虛擬化技術(shù)在MOOC虛擬實驗平臺中的應(yīng)用策略研究

摘 要：為了應(yīng)對MOOC虛擬實驗平臺面臨的挑戰(zhàn)，應(yīng)用虛擬化技術(shù)對其進行優(yōu)化改造是現(xiàn)實的迫切需要。MOOC虛擬實驗平臺可應(yīng)用的虛擬化技術(shù)主要有三種：在用戶端部署虛擬機鏡像、在IaaS云端部署虛擬機、在PaaS云端部署容器。這三種虛擬化技術(shù)各有其優(yōu)勢和不足，應(yīng)該根據(jù)實際應(yīng)用情境靈活選用。文章對虛擬化技術(shù)在MOOC虛擬實驗平臺中的應(yīng)用策略進行了詳細探討和分析，并對其后續(xù)的發(fā)展趨勢進行了展望。

關(guān)鍵詞：虛擬化技術(shù);MOOC：虛擬實驗平臺;應(yīng)用策略

中圖分類號：TP393? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：1673-8454（2020）24-0088-05

大力加強MOOC虛擬實驗平臺建設(shè)，為遠程學習者提供豐富、優(yōu)質(zhì)的虛擬實驗課程資源，是改變MOOC實驗教學薄弱現(xiàn)狀的重要途徑。但MOOC虛擬實驗平臺目前還面臨著一些挑戰(zhàn)（例如，對學習者的信息化操作技能要求較高、軟件的兼容性問題較為突出、實驗效果難以保持一致性等），如何正確、有效地應(yīng)對這些挑戰(zhàn)是現(xiàn)實的迫切需要。虛擬化技術(shù)作為云計算的核心支撐技術(shù)，它把計算、存儲和應(yīng)用等信息處理變成了可以動態(tài)配置的資源，極大地提高了信息設(shè)施的利用率，能有效滿足靈活多變的信息服務(wù)需求[1]。因此，虛擬化技術(shù)在應(yīng)對MOOC虛擬實驗平臺面臨的挑戰(zhàn)方面具有突出的價值和優(yōu)勢。本文試圖對虛擬化技術(shù)在MOOC虛擬實驗平臺中的應(yīng)用問題進行探討。

一、MOOC虛擬實驗平臺目前面臨的挑戰(zhàn)

1.學習者需要預先下載和安裝相關(guān)的虛擬實驗軟件，對其信息化操作技能要求較高

學習者利用MOOC虛擬實驗平臺開展虛擬實驗時，需要預先下載和安裝相關(guān)的虛擬實驗軟件，而這些環(huán)節(jié)都要求學習者具備較為熟練的信息化操作技能，技能較弱的學習者在開展虛擬實驗時將面臨著較多的困難和障礙。例如，許多MOOC虛擬實驗項目需要學習者的計算機預先安裝各種相應(yīng)的插件（如播放器插件、交互插件等），而插件的安裝、設(shè)置一般都較為繁瑣和復雜，對于信息化操作技能較弱的學習者將是棘手的難題;如果相應(yīng)插件不能被正確安裝和設(shè)置，將嚴重影響和阻礙虛擬實驗項目的正常開展。

另外，學習者使用虛擬實驗軟件的過程通常遵循一種被稱為“學習曲線”的規(guī)律，即學習者在剛開始使用虛擬實驗軟件時會面臨著較多的困難，而隨著操作熟練程度的提高，他們對軟件的使用會越來越容易。因此，虛擬實驗軟件的使用對于新手來說不是一項簡單的任務(wù)。

2.虛擬實驗軟件與操作系統(tǒng)及其他應(yīng)用軟件之間存在著兼容性問題

由于操作系統(tǒng)的類型較多（如Windows、Unix、Linux和 Mac等），且同一類型操作系統(tǒng)還有不同版本，因此所開發(fā)的虛擬實驗軟件難以兼顧所有類型、版本的操作系統(tǒng)，即它們之間存在著較為突出的兼容性問題[2]。另外，虛擬實驗軟件與其他應(yīng)用軟件（如播放器、瀏覽器等）之間也存在著或多或少的兼容性問題。當虛擬實驗軟件與用戶端操作系統(tǒng)及其他應(yīng)用軟件之間不兼容時，輕則會出現(xiàn)虛擬實驗軟件運行不穩(wěn)定、不流暢的情況，重則會導致系統(tǒng)癱瘓和崩潰等。因此，軟件之間的兼容性問題是MOOC虛擬實驗平臺亟待解決的難題。

