云桌面技術(shù)在虛擬仿真系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

萬晨

摘要：文章從論述虛擬仿真技術(shù)在輔助教育教學(xué)方面的作用入手，分析虛擬仿真系統(tǒng)使用和管理中存在的問題，針對(duì)現(xiàn)存的問題提出了一種新穎的將云桌面應(yīng)用于虛擬仿真系統(tǒng)的方案。深入探討了方案的設(shè)計(jì)目標(biāo)，設(shè)計(jì)了方案的總體架構(gòu)，分析云桌面技術(shù)應(yīng)用于虛擬仿真系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)及云桌面與虛擬仿真技術(shù)融合在教育教學(xué)的應(yīng)用。通過該方案能實(shí)現(xiàn)虛擬仿真系統(tǒng)的統(tǒng)一維護(hù)和管理，能有效提高虛擬仿真系統(tǒng)的使用和管理效率，創(chuàng)新教學(xué)模式，提高教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：云桌面；虛擬仿真；教育教學(xué)

中圖分類號(hào)：TP311.1? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2023）01-0130-03

1 研究背景

隨著信息技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于教育教學(xué)越來越受到各大高校的關(guān)注。虛擬仿真技術(shù)能構(gòu)建可視化、高度仿真、身臨其境的虛擬仿真場(chǎng)景，給用戶帶來互動(dòng)性、趣味性和沉浸感等多樣化的體驗(yàn)，將其應(yīng)用于教育教學(xué)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的想象力、創(chuàng)造力和學(xué)習(xí)興趣具有重要作用[1]。目前高校已嘗試將虛擬仿真系統(tǒng)應(yīng)用于課堂教學(xué)[2]、實(shí)踐教學(xué)、虛擬智慧教室[3]等教學(xué)場(chǎng)景中，解決了因傳統(tǒng)教育模式導(dǎo)致學(xué)生主體地位無法凸顯、因?qū)嶋H教學(xué)條件有限導(dǎo)致學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力無法充分培養(yǎng)的問題。通過應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)豐富了高校的教學(xué)形式，打破了時(shí)間空間的束縛，為學(xué)生創(chuàng)造了更加好的學(xué)習(xí)環(huán)境[4]。在新冠肺炎疫情期間，為確保停課不停學(xué)，高校開展在線教學(xué)、組織網(wǎng)上考試、開放在線教學(xué)資源，努力為師生提供服務(wù)[5]，虛擬仿真系統(tǒng)在其中發(fā)揮了重要作用。

雖然將虛擬仿真系統(tǒng)應(yīng)用于教育教學(xué)中取得了一定的成效，但虛擬仿真軟件在使用中依然存在安全性低、兼容性差、仿真軟件安裝復(fù)雜、訪問速度慢、數(shù)據(jù)共享困難等問題[6]。在云桌面技術(shù)支持下，通過云桌面虛擬化改造虛擬仿真系統(tǒng)的使用和管理方式，為虛擬仿真系統(tǒng)提供統(tǒng)一的訪問入口，能改變虛擬仿真系統(tǒng)建設(shè)和管理思路，節(jié)約大量的人力物力，提高虛擬仿真系統(tǒng)的管理效率，創(chuàng)新教學(xué)模式，提高教學(xué)質(zhì)量[7]。

2 虛擬仿真系統(tǒng)使用和管理現(xiàn)狀

虛擬仿真系統(tǒng)已經(jīng)成為高校開展課堂教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)的重要在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)，虛擬仿真系統(tǒng)也正在逐漸成為教學(xué)活動(dòng)中使用最為頻繁的系統(tǒng)之一，然而通過深入研究分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前虛擬仿真系統(tǒng)使用過程中存在著以下問題。

2.1 虛擬仿真系統(tǒng)易受攻擊，安全性差

虛擬仿真系統(tǒng)制作和設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，導(dǎo)致安全問題排查和定位復(fù)雜，難以處理和解決。高校開放的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境使得訪問系統(tǒng)的用戶難于管理，且并非所有的系統(tǒng)都對(duì)接高校統(tǒng)一身份認(rèn)證系統(tǒng)，導(dǎo)致系統(tǒng)容易遭受攻擊，存在信息數(shù)據(jù)泄露、丟失等的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 虛擬仿真軟件安裝復(fù)雜，兼容性差

