基于虚拟仿真教学平台的云计算技术实验教学

李洪亮, 李 想,崔浩龙, 蒋一川, 胡成全, 魏晓辉, 李 翔, 王迎祥

(1. 吉林大学 计算机科学与技术学院, 吉林 长春 130012; 2. 吉林大学 物联网虚拟仿真实验教学中心,吉林 长春 130012; 3. 吉林育信科技有限公司,吉林 长春 130012)



基于虚拟仿真教学平台的云计算技术实验教学

李洪亮1,2, 李 想1,崔浩龙1, 蒋一川3, 胡成全1,2, 魏晓辉1,2, 李 翔1, 王迎祥3

(1. 吉林大学 计算机科学与技术学院, 吉林 长春 130012; 2. 吉林大学 物联网虚拟仿真实验教学中心,吉林 长春 130012; 3. 吉林育信科技有限公司,吉林 长春 130012)

基于物联网虚拟仿真实验教学中心的虚拟仿真教学平台,开展了云计算技术实验课程的建设工作,完成了从传统实验教学平台向虚拟仿真实验教学平台的迁移。目前开设了包括虚拟化技术、集群技术和Hadoop平台3方面共12门虚拟仿真实验课程,并对实验教学效果进行了分析。结果表明:学生实验实际用时有所减少、实验效率有很大提高；学生的实验地点不再集中在软件实验室,而且学习效果显著提升。

云计算技术实验； 虚拟仿真实验； 实验教学

近年来,云计算技术成为受广泛关注的热门技术。“云计算技术”课程是吉林大学物联网虚拟仿真实验教学中心首批建设课程之一。该课程不仅要求学生掌握基础理论,更要求学生有较强的实践能力。因此,该课程需要通过理论学习与实训实验相结合的模式增强学生的实践训练。

吉林大学物联网虚拟仿真实验教学中心的实验平台为云计算技术课程提供了完整的技术支撑。与传统的教学方案相比，虚拟仿真教学平台的优势在于：(1)区别于传统的实验室教学模式，学生可以自行选择实验地点，教学模式也更加开放；(2)云服务平台能够整合教学信息化资源，以云资源库的形式为学生提供广泛的云教学服务；(3)所有的实验操作均在浏览器页面内进行，通过身份验证保证每个学生唯一对应申请的虚拟机，不但保证实验环境的安全，也使实验操作更加简单；(4)极大地减轻了实验室管理人员的工作负担；(5)减轻教师授课前的平台准备时间，使教师能够用更多的精力进行课程内容建设；(6)提供完整的教学活动记录，方便教师有针对性地改进教学工作。

该平台能够在时间安排上赋予学生更多的自主权,在云端整合教学资源，方便了教师的教学和管理工作,通过后台对学生实验操作的实时监测,能够远程为所有遇到相同问题的学生答疑解惑,教学效果得到明显改善,教学质量显著提升。

1 虚拟仿真实验平台

1.1 平台架构

吉林大学物联网虚拟仿真实验教学中心的建设采用校企合作模式,由吉林育信科技有限公司为中心提供技术支持和日常维护服务,任课教师负责课程内容建设和课程安排。

实验教学软件平台采用育信实践教育私有云平台[1],采用瘦客户端/云服务器的云计算架构。硬件系统包含云服务中心、云组件、系统应用服务器、资源服务器、高性能网络设备等；软件系统包含实践云管理系统、实验/实训管理系统和实验/实训演练平台等3个应用服务。平台架构如图1所示:

图1 育信实践教育私有云平台架构

实践云管理系统是集成云服务中心、云组件设备、云实践节点、系统应用服务器、应用资源库、路由器、交换机的统一管理服务平台。该平台既包含硬件提供的功能和资源,也包括在硬件功能和资源的基础上提供的更多服务,目的是节省管理成本、增强信息安全、扩展管理、便于第三方软件嵌入和软件升级等,增强平台的兼容性,提高资源共享率。

实验/实训管理系统可对教学过程进行评测和管理。教师可以对学生的学习过程进行监督,掌握学生课前预习情况、课中操作问题与课后掌握程度；可通过自动评测系统直接查看学生学习结果,调整课程教学的重点,提高教学效率；可以将定制的教学课件、教学项目发送给学生,让学生通过系统进行学习演练；可一键快速部署、还原操作环境和实验内容。

