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基于按需云服務(wù)的計算機工程教育虛擬實驗室建論文
為推動信息技術(shù)與本科教學(xué)和實踐工作的深度融合，研究了建設(shè)基于云計算的按需服務(wù)虛擬實驗室的方案。在分析現(xiàn)有虛擬教學(xué)需求的基礎(chǔ)上，根據(jù)實驗室建設(shè)目標和定位，闡述了虛擬仿真云服務(wù)平臺、虛擬仿真實驗教學(xué)資源管理、云終端應(yīng)用等建設(shè)內(nèi)容，從而高效管理實驗教學(xué)資源，實現(xiàn)軟硬件教學(xué)資源的共享，按需滿足虛擬仿真實驗教學(xué)的需求。
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(shè)為依托的大學(xué)生實訓(xùn)實驗平臺須融合IT技術(shù)發(fā)展新成果進行深層次整合和提升。國家教育部印發(fā)的《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011-2020年)》明確提出“建設(shè)優(yōu)質(zhì)虛擬仿真實驗室”，2013年起各地開展各級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作�！疤摂M實驗室”(Virtual Laboratory)是計算機網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實驗環(huán)境，致力于構(gòu)筑綜合不同工具和技術(shù)的電子化、網(wǎng)絡(luò)化的科學(xué)研究集成環(huán)境。在這個環(huán)境里，可以有效地利用地理上分布的各種資源(數(shù)據(jù)、設(shè)備、人力等)開展教學(xué)、科研和實訓(xùn)活動，被稱為“無墻的研究中心”。國內(nèi)外有很多大學(xué)和研究機構(gòu)都已經(jīng)開展了虛擬仿真軟件的開發(fā)和虛擬仿真實驗室的建設(shè)工作，涵蓋了計算機網(wǎng)絡(luò)、數(shù)學(xué)、人工智能、生命科學(xué)、化學(xué)、物理、生物工程、通訊、圖形圖像、農(nóng)業(yè)科學(xué)等教學(xué)科研領(lǐng)域。
虛擬仿真實驗室可為全程互動的工程教育實踐實訓(xùn)提供全新的教學(xué)仿真環(huán)境，具有實驗環(huán)境開放、多元化、成本低廉等優(yōu)點。隨著云計算、大規(guī)模開放網(wǎng)絡(luò)課程(MOOC)等新技術(shù)或和新媒介快速發(fā)展，虛擬仿真實驗室的建設(shè)既要滿足傳統(tǒng)的虛擬仿真要求，也要滿足“云學(xué)習(xí)”方式要求。我們以所承擔的國家級校外大學(xué)生實踐基地建設(shè)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(shè)，構(gòu)建開放性仿真教學(xué)實驗云服務(wù)，提升軟硬件資源利用率，優(yōu)化實驗室使用效益。
2 建設(shè)內(nèi)容
基于云計算的虛擬仿真實驗室按照信息技術(shù)學(xué)科專業(yè)的工程實訓(xùn)方案和人才目標，建立“理論授課-虛擬實驗-實驗室教學(xué)”融合的計算機電子信息類學(xué)科實驗教學(xué)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(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)課程和專業(yè)課程的教學(xué)環(huán)節(jié)中�；谠朴嬎愕奶摂M仿真實驗室的建設(shè)應(yīng)包括虛擬仿真實驗教學(xué)資源的建設(shè)、虛擬仿真實驗教學(xué)的建設(shè)、虛擬仿真共享平臺的建設(shè)等方面。
2.1 虛擬仿真共享云服務(wù)平臺的建設(shè)
按照服務(wù)與資源相結(jié)合的原則，建設(shè)統(tǒng)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(xué)管理和共享平臺，其架構(gòu)如圖1所示。主要包括實現(xiàn)物理資源虛擬化和教學(xué)資源共享的云管理子系統(tǒng)。管理虛擬仿真軟件和監(jiān)控整個虛擬仿真過程的虛擬仿真實驗管理子系統(tǒng)和集成應(yīng)用軟件。
云服務(wù)平臺實現(xiàn)了教育資源云存儲、虛擬資源管理、平臺監(jiān)控管理、安全權(quán)限管理等功能，將多物理設(shè)備的存儲和計算資源虛擬化為統(tǒng)一的資源池;提供教育資源在云計算環(huán)境下的多租戶虛擬機資源按需供給，根據(jù)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(nèi)的富客戶端訪問平臺資源和服務(wù)的方式;提供可視化的監(jiān)控管理界面，能夠?qū)崟r監(jiān)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(quán)限管理。在實現(xiàn)技術(shù)原理上，主要使用了基于Swift技術(shù)的云存儲功能，基于開源虛擬機監(jiān)管器QEMU-KVM和虛擬化功能程接口Libvirt實現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)體系中基本無需應(yīng)用程序、無主機的計算機終端(見圖2)，通過SPICE桌面協(xié)議與云服務(wù)器通信。云終端可以直接連接不同系統(tǒng)、不同配置的虛擬機，以此實現(xiàn)即插即用的網(wǎng)絡(luò)便捷性、高度安全性及較低的IT支持成本。學(xué)生通過云終端獲得數(shù)據(jù)和應(yīng)用服務(wù)、教學(xué)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(xué)資源，實現(xiàn)各種軟、硬件實驗教學(xué)資源的共享，打破專業(yè)實驗的限制，滿足多學(xué)科專業(yè)開展虛擬仿真實驗教學(xué)的需要，并把實驗方案按需模板化，為學(xué)生們批量創(chuàng)建合適的虛擬實驗環(huán)境。云服務(wù)平臺根據(jù)虛擬仿真數(shù)據(jù)量的變化動態(tài)地調(diào)度物理計算資源，既實現(xiàn)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(xué)資源管理