通常不同虛擬仿真系統(tǒng)采用不同的開發(fā)引擎和軟件架構(gòu)，師生在使用系統(tǒng)時(shí)常因?yàn)槿鄙偬囟ǖ牟寮?dǎo)致系統(tǒng)的內(nèi)容無法正常展示，需要重新安裝虛擬仿真軟件或者運(yùn)行環(huán)境軟件，同時(shí)不同配置設(shè)備在運(yùn)行系統(tǒng)時(shí)容易出現(xiàn)不兼容、卡頓等問題，導(dǎo)致虛擬仿真系統(tǒng)在教學(xué)中難以發(fā)揮應(yīng)有的作用。

2.3 虛擬仿真系統(tǒng)統(tǒng)一維護(hù)和管理難度大

虛擬仿真系統(tǒng)通常都是根據(jù)教學(xué)需求逐步建設(shè)的，不同時(shí)期建設(shè)的系統(tǒng)存在系統(tǒng)間相互封閉，使得系統(tǒng)難于統(tǒng)一管理。隨著虛擬仿真系統(tǒng)不斷升級(jí)更新，系統(tǒng)的穩(wěn)定性、軟硬件的兼容等問題將逐漸凸顯，系統(tǒng)的管理難度和管理工作量呈上升增長(zhǎng)趨勢(shì)。

2.4 硬件建設(shè)和升級(jí)更新成本高

運(yùn)行虛擬仿真系統(tǒng)通常需要高性能的終端設(shè)備，建設(shè)與系統(tǒng)配套的硬件設(shè)備成本高，且隨著系統(tǒng)的升級(jí)更新，硬件設(shè)備也同時(shí)需要迭代更新，每次對(duì)所有設(shè)備進(jìn)行升級(jí)是一筆較大的支出。

3 云桌面應(yīng)用于虛擬仿真系統(tǒng)的方案

方案設(shè)計(jì)的目的是通過利用云桌面與虛擬仿真等技術(shù)的融合，依托于計(jì)算服務(wù)器集群、存儲(chǔ)服務(wù)器及桌面虛擬化平臺(tái)提供的資源，現(xiàn)實(shí)虛擬仿真系統(tǒng)的整合、重構(gòu)、組織和管理，通過云桌面為師生統(tǒng)一配置用戶權(quán)限、操作系統(tǒng)、CPU資源、內(nèi)存資源和存儲(chǔ)資源，在保證各項(xiàng)資源有效合理利用情況下，讓師生流暢地訪問各類虛擬仿真系統(tǒng)。

3.1 方案總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

云桌面應(yīng)用于虛擬仿真系統(tǒng)的方案如圖1所示，將虛擬仿真系統(tǒng)服務(wù)器與云桌面虛擬化平臺(tái)聯(lián)通，通過云桌面虛擬化平臺(tái)統(tǒng)一管理虛擬仿真系統(tǒng)訪問入口，通過云桌面訪問虛擬仿真系統(tǒng)依賴高速、穩(wěn)定、安全的網(wǎng)絡(luò)傳輸，為滿足網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求，云桌面虛擬化平臺(tái)接入萬兆鏈路核心交換機(jī)，核心交換機(jī)通過千兆光纖接入每棟樓宇匯聚交換機(jī)。匯聚交換機(jī)通過百兆鏈路接入到每間辦公室、教室和實(shí)驗(yàn)室，保證接入網(wǎng)絡(luò)的帶寬，同時(shí)為每個(gè)獨(dú)立區(qū)域劃分獨(dú)立的虛擬局域網(wǎng)，通過設(shè)置網(wǎng)絡(luò)策略讓每臺(tái)終端設(shè)備在獨(dú)立安全的環(huán)境下工作。為便于師生在校外也可登錄云桌面系統(tǒng)，本方案同時(shí)設(shè)計(jì)了校外訪問鏈路，通過在核心交換機(jī)和邊界防火墻設(shè)置策略，保證校外訪問云桌面系統(tǒng)的速度和安全性。虛擬云桌面系統(tǒng)支持多終端多操作系統(tǒng)接入，運(yùn)算和存儲(chǔ)要求大，因此將計(jì)算服務(wù)器集群、存儲(chǔ)服務(wù)器作為云桌面虛擬化平臺(tái)服務(wù)器運(yùn)行環(huán)境支撐，保證云桌面虛擬化平臺(tái)服務(wù)器擁有快速的運(yùn)行速度和足夠的存儲(chǔ)空間。

