遠程開放式云端虛擬實驗室建設初探

徐 林，盧廣宇，楊 凱，郭龍鋼

（東北大學 信息科學與工程學院，遼寧 沈陽 110819）

【實驗平臺】

遠程開放式云端虛擬實驗室建設初探

徐 林，盧廣宇，楊 凱，郭龍鋼

（東北大學 信息科學與工程學院，遼寧 沈陽 110819）

針對現有遠程網絡教育中實踐教學環節難以有效進行的難題，基于云計算技術，構建了遠程開放式云端虛擬實驗室，分析并規劃設計系統結構，給出了虛擬實驗系統、半實物仿真實驗系統設計方案，研究云端虛擬實驗室遠程開放管理策略。通過云端虛擬實驗室的建設，突破傳統的實踐教學模式受時間與空間的限制，減少實驗室建設、管理及運行維護成本，提高學生學習效果和教育教學質量。

網絡教育；云服務；遠程開放；虛擬實驗室

網絡教育為任何愿意獲取知識的人提供了學習的權利和機會，它突破傳統學校教學方式的時空束縛，與課堂教育、廣播教育、電視教育共同構成多元化的教育體系[1]。目前開設網絡教育的專業課程多以實踐為基礎，特別是一些實踐性要求很強的專業課程，實踐環節對培養學生的實際操作能力、解決問題能力和培養創新精神至關重要。由于受到資金和條件的限制，目前除了一些計算機類課程外，其他專業課程少有開設實踐教學環節，最多是將實踐環節做成錄像供學生觀看，學生學習效果和培養質量可想而知。基于網絡的遠程虛擬實驗是一種新型實驗教學模式，將專業理論知識與多媒體仿真技術、計算機網絡等有機結合，通過創建一個網絡化的虛擬實驗環境，使用者通過操作和修改虛擬實驗裝置即可完成相應的實驗過程，達到與現場實驗一致的教學要求和目的[2]。這種實踐教學模式，既可以突破傳統的實踐教學模式受時間與空間的限制，又可以有效降低實驗室建設、管理及運行維護成本，還可以有效解決目前遠程網絡教學中實驗教學環節難以有效進行的難題，它的建立將促進網絡教育教學質量的飛躍。近年來，云計算技術已逐漸進入我們的視野，走進了我們的生活，進入了我們的教育。《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）》明確指出：“信息技術對教育發展具有革命性影響，必須予以高度重視。”[3]有專家預測：云計算將在未來三五年成為學校的主流技術，將影響教師的教學方式和學生學習的方式，再次帶來教育上的大變革[4]。將云計算技術與遠程虛擬實驗室建設融合在一起，構建遠程開放式云端虛擬實驗室具有重要的現實意義。本文以網絡教育為背景，利用先進的云計算技術和虛擬實驗開發工具，探索遠程開放式云端實驗室建設思路與方法，為進一步全面推廣進行有益的嘗試，從而提高網絡教育學生的學習效果和培養質量，最大限度地滿足日益增長的現代遠程教育的要求。

一、云端實驗室結構設計

云計算技術實質上是一種服務模式，即云服務。在這種模式下，用戶能夠方便地按需訪問網絡共享池中的可配置資源（如網絡、服務器、存儲、應用程序和服務）。其核心是將大量用網絡連接的計算資源統一管理和調度，構成一個計算資源池向用戶提供所需的服務。云服務的特點和優勢主要包括：數據在云端；高可靠性和通用性；高可擴展性和按需服務；低廉的價格和便捷性；數據共享。[5，6]針對網絡教育的特點，對基于云計算技術，提出了云端實驗室的構想，主要包括基礎設施、虛擬化方法、安全保障方式、應用支撐平臺和服務以及用戶訪問系統的方式，系統結構見圖1。

