基于虛擬仿真平臺的Linux實驗教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計研究

王舒艷

摘 要：主要針對《Linux操作系統(tǒng)》課程在網(wǎng)上開展的虛擬仿真實驗平臺的現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢、原理、架構(gòu)及實施過程進行研究。該虛擬仿真平臺系統(tǒng)提供與Linux操作系統(tǒng)真實實驗相似的實驗環(huán)境，為Linux操作系統(tǒng)安裝、管理及配置實驗提供服務(wù)并開展應(yīng)用，方便學(xué)生通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)即可完成Linux操作系統(tǒng)實驗，提升實踐技能。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真 實驗教學(xué) Linux操作系統(tǒng)

中圖分類號：TP311 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）11（c）-0005-02

1 本項目研究目的和意義

1.1 研究目的

網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室系統(tǒng)將使學(xué)生可以在任何地方做我們的實驗，自己不需要安裝任何復(fù)雜的軟件和環(huán)境。本課題主要針對網(wǎng)上虛擬實驗室系統(tǒng)的原理、架構(gòu)及實施過程進行研究，通過構(gòu)建相關(guān)環(huán)境進行試驗，并提出自己的改進方案。

通過該平臺，可以實現(xiàn)以下方面。

（1）安裝、配置Linux操作系統(tǒng)，進行自主實驗，并且放心大膽地做實驗，不會擔(dān)心操作對設(shè)備造成損害，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。

（2）采用桌面虛擬化技術(shù)，可以實現(xiàn)遠程辦公，并且教師和學(xué)生可以通過互聯(lián)網(wǎng)進入同一實驗，教師可觀看到學(xué)生所有操作步驟，并提供實時的幫助，從而實現(xiàn)遠程指導(dǎo)學(xué)生實驗。

（3）通過虛擬仿真平臺，學(xué)生可通過虛擬化方式在一臺計算機上完成Linux操作系統(tǒng)的安裝、管理、服務(wù)器配置等相關(guān)實驗內(nèi)容。虛擬仿真平臺實驗教學(xué)系統(tǒng)完全能滿足《Linux操作系統(tǒng)》課程所有實踐性教學(xué)任務(wù)。該實驗室將24h對學(xué)生開放，任何學(xué)生（Anyone）在任何時候（Anytime）、任何地點（Anywhere）都能通過“開放性虛擬實驗室”平臺在線進行工程項目的實訓(xùn)。很好地滿足學(xué)生個性化學(xué)習(xí)和自主學(xué)習(xí)的需要。

虛擬仿真平臺能夠提升學(xué)生的實踐技能，培養(yǎng)學(xué)生Linux操作系統(tǒng)的實際操作能力及創(chuàng)新能力，使學(xué)生能夠在實踐技能方便得到顯著的提高，能夠有效補充教學(xué)時間受限的不足。

1.2 研究意義

實踐教學(xué)是國家實施“素質(zhì)教育”和高等教育“質(zhì)量工程”，全面提高教育質(zhì)量的重要內(nèi)容。實驗教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生提高實踐技能的一個重要的學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，能夠快速提高學(xué)生對知識的理解和掌握，幫助學(xué)生提高對于Linux操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識和管理、配置能力。通過虛擬仿真平臺提供的實驗教學(xué)系統(tǒng)模擬真實實驗內(nèi)容，加大學(xué)生的實踐能力培養(yǎng)。目前，虛擬實驗教學(xué)已經(jīng)得到了全國實驗室建設(shè)指導(dǎo)委員會等相關(guān)部門的高度重視。

近年來，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備更新升級很快，實驗室配套條件逐年下降。在實驗室使用過程中各種問題頻出，對于Linux操作系統(tǒng)這種對服務(wù)器配置要求較高的課程而言，實驗教學(xué)環(huán)境已難以滿足日益更新的教學(xué)要求。

1.2.1 實驗室成本較高

日常教學(xué)中很大程度上依賴實驗室的計算機等設(shè)備，需要投入較多的資金、日常管理維護成本也高，而且經(jīng)常受到機房管理環(huán)境變化影響，從而導(dǎo)致正常的教學(xué)活動受到影響，降低了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

1.2.2 有限的教學(xué)時間

實驗教學(xué)內(nèi)容較多，步驟繁瑣，學(xué)生出現(xiàn)的錯誤較多，但教學(xué)時間有限，教師很難在較短的教學(xué)時間內(nèi)同時指導(dǎo)大量的學(xué)生，很多綜合性實驗、設(shè)計性實驗無法完成教學(xué)目標(biāo)。

1.2.3 教學(xué)目標(biāo)難以落實

實驗教學(xué)培養(yǎng)的目標(biāo)是學(xué)生的實踐技能，但是很多實驗在課上有限的教學(xué)時間雖然能夠完成，但學(xué)生的熟練度尚未達標(biāo)，而課下有沒有充足的實驗設(shè)備，無法多多練習(xí)提升熟練度，導(dǎo)致學(xué)生的創(chuàng)新能力也受到限制，僅僅能熟練完成基礎(chǔ)性實驗，而深層次高難度的設(shè)計性實驗的缺少實驗條件，影響了學(xué)生學(xué)習(xí)主動性，我們提出了基于虛擬仿真平臺的Linux實驗教學(xué)系統(tǒng)的解決方案。

