基于虛擬仿真教學平臺的云計算技術實驗教學

李洪亮, 李 想,崔浩龍, 蔣一川, 胡成全, 魏曉輝, 李 翔, 王迎祥

(1. 吉林大學 計算機科學與技術學院, 吉林 長春 130012; 2. 吉林大學 物聯網虛擬仿真實驗教學中心,吉林 長春 130012; 3. 吉林育信科技有限公司,吉林 長春 130012)

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基于虛擬仿真教學平臺的云計算技術實驗教學

李洪亮1,2, 李 想1,崔浩龍1, 蔣一川3, 胡成全1,2, 魏曉輝1,2, 李 翔1, 王迎祥3

(1. 吉林大學 計算機科學與技術學院, 吉林 長春 130012; 2. 吉林大學 物聯網虛擬仿真實驗教學中心,吉林 長春 130012; 3. 吉林育信科技有限公司,吉林 長春 130012)

基于物聯網虛擬仿真實驗教學中心的虛擬仿真教學平臺,開展了云計算技術實驗課程的建設工作,完成了從傳統實驗教學平臺向虛擬仿真實驗教學平臺的遷移。目前開設了包括虛擬化技術、集群技術和Hadoop平臺3方面共12門虛擬仿真實驗課程,并對實驗教學效果進行了分析。結果表明:學生實驗實際用時有所減少、實驗效率有很大提高；學生的實驗地點不再集中在軟件實驗室,而且學習效果顯著提升。

云計算技術實驗； 虛擬仿真實驗； 實驗教學

近年來,云計算技術成為受廣泛關注的熱門技術。“云計算技術”課程是吉林大學物聯網虛擬仿真實驗教學中心首批建設課程之一。該課程不僅要求學生掌握基礎理論,更要求學生有較強的實踐能力。因此,該課程需要通過理論學習與實訓實驗相結合的模式增強學生的實踐訓練。

吉林大學物聯網虛擬仿真實驗教學中心的實驗平臺為云計算技術課程提供了完整的技術支撐。與傳統的教學方案相比，虛擬仿真教學平臺的優勢在于：(1)區別于傳統的實驗室教學模式，學生可以自行選擇實驗地點，教學模式也更加開放；(2)云服務平臺能夠整合教學信息化資源，以云資源庫的形式為學生提供廣泛的云教學服務；(3)所有的實驗操作均在瀏覽器頁面內進行，通過身份驗證保證每個學生唯一對應申請的虛擬機，不但保證實驗環境的安全，也使實驗操作更加簡單；(4)極大地減輕了實驗室管理人員的工作負擔；(5)減輕教師授課前的平臺準備時間，使教師能夠用更多的精力進行課程內容建設；(6)提供完整的教學活動記錄，方便教師有針對性地改進教學工作。

該平臺能夠在時間安排上賦予學生更多的自主權,在云端整合教學資源，方便了教師的教學和管理工作,通過后臺對學生實驗操作的實時監測,能夠遠程為所有遇到相同問題的學生答疑解惑,教學效果得到明顯改善,教學質量顯著提升。

1 虛擬仿真實驗平臺

1.1 平臺架構

吉林大學物聯網虛擬仿真實驗教學中心的建設采用校企合作模式,由吉林育信科技有限公司為中心提供技術支持和日常維護服務,任課教師負責課程內容建設和課程安排。

實驗教學軟件平臺采用育信實踐教育私有云平臺[1],采用瘦客戶端/云服務器的云計算架構。硬件系統包含云服務中心、云組件、系統應用服務器、資源服務器、高性能網絡設備等；軟件系統包含實踐云管理系統、實驗/實訓管理系統和實驗/實訓演練平臺等3個應用服務。平臺架構如圖1所示:

圖1 育信實踐教育私有云平臺架構

實踐云管理系統是集成云服務中心、云組件設備、云實踐節點、系統應用服務器、應用資源庫、路由器、交換機的統一管理服務平臺。該平臺既包含硬件提供的功能和資源,也包括在硬件功能和資源的基礎上提供的更多服務,目的是節省管理成本、增強信息安全、擴展管理、便于第三方軟件嵌入和軟件升級等,增強平臺的兼容性,提高資源共享率。

