云計算架構下的虛擬仿真實驗平臺建設

程 實， 李躍華， 陳曉勇a，2， 陳善利， 葛 驊a

（1.南通大學a.信息科學技術學院；b.阿里云大數(shù)據(jù)學院，江蘇南通226019；2.南通大學杏林學院，江蘇南通226000）

0 引 言

隨著國家創(chuàng)新型、應用型人才培養(yǎng)目標的提出和大學畢業(yè)生的數(shù)量逐年增多，用人單位提高了人才招收標準，要求學生既要有扎實的理論知識，又要有豐富的實踐經驗。這意味著有越來越多的大學畢業(yè)生將要面臨就業(yè)困難壓力，因此，高校實踐教學就顯得尤為重要，這是學生唯一可以在學校通過學習、實驗積累經驗的機會［1-3］。

1 實踐教學現(xiàn)狀

1.1 實驗基礎設施缺乏，設備更新?lián)Q代速度慢

為了更好地開展實踐教學提升實驗效果，很多高校都在致力于建設更多的實驗室，但是學生數(shù)量逐年增加，實驗課程的安排非常緊湊，基礎設施在一定程度上處于緊張狀態(tài)［4］。而且隨著實驗課程的不斷深入，一些設備根本無法滿足課程的需要，更新?lián)Q代速度也較為緩慢，從根本上限制了學生動手實踐能力的培養(yǎng)。

1.2 學生實驗機會不充分，很難積累實踐經驗

通常情況下，學生只有在進行實驗課程時才能進入實驗室，開放實驗需要提前預約或者指定時間，以免由于學生大意而造成設備的損壞。這也間接導致學生沒有足夠的實驗機會，課后無法繼續(xù)練習，僅僅靠課上時間是遠遠不夠，很難積累豐富的實踐經驗。對于有些實驗學生要經過反復多次的測試才能熟練地掌握實驗原理，進而得到精確結果。

1.3 難以開設復雜實驗，理論實踐難結合

高校設置的實驗一般都是危險系數(shù)低、學生易操作，而有些復雜困難、存在高度危險性的實驗在實驗室中無法完成。主要原因有：①要保證學生和實驗室的安全，②基礎設施不具備實際操作的條件。因此，只能對學生進行理論教學，導致學生對相關知識、原理的理解不是特別透徹，與此同時，學生的動手能力得不到充分鍛煉。

1.4 設備維護不足，運營成本高

有些實驗室是專門給具體的某個項目建設的，這通常需要很高的建設費用，因為它們對于實驗器材要求較高，并且設備會受到長期損耗，后期維護也需要相當大的一部分資金投入。除此之外，高校通常會要求每個專業(yè)都要做一些基礎實驗，這些實驗類型都相同。導致課程被排得很滿，做實驗的學生很多，因此，難免會出現(xiàn)設備長期使用而損壞的現(xiàn)象，為了不耽誤課程進度，無法及時維修，給設備的長期維護帶來很大的困難，被損壞的器械也給學生帶來極大的安全隱患。

2 云計算技術和虛擬化技術

簡單地來說，“云”就是一種提供資源的網絡，云計算是一種分布式計算，解決任務分發(fā)，同時也是集效用計算、負載均衡、網絡存儲、虛擬化技術的網絡計算［5］。當下云教育也愈發(fā)盛行，它是基于計算機商業(yè)模式應用的教育平臺服務，讓教育資源得到有效的整合，體現(xiàn)了很好的交互性，給計算機網絡時代帶來了前所未有的革新，也給用戶帶來了全新的體驗。圖1 則為云計算技術下的云教育模式。

圖1 云計算技術下的云教育模式

虛擬化技術是云計算技術中非常重要的核心技術，因為它主要實現(xiàn)的是資源管理和中心數(shù)據(jù)的處理，并且也能實現(xiàn)服務器的應用聚合。給數(shù)據(jù)中心管理人員帶來了極大便利，管理非常順暢，并能保持最高效率，讓服務器以最佳性能運行［6］。除此之外，虛擬化技術在最大程度上應用物理硬件資源，將用戶、網絡、應用分離，提高用戶體驗。