云桌面虛擬化平臺(tái)在配置策略和分配資源時(shí)，允許多個(gè)用戶同時(shí)登錄云桌面系統(tǒng)，并保證各自系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，同時(shí)能共享CPU、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)連接以及存儲(chǔ)器等底層物理硬件資源。該種設(shè)計(jì)方式能讓每個(gè)用戶擁有獨(dú)立的操作系統(tǒng)，彼此互不影響，實(shí)現(xiàn)資源的精確分配，最大限度利用現(xiàn)有的各類服務(wù)器資源。同時(shí)將服務(wù)器的物理資源形成動(dòng)態(tài)資源池，根據(jù)師生實(shí)際使用虛擬仿真系統(tǒng)的情況動(dòng)態(tài)調(diào)整各類資源，以滿足不同用戶需求。云桌面虛擬化平臺(tái)設(shè)計(jì)和配置能保證多路終端同時(shí)接入，以此保證系統(tǒng)的接入能力。

4 云桌面技術(shù)應(yīng)用于虛擬仿真系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

云桌面的核心技術(shù)是桌面虛擬化，通過一臺(tái)性能強(qiáng)大的服務(wù)器虛擬出若干臺(tái)虛擬云桌面系統(tǒng)，所有云桌面系統(tǒng)通過后臺(tái)系統(tǒng)統(tǒng)一管理，師生可以在個(gè)人云桌面操作系統(tǒng)中預(yù)先安裝各類虛擬仿真系統(tǒng)、插件及其他應(yīng)用程序，并能通過瘦客戶機(jī)、筆記本、手機(jī)及平板等設(shè)備隨時(shí)隨地訪問和使用私有的云桌面系統(tǒng)。將云桌面技術(shù)應(yīng)用于虛擬仿真系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢(shì)。

4.1 提升虛擬仿真系統(tǒng)的安全性

早期建設(shè)的虛擬仿真系統(tǒng)以C/S架構(gòu)為主，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，后期建設(shè)的虛擬仿真系統(tǒng)架構(gòu)逐漸升級(jí)改為B/S架構(gòu)，目前高校虛擬仿真系統(tǒng)使用情況是C/S架構(gòu)和B/S架構(gòu)系統(tǒng)并行使用，部分系統(tǒng)擁有一套獨(dú)立的用戶管理功能，師生使用不同系統(tǒng)需要重新注冊(cè)新的賬號(hào)密碼，該部分系統(tǒng)也難于跟學(xué)校統(tǒng)一身份認(rèn)證系統(tǒng)對(duì)接，系統(tǒng)升級(jí)困難，系統(tǒng)的安全性低難于管理，存在極大的安全隱患。云桌面技術(shù)所依托的桌面云數(shù)據(jù)安全機(jī)制，為虛擬仿真系統(tǒng)安全性引入了一種新型的模式，將所有訪問和使用的數(shù)據(jù)集中存儲(chǔ)在云桌面存儲(chǔ)服務(wù)器，虛擬仿真系統(tǒng)交互數(shù)據(jù)只會(huì)在虛擬仿真業(yè)務(wù)系統(tǒng)與云桌面架構(gòu)之間進(jìn)行，師生使用的瘦客戶機(jī)、筆記本、手機(jī)及平板等設(shè)備訪問云桌面系統(tǒng)時(shí)并不對(duì)其設(shè)備傳輸虛擬仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)，僅僅傳輸云桌面的云端鏡像數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在云端，保障虛擬仿真系統(tǒng)及數(shù)據(jù)的安全。云桌面系統(tǒng)能有效與學(xué)校統(tǒng)一身份認(rèn)證系統(tǒng)對(duì)接，師生能應(yīng)用一套賬號(hào)密碼通過云桌面訪問所有虛擬仿真系統(tǒng)，有效保障了訪問系統(tǒng)的安全性。