3.虛擬實驗課程資源較為單一，學習支持系統(tǒng)不夠健全

目前MOOC虛擬實驗平臺提供的虛擬實驗課程資源主要是實驗教學視頻、虛擬實驗儀器和實驗講義等，這些實驗課程資源原本是為傳統(tǒng)面授教學情境而設(shè)計制作的，并不太適用于遠程虛擬實驗環(huán)境[3];還缺乏實驗設(shè)計和數(shù)據(jù)分析的工具，導致實驗數(shù)據(jù)分析、現(xiàn)象解釋和實驗報告撰寫等實驗后續(xù)工作較難開展，給學習者帶來了很大的困擾[4]。

MOOC虛擬實驗平臺提供的學習支持系統(tǒng)主要是學習管理系統(tǒng)的BBS論壇，輔導教師不定期在線對學習者的疑惑和問題進行答疑解惑。但由于受輔導教師的時間精力、輔導管理機制等諸多因素的限制，這種學習支持系統(tǒng)很難滿足眾多學習者的個性化學習支持的需求，學習者在實驗過程中很難獲得有針對性的指導和幫助。

4.虛擬實驗效果因?qū)W習者的信息化環(huán)境的差異，難以保持一致性

信息化環(huán)境主要包括信息化硬件設(shè)施（如計算機、移動智能終端等）和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。虛擬實驗軟件的運行對學習者的信息化環(huán)境有一定的基本要求，如果信息化環(huán)境不理想（如計算機硬件配置過低或網(wǎng)絡(luò)帶寬不夠等），則難以保證虛擬實驗軟件的正常運行。由于MOOC學習者分散在遠程各地，他們之間的信息化環(huán)境差異很大，導致虛擬實驗效果難以保持一致性。例如，國家虛擬仿真實驗教學共享平臺上的某虛擬實驗項目要求學習者的計算機硬件配置標準為：CPU 為Intel Core i5以上，顯卡的顯存為4G以上，系統(tǒng)內(nèi)存為16G以上，網(wǎng)絡(luò)帶寬20Mbps以上[5]，但如果學習者的計算機硬件配置或網(wǎng)絡(luò)帶寬沒有達到該標準的要求，則很難保證該虛擬實驗項目的正常實施。因此，增強MOOC虛擬實驗平臺對學習者信息化環(huán)境差異的適應(yīng)是亟待解決的問題。

MOOC虛擬實驗平臺面臨的這些挑戰(zhàn)影響著虛擬實驗的正常開展，也制約著MOOC課程的推廣和應(yīng)用。虛擬化技術(shù)以其自身的獨特優(yōu)勢為應(yīng)對這些挑戰(zhàn)提供了良好的選擇：可以屏蔽不同硬件平臺的差異性，屏蔽不同硬件的差異所帶來的軟件兼容性問題;可以擴展計算機硬件的容量，簡化軟件的配置過程，顯著提高計算機系統(tǒng)的工作效率等[6]。因此，應(yīng)用虛擬化技術(shù)對MOOC平臺進行優(yōu)化改造是應(yīng)對這些挑戰(zhàn)的有效途徑。

二、虛擬化技術(shù)在MOOC虛擬實驗平臺中的應(yīng)用策略

MOOC虛擬實驗平臺可應(yīng)用的虛擬化技術(shù)主要有三種：在用戶端部署虛擬機鏡像、在IaaS云端部署虛擬機、在PaaS云端部署容器。下面對它們在MOOC虛擬實驗平臺中的應(yīng)用策略進行詳細探討和分析。

