基于虛擬仿真平臺(tái)的Linux實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

王舒艷

摘 要：主要針對(duì)《Linux操作系統(tǒng)》課程在網(wǎng)上開(kāi)展的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)、原理、架構(gòu)及實(shí)施過(guò)程進(jìn)行研究。該虛擬仿真平臺(tái)系統(tǒng)提供與Linux操作系統(tǒng)真實(shí)實(shí)驗(yàn)相似的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，為L(zhǎng)inux操作系統(tǒng)安裝、管理及配置實(shí)驗(yàn)提供服務(wù)并開(kāi)展應(yīng)用，方便學(xué)生通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)即可完成Linux操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，提升實(shí)踐技能。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真 實(shí)驗(yàn)教學(xué) Linux操作系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）11（c）-0005-02

1 本項(xiàng)目研究目的和意義

1.1 研究目的

網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)將使學(xué)生可以在任何地方做我們的實(shí)驗(yàn)，自己不需要安裝任何復(fù)雜的軟件和環(huán)境。本課題主要針對(duì)網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的原理、架構(gòu)及實(shí)施過(guò)程進(jìn)行研究，通過(guò)構(gòu)建相關(guān)環(huán)境進(jìn)行試驗(yàn)，并提出自己的改進(jìn)方案。

通過(guò)該平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)以下方面。

（1）安裝、配置Linux操作系統(tǒng)，進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)，并且放心大膽地做實(shí)驗(yàn)，不會(huì)擔(dān)心操作對(duì)設(shè)備造成損害，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。

（2）采用桌面虛擬化技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程辦公，并且教師和學(xué)生可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)入同一實(shí)驗(yàn)，教師可觀看到學(xué)生所有操作步驟，并提供實(shí)時(shí)的幫助，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)。

（3）通過(guò)虛擬仿真平臺(tái)，學(xué)生可通過(guò)虛擬化方式在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上完成Linux操作系統(tǒng)的安裝、管理、服務(wù)器配置等相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。虛擬仿真平臺(tái)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)完全能滿足《Linux操作系統(tǒng)》課程所有實(shí)踐性教學(xué)任務(wù)。該實(shí)驗(yàn)室將24h對(duì)學(xué)生開(kāi)放，任何學(xué)生（Anyone）在任何時(shí)候（Anytime）、任何地點(diǎn)（Anywhere）都能通過(guò)“開(kāi)放性虛擬實(shí)驗(yàn)室”平臺(tái)在線進(jìn)行工程項(xiàng)目的實(shí)訓(xùn)。很好地滿足學(xué)生個(gè)性化學(xué)習(xí)和自主學(xué)習(xí)的需要。

虛擬仿真平臺(tái)能夠提升學(xué)生的實(shí)踐技能，培養(yǎng)學(xué)生Linux操作系統(tǒng)的實(shí)際操作能力及創(chuàng)新能力，使學(xué)生能夠在實(shí)踐技能方便得到顯著的提高，能夠有效補(bǔ)充教學(xué)時(shí)間受限的不足。

1.2 研究意義

實(shí)踐教學(xué)是國(guó)家實(shí)施“素質(zhì)教育”和高等教育“質(zhì)量工程”，全面提高教育質(zhì)量的重要內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生提高實(shí)踐技能的一個(gè)重要的學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，能夠快速提高學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和掌握，幫助學(xué)生提高對(duì)于Linux操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識(shí)和管理、配置能力。通過(guò)虛擬仿真平臺(tái)提供的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，加大學(xué)生的實(shí)踐能力培養(yǎng)。目前，虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)已經(jīng)得到了全國(guó)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)指導(dǎo)委員會(huì)等相關(guān)部門(mén)的高度重視。

近年來(lái)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備更新升級(jí)很快，實(shí)驗(yàn)室配套條件逐年下降。在實(shí)驗(yàn)室使用過(guò)程中各種問(wèn)題頻出，對(duì)于Linux操作系統(tǒng)這種對(duì)服務(wù)器配置要求較高的課程而言，實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境已難以滿足日益更新的教學(xué)要求。