實驗/實訓管理系統可對教學過程進行評測和管理。教師可以對學生的學習過程進行監督,掌握學生課前預習情況、課中操作問題與課后掌握程度；可通過自動評測系統直接查看學生學習結果,調整課程教學的重點,提高教學效率；可以將定制的教學課件、教學項目發送給學生,讓學生通過系統進行學習演練；可一鍵快速部署、還原操作環境和實驗內容。

實驗/實訓演練平臺是學生實踐的“私人空間”。它既可以提供教學所需的應用和操作環境,也可以模擬實驗室網絡環境或者設備,將這些軟硬件資源虛擬化成資源池,并對這些虛擬資源進行智能的、自動化的管理并按需分配,實現教學資源的最大共享和潛力挖掘。該平臺可以提供文字、圖片、flash等實驗步驟的指導,以及操作視頻、教學視頻、原理型flash、互動型考核、教學程序/腳本、項目/案例資料、實驗環境模擬的輔助,使學生完成課程/案例的演練,達到技能學習的環境真實、真學真練。系統可以為每個實驗的配置結果自動評測,學生能夠查看自己的學習結果、學習效率以及學習能力,教師可以據此因材施教。

1.2 虛擬仿真實驗課程

虛擬仿真實驗教學平臺具有云端整合教學資源、集中管理與分配資源的功能。利用該平臺,吉林大學物聯網虛擬仿真實驗教學中心逐步開展了物聯網工程專業等專業實驗教學課程的建設工作[2],共開設12門虛擬仿真實驗課程。

(1) 感知層-基礎型課程:包括RFID標簽設計與應用場景虛擬仿真實驗、無線傳感器網絡仿真實驗；

(2) 網絡層-設計型課程:包括計算機組網模擬仿真實驗、網絡故障分析模擬仿真實驗、網絡協議分析仿真實驗、無線網絡組網技術實驗；

(3) 安全層-研究型課程:包括計算機系統安全虛擬實驗、網絡安全虛擬實驗、網絡取證技術虛擬實驗；

(4) 應用層-綜合型課程:包括分布交互仿真技術實驗、云計算技術實驗、物聯網綜合應用虛擬實驗。

物聯網虛擬仿真實驗教學中心能夠對計算機領域內的各分支學科提供實驗教學支持,根據教學任務的變更進行擴展,在教學內容方面覆蓋軟、硬件的不同層面,實現在一個平臺環境下開設多門課程。由企業開發平臺并提供維護技術支持,能夠有效減少實驗室的維護成本,利用企業的先進技術提供優良的實驗操作體驗。

云計算技術課程是應用層課程之一,是一門側重于實踐教學的課程,教學內容包括虛擬化技術和大數據技術兩個方面。經過實踐學習,學生能夠掌握云計算的基礎技術、自行配置Hadoop平臺、編寫MapReduce程序,為進一步的學習打下堅實基礎。

2 云計算技術實驗課程建設

2.1 實驗環境遷移

傳統的云計算實驗教學是在計算機軟件實驗室進行的,使用KVM虛擬化技術在物理主機上建立并啟動虛擬機,利用命令行工具配置虛擬網絡環境,遠程登錄到虛擬機上進行實驗。由于這一環境搭建過程比較復雜,往往會占較多的課時,從而放慢了實驗課進度；另外,囿于實驗室的硬件資源限制,物理主機的性能不能滿足云計算實驗的硬件需求,造成云計算實驗環境下軟件運行不流暢、Hadoop平臺計算速度慢甚至作業無法提交等問題,降低了學生的實驗效率。

虛擬仿真實驗教學平臺使用虛擬化技術[3-5],能夠快速在高性能計算中心的節點上創建虛擬機,并為虛擬機分配同一網段的IP地址[6-7]。因此，遷移到物聯網虛擬仿真實驗教學中心平臺上的云計算技術實驗摒棄了KVM虛擬機的教學方式[8],根據上課學生人數在云服務平臺上為每位學生申請資源,創建已經配置好基礎環境的虛擬設備進行實驗。