1.通過在用戶端部署虛擬機實現(xiàn)虛擬化

（1）在用戶端部署虛擬機的優(yōu)勢

為了簡化在用戶端下載、安裝虛擬實驗軟件導致的繁瑣操作以及解決兼容性問題，一種傳統(tǒng)的解決方法是在用戶端預先安裝虛擬機鏡像。虛擬機鏡像預先封裝了虛擬實驗所需的相應(yīng)軟件與配置，系統(tǒng)將以鏡像為模版自動創(chuàng)建包含了虛擬實驗軟件的虛擬機，因而學習者不必再安裝其他的虛擬實驗軟件。虛擬機鏡像能通過虛擬機模擬器（例如VirtualBox）自動下載和運行，從而減輕了學習者的操作負擔，降低了對其信息化操作技能的要求。由于虛擬機鏡像已經(jīng)對所配置的硬、軟件資源進行了優(yōu)化和協(xié)調(diào)，也較好地解決了系統(tǒng)的兼容性問題。

（2）在用戶端部署虛擬機的方法

對于MOOC虛擬實驗課程的制作團隊來說，創(chuàng)建輕便、可靠和高效的虛擬機并不容易，因為隨著使用時間的推移，原來的系統(tǒng)設(shè)置會變得過時，后續(xù)對虛擬實驗軟件的維護將會變得越來越困難。由于工業(yè)化的制作流程具有專業(yè)、高效和經(jīng)濟等優(yōu)點，為解決虛擬機的部署和維護問題提供了很好的解決路徑。Vagrant 和Debian都是基于工業(yè)化制作流程的虛擬機部署軟件，可用于虛擬機鏡像的創(chuàng)建和管理。

Vagrant提供了易于配置、重復性好和便攜式的虛擬開發(fā)環(huán)境，具有跨平臺、可移動、自動部署等優(yōu)點[7]，可實現(xiàn)工作效率和靈活性的統(tǒng)一。Debian能方便、高效地對軟件進行打包和安裝，軟件包管理器（APT）可幫助使用者在許多臺計算機上管理眾多的軟件包[8]。運用Vagrant和Debian創(chuàng)建虛擬機鏡像的過程可用圖1表示，該過程由以下三個階段組成：首先執(zhí)行“啟動Vagrant”命令，系統(tǒng)加載“Vagrant”文件，通過腳本控制虛擬機鏡像的創(chuàng)建;然后從Debian軟件包倉庫和虛擬實驗應(yīng)用程序Git庫中獲取虛擬機的配置資源;最后系統(tǒng)生成可在任何Vagrant環(huán)境下重復使用的虛擬機鏡像。

（3）在用戶端部署虛擬機存在的不足

盡管在用戶端部署了虛擬機以后，學習者不再需要安裝其他的相關(guān)軟件，但仍需要掌握虛擬機模擬器的操作技能;而虛擬機模擬器運行在不同的硬、軟件環(huán)境下，增加了其操作難度。另外，學習者在使用虛擬機的過程中還面臨著許多其他問題（例如缺乏管理者權(quán)限、系統(tǒng)設(shè)置問題等）。雖然這些問題不是大多數(shù)學習者所面臨的，但也不應(yīng)該被忽視。另外，虛擬機的運行效果受用戶端設(shè)備性能的影響也較大。

2.通過在IaaS云端部署虛擬機實現(xiàn)虛擬化

（1）在IaaS云端部署虛擬機的優(yōu)勢

IaaS（Infrastructure as a Service）即“基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)”，它將信息基礎(chǔ)設(shè)施（如內(nèi)存、I/O設(shè)備、存儲和計算設(shè)施等）作為云服務(wù)環(huán)境提供給用戶，用戶通過Internet獲取所需的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、存儲服務(wù)、開發(fā)環(huán)境服務(wù)和軟件服務(wù)等基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)[9]，優(yōu)點是用戶按需租用相應(yīng)的信息基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)，大大降低了對用戶端硬件性能的要求。

