云计算架构下的虚拟仿真实验平台建设

程 实， 李跃华， 陈晓勇a，2， 陈善利， 葛 骅a

（1.南通大学a.信息科学技术学院；b.阿里云大数据学院，江苏南通226019；2.南通大学杏林学院，江苏南通226000）

0 引 言

随着国家创新型、应用型人才培养目标的提出和大学毕业生的数量逐年增多，用人单位提高了人才招收标准，要求学生既要有扎实的理论知识，又要有丰富的实践经验。这意味着有越来越多的大学毕业生将要面临就业困难压力，因此，高校实践教学就显得尤为重要，这是学生唯一可以在学校通过学习、实验积累经验的机会［1-3］。

1 实践教学现状

1.1 实验基础设施缺乏，设备更新换代速度慢

为了更好地开展实践教学提升实验效果，很多高校都在致力于建设更多的实验室，但是学生数量逐年增加，实验课程的安排非常紧凑，基础设施在一定程度上处于紧张状态［4］。而且随着实验课程的不断深入，一些设备根本无法满足课程的需要，更新换代速度也较为缓慢，从根本上限制了学生动手实践能力的培养。

1.2 学生实验机会不充分，很难积累实践经验

通常情况下，学生只有在进行实验课程时才能进入实验室，开放实验需要提前预约或者指定时间，以免由于学生大意而造成设备的损坏。这也间接导致学生没有足够的实验机会，课后无法继续练习，仅仅靠课上时间是远远不够，很难积累丰富的实践经验。对于有些实验学生要经过反复多次的测试才能熟练地掌握实验原理，进而得到精确结果。

1.3 难以开设复杂实验，理论实践难结合

高校设置的实验一般都是危险系数低、学生易操作，而有些复杂困难、存在高度危险性的实验在实验室中无法完成。主要原因有：①要保证学生和实验室的安全，②基础设施不具备实际操作的条件。因此，只能对学生进行理论教学，导致学生对相关知识、原理的理解不是特别透彻，与此同时，学生的动手能力得不到充分锻炼。

1.4 设备维护不足，运营成本高

有些实验室是专门给具体的某个项目建设的，这通常需要很高的建设费用，因为它们对于实验器材要求较高，并且设备会受到长期损耗，后期维护也需要相当大的一部分资金投入。除此之外，高校通常会要求每个专业都要做一些基础实验，这些实验类型都相同。导致课程被排得很满，做实验的学生很多，因此，难免会出现设备长期使用而损坏的现象，为了不耽误课程进度，无法及时维修，给设备的长期维护带来很大的困难，被损坏的器械也给学生带来极大的安全隐患。

2 云计算技术和虚拟化技术

简单地来说，“云”就是一种提供资源的网络，云计算是一种分布式计算，解决任务分发，同时也是集效用计算、负载均衡、网络存储、虚拟化技术的网络计算［5］。当下云教育也愈发盛行，它是基于计算机商业模式应用的教育平台服务，让教育资源得到有效的整合，体现了很好的交互性，给计算机网络时代带来了前所未有的革新，也给用户带来了全新的体验。图1 则为云计算技术下的云教育模式。

图1 云计算技术下的云教育模式

虚拟化技术是云计算技术中非常重要的核心技术，因为它主要实现的是资源管理和中心数据的处理，并且也能实现服务器的应用聚合。给数据中心管理人员带来了极大便利，管理非常顺畅，并能保持最高效率，让服务器以最佳性能运行［6］。除此之外，虚拟化技术在最大程度上应用物理硬件资源，将用户、网络、应用分离，提高用户体验。

通过应用云＋建设理念，能够大幅降低整体活动投入，实现远程操作。这不仅能够避免实验室出现意外问题，还可以让实验活动摆脱时间与空间的限制，大幅增强实验效率，有效提高教育活动的展开效果。云＋建设能够体现出当前信息化技术应用的优势，有利于高校教育活动的信息化、智能化改革。通过云＋技术应用，高校实验室已经完善了实验室平台的建设体系，体现了良好的应用成效，有利于进一步教育活动的展开。

3 网络虚拟仿真实验室平台

实践教学是高校培养高素质人才的重要环节，随着云计算技术和虚拟技术的不断发展，网络虚拟仿真实验室在实践教学中逐渐显现出独特的应用价值。它主要是利用虚拟现实技术打造虚拟场景，进而模拟实验器材，实现仪器设备的远程共享。在虚拟仿真的实验环境下，学生可以独自多次进行实验，完全不受空间、时间限制，并使他们充分地熟悉实验器材和实验过程，也能对自己得出的实验结果进行反复检验。其中最重要的是，他们可以自行进行一些具有很大危险性的实验，并且无须教师监督，具有很强的兼容性和扩展性。学生不再停留于理论知识，不仅锻炼了动手能力，而且在一定程度上激发了他们的创新精神［7-9］。