4.2 便于虛擬仿真系統(tǒng)的統(tǒng)一維護(hù)、管理及資源的開放共享

通過云桌面技術(shù)可為師生提供云端的操作系統(tǒng)，管理人員可以根據(jù)師生教學(xué)的需要預(yù)先在云端操作系統(tǒng)中安裝各類虛擬仿真系統(tǒng)、資源及其插件，使各虛擬仿真系統(tǒng)在一套穩(wěn)定的云端環(huán)境中運(yùn)行，并能根據(jù)虛擬仿真系統(tǒng)的需求對(duì)系統(tǒng)持續(xù)迭代升級(jí)，并能以鏡像的形式批量下發(fā)給師生，師生能通過云桌面系統(tǒng)訪問和使用所需的虛擬仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)所有虛擬仿真資源在云桌面環(huán)境下的開放和共享，同時(shí)管理員能實(shí)時(shí)監(jiān)控各終端設(shè)備運(yùn)行的數(shù)據(jù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決云桌面系統(tǒng)在運(yùn)行虛擬仿真系統(tǒng)過程中出現(xiàn)的各類問題，提升虛擬仿真資源利用率。

4.3 虛擬仿真系統(tǒng)使用數(shù)據(jù)云端備份，縮短故障修復(fù)時(shí)間

通過云桌面技術(shù)為師生分配獨(dú)立的云桌面環(huán)境后，師生可以在個(gè)人云桌面操作和使用各類虛擬仿真系統(tǒng)，師生云桌面環(huán)境數(shù)據(jù)都保存在存儲(chǔ)服務(wù)器中，通過存儲(chǔ)服務(wù)器集中為所有用戶數(shù)據(jù)做備份處理，當(dāng)出現(xiàn)人為操作失誤刪除了某些虛擬仿真系統(tǒng)環(huán)境和插件、安裝了帶病毒軟件或者操作系統(tǒng)環(huán)境出現(xiàn)問題時(shí)，可以快速啟用云端恢復(fù)機(jī)制，避免了因人為操作失誤和網(wǎng)絡(luò)攻擊行為而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)被破壞和丟失，有效地縮短了故障的修復(fù)時(shí)間，便于師生更好地使用虛擬仿真系統(tǒng)。

4.4 降低硬件采購(gòu)成本，增加硬件使用壽命

云桌面系統(tǒng)將所有計(jì)算資源和存儲(chǔ)資源都部署在云端，對(duì)所有計(jì)算資源及存儲(chǔ)資源進(jìn)行集中式管理和部署，所有桌面全部運(yùn)行在云端，本地訪問的硬件終端僅僅需要承載一個(gè)基礎(chǔ)的系統(tǒng)，在云桌面環(huán)境下運(yùn)行虛擬仿真系統(tǒng)，當(dāng)虛擬仿真系統(tǒng)升級(jí)更新后，僅需要更新云桌面后臺(tái)服務(wù)器計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源等小部分資源的硬件設(shè)備，同時(shí)云桌面后臺(tái)能根據(jù)師生使用情況動(dòng)態(tài)將資源分配給正在使用系統(tǒng)的師生，在保證師生流暢訪問虛擬仿真系統(tǒng)的情況下，最大化地優(yōu)化各類硬件資源的利用率。使用云桌面后可有效降低終端硬件設(shè)備采購(gòu)成本，延長(zhǎng)終端設(shè)備的使用壽命。

