远程开放式云端虚拟实验室建设初探

徐 林，卢广宇，杨 凯，郭龙钢

（东北大学 信息科学与工程学院，辽宁 沈阳 110819）

【实验平台】

远程开放式云端虚拟实验室建设初探

徐 林，卢广宇，杨 凯，郭龙钢

（东北大学 信息科学与工程学院，辽宁 沈阳 110819）

针对现有远程网络教育中实践教学环节难以有效进行的难题，基于云计算技术，构建了远程开放式云端虚拟实验室，分析并规划设计系统结构，给出了虚拟实验系统、半实物仿真实验系统设计方案，研究云端虚拟实验室远程开放管理策略。通过云端虚拟实验室的建设，突破传统的实践教学模式受时间与空间的限制，减少实验室建设、管理及运行维护成本，提高学生学习效果和教育教学质量。

网络教育；云服务；远程开放；虚拟实验室

网络教育为任何愿意获取知识的人提供了学习的权利和机会，它突破传统学校教学方式的时空束缚，与课堂教育、广播教育、电视教育共同构成多元化的教育体系[1]。目前开设网络教育的专业课程多以实践为基础，特别是一些实践性要求很强的专业课程，实践环节对培养学生的实际操作能力、解决问题能力和培养创新精神至关重要。由于受到资金和条件的限制，目前除了一些计算机类课程外，其他专业课程少有开设实践教学环节，最多是将实践环节做成录像供学生观看，学生学习效果和培养质量可想而知。基于网络的远程虚拟实验是一种新型实验教学模式，将专业理论知识与多媒体仿真技术、计算机网络等有机结合，通过创建一个网络化的虚拟实验环境，使用者通过操作和修改虚拟实验装置即可完成相应的实验过程，达到与现场实验一致的教学要求和目的[2]。这种实践教学模式，既可以突破传统的实践教学模式受时间与空间的限制，又可以有效降低实验室建设、管理及运行维护成本，还可以有效解决目前远程网络教学中实验教学环节难以有效进行的难题，它的建立将促进网络教育教学质量的飞跃。近年来，云计算技术已逐渐进入我们的视野，走进了我们的生活，进入了我们的教育。《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》明确指出：“信息技术对教育发展具有革命性影响，必须予以高度重视。”[3]有专家预测：云计算将在未来三五年成为学校的主流技术，将影响教师的教学方式和学生学习的方式，再次带来教育上的大变革[4]。将云计算技术与远程虚拟实验室建设融合在一起，构建远程开放式云端虚拟实验室具有重要的现实意义。本文以网络教育为背景，利用先进的云计算技术和虚拟实验开发工具，探索远程开放式云端实验室建设思路与方法，为进一步全面推广进行有益的尝试，从而提高网络教育学生的学习效果和培养质量，最大限度地满足日益增长的现代远程教育的要求。

一、云端实验室结构设计

云计算技术实质上是一种服务模式，即云服务。在这种模式下，用户能够方便地按需访问网络共享池中的可配置资源（如网络、服务器、存储、应用程序和服务）。其核心是将大量用网络连接的计算资源统一管理和调度，构成一个计算资源池向用户提供所需的服务。云服务的特点和优势主要包括：数据在云端；高可靠性和通用性；高可扩展性和按需服务；低廉的价格和便捷性；数据共享。[5，6]针对网络教育的特点，对基于云计算技术，提出了云端实验室的构想，主要包括基础设施、虚拟化方法、安全保障方式、应用支撑平台和服务以及用户访问系统的方式，系统结构见图1。

图1 系统结构示意图

由图1可以看出，硬件环境由超强计算能力的服务器、支持海量数据的存储器、能够支持快速大数据量传输的网络等物理硬件设备组成；虚拟化平台采用云计算技术对底层的网络、服务器、存储设备进行虚拟化，将硬件层提供的资源进行虚拟化和离散化处理，实现资源自动化调度管理，通过目录服务和认证系统等实现云端实验室的安全管理；可扩展的应用支撑平台，使用云计算平台进行资源整合，负责资源的网络传输，负载均衡等功能；个性化用户访问平台，主要处理用户逻辑，按照用户需要提取数据，为用户提供服务。云端实验室框架中的四个层次，底部层次为上层提供服务，而上层只需要考虑服务的功能和使用，不必关心服务的具体实现，从而简化了每一层的设计。系统设计中建立了一个安全的信息服务环境，包括完整的系统软硬件安全体系设计，从云安全软件支撑体系、虚拟存储安全、漏洞扫描和安全配置管理。同时，可以提供丰富的云端服务，包括身份认证服务、数据存储和备份服务、信息共享和分类服务、信息发布服务、网上教学服务。上述服务的实现依靠灵活的云端管理和应用系统来实现。

二、虚拟实验系统设计

云端实验室，实质上是基于云计算技术构建的通过网络远程控制与交互的远程虚拟实验系统[7]。从目前的技术来看，远程虚拟实验一般两种模式，即演示型实验和操作型实验。演示型实验多采用摄像机拍摄真实的实验后制成视频文件进行播放，或采用Flash等多媒体软件制成动画进行演示，这种模式缺少交互性，也无法体验实验过程和实验现象。操作型实验的特点是实验者参与其中，需要使用专门的软件实现硬件设备的虚拟化，具有很好的仿真性和交互性，实验者可以通过实验体验实验过程和实验现象，其实现方式主要有（1）虚拟仪器编程语言（LabVIEW）；（2）矩阵实验室MATLAB&Simulate；（3）面向对象的编程语言，主要包括Java、VC、C#等；（4）虚拟现实建模语言（VRML）；（5）虚拟现实技术（Virtual Reality）。本文以C语言程序设计、模拟电子电路、计算机控制系统等三门课程为例，探索不同形式的云端实验室远程虚拟试验系统的开发。