圖1 系統結構示意圖

由圖1可以看出，硬件環境由超強計算能力的服務器、支持海量數據的存儲器、能夠支持快速大數據量傳輸的網絡等物理硬件設備組成；虛擬化平臺采用云計算技術對底層的網絡、服務器、存儲設備進行虛擬化，將硬件層提供的資源進行虛擬化和離散化處理，實現資源自動化調度管理，通過目錄服務和認證系統等實現云端實驗室的安全管理；可擴展的應用支撐平臺，使用云計算平臺進行資源整合，負責資源的網絡傳輸，負載均衡等功能；個性化用戶訪問平臺，主要處理用戶邏輯，按照用戶需要提取數據，為用戶提供服務。云端實驗室框架中的四個層次，底部層次為上層提供服務，而上層只需要考慮服務的功能和使用，不必關心服務的具體實現，從而簡化了每一層的設計。系統設計中建立了一個安全的信息服務環境，包括完整的系統軟硬件安全體系設計，從云安全軟件支撐體系、虛擬存儲安全、漏洞掃描和安全配置管理。同時，可以提供豐富的云端服務，包括身份認證服務、數據存儲和備份服務、信息共享和分類服務、信息發布服務、網上教學服務。上述服務的實現依靠靈活的云端管理和應用系統來實現。

二、虛擬實驗系統設計

云端實驗室，實質上是基于云計算技術構建的通過網絡遠程控制與交互的遠程虛擬實驗系統[7]。從目前的技術來看，遠程虛擬實驗一般兩種模式，即演示型實驗和操作型實驗。演示型實驗多采用攝像機拍攝真實的實驗后制成視頻文件進行播放，或采用Flash等多媒體軟件制成動畫進行演示，這種模式缺少交互性，也無法體驗實驗過程和實驗現象。操作型實驗的特點是實驗者參與其中，需要使用專門的軟件實現硬件設備的虛擬化，具有很好的仿真性和交互性，實驗者可以通過實驗體驗實驗過程和實驗現象，其實現方式主要有（1）虛擬儀器編程語言（LabVIEW）；（2）矩陣實驗室MATLAB&Simulate；（3）面向對象的編程語言，主要包括Java、VC、C#等；（4）虛擬現實建模語言（VRML）；（5）虛擬現實技術（Virtual Reality）。本文以C語言程序設計、模擬電子電路、計算機控制系統等三門課程為例，探索不同形式的云端實驗室遠程虛擬試驗系統的開發。

1.C語言程序設計遠程實驗系統。在系統設計過程中，采用分布式數據處理技術，利用先進的云計算技術，在各個服務器之間進行負載均衡，實現資源最大化利用。系統功能主要包括用戶管理模塊、學習與測試模塊、實驗模塊等。在該系統中，用戶信息、學生實驗信息和課程資源等數據庫的管理采用云計算中的Map Reduce機制，把多用戶產生的臨時文件按照某種特征歸納起來，然后經過分布式數據處理得到最終的結果，降低了數據庫存放大量數據所占用的空間，極大地提高了服務器運行效率。圖2給出了實驗模塊示意圖。

圖2 C語言程序設計遠程實驗系統實驗模塊

2.模擬電子電路課程遠程實驗系統。通過LABVIEW、Multisim軟件進行系統功能開發，利用control design&simulation module實現兩個軟件之間數據傳輸，得到所需功能的VI，并通過LABVIEW中Web發布工具將VI的前面板發布到云端系統中，使實驗者能夠無障礙訪問并控制前面板。圖3是以模擬電子電路中經典實驗“晶體放大器”為例構建的虛擬仿真實驗系統。

圖3 晶體管放大電路虛擬仿真系統

3.計算機控制系統課程半實物仿真遠程實驗系統。計算機控制系統課程是自動化等專業的一門重要專業課程，針對該課程特點，采用半實物仿真系統，將實驗設備（實體控制器、由特定的設備描述實際工業環境）連接到互聯網上，不要求實驗設備集中放置，實驗者可以利用任意一臺連接到網絡的計算機，即可遠程進行實驗研究、控制算法設計、控制系統建模等。

