基于按需云服務的計算機工程教育虛擬實驗室建設實踐

黃汝維 陳寧江 何佩聰 劉曉東

摘 要：為推動信息技術與本科教學和實踐工作的深度融合，研究了建設基于云計算的按需服務虛擬實驗室的方案。在分析現有虛擬教學需求的基礎上，根據實驗室建設目標和定位，闡述了虛擬仿真云服務平臺、虛擬仿真實驗教學資源管理、云終端應用等建設內容，從而高效管理實驗教學資源，實現軟硬件教學資源的共享，按需滿足虛擬仿真實驗教學的需求。

【關鍵詞】虛擬仿真實驗室 云服務 實驗教學

1 前言

隨著“卓越工程師計劃”的實施，以工程實踐教育中心建設為依托的大學生實訓實驗平臺須融合IT技術發展新成果進行深層次整合和提升。國家教育部印發的《教育信息化十年發展規劃（2011-2020年）》明確提出“建設優質虛擬仿真實驗室”，2013年起各地開展各級虛擬仿真實驗教學中心建設工作。“虛擬實驗室”（Virtual Laboratory）是計算機網絡化的虛擬實驗環境，致力于構筑綜合不同工具和技術的電子化、網絡化的科學研究集成環境。在這個環境里，可以有效地利用地理上分布的各種資源（數據、設備、人力等）開展教學、科研和實訓活動，被稱為“無墻的研究中心”。國內外有很多大學和研究機構都已經開展了虛擬仿真軟件的開發和虛擬仿真實驗室的建設工作，涵蓋了計算機網絡、數學、人工智能、生命科學、化學、物理、生物工程、通訊、圖形圖像、農業科學等教學科研領域。

虛擬仿真實驗室可為全程互動的工程教育實踐實訓提供全新的教學仿真環境，具有實驗環境開放、多元化、成本低廉等優點。隨著云計算、大規模開放網絡課程（MOOC）等新技術或和新媒介快速發展，虛擬仿真實驗室的建設既要滿足傳統的虛擬仿真要求，也要滿足“云學習”方式要求。我們以所承擔的國家級校外大學生實踐基地建設項目為依托，研究和實踐了以云計算平臺為支撐的計算機工程教育虛擬實驗室建設，構建開放性仿真教學實驗云服務，提升軟硬件資源利用率，優化實驗室使用效益。

2 建設內容

基于云計算的虛擬仿真實驗室按照信息技術學科專業的工程實訓方案和人才目標，建立“理論授課-虛擬實驗-實驗室教學”融合的計算機電子信息類學科實驗教學體系，將動畫演示實驗、實物實驗、虛擬仿真實驗、遠程仿真實驗納入到相關專業的基礎課程和專業課程的教學環節中。基于云計算的虛擬仿真實驗室的建設應包括虛擬仿真實驗教學資源的建設、虛擬仿真實驗教學的建設、虛擬仿真共享平臺的建設等方面。

2.1 虛擬仿真共享云服務平臺的建設

按照服務與資源相結合的原則，建設統一的具有開放性、擴展性、兼容性、前瞻性的基于云計算的虛擬仿真實驗教學管理和共享平臺，其架構如圖1所示。主要包括實現物理資源虛擬化和教學資源共享的云管理子系統。管理虛擬仿真軟件和監控整個虛擬仿真過程的虛擬仿真實驗管理子系統和集成應用軟件。

云服務平臺實現了教育資源云存儲、虛擬資源管理、平臺監控管理、安全權限管理等功能，將多物理設備的存儲和計算資源虛擬化為統一的資源池；提供教育資源在云計算環境下的多租戶虛擬機資源按需供給，根據用戶需求分配虛擬機資源，提供靈活的虛擬機部署和模板化虛擬機配置能力；提供包括云終端在內的富客戶端訪問平臺資源和服務的方式；提供可視化的監控管理界面，能夠實時監控各類資源，進行基于資源感知的管理；提供基于角色訪問控制模型的安全權限管理。在實現技術原理上，主要使用了基于Swift技術的云存儲功能，基于開源虛擬機監管器QEMU-KVM和虛擬化功能程接口Libvirt實現虛擬機管理功能。

在虛擬仿真實驗室中引入了云終端，它是在網絡體系中基本無需應用程序、無主機的計算機終端（見圖2），通過SPICE桌面協議與云服務器通信。云終端可以直接連接不同系統、不同配置的虛擬機，以此實現即插即用的網絡便捷性、高度安全性及較低的IT支持成本。學生通過云終端獲得數據和應用服務、教學資源。

基于云計算的虛擬仿真實驗平臺能高效管理實驗教學資源，實現各種軟、硬件實驗教學資源的共享，打破專業實驗的限制，滿足多學科專業開展虛擬仿真實驗教學的需要，并把實驗方案按需模板化，為學生們批量創建合適的虛擬實驗環境。云服務平臺根據虛擬仿真數據量的變化動態地調度物理計算資源，既實現了虛擬仿真的功能，又能滿足用戶的虛擬仿真體驗。