通過應用云＋建設理念，能夠大幅降低整體活動投入，實現(xiàn)遠程操作。這不僅能夠避免實驗室出現(xiàn)意外問題，還可以讓實驗活動擺脫時間與空間的限制，大幅增強實驗效率，有效提高教育活動的展開效果。云＋建設能夠體現(xiàn)出當前信息化技術應用的優(yōu)勢，有利于高校教育活動的信息化、智能化改革。通過云＋技術應用，高校實驗室已經完善了實驗室平臺的建設體系，體現(xiàn)了良好的應用成效，有利于進一步教育活動的展開。

3 網絡虛擬仿真實驗室平臺

實踐教學是高校培養(yǎng)高素質人才的重要環(huán)節(jié)，隨著云計算技術和虛擬技術的不斷發(fā)展，網絡虛擬仿真實驗室在實踐教學中逐漸顯現(xiàn)出獨特的應用價值。它主要是利用虛擬現(xiàn)實技術打造虛擬場景，進而模擬實驗器材，實現(xiàn)儀器設備的遠程共享。在虛擬仿真的實驗環(huán)境下，學生可以獨自多次進行實驗，完全不受空間、時間限制，并使他們充分地熟悉實驗器材和實驗過程，也能對自己得出的實驗結果進行反復檢驗。其中最重要的是，他們可以自行進行一些具有很大危險性的實驗，并且無須教師監(jiān)督，具有很強的兼容性和擴展性。學生不再停留于理論知識，不僅鍛煉了動手能力，而且在一定程度上激發(fā)了他們的創(chuàng)新精神［7-9］。

學生也可以利用其他電子設備登錄進入網絡虛擬仿真實驗室平臺，無須真實器材便能輕易操作，有效地實現(xiàn)了課上課下無縫連接。以BOD 水質檢測實驗為例，所需實驗儀器有恒溫培養(yǎng)箱、溶解氧瓶、容器、量筒、酸式滴定管、玻璃攪棒、虹吸管等［10-13］。圖2 則為BOD測定實驗虛擬仿真實驗室操作模式，首先映入眼簾的就是全部所需實驗器材，其真實性能讓學生快速進入實驗環(huán)境，同時也方便學生在真實實驗操作之前熟悉整個實驗過程，能最大程度避免操作危險發(fā)生。作為一種全新的學習、實驗方式，通過學習者本身與信息環(huán)境的交互進而實現(xiàn)知識、技能的有效獲取。

圖2 BOD測定實驗虛擬仿真實驗室操作模式

除此之外，教師也可以在此平臺上設置考核模式和自由練習模式，在自由練習模式下，學生可以隨意調整實驗難易程度和參數(shù)，從而真正理解實驗的原理及步驟。學生經過多次練習操作之后，教師要檢驗學生操作手段是否符合規(guī)范。圖3 則為BOD 測定實驗虛擬仿真實驗室考核模式，系統(tǒng)會自動將他們的實驗操作情況、實驗測量結果記錄下來，由教師給出相應的評價。在掌握他們每一個人的學習情況后給出合理的指導，使學生的學習效率和教師的教學水平都能實現(xiàn)很大的提升。

圖3 BOD測定實驗虛擬仿真實驗室考核模式

4 基于云計算技術實現(xiàn)網絡虛擬仿真實驗室的成效

4.1 服務器負載小，保持服務器處于良好狀態(tài)

由于此網絡虛擬仿真實驗室平臺是采用云計算技術，所以無需對服務器進行過多的資金投入，與此同時，還能保證服務器高效運轉。學生在線進行不同性質的實驗時，實驗之間不會因為訪問量增加和服務器負載產生干擾，云計算可以在廣泛分布的網絡服務器上實現(xiàn)負載均衡，保持服務器處于良好狀態(tài)，保證學生順利完成實驗［15］。