1.2.1 實(shí)驗(yàn)室成本較高

日常教學(xué)中很大程度上依賴實(shí)驗(yàn)室的計(jì)算機(jī)等設(shè)備，需要投入較多的資金、日常管理維護(hù)成本也高，而且經(jīng)常受到機(jī)房管理環(huán)境變化影響，從而導(dǎo)致正常的教學(xué)活動(dòng)受到影響，降低了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

1.2.2 有限的教學(xué)時(shí)間

實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容較多，步驟繁瑣，學(xué)生出現(xiàn)的錯(cuò)誤較多，但教學(xué)時(shí)間有限，教師很難在較短的教學(xué)時(shí)間內(nèi)同時(shí)指導(dǎo)大量的學(xué)生，很多綜合性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)無(wú)法完成教學(xué)目標(biāo)。

1.2.3 教學(xué)目標(biāo)難以落實(shí)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)培養(yǎng)的目標(biāo)是學(xué)生的實(shí)踐技能，但是很多實(shí)驗(yàn)在課上有限的教學(xué)時(shí)間雖然能夠完成，但學(xué)生的熟練度尚未達(dá)標(biāo)，而課下有沒(méi)有充足的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，無(wú)法多多練習(xí)提升熟練度，導(dǎo)致學(xué)生的創(chuàng)新能力也受到限制，僅僅能熟練完成基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，而深層次高難度的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的缺少實(shí)驗(yàn)條件，影響了學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性，我們提出了基于虛擬仿真平臺(tái)的Linux實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的解決方案。

2 本項(xiàng)目研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

虛擬實(shí)驗(yàn)室（Virtual Laboratory，VL）最早在1989年由威廉·沃爾夫（William Wulf）教授提出。通過(guò)虛擬仿真平臺(tái)可以讓學(xué)生通過(guò)虛擬出來(lái)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境及虛擬化的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，通過(guò)軟件或硬件接口技術(shù)將真實(shí)場(chǎng)景在計(jì)算機(jī)上呈現(xiàn)出來(lái)，方便用戶隨時(shí)隨地通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，不需購(gòu)買(mǎi)昂貴的實(shí)驗(yàn)設(shè)備即可完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

虛擬實(shí)驗(yàn)是描述真實(shí)實(shí)驗(yàn)的一個(gè)教學(xué)過(guò)程。在傳統(tǒng)的虛擬實(shí)驗(yàn)里，變化過(guò)程是預(yù)置的，切換圖文畫(huà)面就代表了實(shí)驗(yàn)的變化，與實(shí)驗(yàn)者如何參與無(wú)關(guān)。

從技術(shù)的角度看虛擬仿真實(shí)驗(yàn)有以下幾種形式，比如虛擬實(shí)驗(yàn)，通過(guò)動(dòng)畫(huà)視頻的方式，下載到本地進(jìn)行查看運(yùn)行；或者利用三維技術(shù)進(jìn)行制作，在電腦客戶端安裝相關(guān)插件，通過(guò)鼠標(biāo)鍵盤(pán)或熱鍵與之進(jìn)行互動(dòng)，完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)，還有就是利用面向?qū)ο蟮募砷_(kāi)發(fā)環(huán)境等進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，可以具有良好的交互性能等多種方式。

目前，微軟的“TechNet 虛擬實(shí)驗(yàn)室”采用先進(jìn)的桌面虛擬技術(shù)，對(duì)自己的產(chǎn)品做實(shí)驗(yàn)，但網(wǎng)絡(luò)上還沒(méi)有Linux操作系統(tǒng)等其他計(jì)算機(jī)課程開(kāi)放式的桌面虛擬實(shí)驗(yàn)室，我們的虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)參考和借鑒微軟的實(shí)驗(yàn)室建立，填補(bǔ)目前網(wǎng)絡(luò)上的空白。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