與傳統教學方案相比,基于虛擬仿真實驗平臺的云計算技術實驗課程無論是在實驗環境建設還是教學效果上都有明顯的優勢[9-10]:

(1) 傳統實現方式需要百臺物理節點,而虛擬仿真平臺只需少量物理節點(9臺)即可創建出近百臺虛擬機,充分滿足各學科的實驗需求,大大減少實驗室硬件投入；

(2) 所有虛擬機都在同一子網內,無需重復配置虛擬網絡環境,減少了實驗準備階段的工作量；

(3) 教學資源在云端得到統一整合,新增的實驗工具經管理員上傳到云端后即可為每臺虛擬機使用,為實驗教學改革提供高效的技術支持；

(4) 學生可以隨時隨地訪問教學中心進行實驗,有利于課前預習和課后鞏固,顯著提升學習效果。

2.2 課程內容建設

作為物聯網虛擬仿真實驗教學中心首批開設的課程之一,云計算技術課程內容涵蓋高性能計算導論、并行計算環境和模型工具、集群計算系統、虛擬化技術和大規模數據處理等理論知識,隨之配套的云計算技術實驗課程著重提高學生的云計算技術應用能力。使用虛擬仿真實驗教學平臺開設共計32學時的實驗課程,包括虛擬化技術、集群技術和Hadoop平臺等3方面。

依托虛擬仿真實驗教學中心,對實驗教學模式進行了以下改革:

(1) 通過實驗環境的自動部署與高效的管理,提高了實驗效率,減少了實驗準備的時間,降低了實驗部署的復雜性；

(2) 采用云計算和虛擬化技術,為開放式實驗室提供了技術支撐,采用多地點同時實驗和課后自主實驗的模式,學生可通過任一平臺終端訪問實驗環境；

(3) 系統平臺提供了IaaS平臺、PaaS平臺以及SaaS平臺等實驗環境,為提前完成教學任務的學生進行課外練習提供更加多樣化的選擇,促使學生通過課外實驗鞏固所學知識、提升技術水平；

(4) 系統具有身份認證、輔助完成實驗報告、成績測評等功能,能夠實現對學生出勤、實驗完成質量情況進行統計,為教師綜合評定成績提供客觀依據。

綜上所述,基于虛擬仿真平臺的實驗教學不僅能夠節約實驗環境部署時間、降低實驗成本、簡化教師對實驗課的管理,還能方便學生隨時隨地實驗和進行課外擴展學習,提高學生的專業技能和學習興趣。

3 教學效果分析

虛擬仿真實驗教學平臺的日志能詳細記錄實驗教學過程,方便對教學活動進行分析。以下從實驗效率、操作方式和資源使用3方面對虛擬仿真實驗教學效果進行分析。

3.1 實驗效率分析

實驗效率體現在減少學生實際實驗時間方面。根據平臺的活動記錄,對每名學生的實際實驗時間進行了統計,并與教學大綱規定的實驗課時進行對比(見表1)。

表1 實驗效率統計

可以看出:在使用虛擬仿真實驗教學中心學習之后,實際上課的時間會明顯縮短,實驗效率顯著提升。主要原因是:

(1) 學生訪問實驗環境的時間不再局限于實驗課期間,而是可以充分利用課余時間進行課前預習,減少了實驗過程中的錯誤；

(2) 教師無需頻繁部署學生的上機實驗環境,大大提高了時間利用率；

(3) 實驗過程中鼓勵學生互相交流,借助互聯網等多渠道解決問題,提高獨立思考能力；

(4) 云平臺中的虛擬機性能比物理機有了明顯提升,使用故障容錯系統保證了實驗環境穩定,節省了學生的實驗時間。

3.2 實驗操作地點與完成率分析

為分析虛擬仿真實驗教學中心對學生選擇實驗地點和實驗完成情況的影響,體現教學中心在減少軟件實驗室資源需求方面的作用,根據平臺中的活動記錄對學生的登錄地點和實驗完成進度進行統計(見表2和表3)。