MOOC虛擬實驗平臺在IaaS云端部署虛擬機以后，學習者只需在用戶端安裝Web瀏覽器（不再需要安裝其他的客戶端軟件），通過使用Web瀏覽器訪問云端服務(wù)器上的虛擬機和進行虛擬實驗操作，從而提高實驗學習的效率，簡化了實驗操作流程。此外，同一MOOC虛擬實驗平臺的所有虛擬機都是由同一課程團隊管理，可以大大提高實驗教學的管理效率，有助于創(chuàng)建新型的虛擬實驗教學模式。例如，學習者可以把他們的實驗結(jié)果直接提交給學習管理系統(tǒng)（LMS），而不必再另外撰寫實驗報告，這有助于實驗教師及時監(jiān)測、評價學習者的實驗過程;由于為學習者提供虛擬實驗服務(wù)的虛擬機都運行在同一平臺，它們之間能夠高效地互聯(lián)、互通，因而也有利于學習者之間的交流和協(xié)作。

（2）在IaaS云端部署虛擬機的方法

首先將預先制作的虛擬機鏡像傳輸?shù)皆朴嬎慵悍?wù)器，然后通過對鏡像文件的實例化而控制虛擬機的創(chuàng)建，虛擬機在完成自身的各種配置后融入云平臺環(huán)境，從而為學習者提供所需的虛擬實驗應(yīng)用服務(wù)，其過程可抽象為如圖2所示的模型。在IaaS云端部署虛擬機的過程由以下四個階段組成：

①IaaS云管理中心對云計算集群中的所有物理資源和虛擬資源實行集中的統(tǒng)一管理，并根據(jù)學習者的虛擬實驗服務(wù)需求對虛擬資源進行優(yōu)化配置，既保證了虛擬實驗服務(wù)的質(zhì)量，也提高了資源的利用率。

②鏡像服務(wù)器存儲預先創(chuàng)建的虛擬機鏡像，并對運行中的鏡像進行備份。根據(jù)虛擬機管理器的指令，將鏡像文件傳輸給云計算集群服務(wù)器。

③虛擬機管理器根據(jù)鏡像文件的配置信息，運用虛擬化技術(shù)將云服務(wù)器中的物理硬件資源（ CPU、內(nèi)存、I/O等）實現(xiàn)虛擬化，最終封裝成虛擬機供用戶使用。虛擬機的部署和運行都受IaaS云管理中心的控制。

④借助于VNC（Virtual Network Console）和RDP（Remote Display Protocol）技術(shù)，學習者通過Internet訪問云計算集群中的特定虛擬機，并在虛擬機上運行相應(yīng)的虛擬實驗軟件，從而獲取相應(yīng)的虛擬實驗服務(wù)。

（3）在IaaS云端部署虛擬機存在的不足

①運行成本問題。在IaaS云端部署虛擬機需要租用云平臺的IaaS服務(wù)，MOOC虛擬實驗平臺的運營方需要為此付費，無疑會增加其運營成本。如果采取在用戶端部署虛擬機的方式，則可以節(jié)省這些費用。

②網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的支撐問題。在IaaS云端部署虛擬機需要良好網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的支撐，無論是鏡像文件的傳輸，還是虛擬機的配置和應(yīng)用服務(wù)的獲取等，都離不開穩(wěn)定、高速的網(wǎng)絡(luò)連接。學習者通過Internet訪問IaaS虛擬機而開展虛擬實驗也需要持續(xù)地聯(lián)網(wǎng)，而當網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定或網(wǎng)絡(luò)帶寬不夠時，虛擬實驗的操作體驗將會受到很大的影響和限制。

③獲取虛擬機服務(wù)的時間延遲問題。學習者訪問MOOC虛擬實驗平臺開展虛擬實驗時，大型的虛擬機鏡像文件需要在IaaS云端進行復制，會導致學習者獲取虛擬實驗服務(wù)的時間有延遲（一般有幾分鐘的延遲）。如果虛擬機鏡像文件太大，這種情況將會變得更為嚴重，因此有必要對鏡像文件進行優(yōu)化，以提高文件傳輸?shù)男剩瑥亩徑鈺r間延遲問題。