1.C语言程序设计远程实验系统。在系统设计过程中，采用分布式数据处理技术，利用先进的云计算技术，在各个服务器之间进行负载均衡，实现资源最大化利用。系统功能主要包括用户管理模块、学习与测试模块、实验模块等。在该系统中，用户信息、学生实验信息和课程资源等数据库的管理采用云计算中的Map Reduce机制，把多用户产生的临时文件按照某种特征归纳起来，然后经过分布式数据处理得到最终的结果，降低了数据库存放大量数据所占用的空间，极大地提高了服务器运行效率。图2给出了实验模块示意图。

图2 C语言程序设计远程实验系统实验模块

2.模拟电子电路课程远程实验系统。通过LABVIEW、Multisim软件进行系统功能开发，利用control design&simulation module实现两个软件之间数据传输，得到所需功能的VI，并通过LABVIEW中Web发布工具将VI的前面板发布到云端系统中，使实验者能够无障碍访问并控制前面板。图3是以模拟电子电路中经典实验“晶体放大器”为例构建的虚拟仿真实验系统。

图3 晶体管放大电路虚拟仿真系统

3.计算机控制系统课程半实物仿真远程实验系统。计算机控制系统课程是自动化等专业的一门重要专业课程，针对该课程特点，采用半实物仿真系统，将实验设备（实体控制器、由特定的设备描述实际工业环境）连接到互联网上，不要求实验设备集中放置，实验者可以利用任意一台连接到网络的计算机，即可远程进行实验研究、控制算法设计、控制系统建模等。

本系统利用云计算高效、快捷的优点，进一步优化了学习平台，为用户提供更安全，快捷，便利，高效的服务。系统结构如图4所示。该系统包括三个部分：（1）被控对象系统：直流电机（被控对象），磁粉制动器（负载或扰动源），光电编码器（测速传感器），输出控制模块（驱动模块），监控摄像头（监控系统），嵌入式以太网接口（网络接口）。（2）服务器：主要是系统管理软件系统，完成终端访问者与实验系统的连接管理。（3）远程终端：主要是监控软件系统，包括实时图像模块，控制算法模块，数据管理模块等。通过强大的网络共享功能，用户只要注册就可以随时随地登录仿真模拟实验平台进行实验，用户的指令被该平台响应，实验结果和数据会通过网络传输到系统服务器，然后由教师通过实验数据给该用户评审，而评审的结果和成绩又会通过服务器传输给用户，此外，用户还可以在此平台上与老师进行有关实验的学习与互动，提高自己的知识储备。

三、云端虚拟实验室管理策略

云端实验室远程开放，是方便使用者有效利用云端实验室的保证。本系统提供用户管理功能模块，该模块与用户进行无缝连接，用户可以通过手机、笔记本电脑、台式机等进入云端实验室，系统身份认证模块将对登录者进行身份认证，然后根据登录者的身份，提供相应的服务。对教师，通过课程管理和课程维护功能；对管理员，通过管理、查询、备份等功能；对实验者，根据身份信息，进行身份认证，通过预约功能模块进行预约，系统将进行预约管理，动态跟踪实验者登录信息、使用信息，记录试验数据，提供试验测试功能，部分课程（如C语言程序设计等）提供在线测试功能，系统自动评判成绩，如果成绩不及格，学生可以再次申请考试。对于其他不能在线测试的课程，提供离线提交实验报告的功能，由教师评判后给出成绩。

图4 半实物仿真实验系统

本系统开发的功能，已经在东北大学继续教育学院进行了在线测试，功能基本上能够满足网络教育学生的学习，可以有效地解决网络教育学生实践教学环节难以有效实施，学生学习效果和培养质量无法达到预期的目标的问题，可以在各专业课程建设中予以推广应用。但是，如何科学、有效地部署和实施云计算平台，如何保证云端实验室的安全、如何实现负荷均衡，也是摆在系统开发和管理者面前的一道必须解决的问题。

[1]魏建香，陆骥，孙越泓.中国网络教育的现状分析与研究[J].计算机教育，2004，（12）：42-43.

[2]朱乾坤，李超，崔晓曦.基于虚拟实验系统的教学模式[J].实验室研究与探索，2008，（6）：84-86.

[3]国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）[z]. http：//www.china.com.cn/policy/txt/2010-03/01/content_19492625_3.htm.

[4]毕晓东.云计算辅助教学在高职课程教学中的应用研究[J].软件导刊，2012，（12）：214-215.

[5]张豪锋，邓敏杰.基于云计算的数字化学习生态系统构建策略[J].河南师范大学学报：哲学社会科学版，2012，（1）：231-235.

[6]罗国玮，兰瑞乐.基于云计算的高校科研实验平台构建研究[J].实验技术与管理，2012，（4）：115-117，131.

G640

A

1674-9324（2014）43-0254-03

此项工作得到2012年辽宁省普通高等教育本科教学改革研究立项资助（2012305）

徐林（1970-），男，陕西南郑人，副教授，工学博士，主要研究方向为自动化专业教学与科研。