基于云計算的虛擬仿真實驗室建設

黃 顏，劉在英，張麗曉

（上海杉達學院信息科學與技術學院，上海 浦東201209）

隨著人們經濟文化的不斷提高，現階段的招生錄取人數和本科人數較之前幾年呈好幾倍增長，每年的畢業季都有大量的畢業生找不到工作，對于前途感到一片迷茫，與之相反的是，每年也會有很多畢業生因為動手能力強、專業知識十分扎實，所以早早就被用人單位錄取。兩種截然不同的現狀反映了如今的社會所需要的人才類型，動手能力強的學生自然更適合當今社會的發展，也更容易被用人單位所青睞，但是目前很多學校在實驗教學環節較為薄弱，存在很多問題，在這樣的情況下基于云計算的虛擬仿真實驗建設更能滿足當代實驗教學的需求。

1 實驗教學現狀分析

（1）實驗設備不足。目前，受教育學生人數日益增加，實驗環節需要的儀器設備也越來越多，伴隨著高成本、實驗設備更新速度過快等問題，實驗教學環節的開展變得十分艱難；有些實驗在開展之前，需要準備很多的實驗系統和設備，這些都價格不菲，而在實驗環節儀器數量僅僅支持極少數學生進行實驗，這樣的現狀對于學生的實驗學習環節是十分不利的，也打擊了學生們學習的積極性。

（2）實驗次數不足。大家都知道實驗開展的次數從一定程度上決定了實驗的技能和掌握的情況，現在有很多學校過于注重理論課的開展，大幅度壓縮實驗教學時間，在實驗教學資源十分緊張的情況下，加重了學生們實驗學習的困難度。還有一些學校因為設備儀器有限，只能用輪流的方式給學生們排實驗課表，這就導致了學生們實驗的次數和時間十分有限。

（3）實驗開展難度過大。隨著同學們知識的不斷積累，在高校所進行的部分實驗難度特別大，做實驗需要具備的條件也越來越苛刻，例如：真空、高壓等條件操作起來既危險又難以達到，因此普通的實驗室沒辦法完成相應的實驗，老師們的講解也只局限于課堂和書本，學生們沒辦法更好地感受在實驗中的具體事項和現象規律。

（4）實驗設備維護困難。對于一些要求十分精準的實驗，實驗室的相關建設費用是一筆不小的開銷，所用的實驗儀器都十分精準，價格也十分昂貴，學生們在實驗過程中稍有不慎損壞儀器，就會使實驗儀器報廢，形成極大的資源浪費。這些精準昂貴的儀器設備都十分有限，而學生數量較多，安排的相關實驗課十分緊密，對于儀器的使用度較大，也更容易損壞儀器，造成儀器的不可逆破損。

2 云計算技術及虛擬仿真技術的優勢

（1）云計算技術。在網絡經濟快速發展的情況下，涌現出了一種實用高效的商業計算模型——云計算。云計算技術主要是利用現在龐大的信息網絡，獲取各種基礎的信息資源，讓各種應用系統根據需求獲取計算力、存儲空間和各種軟件服務，結合虛擬化技術、計算機技術、網絡平臺服務于一體的高端技術。與傳統的商業計算模型相比，云計算技術可以在同等條件下高效完善的做完商業計算工作，節省了大量的人力財力，降低了企業單位運行的成本，可以在短時間內獲取全國乃至全世界的商業基礎資源，讓企業在一些爭分奪秒的項目上具備一定的優勢。

（2）虛擬仿真技術。在計算機技術日益成熟的情況下，虛擬仿真技術開始誕生，在計算機技術的載體下，虛擬仿真技術發展的十分迅速，在云計算技術中有著不可或缺的作用。虛擬仿真技術主要是利用計算機技術在網絡上通過一些軟件進行的虛擬合成，操作十分便捷，學生們可以根據需要在軟件上自主選擇實驗條件、實驗儀器等，既大量節省了實驗的儀器設備成本，又可以確保一些高難度（實驗精準程度較高、實驗條件無法實現）、高風險（高壓等危險條件）的實驗得以開展，彌補了傳統實驗的局限性。

3 虛擬仿真實驗室的對比分析

（1）普通的虛擬仿真實驗。普通的虛擬仿真實驗都是在計算機技術的基礎上，利用網絡平臺的軟件進行虛擬仿真設計，既節約了財力物力，又可以打破時間區域的限制，完成各種各樣的實驗項目。但是虛擬仿真實驗對于剛開始學習的學生來說比較陌生，不容易得心應手的進行一些操作和實驗數據的把握，在實驗初期對于學生來說是比較艱難的，尤其是一些教育發展相對落后的區域。

（2）基于云計算的虛擬仿真實驗建設。隨著云計算技術的日益發展與完善，有越來越多的科技因為加入云計算技術變得更加成熟便捷，發展的更加迅速。實驗過程中學生們可以在對應的虛擬條件下使用實驗器材進行實驗，根據虛擬仿真的過程觀察實驗現象，記錄實驗數據，得出實驗結果，再根據云計算技術龐大的數據庫來對比自己實驗的數據，判斷自己的實驗結果是否正確進行自我檢驗。除了教學需要完成的實驗之外，學生們不用受時間和區域的影響，可以利用基于云計算技術的虛擬仿真實驗室平臺選擇自己感興趣的其他課外實驗，來拓展自己的科學視野，提高自己的科學素養，在實驗完成之后，再次利用云計算技術的數據庫進行自我檢驗。在進行具有危險性的實驗時，老師也不用擔心學生的安全問題，因為實驗的全部過程都是在虛擬仿真條件下進行的，降低了教師資源的投入。

4 結 語

（1）實驗特色。基于云計算的虛擬仿真實驗具有以下幾個特色之處，①可以大幅度的節約教學成本，實驗在網絡平臺上就可以保質保量的進行，既節約了實驗儀器設備的投入資金，又節約了設備管理人員和實驗教學老師等人員方面的投入，還可以完成許多高難度的實驗，極大地提高了學生們實驗學習的自主積極性；②實驗效率大幅度提高，因為在虛擬仿真實驗中加入了云計算技術，既保證了多名學生同時進行實驗的實驗效率，又保證了服務器高速的運轉，避免出現網絡卡頓的問題；③實驗開展不受時間和區域的限制，虛擬仿真實驗在網絡平臺上即可進行，可以隨時隨地在用軟件登錄賬號密碼進行實驗，避免了實驗室發生意外情況而終止實驗的問題，由于時間問題未在實驗室完成的實驗還可以在空閑時間繼續在虛擬仿真實驗平臺完成；④維護實驗設備十分簡單，整個實驗的開展都是在虛擬仿真下完成的，不用維護實驗的設備，定期檢查計算機相關軟件即可，不會隨意損傷實驗設備。

（2）發展前景。當今社會是文化日益繁榮昌盛的社會，全國對于教育的投入都十分巨大，但是在傳統的實驗教學環節卻存在很多弊端，在云計算技術和虛擬仿真技術的不斷發展之下，基于云計算的虛擬仿真實驗的誕生是必然的，既可以節省大量的財力物力人力，還能進行很多傳統實驗無法開展的實驗項目，最重要的是能夠有效地解決實驗資源短缺的問題，提高學生們的實驗科學能力。