基于按需云服务的计算机工程教育虚拟实验室建设实践

黄汝维 陈宁江 何佩聪 刘晓东

摘 要：为推动信息技术与本科教学和实践工作的深度融合，研究了建设基于云计算的按需服务虚拟实验室的方案。在分析现有虚拟教学需求的基础上，根据实验室建设目标和定位，阐述了虚拟仿真云服务平台、虚拟仿真实验教学资源管理、云终端应用等建设内容，从而高效管理实验教学资源，实现软硬件教学资源的共享，按需满足虚拟仿真实验教学的需求。

【关键词】虚拟仿真实验室 云服务 实验教学

1 前言

随着“卓越工程师计划”的实施，以工程实践教育中心建设为依托的大学生实训实验平台须融合IT技术发展新成果进行深层次整合和提升。国家教育部印发的《教育信息化十年发展规划（2011-2020年）》明确提出“建设优质虚拟仿真实验室”，2013年起各地开展各级虚拟仿真实验教学中心建设工作。“虚拟实验室”（Virtual Laboratory）是计算机网络化的虚拟实验环境，致力于构筑综合不同工具和技术的电子化、网络化的科学研究集成环境。在这个环境里，可以有效地利用地理上分布的各种资源（数据、设备、人力等）开展教学、科研和实训活动，被称为“无墙的研究中心”。国内外有很多大学和研究机构都已经开展了虚拟仿真软件的开发和虚拟仿真实验室的建设工作，涵盖了计算机网络、数学、人工智能、生命科学、化学、物理、生物工程、通讯、图形图像、农业科学等教学科研领域。

虚拟仿真实验室可为全程互动的工程教育实践实训提供全新的教学仿真环境，具有实验环境开放、多元化、成本低廉等优点。随着云计算、大规模开放网络课程（MOOC）等新技术或和新媒介快速发展，虚拟仿真实验室的建设既要满足传统的虚拟仿真要求，也要满足“云学习”方式要求。我们以所承担的国家级校外大学生实践基地建设项目为依托，研究和实践了以云计算平台为支撑的计算机工程教育虚拟实验室建设，构建开放性仿真教学实验云服务，提升软硬件资源利用率，优化实验室使用效益。

2 建设内容

基于云计算的虚拟仿真实验室按照信息技术学科专业的工程实训方案和人才目标，建立“理论授课-虚拟实验-实验室教学”融合的计算机电子信息类学科实验教学体系，将动画演示实验、实物实验、虚拟仿真实验、远程仿真实验纳入到相关专业的基础课程和专业课程的教学环节中。基于云计算的虚拟仿真实验室的建设应包括虚拟仿真实验教学资源的建设、虚拟仿真实验教学的建设、虚拟仿真共享平台的建设等方面。

2.1 虚拟仿真共享云服务平台的建设

按照服务与资源相结合的原则，建设统一的具有开放性、扩展性、兼容性、前瞻性的基于云计算的虚拟仿真实验教学管理和共享平台，其架构如图1所示。主要包括实现物理资源虚拟化和教学资源共享的云管理子系统。管理虚拟仿真软件和监控整个虚拟仿真过程的虚拟仿真实验管理子系统和集成应用软件。

云服务平台实现了教育资源云存储、虚拟资源管理、平台监控管理、安全权限管理等功能，将多物理设备的存储和计算资源虚拟化为统一的资源池；提供教育资源在云计算环境下的多租户虚拟机资源按需供给，根据用户需求分配虚拟机资源，提供灵活的虚拟机部署和模板化虚拟机配置能力；提供包括云终端在内的富客户端访问平台资源和服务的方式；提供可视化的监控管理界面，能够实时监控各类资源，进行基于资源感知的管理；提供基于角色访问控制模型的安全权限管理。在实现技术原理上，主要使用了基于Swift技术的云存储功能，基于开源虚拟机监管器QEMU-KVM和虚拟化功能程接口Libvirt实现虚拟机管理功能。

在虚拟仿真实验室中引入了云终端，它是在网络体系中基本无需应用程序、无主机的计算机终端（见图2），通过SPICE桌面协议与云服务器通信。云终端可以直接连接不同系统、不同配置的虚拟机，以此实现即插即用的网络便捷性、高度安全性及较低的IT支持成本。学生通过云终端获得数据和应用服务、教学资源。

基于云计算的虚拟仿真实验平台能高效管理实验教学资源，实现各种软、硬件实验教学资源的共享，打破专业实验的限制，满足多学科专业开展虚拟仿真实验教学的需要，并把实验方案按需模板化，为学生们批量创建合适的虚拟实验环境。云服务平台根据虚拟仿真数据量的变化动态地调度物理计算资源，既实现了虚拟仿真的功能，又能满足用户的虚拟仿真体验。