4.2 實驗不受時間、空間限制

無論是學生做實驗還是教師進行管理，各個終端在登錄平臺時是不受時間和空間限制，因為此平臺的網絡節(jié)點是云服務器，它不僅有獨立地址，而且具有傳送或接收數(shù)據(jù)功能，是一種簡單高效，安全可靠，處理能力可彈性伸縮的計算服務。實現(xiàn)了實體實驗室的延伸和擴展，其中網絡虛擬仿真實驗室平臺可以保存學生由于某些原因未做完的實驗，以便在其他終端登錄時可以繼續(xù)進行，保證了整個實驗得以連貫順利地完成，并提高了實驗的成功率，而在實體實驗室中基本上無法實現(xiàn)。

4.3 設備維護簡單，降低教學成本投入

此平臺的設備都是仿照真實實驗器材進行虛擬打造的，一方面保證了實驗的真實性，另一方面避免了設備的后期特殊維護。相關技術人員只需要對計算機相關設備硬件進行定期的檢查、維修，并讓學生按照正確的順序進行，從而延長計算機使用壽命。除此之外，實驗室也允許學生自行帶筆記本電腦和平板電腦等電子設備登錄平臺開展有關實驗，大大減少了學校實體實驗室包括場地、機器的建設成本，也無須安排過多的管理人員進行設備管理。

4.4 方便實驗考核、管理

通常情況下，在課堂實驗中教師都會設置一個考核標準，基本上包括實驗操作水平、實驗報告完成情況。但是教師不能對每個學生的操作過程進行監(jiān)控，因此，做不到全面的數(shù)字化考核。而網絡虛擬仿真實驗室平臺可以自動記錄并提供給教師相關數(shù)據(jù)，為了讓學生積極參與，教師應根據(jù)系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)并結合實際情況科學合理地制定分段考核標準，這樣能提高教師的工作效率，使管理、教學效益實現(xiàn)最大化。

4.5 能夠開設復雜實驗

如何讓學生更加了解一些無法觸及的危險性實驗一直是高校教師不斷思考的問題，而該虛擬平臺則給出了很好的解決方案。即使一些高校有條件開設這些實驗室，也不能保證實驗的全面安全，所以通常情況下，這些危險性實驗基本上都停留在理論知識教育。但是對于學生來說，這終將成為他們實踐經歷上的一部分缺失，因此，網絡虛擬仿真實驗室平臺的建設就顯得尤為重要，學生在進行虛擬實驗的過程中，不用考慮設備、材料不足等問題，更不用考慮價格昂貴的問題。學生在學校里積攢了豐富的實踐經驗后，可以順利進入企業(yè)并有能力勝任相關工作。

4.6 實現(xiàn)多校區(qū)聯(lián)動

目前很多高校都有多個校區(qū)，分為主校區(qū)和分校區(qū)，但是校區(qū)并不是緊密分布的，一般相隔較遠。每個校區(qū)都有不同專業(yè)、不同層次的學生，為了讓每個學生都能在實踐教育中得到公平教育，高校在每一個校區(qū)都建設相同的實驗室。但是這需要很大一筆費用，而網絡虛擬仿真實驗室的建設，讓所有的學生都能在此平臺上享受公共教育資源，從而實現(xiàn)多校區(qū)聯(lián)動。

5 結 語

在不久的將來，云計算技術和虛擬仿真技術一定會迅速發(fā)展起來。而基于云計算技術的網絡虛擬仿真實驗室平臺也會在眾多高校內實現(xiàn)全面開展。它更新了傳統(tǒng)的課堂實踐教學模式，讓教育不再受時間、空間、地點限制，對于一些平時在課堂上無法完成的實踐內容，學生在網絡虛擬仿真實驗室中都能輕易地操作實現(xiàn)。它的建設不僅使教學資源管理逐漸走向科學化，而且高校無須在人才培養(yǎng)方面投入過多的資金。最重要的是，此平臺的建設提供給學生更多鍛煉動手能力的機會，也培養(yǎng)了他們的創(chuàng)新精神，從而使他們成為國家人才培養(yǎng)目標中最強有力的后備軍。