摘要摘要：針對高校虛擬仿真實驗平臺存在的重復投入、資源無法共享等問題，探討云計算及其特點，提出基于云計算的虛擬仿真實驗平臺的架構模型，設計基于云計算的虛擬仿真實驗平臺，并介紹實驗平臺的功能和特點。

關鍵詞關鍵詞：云計算；虛擬仿真；實驗平臺；平臺設計

DOIDOI：10.11907/rjdk.151843

中圖分類號：TP302

文獻標識碼：A文章編號文章編號：16727800（2015）011000602

基金項目基金項目：上海市青年教師資助計劃（1014204804）；上海市教委重點課程項目（2015）；2015年度上海理工大學“精品本科”教學改革項目（2015-JPBKZ-017）

作者簡介作者簡介：崔連敏（1988-），女，河南新鄉(xiāng)人，碩士，上海理工大學實驗室管理與服務中心助理實驗師，研究方向為物理實驗、信息技術。

0引言

虛擬仿真實驗利用計算機網(wǎng)絡技術和多媒體技術，通過計算機模擬實際實驗操作，演示實驗中的圖形、文字、數(shù)據(jù)等信息。虛擬仿真實驗打破了傳統(tǒng)實驗教學課時有限、場地固定等限制，提升了實驗教學效果。隨著信息技術和虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展，國內(nèi)很多高校都建設了虛擬仿真實驗室。然而許多高校建設虛擬仿真實驗室時存在硬件重復投入、服務器閑置率高、建設及維護成本高、數(shù)據(jù)資源無法共享等問題。云計算技術被認為是一項繼個人電腦、互聯(lián)網(wǎng)技術后的信息技術革命性的新技術，在諸多領域都得到應用。借助云計算技術搭建虛擬仿真實驗平臺，對校內(nèi)各實驗中心的虛擬仿真實驗平臺統(tǒng)一部署和維護，能夠整合硬件和軟件資源，降低平臺開發(fā)和搭建成本，實現(xiàn)信息資源共享。

1云計算虛擬仿真平臺的優(yōu)勢

云計算是分布計算、并行計算、網(wǎng)絡存儲、虛擬化、負載均衡和熱備份冗余等傳統(tǒng)計算和網(wǎng)絡技術發(fā)展融合的產(chǎn)物。云計算致力于解決網(wǎng)絡平臺的通訊、存儲和資源利用等問題。自2006年Google公司首席執(zhí)行官首次提出云計算的概念以來，云計算技術發(fā)展十分迅速。目前Google、IBM、亞馬遜、微軟、SUN等國際化大公司紛紛推出了自己的云計算平臺，國內(nèi)華為、阿里巴巴、騰訊、百度等也相繼啟動了云計算項目。典型的云計算架構分為基礎設施層、平臺層和應用層。基礎設施層主要提供基礎設施即服務，平臺層提供平臺即服務，應用層提供軟件即服務。使用云計算技術搭建虛擬仿真實驗平臺優(yōu)點如下：

（1）降低平臺建設和運維成本。傳統(tǒng)的平臺搭建比較分散，管理和運維比較困難。云計算技術通過整合現(xiàn)有資源，使用虛擬技術分配資源，避免了服務器資源的重復投入，提高了設備利用率。

（2）平臺功能更加完善。云計算通過整合不同的虛擬仿真實驗平臺，利用SOA技術為使用者提供通用統(tǒng)一的平臺登錄入口，將各類應用服務最大限度進行集成，提供一站式服務。

（3）提供穩(wěn)定可靠的服務。云計算將數(shù)據(jù)資源通過虛擬化技術，整合存儲在虛擬的資源池中，同時數(shù)據(jù)存儲過程中采用副本備份方式。即使某臺服務器出現(xiàn)故障，也可以迅速找到故障，并將故障的服務器數(shù)據(jù)備份到其它正常服務器。

（4）輔助教學效果更加顯著。傳統(tǒng)的虛擬仿真平臺基于不同的架構設計開發(fā)，教師和學生都需要逐個學習適應。基于云計算的虛擬仿真實驗平臺架構統(tǒng)一，用戶只需要學習一套系統(tǒng)的使用，可專注于教學和學習本身。

2基于云計算的虛擬仿真實驗平臺設計

2.1平臺設計目標

虛擬仿真試驗平臺的搭建需要充分整合現(xiàn)有資源，滿足虛擬仿真實驗平臺的實際需要，同時還需要總體考慮未來發(fā)展，實現(xiàn)平臺組件化、松耦合和良好的擴展性。平臺需實現(xiàn)用戶的分類管理和權限控制、提升虛擬仿真實驗學習效果、自動生成統(tǒng)計報表等。