虛擬仿真平臺(tái)的功能類(lèi)似于VMWare“虛擬機(jī)”軟件，但與的思路并不相同。VMWare是能夠“同時(shí)”運(yùn)行多個(gè)操作系統(tǒng)的一個(gè)主系統(tǒng)平臺(tái)，而我們的目的是開(kāi)發(fā)基于虛擬仿真平臺(tái)的Linux實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，在校園網(wǎng)中設(shè)計(jì)研究可以采用瀏覽器/服務(wù)器（B/S，Browse/Server）的架構(gòu)進(jìn)行部署，硬件設(shè)備包括數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、應(yīng)用程序服務(wù)器、虛擬仿真平臺(tái)及客戶端，客戶端只需要運(yùn)行瀏覽器，學(xué)生就可以高效地實(shí)用虛擬仿真平臺(tái)。

首先，根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容選擇目標(biāo)進(jìn)行建模，其次選擇合適的三維建模軟件、虛擬現(xiàn)實(shí)軟件最后再選擇合適的軟件開(kāi)發(fā)工具制作虛擬仿真Linux實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。

以實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)為導(dǎo)向，根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)，完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的虛擬仿真制作，在制作過(guò)程中幾何模型可以通過(guò)Autodesk公司的3DS Max，Google公司的Sketchup等三維建模軟件制作模型，然后利用虛擬現(xiàn)實(shí)軟件添加三維場(chǎng)景和智能交互等功能，進(jìn)一步還可以利用面向?qū)ο蟮募砷_(kāi)發(fā)環(huán)境等進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。

主要完成以下實(shí)驗(yàn)案例。

（1）Linux基礎(chǔ)管理類(lèi)實(shí)驗(yàn)：Linux系統(tǒng)的安裝；Linux基本管理命令；Linux文件管理；Linux進(jìn)程管理；VI編輯器；Linux用戶管理。

（2）Linux服務(wù)器實(shí)驗(yàn)：網(wǎng)絡(luò)環(huán)境配置；FTP服務(wù)器配置與管理；DNS服務(wù)器配置與管理；DHCP服務(wù)器配置與管理；Web服務(wù)器配置；郵件服務(wù)器配置與管理等。

充分利用學(xué)校的網(wǎng)絡(luò)資源，克服傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的種種限制，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。保證學(xué)生在課下可以進(jìn)行實(shí)踐技能練習(xí)，提升Linux操作系統(tǒng)的管理配置技能，達(dá)到學(xué)生進(jìn)行仿真實(shí)訓(xùn)的需要。

4 系統(tǒng)特點(diǎn)

該軟件的實(shí)現(xiàn)，可以無(wú)需新建Linux專(zhuān)用機(jī)房，使得Linux操作系統(tǒng)的相關(guān)課程實(shí)驗(yàn)可以在普通機(jī)房實(shí)現(xiàn)配置，無(wú)需高配置就可達(dá)到教學(xué)目的，同時(shí)節(jié)省了機(jī)房建設(shè)資金投入。本項(xiàng)目提供網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的立體化教學(xué)與管理功能，在此基礎(chǔ)上可建立針對(duì)不同課程的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)教學(xué)系統(tǒng)，從而為學(xué)校減少對(duì)硬件的投資，同時(shí)避免因設(shè)備的更新和維護(hù)而浪費(fèi)更多的時(shí)間和精力。

Linux操作系統(tǒng)能夠在計(jì)算機(jī)上建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，提供Linux操作系統(tǒng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，使學(xué)生在互聯(lián)網(wǎng)上通過(guò)瀏覽器客戶端即可完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提升實(shí)踐技能、達(dá)到教學(xué)目標(biāo)。但仍有很多不足，管理平臺(tái)缺少分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)、在線討論等模塊，對(duì)于Linux操作系統(tǒng)的一些細(xì)節(jié)化的功能操作現(xiàn)在也不完善，在以后的研究中將會(huì)再進(jìn)行提升。

參考文獻(xiàn)

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