表2 實驗操作地點統計

注:每教學周總實驗人數均為89人

表3 實驗完成率分析

統計結果表明:由于教學中心支持開放式實驗教學,學生的實驗地點不再集中于軟件實驗室,對實驗室的硬件資源需求減少,顯著提高了學生的實驗效率。大多數學生都能在第一時間完成實驗,少數學生可根據實際情況安排時間繼續進行實驗。這種教學模式賦予學生更大的自主權,提升了學生對實驗課的學習興趣,總體實驗完成率達到100%。

3.3 平臺時間資源使用分析

為了分析虛擬仿真實驗教學中心平臺的時間資源使用情況,體現教學中心在分散平臺負載方面的作用,論證多門實驗課程并行教學的可能性,根據平臺中的活動記錄對學生使用平臺的時間段進行統計(見表4)。

表4 平臺時間使用統計 (人)

得益于虛擬仿真實驗教學平臺的高效性能和便利的實驗條件,大部分學生能夠在實驗課當天完成實驗,少部分學生靈活選擇空閑時間繼續實驗。實驗課當天學生自主選擇不同時間段進行實驗,上課時間分散,平臺能夠根據各節點性能合理地分配負載,實驗平臺的資源需求壓力減小,有很大一部分資源空閑,可以承載更多的實驗內容。因此,實驗平臺可以實現多實驗課程并行授課。

4 云計算技術實驗課程經驗總結

云計算虛擬仿真實驗教學平臺在簡化實驗環境部署、提升實驗效率、提高學生學習興趣和實驗成績等方面效果顯著[11-13]。相對于傳統的實驗室教學模式,這種利用虛擬仿真技術實現的開放實驗室在云計算實驗教學中有如下優勢:

(1) 學生對實驗課程的學習不再局限于教學安排的時間之內,而是根據自己的計劃,合理、靈活支配時間。實驗教學中心還為學生提供教學大綱以外的多種擴展實驗環境,充分培養學生對不同研究領域的興趣,提高學生的專業技能水平,使他們在未來發展中更有競爭力。

(2) 虛擬仿真實驗教學中心的硬件資源能利用虛擬化技術提供多門課程的實驗環境,大大減少了實驗教學中硬件設備的投入成本,在云端整合教學資源,允許不同實驗課程布置特有的實驗環境,分時使用系統資源,提高了資源利用率。

(3) 虛擬仿真實驗教學中心由企業提供技術支持和維護服務,減少了教師的工作量；平臺內置的實驗環境支持一鍵切換和還原操作,簡化了實驗準備階段工作；平臺擁有良好的可擴展性,方便教師隨時根據需要對實驗內容進行調整；平臺的評測系統記錄學生的操作數據,為教師對學生的實驗效果進行量化分析提供便利條件。

雖然虛擬仿真實驗教學中心在提高教學質量、促進學生快速掌握實踐技能方面取得了較好的成績,但是仍有很大的開發潛力:(1)可以對課程內容進行改進和擴充,充分利用實驗課時；(2)通過對學生實驗進度和完成質量進行細致分析,建立綜合評分體系；(3)開展學生分組協作實驗的嘗試,鍛煉團隊合作能力；(4)在平臺上建立課程預約程序,允許學生定制個性化課表,支持學生主動學習,提升平臺資源的共享度和利用率；(5)可以面向全校提供實驗教學服務,全面提高教學質量。

5 結語

通過使用物聯網虛擬仿真實驗教學中心進行云計算實驗教學,可以根據學生數量彈性創建虛擬機,避免實驗環境的重復配置和資源浪費,同時依托高性能計算中心的計算節點,為實驗提供了流暢的操作體驗。可以看出:虛擬云技術將是未來建設虛擬仿真實驗室的首選技術手段,虛擬云平臺在實驗教學中有著顯著優勢和廣泛的應用前景。

References)

[1] 吉林育信科技有限公司.育信實踐教育私有云平臺架構[EB/OL].[2016-04-20].http://www.jlyuxin.com

[2] 中國教育和科研計算機網.教育信息化十年發展規劃(2011—2020年)[EB/OL].[2016-03-10].http://www.edu.cn/html/info/10plan/ghfb.shtml.