实验/实训演练平台是学生实践的“私人空间”。它既可以提供教学所需的应用和操作环境,也可以模拟实验室网络环境或者设备,将这些软硬件资源虚拟化成资源池,并对这些虚拟资源进行智能的、自动化的管理并按需分配,实现教学资源的最大共享和潜力挖掘。该平台可以提供文字、图片、flash等实验步骤的指导,以及操作视频、教学视频、原理型flash、互动型考核、教学程序/脚本、项目/案例资料、实验环境模拟的辅助,使学生完成课程/案例的演练,达到技能学习的环境真实、真学真练。系统可以为每个实验的配置结果自动评测,学生能够查看自己的学习结果、学习效率以及学习能力,教师可以据此因材施教。

1.2 虚拟仿真实验课程

虚拟仿真实验教学平台具有云端整合教学资源、集中管理与分配资源的功能。利用该平台,吉林大学物联网虚拟仿真实验教学中心逐步开展了物联网工程专业等专业实验教学课程的建设工作[2],共开设12门虚拟仿真实验课程。

(1) 感知层-基础型课程:包括RFID标签设计与应用场景虚拟仿真实验、无线传感器网络仿真实验；

(2) 网络层-设计型课程:包括计算机组网模拟仿真实验、网络故障分析模拟仿真实验、网络协议分析仿真实验、无线网络组网技术实验；

(3) 安全层-研究型课程:包括计算机系统安全虚拟实验、网络安全虚拟实验、网络取证技术虚拟实验；

(4) 应用层-综合型课程:包括分布交互仿真技术实验、云计算技术实验、物联网综合应用虚拟实验。

物联网虚拟仿真实验教学中心能够对计算机领域内的各分支学科提供实验教学支持,根据教学任务的变更进行扩展,在教学内容方面覆盖软、硬件的不同层面,实现在一个平台环境下开设多门课程。由企业开发平台并提供维护技术支持,能够有效减少实验室的维护成本,利用企业的先进技术提供优良的实验操作体验。

云计算技术课程是应用层课程之一,是一门侧重于实践教学的课程,教学内容包括虚拟化技术和大数据技术两个方面。经过实践学习,学生能够掌握云计算的基础技术、自行配置Hadoop平台、编写MapReduce程序,为进一步的学习打下坚实基础。

2 云计算技术实验课程建设

2.1 实验环境迁移

传统的云计算实验教学是在计算机软件实验室进行的,使用KVM虚拟化技术在物理主机上建立并启动虚拟机,利用命令行工具配置虚拟网络环境,远程登录到虚拟机上进行实验。由于这一环境搭建过程比较复杂,往往会占较多的课时,从而放慢了实验课进度；另外,囿于实验室的硬件资源限制,物理主机的性能不能满足云计算实验的硬件需求,造成云计算实验环境下软件运行不流畅、Hadoop平台计算速度慢甚至作业无法提交等问题,降低了学生的实验效率。

虚拟仿真实验教学平台使用虚拟化技术[3-5],能够快速在高性能计算中心的节点上创建虚拟机,并为虚拟机分配同一网段的IP地址[6-7]。因此，迁移到物联网虚拟仿真实验教学中心平台上的云计算技术实验摒弃了KVM虚拟机的教学方式[8],根据上课学生人数在云服务平台上为每位学生申请资源,创建已经配置好基础环境的虚拟设备进行实验。

与传统教学方案相比,基于虚拟仿真实验平台的云计算技术实验课程无论是在实验环境建设还是教学效果上都有明显的优势[9-10]:

(1) 传统实现方式需要百台物理节点,而虚拟仿真平台只需少量物理节点(9台)即可创建出近百台虚拟机,充分满足各学科的实验需求,大大减少实验室硬件投入；

(2) 所有虚拟机都在同一子网内,无需重复配置虚拟网络环境,减少了实验准备阶段的工作量；

(3) 教学资源在云端得到统一整合,新增的实验工具经管理员上传到云端后即可为每台虚拟机使用,为实验教学改革提供高效的技术支持；

(4) 学生可以随时随地访问教学中心进行实验,有利于课前预习和课后巩固,显著提升学习效果。

2.2 课程内容建设

作为物联网虚拟仿真实验教学中心首批开设的课程之一,云计算技术课程内容涵盖高性能计算导论、并行计算环境和模型工具、集群计算系统、虚拟化技术和大规模数据处理等理论知识,随之配套的云计算技术实验课程着重提高学生的云计算技术应用能力。使用虚拟仿真实验教学平台开设共计32学时的实验课程,包括虚拟化技术、集群技术和Hadoop平台等3方面。