2.2 模板化虛擬仿真實驗教學資源管理

虛擬仿真實驗室利用學科專業優勢，系統整合、共享學院信息化實驗教學資源，添置和自主研發虛擬化課程軟件。學生可通過云終端登錄到虛擬仿真實驗室平臺，并根據課程需求選擇創建合適的實驗平臺。虛擬仿真實驗室通過為不同課程打造特色實驗系統平臺，有針對性的培養學生綜合設計和創新能力，例如，針對計算機學科的《計算機網絡》《Linux操作系統》《計算機網絡安全》《Java程序計》4門課程開設50個典型實驗。在云服務平臺支持下，實現教學資源模板管理（如圖3所示），將各種資源按照不同的使用規格，按需為用戶提供定制的資源模板，提供模板的創建、修改、激活、刪除等功能。在定義云應用個性化性的、通用型的虛擬機資源視圖模板基礎上，在應用過程中通過實例化各種視圖模板，實現云中的資源和操作在不同類型的終端的展現。

3.3 虛擬仿真實驗教學組織

在軟件平臺的支持下，在實際教學中，組織教師精心設計虛擬仿真實驗方案，控制虛擬仿真實驗的過程，適時進行虛擬仿真實驗資源的整合。為了確保虛擬仿真實驗教學的順利進行，教師在設計方案時，在課題范圍內選擇代表性的試驗樣本，并預設既定或隨機化的目標，并以此制定實驗總體控制預案。在實驗方案確定后，虛擬仿真實驗需要在實驗預知、實驗操作、交流討論、實驗課題或作業等環節進行變量控制，以充分發揮學生能動性又不偏離實驗預期為宜，最大限度地促進創新思維的發揮及效用。

3 實驗室建設的關注點

3.1 云計算與虛擬仿真技術的結合

云計算技術將所有的硬件和軟件資源形成一個資源池，支持可伸縮的資源需求，提供無處不在的計算存儲能力。虛擬仿真技術能模擬真實的實驗設備和實驗場景，使學生通過人機交互的方式在模擬的實驗設備、實驗場景和軟件中開展實驗，達到在虛擬現實環境中實現各種預定實驗項目目的。通過云計算和虛擬仿真技術的結合，實驗室能按需動態調度物理計算資源，實現虛擬仿真功能，支持軟、硬件教學資源的共享，從而實現了無處不在的學習。

3.2 自主研發與直接引進相結合

基于云計算的虛擬仿真實驗室包括已有的軟、硬件教學資源，例如服務器、機房、教學課件等，除此之外，還需要課程虛擬仿真軟件和虛擬仿真平臺管理軟件。其中，課程虛擬仿真軟件將通過直接購買現有的軟件獲得；基于云計算的虛擬仿真實驗平臺由實現物理資源虛擬化和教學資源共享的云管理子系統、管理虛擬仿真軟件和監控整個虛擬仿真過程的虛擬仿真實驗管理子系統、集成應用軟件組成，軟件是由我們教師組織研發團隊自行研發，為后期的維護、更新提供可靠保障。

3.3 傳統教學模式與mooc教學模式相結合

傳統的實驗模式要求學生在規定的時間到規定的實驗室進行實驗，由于實驗的時間有限，實驗設備不充裕，實驗設置簡單呆板，時間和地點受限，導致學生往往對實驗不感興趣，應付了事。而通過建立基于云計算的虛擬仿真實驗室，實現了面向自主學習的開放、互動的網絡虛擬仿真實驗環境，使學習者能夠便捷、靈活地獲取優質教學資源，通過學習過程中的交流、互動、協作與評價，完成高效、低耗、多樣的實驗。

3.4 低成本與逼真的仿真體驗相結合

由于云計算的資源虛擬共享特性使得在云平臺的基礎上構建各種應用具有低預置成本、低維護成本和低消耗的特點。基于這一優勢的同時，為了保證逼真的仿真效果，云平臺能根據虛擬仿真實驗的實時數據量動態地對各種軟、硬件資源進行調度，充分滿足虛擬仿真實驗在功能和效果上的要求。

4 結束語

基于云服務的虛擬仿真實驗室能根據不同課程特點在虛擬仿真實驗平臺上創建適合教學的實驗，特別是實際工程實訓實踐項目的需求，綜合利用模板化虛擬機和資源調度技術，為學生提供按需的教學資源訪問和實驗過程。由于其可靈活設計實驗、可批量生成實驗平臺、低維護成本和低消耗等特點，虛擬仿真實驗室的建設對推動教學改革，提高一體化科研教學的效率、降低成本有著積極的作用。

參考文獻

[1]Kouzes R T，Myers J D，Wulf W A.Collaboratories：Doing Science on the Internet[J].Computer，1996，29（8）：40-46.

[2]Aktan B，Bohus C A，Crowl L A，et al.Distance learning applied to control engineering laboratories[J].IEEE Transactions on Education，1996，39（3）：320-326.

[3]宋象軍.虛擬實驗室在高校實驗教學中的應用前景[J].實驗技術與管理，2005， 22（1）：35-37.

[4]白雁，張娟，潘瑾，等.“虛擬實驗室”在高校儀器分析教學中的應用[J].實驗技術與管理，2011，28（12）：169-171.

[5] 劉澤良.發揮虛擬實驗室建設對實驗教學的促進作用[J].實驗技術與管理，2011， 28（7）：193-194.

[6]孫雨生，程亞南，朱禮軍.基于MOOC的高校教學模式構建研究[J].遠程教育雜志，2015，（3）：65-71.

作者簡介

黃汝維（1978-），女，廣西壯族自治區岑溪市人。博士學位。現為廣西大學計算機與電子信息學院副教授、碩士生導師。主要研究方向為信息安全、云計算。

作者簡介

廣西大學計算機與電子信息學院 廣西壯族自治區南寧市 530004