大地提高了資源利用率,簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)室資源配置與管理,從而減輕了實(shí)驗(yàn)軟硬件頻繁更新維護(hù)的壓力,用戶只需要運(yùn)行瀏覽器就可以享受云計(jì)算技術(shù)帶來(lái)的便利。

  3.3 強(qiáng)化信息管理構(gòu)建安全的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間

  信息數(shù)據(jù)安全是實(shí)驗(yàn)室安全的一個(gè)重要方面。為了滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科研的需要,高校實(shí)驗(yàn)室需要不斷購(gòu)置、更新數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器來(lái)滿足日益增長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)信息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的需求。實(shí)驗(yàn)室存在大量重要的信息資源和數(shù)據(jù)需要存儲(chǔ)、處理和使用,而猖厥的計(jì)算機(jī)病毒、網(wǎng)絡(luò)惡意攻擊等都對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、處理構(gòu)成嚴(yán)重的威脅。在實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室信息化后,各種數(shù)據(jù)包括用戶數(shù)據(jù)都通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)保存到遠(yuǎn)端的實(shí)驗(yàn)云系統(tǒng)中,平臺(tái)上的數(shù)據(jù)和應(yīng)用時(shí)刻處于安全狀態(tài)下,同時(shí)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科研所需數(shù)據(jù)可以從實(shí)驗(yàn)云系統(tǒng)安全下載,不僅杜絕了U盤、移動(dòng)硬盤等的使用,而且實(shí)驗(yàn)參數(shù)的實(shí)時(shí)保存能夠保證實(shí)驗(yàn)系列的完整連續(xù)性,供后續(xù)檢查和分析研宄之用。用戶的數(shù)據(jù)資源存儲(chǔ)在實(shí)驗(yàn)云系統(tǒng)服務(wù)器上,進(jìn)行專業(yè)管理,用戶通過(guò)嚴(yán)格的權(quán)限管理策略實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享,用戶端突然斷電或死機(jī)不會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)云系統(tǒng)以及信息數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。用戶不必?fù)?dān)心數(shù)據(jù)損壞、病毒猖獗,有效地提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量,提高了實(shí)驗(yàn)室的安全系數(shù)。

  3.4 優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源構(gòu)建高效的資源服務(wù)體系

  通過(guò)云計(jì)算技術(shù)的優(yōu)化應(yīng)用,實(shí)驗(yàn)室的海量信息資源和服務(wù)可以隨時(shí)、便捷地提供給用戶共享,解決了軟硬件資源不足,分布不均的問(wèn)題。例如:當(dāng)用戶需要虛擬機(jī)時(shí),只需要在線申請(qǐng),填寫所需服務(wù)器的具體配置,管理員審核通過(guò)之后,平臺(tái)就會(huì)自動(dòng)生成相應(yīng)的虛擬機(jī),既方便了用戶也方便了管理員。云計(jì)算技術(shù)的應(yīng)用給高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來(lái)了機(jī)遇,加快了高校信息化進(jìn)程。學(xué)生可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)室信息化平臺(tái)更好地自主學(xué)習(xí),使實(shí)驗(yàn)教學(xué)變成更能夠滿足個(gè)性化學(xué)習(xí)的信息化教學(xué),極大地優(yōu)化了教與學(xué)的環(huán)境,提高了管與用的效能。

  4.結(jié)束語(yǔ)

  本文在分析比較傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與管理中存在的運(yùn)維難度大、資源共享差、系統(tǒng)安全隱患大等問(wèn)題的基礎(chǔ)上,整合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有硬件設(shè)備,運(yùn)用云計(jì)算技術(shù)構(gòu)建實(shí)驗(yàn)室信息化平臺(tái)架構(gòu)。闡述高校實(shí)驗(yàn)室信息化構(gòu)建了合理的資源共享和數(shù)據(jù)安全存儲(chǔ)的空間,構(gòu)建了高效的運(yùn)行維護(hù)環(huán)境和資源服務(wù)體系,為師生創(chuàng)造一個(gè)良好的科研與實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境。

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