依托虚拟仿真实验教学中心,对实验教学模式进行了以下改革:

(1) 通过实验环境的自动部署与高效的管理,提高了实验效率,减少了实验准备的时间,降低了实验部署的复杂性；

(2) 采用云计算和虚拟化技术,为开放式实验室提供了技术支撑,采用多地点同时实验和课后自主实验的模式,学生可通过任一平台终端访问实验环境；

(3) 系统平台提供了IaaS平台、PaaS平台以及SaaS平台等实验环境,为提前完成教学任务的学生进行课外练习提供更加多样化的选择,促使学生通过课外实验巩固所学知识、提升技术水平；

(4) 系统具有身份认证、辅助完成实验报告、成绩测评等功能,能够实现对学生出勤、实验完成质量情况进行统计,为教师综合评定成绩提供客观依据。

综上所述,基于虚拟仿真平台的实验教学不仅能够节约实验环境部署时间、降低实验成本、简化教师对实验课的管理,还能方便学生随时随地实验和进行课外扩展学习,提高学生的专业技能和学习兴趣。

3 教学效果分析

虚拟仿真实验教学平台的日志能详细记录实验教学过程,方便对教学活动进行分析。以下从实验效率、操作方式和资源使用3方面对虚拟仿真实验教学效果进行分析。

3.1 实验效率分析

实验效率体现在减少学生实际实验时间方面。根据平台的活动记录,对每名学生的实际实验时间进行了统计,并与教学大纲规定的实验课时进行对比(见表1)。

表1 实验效率统计

可以看出:在使用虚拟仿真实验教学中心学习之后,实际上课的时间会明显缩短,实验效率显著提升。主要原因是:

(1) 学生访问实验环境的时间不再局限于实验课期间,而是可以充分利用课余时间进行课前预习,减少了实验过程中的错误；

(2) 教师无需频繁部署学生的上机实验环境,大大提高了时间利用率；

(3) 实验过程中鼓励学生互相交流,借助互联网等多渠道解决问题,提高独立思考能力；

(4) 云平台中的虚拟机性能比物理机有了明显提升,使用故障容错系统保证了实验环境稳定,节省了学生的实验时间。

3.2 实验操作地点与完成率分析

为分析虚拟仿真实验教学中心对学生选择实验地点和实验完成情况的影响,体现教学中心在减少软件实验室资源需求方面的作用,根据平台中的活动记录对学生的登录地点和实验完成进度进行统计(见表2和表3)。

表2 实验操作地点统计

注:每教学周总实验人数均为89人

表3 实验完成率分析

统计结果表明:由于教学中心支持开放式实验教学,学生的实验地点不再集中于软件实验室,对实验室的硬件资源需求减少,显著提高了学生的实验效率。大多数学生都能在第一时间完成实验,少数学生可根据实际情况安排时间继续进行实验。这种教学模式赋予学生更大的自主权,提升了学生对实验课的学习兴趣,总体实验完成率达到100%。

3.3 平台时间资源使用分析

为了分析虚拟仿真实验教学中心平台的时间资源使用情况,体现教学中心在分散平台负载方面的作用,论证多门实验课程并行教学的可能性,根据平台中的活动记录对学生使用平台的时间段进行统计(见表4)。

表4 平台时间使用统计 (人)

得益于虚拟仿真实验教学平台的高效性能和便利的实验条件,大部分学生能够在实验课当天完成实验,少部分学生灵活选择空闲时间继续实验。实验课当天学生自主选择不同时间段进行实验,上课时间分散,平台能够根据各节点性能合理地分配负载,实验平台的资源需求压力减小,有很大一部分资源空闲,可以承载更多的实验内容。因此,实验平台可以实现多实验课程并行授课。

4 云计算技术实验课程经验总结

云计算虚拟仿真实验教学平台在简化实验环境部署、提升实验效率、提高学生学习兴趣和实验成绩等方面效果显著[11-13]。相对于传统的实验室教学模式,这种利用虚拟仿真技术实现的开放实验室在云计算实验教学中有如下优势:

(1) 学生对实验课程的学习不再局限于教学安排的时间之内,而是根据自己的计划,合理、灵活支配时间。实验教学中心还为学生提供教学大纲以外的多种扩展实验环境,充分培养学生对不同研究领域的兴趣,提高学生的专业技能水平,使他们在未来发展中更有竞争力。