虛擬仿真實驗室利用學(xué)科專業(yè)優(yōu)勢，系統(tǒng)整合、共享學(xué)院信息化實驗教學(xué)資源，添置和自主研發(fā)虛擬化課程軟件。學(xué)生可通過云終端登錄到虛擬仿真實驗室平臺，并根據(jù)課程需求選擇創(chuàng)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(tǒng)平臺，有針對性的培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計和創(chuàng)新能力，例如，針對計算機學(xué)科的《計算機網(wǎng)絡(luò)》《Linux操作系統(tǒng)》《計算機網(wǎng)絡(luò)安全》《Java程序計》4門課程開設(shè)50個典型實驗。在云服務(wù)平臺支持下，實現(xiàn)教學(xué)資源模板管理(如圖3所示)，將各種資源按照不同的使用規(guī)格，按需為用戶提供定制的資源模板，提供模板的創(chuàng)建、修改、激活、刪除等功能。在定義云應(yīng)用個性化性的、通用型的虛擬機資源視圖模板基礎(chǔ)上，在應(yīng)用過程中通過實例化各種視圖模板，實現(xiàn)云中的資源和操作在不同類型的終端的展現(xiàn)。
2.3 虛擬仿真實驗教學(xué)組織
在軟件平臺的支持下，在實際教學(xué)中，組織教師精心設(shè)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(xué)的順利進行，教師在設(shè)計方案時，在課題范圍內(nèi)選擇代表性的試驗樣本，并預(yù)設(shè)既定或隨機化的目標，并以此制定實驗總體控制預(yù)案。在實驗方案確定后，虛擬仿真實驗需要在實驗預(yù)知、實驗操作、交流討論、實驗課題或作業(yè)等環(huán)節(jié)進行變量控制，以充分發(fā)揮學(xué)生能動性又不偏離實驗預(yù)期為宜，最大限度地促進創(chuàng)新思維的發(fā)揮及效用。
3 實驗室建設(shè)的關(guān)注點
3.1 云計算與虛擬仿真技術(shù)的結(jié)合
云計算技術(shù)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(shù)能模擬真實的實驗設(shè)備和實驗場景，使學(xué)生通過人機交互的方式在模擬的實驗設(shè)備、實驗場景和軟件中開展實驗，達到在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中實現(xiàn)各種預(yù)定實驗項目目的。通過云計算和虛擬仿真技術(shù)的結(jié)合，實驗室能按需動態(tài)調(diào)度物理計算資源，實現(xiàn)虛擬仿真功能，支持軟、硬件教學(xué)資源的共享，從而實現(xiàn)了無處不在的學(xué)習(xí)。
3.2 自主研發(fā)與直接引進相結(jié)合
基于云計算的虛擬仿真實驗室包括已有的軟、硬件教學(xué)資源，例如服務(wù)器、機房、教學(xué)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(xiàn)有的軟件獲得;基于云計算的虛擬仿真實驗平臺由實現(xiàn)物理資源虛擬化和教學(xué)資源共享的云管理子系統(tǒng)、管理虛擬仿真軟件和監(jiān)控整個虛擬仿真過程的虛擬仿真實驗管理子系統(tǒng)、集成應(yīng)用軟件組成，軟件是由我們教師組織研發(fā)團隊自行研發(fā)，為后期的維護、更新提供可靠保障。
3.3 傳統(tǒng)教學(xué)模式與mooc教學(xué)模式相結(jié)合
傳統(tǒng)的實驗?zāi)Ｊ揭髮W(xué)生在規(guī)定的時間到規(guī)定的實驗室進行實驗，由于實驗的時間有限，實驗設(shè)備不充裕，實驗設(shè)置簡單呆板，時間和地點受限，導(dǎo)致學(xué)生往往對實驗不感興趣，應(yīng)付了事。而通過建立基于云計算的虛擬仿真實驗室，實現(xiàn)了面向自主學(xué)習(xí)的開放、互動的網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實驗環(huán)境，使學(xué)習(xí)者能夠便捷、靈活地獲取優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源，通過學(xué)習(xí)過程中的交流、互動、協(xié)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(jié)合
由于云計算的資源虛擬共享特性使得在云平臺的基礎(chǔ)上構(gòu)建各種應(yīng)用具有低預(yù)置成本、低維護成本和低消耗的特點�；谶@一優(yōu)勢的同時，為了保證逼真的仿真效果，云平臺能根據(jù)虛擬仿真實驗的實時數(shù)據(jù)量動態(tài)地對各種軟、硬件資源進行調(diào)度，充分滿足虛擬仿真實驗在功能和效果上的要求。
4 結(jié)束語
基于云服務(wù)的虛擬仿真實驗室能根據(jù)不同課程特點在虛擬仿真實驗平臺上創(chuàng)建適合教學(xué)的實驗，特別是實際工程實訓(xùn)實踐項目的需求，綜合利用模板化虛擬機和資源調(diào)度技術(shù)，為學(xué)生提供按需的教學(xué)資源訪問和實驗過程。由于其可靈活設(shè)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(shè)對推動教學(xué)改革，提高一體化科研教學(xué)的效率、降低成本有著積極的作用。
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