5 云桌面與虛擬仿真技術(shù)融合在教育教學(xué)的應(yīng)用

5.1 輔助教學(xué)工作開展，創(chuàng)新教育教學(xué)模式

將云桌面與虛擬仿真系統(tǒng)融合應(yīng)用于教育教學(xué)是促進(jìn)教育教學(xué)發(fā)展的一種新型技術(shù)手段。在傳統(tǒng)教學(xué)模式中，很多抽象難以理解的理論知識(shí)，很難讓學(xué)生真正理解，利用云桌面教師在上課前可根據(jù)教授課程的需要，提前將教學(xué)資料同步到云桌面及創(chuàng)建虛擬仿真教學(xué)環(huán)境，學(xué)生在課前通過虛擬仿真系統(tǒng)可直觀提前預(yù)習(xí)和學(xué)習(xí)各知識(shí)點(diǎn)，課程中教師可以根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)情況有針對(duì)性地講解學(xué)生難以理解的知識(shí)，并通過現(xiàn)場(chǎng)演示和展示進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解，課后學(xué)生可以使用云桌面及虛擬仿真系統(tǒng)根據(jù)個(gè)人的自身情況，隨時(shí)隨地在線學(xué)習(xí)相關(guān)課程知識(shí)，將以教師教為主的教學(xué)模式，變?yōu)閷W(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的模式，能有效提高教學(xué)效果和學(xué)習(xí)效率。

5.2 打造開放型實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，促進(jìn)人才培養(yǎng)

如何提高學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力一直是學(xué)校關(guān)注的重點(diǎn)。很多專業(yè)由于設(shè)備、實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)條件有限，不能很好地將理論與實(shí)踐結(jié)合起來。通過云桌面與虛擬仿真系統(tǒng)融合能為學(xué)生提供開放型的在線實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，能擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容廣度和深度、延伸實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)時(shí)間和空間，使原來“做不到”“做不好”“做不了”“做不上”的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)成為可能。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)虛擬場(chǎng)景的還原，使學(xué)習(xí)者可以在其中進(jìn)行自由探索和自主學(xué)習(xí)，豐富和完善現(xiàn)有教學(xué)手段，消除實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)盲點(diǎn)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，更好地提高實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)課程質(zhì)量，使實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)變得更加生動(dòng)、豐富。通過增強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐能力，以加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握，促進(jìn)學(xué)生實(shí)踐技能的提高，促進(jìn)學(xué)校創(chuàng)新型應(yīng)用人才培養(yǎng)。

6 結(jié)束語(yǔ)

虛擬仿真系統(tǒng)已成為提高教學(xué)質(zhì)量的重要手段，將云桌面技術(shù)應(yīng)用于虛擬仿真系統(tǒng)能解決傳統(tǒng)虛擬仿真系統(tǒng)統(tǒng)一維護(hù)和管理難度大、安全性差等問題。管理人員能通過云桌面虛擬化平臺(tái)對(duì)師生使用虛擬仿真系統(tǒng)過程中產(chǎn)生的故障進(jìn)行快速定位并及時(shí)修復(fù)，以此提升虛擬仿真系統(tǒng)維護(hù)和管理的工作效率。同時(shí)將本文設(shè)計(jì)的方案應(yīng)用于教育教學(xué)能有效解決課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)中存在的諸多問題，達(dá)到優(yōu)化教育資源，提高教學(xué)質(zhì)量的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1] 韋素娟.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源用戶持續(xù)使用意愿研究[J].上饒師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2020，40（6）：24-30.

[2] 劉革平，王星.虛擬現(xiàn)實(shí)重塑在線教育：學(xué)習(xí)資源、教學(xué)組織與系統(tǒng)平臺(tái)[J].中國(guó)電化教育，2020（11）：87-96.

[3] 湯顯峰，沈麗燕，董榕，等.基于云渲染的VR/AR智慧教室的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2021，31（5）：82-89.

[4] 王文宜.高等院校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的開放共享機(jī)制探討[J].信息化建設(shè)，2015（9）：173.

[5] 李基有，張志龍，張艷莉.線上教學(xué)的虛擬仿真平臺(tái)實(shí)踐與應(yīng)用[J].福建電腦，2020，36（9）：25-28.

[6] 祝士明，陳靜瀟.虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境的作用、挑戰(zhàn)以及應(yīng)對(duì)策略[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2019，29（2）：39-45.

[7] 梁偉杰.基于云桌面技術(shù)的高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室資源共享平臺(tái)創(chuàng)建[J].電腦與信息技術(shù)，2022，30（1）：84-87.

【通聯(lián)編輯：梁書】