(2) 虚拟仿真实验教学中心的硬件资源能利用虚拟化技术提供多门课程的实验环境,大大减少了实验教学中硬件设备的投入成本,在云端整合教学资源,允许不同实验课程布置特有的实验环境,分时使用系统资源,提高了资源利用率。

(3) 虚拟仿真实验教学中心由企业提供技术支持和维护服务,减少了教师的工作量；平台内置的实验环境支持一键切换和还原操作,简化了实验准备阶段工作；平台拥有良好的可扩展性,方便教师随时根据需要对实验内容进行调整；平台的评测系统记录学生的操作数据,为教师对学生的实验效果进行量化分析提供便利条件。

虽然虚拟仿真实验教学中心在提高教学质量、促进学生快速掌握实践技能方面取得了较好的成绩,但是仍有很大的开发潜力:(1)可以对课程内容进行改进和扩充,充分利用实验课时；(2)通过对学生实验进度和完成质量进行细致分析,建立综合评分体系；(3)开展学生分组协作实验的尝试,锻炼团队合作能力；(4)在平台上建立课程预约程序,允许学生定制个性化课表,支持学生主动学习,提升平台资源的共享度和利用率；(5)可以面向全校提供实验教学服务,全面提高教学质量。

5 结语

通过使用物联网虚拟仿真实验教学中心进行云计算实验教学,可以根据学生数量弹性创建虚拟机,避免实验环境的重复配置和资源浪费,同时依托高性能计算中心的计算节点,为实验提供了流畅的操作体验。可以看出:虚拟云技术将是未来建设虚拟仿真实验室的首选技术手段,虚拟云平台在实验教学中有着显著优势和广泛的应用前景。

References)

[1] 吉林育信科技有限公司.育信实践教育私有云平台架构[EB/OL].[2016-04-20].http://www.jlyuxin.com

[2] 中国教育和科研计算机网.教育信息化十年发展规划(2011—2020年)[EB/OL].[2016-03-10].http://www.edu.cn/html/info/10plan/ghfb.shtml.

[3] 王卫国.虚拟仿真实验教学中心建设思考与建议[J].实验室研究与探索,2013,32(12):5-8.

[4] 杨龙军,陆洪毅.基于云计算平台的计算机硬件远程实验室实现[J].华中科技大学学报:自然科学版,2013(增刊2):72-76.

[5] 刘福强,刘嵩,李玉东.基于云计算的开放式实验平台设计[J].计算机与数字工程,2011(10):113-117.

[6] 张乃千,杨海,周丽涛.基于云计算的虚拟实验云平台设计[J].计算机教育,2015(1):39-44.

[7] 丁美荣.虚拟实验与真实实验整合的计算机网络研究性实验教学探究[J].实验技术与管理,2011,28(5):163-166.

[8] 吴迪,薛政,潘嵘.基于XEN云平台的网络安全实验教学[J].实验室研究与探索,2013,32(7):62-66.

[9] 胡今鸿,李鸿飞,黄涛.高校虚拟仿真实验教学资源开放共享机制探究[J].实验室研究与探索,2015,34(2):140-144.

[10] 张增明,王中平,张宪锋,等.国家级物理虚拟仿真实验教学中心的建设实践[J].实验技术与管理,2015,32(12):146-149.

[11] 王卫国,胡今鸿,刘宏.国外高校虚拟仿真实验教学现状与发展[J].实验室研究与探索,2015,34(5):214-219.

[12] 张敬南,张谬钟.实验教学中虚拟仿真技术应用的研究[J].实验技术与管理,2013,30(12):101-104.

[13] 陈国辉,刘有才,刘士军,等.虚拟仿真实验教学中心实验教学体系建设[J].实验室研究与探索,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

国家重点研发计划高性能计算专项资助项目(2016YFB0201503)；国家自然科学基金项目(61602205)；吉林省科技攻关计划重大科技招标专项(20160203008GX)教育部高等学校博士学科点专项科研基金项目(20130061110052)；吉林省科技攻关计划重点科技攻关项目(20140204013GX)

李洪亮(1983—),男,吉林长春,博士,讲师,主要研究方向为分布式计算和集群计算

E-mail：lihongliang@jlu.edu.cn

李想(1983—),女,吉林长春,硕士,助理工程师,从事实验教学工作.

E-mail：lxiang@jlu.edu.cn

TP3；G642.4

A

1002-4956(2016)11-0125-05