2 本項目研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

虛擬實驗室（Virtual Laboratory，VL）最早在1989年由威廉·沃爾夫（William Wulf）教授提出。通過虛擬仿真平臺可以讓學(xué)生通過虛擬出來的實驗環(huán)境及虛擬化的實驗設(shè)備，通過軟件或硬件接口技術(shù)將真實場景在計算機上呈現(xiàn)出來，方便用戶隨時隨地通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)進行實驗操作，不需購買昂貴的實驗設(shè)備即可完成相關(guān)實驗內(nèi)容。

虛擬實驗是描述真實實驗的一個教學(xué)過程。在傳統(tǒng)的虛擬實驗里，變化過程是預(yù)置的，切換圖文畫面就代表了實驗的變化，與實驗者如何參與無關(guān)。

從技術(shù)的角度看虛擬仿真實驗有以下幾種形式，比如虛擬實驗，通過動畫視頻的方式，下載到本地進行查看運行；或者利用三維技術(shù)進行制作，在電腦客戶端安裝相關(guān)插件，通過鼠標(biāo)鍵盤或熱鍵與之進行互動，完成相關(guān)實驗，還有就是利用面向?qū)ο蟮募砷_發(fā)環(huán)境等進行軟件開發(fā)，可以具有良好的交互性能等多種方式。

目前，微軟的“TechNet 虛擬實驗室”采用先進的桌面虛擬技術(shù)，對自己的產(chǎn)品做實驗，但網(wǎng)絡(luò)上還沒有Linux操作系統(tǒng)等其他計算機課程開放式的桌面虛擬實驗室，我們的虛擬實驗室系統(tǒng)參考和借鑒微軟的實驗室建立，填補目前網(wǎng)絡(luò)上的空白。

3 系統(tǒng)設(shè)計

虛擬仿真平臺的功能類似于VMWare“虛擬機”軟件，但與的思路并不相同。VMWare是能夠“同時”運行多個操作系統(tǒng)的一個主系統(tǒng)平臺，而我們的目的是開發(fā)基于虛擬仿真平臺的Linux實驗教學(xué)系統(tǒng)，在校園網(wǎng)中設(shè)計研究可以采用瀏覽器/服務(wù)器（B/S，Browse/Server）的架構(gòu)進行部署，硬件設(shè)備包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用程序服務(wù)器、虛擬仿真平臺及客戶端，客戶端只需要運行瀏覽器，學(xué)生就可以高效地實用虛擬仿真平臺。

首先，根據(jù)實驗內(nèi)容選擇目標(biāo)進行建模，其次選擇合適的三維建模軟件、虛擬現(xiàn)實軟件最后再選擇合適的軟件開發(fā)工具制作虛擬仿真Linux實驗教學(xué)系統(tǒng)。

以實驗教學(xué)目標(biāo)為導(dǎo)向，根據(jù)不同的實驗教學(xué)內(nèi)容設(shè)計，完成實驗內(nèi)容的虛擬仿真制作，在制作過程中幾何模型可以通過Autodesk公司的3DS Max，Google公司的Sketchup等三維建模軟件制作模型，然后利用虛擬現(xiàn)實軟件添加三維場景和智能交互等功能，進一步還可以利用面向?qū)ο蟮募砷_發(fā)環(huán)境等進行二次開發(fā)。

主要完成以下實驗案例。

（1）Linux基礎(chǔ)管理類實驗：Linux系統(tǒng)的安裝；Linux基本管理命令；Linux文件管理；Linux進程管理；VI編輯器；Linux用戶管理。

（2）Linux服務(wù)器實驗：網(wǎng)絡(luò)環(huán)境配置；FTP服務(wù)器配置與管理；DNS服務(wù)器配置與管理；DHCP服務(wù)器配置與管理；Web服務(wù)器配置；郵件服務(wù)器配置與管理等。

充分利用學(xué)校的網(wǎng)絡(luò)資源，克服傳統(tǒng)實驗教學(xué)的種種限制，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。保證學(xué)生在課下可以進行實踐技能練習(xí)，提升Linux操作系統(tǒng)的管理配置技能，達到學(xué)生進行仿真實訓(xùn)的需要。

4 系統(tǒng)特點

該軟件的實現(xiàn)，可以無需新建Linux專用機房，使得Linux操作系統(tǒng)的相關(guān)課程實驗可以在普通機房實現(xiàn)配置，無需高配置就可達到教學(xué)目的，同時節(jié)省了機房建設(shè)資金投入。本項目提供網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)的立體化教學(xué)與管理功能，在此基礎(chǔ)上可建立針對不同課程的虛擬實驗平臺教學(xué)系統(tǒng)，從而為學(xué)校減少對硬件的投資，同時避免因設(shè)備的更新和維護而浪費更多的時間和精力。

Linux操作系統(tǒng)能夠在計算機上建立虛擬仿真實驗室環(huán)境，提供Linux操作系統(tǒng)的虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)，使學(xué)生在互聯(lián)網(wǎng)上通過瀏覽器客戶端即可完成相關(guān)實驗內(nèi)容，提升實踐技能、達到教學(xué)目標(biāo)。但仍有很多不足，管理平臺缺少分?jǐn)?shù)統(tǒng)計、在線討論等模塊，對于Linux操作系統(tǒng)的一些細節(jié)化的功能操作現(xiàn)在也不完善，在以后的研究中將會再進行提升。

參考文獻

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