本系統利用云計算高效、快捷的優點，進一步優化了學習平臺，為用戶提供更安全，快捷，便利，高效的服務。系統結構如圖4所示。該系統包括三個部分：（1）被控對象系統：直流電機（被控對象），磁粉制動器（負載或擾動源），光電編碼器（測速傳感器），輸出控制模塊（驅動模塊），監控攝像頭（監控系統），嵌入式以太網接口（網絡接口）。（2）服務器：主要是系統管理軟件系統，完成終端訪問者與實驗系統的連接管理。（3）遠程終端：主要是監控軟件系統，包括實時圖像模塊，控制算法模塊，數據管理模塊等。通過強大的網絡共享功能，用戶只要注冊就可以隨時隨地登錄仿真模擬實驗平臺進行實驗，用戶的指令被該平臺響應，實驗結果和數據會通過網絡傳輸到系統服務器，然后由教師通過實驗數據給該用戶評審，而評審的結果和成績又會通過服務器傳輸給用戶，此外，用戶還可以在此平臺上與老師進行有關實驗的學習與互動，提高自己的知識儲備。

三、云端虛擬實驗室管理策略

云端實驗室遠程開放，是方便使用者有效利用云端實驗室的保證。本系統提供用戶管理功能模塊，該模塊與用戶進行無縫連接，用戶可以通過手機、筆記本電腦、臺式機等進入云端實驗室，系統身份認證模塊將對登錄者進行身份認證，然后根據登錄者的身份，提供相應的服務。對教師，通過課程管理和課程維護功能；對管理員，通過管理、查詢、備份等功能；對實驗者，根據身份信息，進行身份認證，通過預約功能模塊進行預約，系統將進行預約管理，動態跟蹤實驗者登錄信息、使用信息，記錄試驗數據，提供試驗測試功能，部分課程（如C語言程序設計等）提供在線測試功能，系統自動評判成績，如果成績不及格，學生可以再次申請考試。對于其他不能在線測試的課程，提供離線提交實驗報告的功能，由教師評判后給出成績。

圖4 半實物仿真實驗系統

本系統開發的功能，已經在東北大學繼續教育學院進行了在線測試，功能基本上能夠滿足網絡教育學生的學習，可以有效地解決網絡教育學生實踐教學環節難以有效實施，學生學習效果和培養質量無法達到預期的目標的問題，可以在各專業課程建設中予以推廣應用。但是，如何科學、有效地部署和實施云計算平臺，如何保證云端實驗室的安全、如何實現負荷均衡，也是擺在系統開發和管理者面前的一道必須解決的問題。

[1]魏建香，陸驥，孫越泓.中國網絡教育的現狀分析與研究[J].計算機教育，2004，（12）：42-43.

[2]朱乾坤，李超，崔曉曦.基于虛擬實驗系統的教學模式[J].實驗室研究與探索，2008，（6）：84-86.

[3]國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）[z]. http：//www.china.com.cn/policy/txt/2010-03/01/content_19492625_3.htm.

[4]畢曉東.云計算輔助教學在高職課程教學中的應用研究[J].軟件導刊，2012，（12）：214-215.

[5]張豪鋒，鄧敏杰.基于云計算的數字化學習生態系統構建策略[J].河南師范大學學報：哲學社會科學版，2012，（1）：231-235.

[6]羅國瑋，蘭瑞樂.基于云計算的高?？蒲袑嶒炂脚_構建研究[J].實驗技術與管理，2012，（4）：115-117，131.

G640

A

1674-9324（2014）43-0254-03

此項工作得到2012年遼寧省普通高等教育本科教學改革研究立項資助（2012305）

徐林（1970-），男，陜西南鄭人，副教授，工學博士，主要研究方向為自動化專業教學與科研。