3.通過在PaaS云端部署容器實現(xiàn)虛擬化

（1）在PaaS云端部署容器的優(yōu)勢

PaaS（Platform as a service）即“平臺即服務(wù)”，它將軟件開發(fā)環(huán)境作為一種云服務(wù)提供給用戶，用戶在云服務(wù)平臺所提供的軟件開發(fā)環(huán)境中部署所需的應(yīng)用程序和配置。容器作為一種把應(yīng)用程序和部署環(huán)境相隔離的虛擬化打包技術(shù)，非常適合于在PaaS云平臺中使用。容器的概念源于航運業(yè)中廣泛使用的集裝箱：容器相當于集裝箱，而應(yīng)用程序相當于貨物，容器對各種應(yīng)用程序進行封裝、打包，類似于把貨物裝入集裝箱。由于容器的隔離作用，各種應(yīng)用程序工作時不相互影響，并且可以方便、快捷地在各種運行環(huán)境中進行整體遷移。在PaaS云端部署容器的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以下三個方面：

①由于容器采取了共享主機操作系統(tǒng)的工作方式，減少了客戶機操作系統(tǒng)層，因此它更加輕量化，啟動速度更快（一般為秒級，而虛擬機為分鐘級），可以大量節(jié)約開發(fā)、測試和部署的時間。而容器的輕量化也使得平臺能部署更多封裝了虛擬實驗應(yīng)用程序的容器，從而可以提供更多的虛擬實驗項目。

②容器的部署過程得以大大簡化。開發(fā)者通過使用容器引擎將應(yīng)用程序及其附屬程序一起打包成標準的鏡像文件，然后根據(jù)鏡像文件來創(chuàng)建容器，通過執(zhí)行腳本命令把容器快速、自動地部署到運行環(huán)境中。而傳統(tǒng)的虛擬機部署需要人工安裝軟件包，需要花費較多的時間和精力。

③容器具有良好的可移植性和易擴展性?？梢浦残员憩F(xiàn)在容器可以在各種平臺環(huán)境中穩(wěn)定運行，可以快速、靈活地從一個平臺環(huán)境遷移到另外一個平臺環(huán)境，從而大大提高了應(yīng)用程序開發(fā)、升級及維護的效率。例如，通過使用容器技術(shù)可以將校園網(wǎng)上的虛擬實驗平臺快速遷移到大型的MOOC平臺上。易擴展性表現(xiàn)在當容器難以勝任新的工作任務(wù)時，可以方便地對其進行改造和升級或創(chuàng)建新的容器，從而滿足新運行環(huán)境的需要。

（2）在PaaS云端部署容器的方法

Docker是目前最為常用也較為成熟的一種容器技術(shù)[10]。運用Docker在PaaS云端部署容器的技術(shù)路線可概述為：開發(fā)者通過創(chuàng)建容器鏡像的腳本文件而生成容器，并將其發(fā)布到PaaS云端服務(wù)器上運行，為用戶提供相應(yīng)的虛擬實驗服務(wù)?；贒ocker的PaaS容器部署過程可抽象為圖 3 所示的模型，該過程由三個階段組成：

①創(chuàng)建鏡像的腳本文件。Dockerfile是描述鏡像構(gòu)建過程的腳本文件。根據(jù)實際需要，開發(fā)人員對Dockerfile進行編輯或修改，直至編寫出符合要求的鏡像腳本文件。PaaS平臺通過Dockerfile實現(xiàn)對容器的管理與控制。

②創(chuàng)建鏡像。鏡像包含了容器的詳細信息，是創(chuàng)建容器的藍本。鏡像可以通過Dockerfile文件來創(chuàng)建，封裝完畢的Dockerfile文件存儲在源代碼庫中。當需要創(chuàng)建鏡像時，則把Dockerfile文件“clone”到Docker引擎中，Docker引擎讀取并逐條執(zhí)行Dockerfile 文件中的指令，通過“built”命令最終生成新的鏡像。然后通過“push”命令把生成的鏡像推送到Docker 鏡像庫中。另外，鏡像也可以通過容器的反向操作而創(chuàng)建。

