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基于按需云服務(wù)的計(jì)算機(jī)工程教育虛擬實(shí)驗(yàn)室建論文
為推動信息技術(shù)與本科教學(xué)和實(shí)踐工作的深度融合，研究了建設(shè)基于云計(jì)算的按需服務(wù)虛擬實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室建設(shè)目標(biāo)和定位，闡述了虛擬仿真云服務(wù)平臺、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，實(shí)現(xiàn)軟硬件教學(xué)資源的共享，按需滿足虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求。
1 前言
隨著“卓越工程師計(jì)劃”的實(shí)施，以工程實(shí)踐教育中心建設(shè)為依托的大學(xué)生實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)平臺須融合IT技術(shù)發(fā)展新成果進(jìn)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(shí)驗(yàn)室”，2013年起各地開展各級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作�！疤摂M實(shí)驗(yàn)室”(Virtual Laboratory)是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實(shí)驗(yàn)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(shí)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(jī)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(shí)驗(yàn)室的建設(shè)工作，涵蓋了計(jì)算機(jī)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(shí)驗(yàn)室可為全程互動的工程教育實(shí)踐實(shí)訓(xùn)提供全新的教學(xué)仿真環(huán)境，具有實(shí)驗(yàn)環(huán)境開放、多元化、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。隨著云計(jì)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(shí)驗(yàn)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(dān)的國家級校外大學(xué)生實(shí)踐基地建設(shè)項(xiàng)目為依托，研究和實(shí)踐了以云計(jì)算平臺為支撐的計(jì)算機(jī)工程教育虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，構(gòu)建開放性仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)云服務(wù)，提升軟硬件資源利用率，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)室使用效益。
2 建設(shè)內(nèi)容
基于云計(jì)算的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室按照信息技術(shù)學(xué)科專業(yè)的工程實(shí)訓(xùn)方案和人才目標(biāo)，建立“理論授課-虛擬實(shí)驗(yàn)-實(shí)驗(yàn)室教學(xué)”融合的計(jì)算機(jī)電子信息類學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，將動畫演示實(shí)驗(yàn)、實(shí)物實(shí)驗(yàn)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、遠(yuǎn)程仿真實(shí)驗(yàn)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�(jì)算的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)應(yīng)包括虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的建設(shè)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)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(kuò)展性、兼容性、前瞻性的基于云計(jì)算的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理和共享平臺，其架構(gòu)如圖1所示。主要包括實(shí)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(shí)驗(yàn)管理子系統(tǒng)和集成應(yīng)用軟件。
云服務(wù)平臺實(shí)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(jì)算資源虛擬化為統(tǒng)一的資源池;提供教育資源在云計(jì)算環(huán)境下的多租戶虛擬機(jī)資源按需供給，根據(jù)用戶需求分配虛擬機(jī)資源，提供靈活的虛擬機(jī)部署和模板化虛擬機(jī)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(shí)監(jiān)控各類資源，進(jìn)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(shí)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(jī)監(jiān)管器QEMU-KVM和虛擬化功能程接口Libvirt實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)管理功能。
在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)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(jī)的計(jì)算機(jī)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(jī)，以此實(shí)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(jì)算的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺能高效管理實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，實(shí)現(xiàn)各種軟、硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的共享，打破專業(yè)實(shí)驗(yàn)的限制，滿足多學(xué)科專業(yè)開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要，并把實(shí)驗(yàn)方案按需模板化，為學(xué)生們批量創(chuàng)建合適的虛擬實(shí)驗(yàn)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(jì)算資源，既實(shí)現(xiàn)了虛擬仿真的功能，又能滿足用戶的虛擬仿真體驗(yàn)。
2.2 模板化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源管理