[3] 王衛國.虛擬仿真實驗教學中心建設思考與建議[J].實驗室研究與探索,2013,32(12):5-8.

[4] 楊龍軍,陸洪毅.基于云計算平臺的計算機硬件遠程實驗室實現[J].華中科技大學學報:自然科學版,2013(增刊2):72-76.

[5] 劉福強,劉嵩,李玉東.基于云計算的開放式實驗平臺設計[J].計算機與數字工程,2011(10):113-117.

[6] 張乃千,楊海,周麗濤.基于云計算的虛擬實驗云平臺設計[J].計算機教育,2015(1):39-44.

[7] 丁美榮.虛擬實驗與真實實驗整合的計算機網絡研究性實驗教學探究[J].實驗技術與管理,2011,28(5):163-166.

[8] 吳迪,薛政,潘嶸.基于XEN云平臺的網絡安全實驗教學[J].實驗室研究與探索,2013,32(7):62-66.

[9] 胡今鴻,李鴻飛,黃濤.高校虛擬仿真實驗教學資源開放共享機制探究[J].實驗室研究與探索,2015,34(2):140-144.

[10] 張增明,王中平,張憲鋒,等.國家級物理虛擬仿真實驗教學中心的建設實踐[J].實驗技術與管理,2015,32(12):146-149.

[11] 王衛國,胡今鴻,劉宏.國外高校虛擬仿真實驗教學現狀與發展[J].實驗室研究與探索,2015,34(5):214-219.

[12] 張敬南,張謬鐘.實驗教學中虛擬仿真技術應用的研究[J].實驗技術與管理,2013,30(12):101-104.

[13] 陳國輝,劉有才,劉士軍,等.虛擬仿真實驗教學中心實驗教學體系建設[J].實驗室研究與探索,2015,34(8):169-185.

Experimental teaching of cloud computing technology based on virtual simulation teaching platform

Li Hongliang1,2, Li Xiang1, Cui Haolong1, Jiang Yichuan3, Hu Chengquan1,2, Wei Xiaohui1,2, Li Xiang1, Wang Yingxiang3

(1. College of Computer Science and Technology,Jilin University,Changchun 130012,China;2.Virtual Simulation Experimental Teaching Center of Internet of Things, Jilin University,Changchun 130012,China; 3.Jilin Yuxin Technology Co.Ltd., Changchun 130012,China)

Based on the virtual simulation teaching platform of Virtual Simulation Experimental Teaching Center of Internet of Things, the construction work of the Cloud Computing Technology Experiment course is carried out, and the transfer from the traditional experimental teaching platform to the virtual simulation experimental teaching platform is completed. At present, 12 virtual simulation courses are offered in the following three aspects: virtual technology, clustering technology and Hadoop platform, and the effect of the experimental teaching is analyzed. The results have proved that students’ real time spent for the experiments is reduced, the effectiveness of the experiments is increased, the experimental location is no longer focused in the software laboratory, and the effect of the teaching is obviously improved.

cloud computing technology experiment; virtual simulation experiment; experimental teaching

10.16791/j.cnki.sjg.2016.11.031

2016-05-12

國家重點研發計劃高性能計算專項資助項目(2016YFB0201503)；國家自然科學基金項目(61602205)；吉林省科技攻關計劃重大科技招標專項(20160203008GX)教育部高等學校博士學科點專項科研基金項目(20130061110052)；吉林省科技攻關計劃重點科技攻關項目(20140204013GX)

李洪亮(1983—),男,吉林長春,博士,講師,主要研究方向為分布式計算和集群計算

E-mail：lihongliang@jlu.edu.cn

李想(1983—),女,吉林長春,碩士,助理工程師,從事實驗教學工作.

E-mail：lxiang@jlu.edu.cn

TP3；G642.4

A

1002-4956(2016)11-0125-05