③生成容器。Docker引擎通過“pull”命令把鏡像從Docker鏡像庫中拉取出來，并根據(jù)工作任務(wù)需要對鏡像進行相應(yīng)的修改（例如封裝虛擬實驗應(yīng)用程序），然后通過“run”命令運行鏡像，最后生成一個標準的、隔離的和輕量級的運行環(huán)境即容器。虛擬實驗應(yīng)用程序在容器中運行，擺脫了對系統(tǒng)環(huán)境的依賴，因而具有良好的隔離性和一致性。

（3）在PaaS云端部署容器存在的不足

首先，容器在PaaS云端的部署和運行仍然需要良好的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境支撐。無論是容器鏡像的上傳、下載還是容器的遷移等，都依賴于客戶機和PaaS云端服務(wù)器之間的網(wǎng)絡(luò)連接性。當網(wǎng)絡(luò)連接性不佳時，容器的部署和運行都將受到很大的影響，進而也影響著基于容器的虛擬實驗軟件的運行效果。這也是在IaaS云端部署虛擬機時存在的類似問題。

其次，容器技術(shù)作為新近涌現(xiàn)的信息技術(shù)，其自身由于不夠成熟還存在著一定的局限性。例如，容器采取的是共享宿主機操作系統(tǒng)的工作方式，而一旦宿主機操作系統(tǒng)出現(xiàn)安全問題，則安全威脅會蔓延至整個系統(tǒng)。另外，容器引擎軟件商所提供的配套資源也比較有限，在部署和使用環(huán)節(jié)遇到問題時難以獲得有效的資源支持。

三、總結(jié)與展望

總之，可應(yīng)用于MOOC虛擬實驗平臺的這三種虛擬化技術(shù)都各有其優(yōu)勢和不足：在用戶端部署虛擬機簡化了操作流程，較好地解決了系統(tǒng)的兼容性問題，但學習者仍然需要掌握虛擬機模擬器等軟件的操作技能，對系統(tǒng)的維護也較為繁瑣，對用戶端硬件性能的要求較高;而在IaaS云端部署虛擬機和在PaaS云端部署容器對用戶端硬件性能的要求較低，其應(yīng)用和維護更為方便，能實現(xiàn)資源的統(tǒng)一調(diào)度、靈活移植和共享應(yīng)用，但它們對于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的依賴程度高，且容器的安全穩(wěn)定性不如虛擬機等。因此，在MOOC虛擬實驗平臺的構(gòu)建過程中，應(yīng)根據(jù)實際應(yīng)用情境靈活選用合適的虛擬化技術(shù)。

針對虛擬化技術(shù)在應(yīng)用中所存在的不足，研究者正努力探索運用新的技術(shù)手段予以解決和克服。例如，為了克服在云端部署虛擬機或容器對網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的過度依賴性，一種解決方法是采用WebAssembly編程技術(shù)，使瀏覽器能高效地運行虛擬機和應(yīng)用程序，從而降低虛擬實驗應(yīng)用服務(wù)對網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的依賴性。WebAssembly通過為高級編程語言編寫的應(yīng)用程序提供編譯目標，從而使它們可以在Web瀏覽器中安全、快速地運行[11];而虛擬桌面技術(shù)的使用能顯著降低學習者在開展虛擬實驗時的網(wǎng)絡(luò)延遲。為了提高容器的安全性，可以讓容器運行在虛擬機內(nèi)部，利用虛擬機的良好硬件隔離性來提高容器的安全性;另外，還可以利用虛擬機豐富成熟的監(jiān)控和管理工具來完善容器的運行環(huán)境。通過容器技術(shù)與虛擬機技術(shù)的深度融合，實現(xiàn)兩者的優(yōu)勢互補，為促進虛擬化技術(shù)的進一步完善提供了有效的解決路徑，從而有助于促進該技術(shù)在MOOC虛擬實驗平臺中的推廣應(yīng)用。

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