2.2 模板化虚拟仿真实验教学资源管理

虚拟仿真实验室利用学科专业优势，系统整合、共享学院信息化实验教学资源，添置和自主研发虚拟化课程软件。学生可通过云终端登录到虚拟仿真实验室平台，并根据课程需求选择创建合适的实验平台。虚拟仿真实验室通过为不同课程打造特色实验系统平台，有针对性的培养学生综合设计和创新能力，例如，针对计算机学科的《计算机网络》《Linux操作系统》《计算机网络安全》《Java程序计》4门课程开设50个典型实验。在云服务平台支持下，实现教学资源模板管理（如图3所示），将各种资源按照不同的使用规格，按需为用户提供定制的资源模板，提供模板的创建、修改、激活、删除等功能。在定义云应用个性化性的、通用型的虚拟机资源视图模板基础上，在应用过程中通过实例化各种视图模板，实现云中的资源和操作在不同类型的终端的展现。

3.3 虚拟仿真实验教学组织

在软件平台的支持下，在实际教学中，组织教师精心设计虚拟仿真实验方案，控制虚拟仿真实验的过程，适时进行虚拟仿真实验资源的整合。为了确保虚拟仿真实验教学的顺利进行，教师在设计方案时，在课题范围内选择代表性的试验样本，并预设既定或随机化的目标，并以此制定实验总体控制预案。在实验方案确定后，虚拟仿真实验需要在实验预知、实验操作、交流讨论、实验课题或作业等环节进行变量控制，以充分发挥学生能动性又不偏离实验预期为宜，最大限度地促进创新思维的发挥及效用。

3 实验室建设的关注点

3.1 云计算与虚拟仿真技术的结合

云计算技术将所有的硬件和软件资源形成一个资源池，支持可伸缩的资源需求，提供无处不在的计算存储能力。虚拟仿真技术能模拟真实的实验设备和实验场景，使学生通过人机交互的方式在模拟的实验设备、实验场景和软件中开展实验，达到在虚拟现实环境中实现各种预定实验项目目的。通过云计算和虚拟仿真技术的结合，实验室能按需动态调度物理计算资源，实现虚拟仿真功能，支持软、硬件教学资源的共享，从而实现了无处不在的学习。

3.2 自主研发与直接引进相结合

基于云计算的虚拟仿真实验室包括已有的软、硬件教学资源，例如服务器、机房、教学课件等，除此之外，还需要课程虚拟仿真软件和虚拟仿真平台管理软件。其中，课程虚拟仿真软件将通过直接购买现有的软件获得；基于云计算的虚拟仿真实验平台由实现物理资源虚拟化和教学资源共享的云管理子系统、管理虚拟仿真软件和监控整个虚拟仿真过程的虚拟仿真实验管理子系统、集成应用软件组成，软件是由我们教师组织研发团队自行研发，为后期的维护、更新提供可靠保障。

3.3 传统教学模式与mooc教学模式相结合

传统的实验模式要求学生在规定的时间到规定的实验室进行实验，由于实验的时间有限，实验设备不充裕，实验设置简单呆板，时间和地点受限，导致学生往往对实验不感兴趣，应付了事。而通过建立基于云计算的虚拟仿真实验室，实现了面向自主学习的开放、互动的网络虚拟仿真实验环境，使学习者能够便捷、灵活地获取优质教学资源，通过学习过程中的交流、互动、协作与评价，完成高效、低耗、多样的实验。

3.4 低成本与逼真的仿真体验相结合

由于云计算的资源虚拟共享特性使得在云平台的基础上构建各种应用具有低预置成本、低维护成本和低消耗的特点。基于这一优势的同时，为了保证逼真的仿真效果，云平台能根据虚拟仿真实验的实时数据量动态地对各种软、硬件资源进行调度，充分满足虚拟仿真实验在功能和效果上的要求。

4 结束语

基于云服务的虚拟仿真实验室能根据不同课程特点在虚拟仿真实验平台上创建适合教学的实验，特别是实际工程实训实践项目的需求，综合利用模板化虚拟机和资源调度技术，为学生提供按需的教学资源访问和实验过程。由于其可灵活设计实验、可批量生成实验平台、低维护成本和低消耗等特点，虚拟仿真实验室的建设对推动教学改革，提高一体化科研教学的效率、降低成本有着积极的作用。

参考文献

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作者简介

黄汝维（1978-），女，广西壮族自治区岑溪市人。博士学位。现为广西大学计算机与电子信息学院副教授、硕士生导师。主要研究方向为信息安全、云计算。

作者简介

广西大学计算机与电子信息学院 广西壮族自治区南宁市 530004