虛擬仿真實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室平臺，并根據(jù)課程需求選擇創(chuàng)建合適的實(shí)驗(yàn)平臺。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室通過為不同課程打造特色實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺，有針對性的培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力，例如，針對計(jì)算機(jī)學(xué)科的《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》《Linux操作系統(tǒng)》《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全》《Java程序計(jì)》4門課程開設(shè)50個典型實(shí)驗(yàn)。在云服務(wù)平臺支持下，實(shí)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(jī)資源視圖模板基礎(chǔ)上，在應(yīng)用過程中通過實(shí)例化各種視圖模板，實(shí)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(shí)驗(yàn)教學(xué)組織
在軟件平臺的支持下，在實(shí)際教學(xué)中，組織教師精心設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)方案，控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的過程，適時(shí)進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源的整合。為了確保虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的順利進(jìn)行，教師在設(shè)計(jì)方案時(shí)，在課題范圍內(nèi)選擇代表性的試驗(yàn)樣本，并預(yù)設(shè)既定或隨機(jī)化的目標(biāo)，并以此制定實(shí)驗(yàn)總體控制預(yù)案。在實(shí)驗(yàn)方案確定后，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)需要在實(shí)驗(yàn)預(yù)知、實(shí)驗(yàn)操作、交流討論、實(shí)驗(yàn)課題或作業(yè)等環(huán)節(jié)進(jìn)行變量控制，以充分發(fā)揮學(xué)生能動性又不偏離實(shí)驗(yàn)預(yù)期為宜，最大限度地促進(jìn)創(chuàng)新思維的發(fā)揮及效用。
3 實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的關(guān)注點(diǎn)
3.1 云計(jì)算與虛擬仿真技術(shù)的結(jié)合
云計(jì)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(jì)算存儲能力。虛擬仿真技術(shù)能模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)場景，使學(xué)生通過人機(jī)交互的方式在模擬的實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)場景和軟件中開展實(shí)驗(yàn)，達(dá)到在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)各種預(yù)定實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目目的。通過云計(jì)算和虛擬仿真技術(shù)的結(jié)合，實(shí)驗(yàn)室能按需動態(tài)調(diào)度物理計(jì)算資源，實(shí)現(xiàn)虛擬仿真功能，支持軟、硬件教學(xué)資源的共享，從而實(shí)現(xiàn)了無處不在的學(xué)習(xí)。
3.2 自主研發(fā)與直接引進(jìn)相結(jié)合
基于云計(jì)算的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室包括已有的軟、硬件教學(xué)資源，例如服務(wù)器、機(jī)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(jì)算的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺由實(shí)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(shí)驗(yàn)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(tuán)隊(duì)自行研發(fā)，為后期的維護(hù)、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(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ揭髮W(xué)生在規(guī)定的時(shí)間到規(guī)定的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，由于實(shí)驗(yàn)的時(shí)間有限，實(shí)驗(yàn)設(shè)備不充裕，實(shí)驗(yàn)設(shè)置簡單呆板，時(shí)間和地點(diǎn)受限，導(dǎo)致學(xué)生往往對實(shí)驗(yàn)不感興趣，應(yīng)付了事。而通過建立基于云計(jì)算的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，實(shí)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(shí)驗(yàn)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(jià)，完成高效、低耗、多樣的實(shí)驗(yàn)。
3.4 低成本與逼真的仿真體驗(yàn)相結(jié)合
由于云計(jì)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(hù)成本和低消耗的特點(diǎn)�；谶@一優(yōu)勢的同時(shí)，為了保證逼真的仿真效果，云平臺能根據(jù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)量動態(tài)地對各種軟、硬件資源進(jìn)行調(diào)度，充分滿足虛擬仿真實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室能根據(jù)不同課程特點(diǎn)在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺上創(chuàng)建適合教學(xué)的實(shí)驗(yàn)，特別是實(shí)際工程實(shí)訓(xùn)實(shí)踐項(xiàng)目的需求，綜合利用模板化虛擬機(jī)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(shí)驗(yàn)過程。由于其可靈活設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、可批量生成實(shí)驗(yàn)平臺、低維護(hù)成本和低消耗等特點(diǎn)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)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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