学生也可以利用其他电子设备登录进入网络虚拟仿真实验室平台，无须真实器材便能轻易操作，有效地实现了课上课下无缝连接。以BOD 水质检测实验为例，所需实验仪器有恒温培养箱、溶解氧瓶、容器、量筒、酸式滴定管、玻璃搅棒、虹吸管等［10-13］。图2 则为BOD测定实验虚拟仿真实验室操作模式，首先映入眼帘的就是全部所需实验器材，其真实性能让学生快速进入实验环境，同时也方便学生在真实实验操作之前熟悉整个实验过程，能最大程度避免操作危险发生。作为一种全新的学习、实验方式，通过学习者本身与信息环境的交互进而实现知识、技能的有效获取。

图2 BOD测定实验虚拟仿真实验室操作模式

除此之外，教师也可以在此平台上设置考核模式和自由练习模式，在自由练习模式下，学生可以随意调整实验难易程度和参数，从而真正理解实验的原理及步骤。学生经过多次练习操作之后，教师要检验学生操作手段是否符合规范。图3 则为BOD 测定实验虚拟仿真实验室考核模式，系统会自动将他们的实验操作情况、实验测量结果记录下来，由教师给出相应的评价。在掌握他们每一个人的学习情况后给出合理的指导，使学生的学习效率和教师的教学水平都能实现很大的提升。

图3 BOD测定实验虚拟仿真实验室考核模式

4 基于云计算技术实现网络虚拟仿真实验室的成效

4.1 服务器负载小，保持服务器处于良好状态

由于此网络虚拟仿真实验室平台是采用云计算技术，所以无需对服务器进行过多的资金投入，与此同时，还能保证服务器高效运转。学生在线进行不同性质的实验时，实验之间不会因为访问量增加和服务器负载产生干扰，云计算可以在广泛分布的网络服务器上实现负载均衡，保持服务器处于良好状态，保证学生顺利完成实验［15］。

4.2 实验不受时间、空间限制

无论是学生做实验还是教师进行管理，各个终端在登录平台时是不受时间和空间限制，因为此平台的网络节点是云服务器，它不仅有独立地址，而且具有传送或接收数据功能，是一种简单高效，安全可靠，处理能力可弹性伸缩的计算服务。实现了实体实验室的延伸和扩展，其中网络虚拟仿真实验室平台可以保存学生由于某些原因未做完的实验，以便在其他终端登录时可以继续进行，保证了整个实验得以连贯顺利地完成，并提高了实验的成功率，而在实体实验室中基本上无法实现。

4.3 设备维护简单，降低教学成本投入

此平台的设备都是仿照真实实验器材进行虚拟打造的，一方面保证了实验的真实性，另一方面避免了设备的后期特殊维护。相关技术人员只需要对计算机相关设备硬件进行定期的检查、维修，并让学生按照正确的顺序进行，从而延长计算机使用寿命。除此之外，实验室也允许学生自行带笔记本电脑和平板电脑等电子设备登录平台开展有关实验，大大减少了学校实体实验室包括场地、机器的建设成本，也无须安排过多的管理人员进行设备管理。

4.4 方便实验考核、管理

通常情况下，在课堂实验中教师都会设置一个考核标准，基本上包括实验操作水平、实验报告完成情况。但是教师不能对每个学生的操作过程进行监控，因此，做不到全面的数字化考核。而网络虚拟仿真实验室平台可以自动记录并提供给教师相关数据，为了让学生积极参与，教师应根据系统提供的数据并结合实际情况科学合理地制定分段考核标准，这样能提高教师的工作效率，使管理、教学效益实现最大化。

4.5 能够开设复杂实验

如何让学生更加了解一些无法触及的危险性实验一直是高校教师不断思考的问题，而该虚拟平台则给出了很好的解决方案。即使一些高校有条件开设这些实验室，也不能保证实验的全面安全，所以通常情况下，这些危险性实验基本上都停留在理论知识教育。但是对于学生来说，这终将成为他们实践经历上的一部分缺失，因此，网络虚拟仿真实验室平台的建设就显得尤为重要，学生在进行虚拟实验的过程中，不用考虑设备、材料不足等问题，更不用考虑价格昂贵的问题。学生在学校里积攒了丰富的实践经验后，可以顺利进入企业并有能力胜任相关工作。

4.6 实现多校区联动

目前很多高校都有多个校区，分为主校区和分校区，但是校区并不是紧密分布的，一般相隔较远。每个校区都有不同专业、不同层次的学生，为了让每个学生都能在实践教育中得到公平教育，高校在每一个校区都建设相同的实验室。但是这需要很大一笔费用，而网络虚拟仿真实验室的建设，让所有的学生都能在此平台上享受公共教育资源，从而实现多校区联动。

5 结 语

在不久的将来，云计算技术和虚拟仿真技术一定会迅速发展起来。而基于云计算技术的网络虚拟仿真实验室平台也会在众多高校内实现全面开展。它更新了传统的课堂实践教学模式，让教育不再受时间、空间、地点限制，对于一些平时在课堂上无法完成的实践内容，学生在网络虚拟仿真实验室中都能轻易地操作实现。它的建设不仅使教学资源管理逐渐走向科学化，而且高校无须在人才培养方面投入过多的资金。最重要的是，此平台的建设提供给学生更多锻炼动手能力的机会，也培养了他们的创新精神，从而使他们成为国家人才培养目标中最强有力的后备军。