2.2平臺架構設計

基于云計算的虛擬仿真實驗平臺利用云計算的虛擬化技術和分布式存儲技術，實現(xiàn)各個實驗中心軟硬件資源和實驗教學資源整合，完成硬件資源整合、軟件平臺集成和教學課程數(shù)據(jù)共享。按照云計算基礎架構，使用分層設計的思想，設計基于云計算的虛擬仿真實驗平臺架構如圖1所示，共分為四層：平臺基礎層、平臺管理層、平臺應用層和平臺接入層。

（1）平臺基礎層是整個平臺的基礎，主要由服務器、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡設備和存儲資源等組成。往往現(xiàn)有硬件資源品牌、型號、使用年限等不盡相同，操作系統(tǒng)系統(tǒng)也各有差異，因此可選擇使用VMware Workstation虛擬化技術生成多個虛擬機，實現(xiàn)所有軟硬件資源虛擬化整合管理。

（2）平臺管理層主要為虛擬仿真實驗平臺提供整套開發(fā)、運行和應用軟件支撐。平臺管理層主要提供用戶權限管理、用戶登錄認證服務、用戶訪問session控制、平臺安全管理、報表統(tǒng)計、系統(tǒng)運行和用戶使用日志等功能。

（3）平臺應用層主要實現(xiàn)各實驗平臺的統(tǒng)一管理和運維。集成了目前現(xiàn)有的虛擬仿真實驗平臺，例如物理仿真實驗平臺、化學仿真實驗平臺、生物仿真實驗平臺等，通過制定統(tǒng)一的平臺框架和規(guī)范，各仿真實驗平臺只需要按照框架和規(guī)范進行開發(fā)和設計，就能納入到基于云計算的虛擬仿真實驗平臺中。后續(xù)如果有新的虛擬仿真實驗平臺需要建設，只需依據(jù)現(xiàn)有架構搭建，相當于在現(xiàn)有平臺上增加一個應用模塊，大大節(jié)省平臺的建設成本，而且新平臺可以納入統(tǒng)一運行維護體系，方便后期維護。

（4）平臺接入層主要實現(xiàn)用戶通過不同的設備，如個人電腦、移動手機如Android和IOS設備、平板電腦等接入，通過統(tǒng)一的一站式登錄認證門戶登錄。個人電腦通過Web瀏覽器訪問系統(tǒng)，移動設備除了可以使用Wap瀏覽器訪問外，還可以通過移動APP應用訪問。一站式登錄認證門戶是平臺對外的唯一入口，用戶通過該入口登錄后，加載對應的應用。

2.3平臺實現(xiàn)功能

基于云計算的虛擬仿真實驗平臺集教學實驗管理、教師教學、學生實驗于一體。平臺主要用戶有學生、教師、教學管理人員和系統(tǒng)管理人員等，不同的用戶可以使用不同的功能。

（1）注冊與登錄功能。學生可以使用學號作為ID注冊賬號，教師用戶使用工號作為ID注冊賬號。用戶首先填寫個人信息，然后設置登錄密碼，最后驗證并綁定學號或工號后，平臺提示用戶注冊成功。注冊成功后，可以使用注冊的用戶賬戶，通過統(tǒng)一認證門戶網(wǎng)站登錄到實驗平臺。

（2）課程管理功能。學生用戶登錄后，可以看到待學習的課程列表，點擊后開始學習課程，該課程進入正在學習課程列表，完成學習后，進入已完成學習課程列表。用戶可以隨時隨地選擇所有未完成學習的課程，平臺記錄學生用戶的學習進度，下次登陸系統(tǒng)時，可以選擇繼續(xù)學習上次未完成的課程。

（3）教學管理功能。教師用戶登錄平臺后，可以上傳實驗學習資料，制作仿真實驗程序，管理虛擬仿真實驗課程。教師用戶還可以瀏覽學生學習記錄，掌握學生學習進度。

（4）報表統(tǒng)計功能。教學管理員使用該平臺可自動收集用戶使用平臺相關數(shù)據(jù)信息，生成統(tǒng)計報表。如統(tǒng)計學生累計學習時長和學習進度等。通過數(shù)據(jù)分析學生學習習慣和平臺使用效果，并生產(chǎn)報表。

（5）系統(tǒng)管理功能。系統(tǒng)管理員可以管理用戶信息、查看系統(tǒng)運行日志和用戶訪問日志、平臺管理參數(shù)設置、管理系統(tǒng)運行維護等。

3結語

基于云計算搭建的大學虛擬仿真實驗平臺功能強大，整合了高校軟硬件資源，用戶體驗佳，平臺具有良好的可靠性和可擴展性。云計算技術整合了高校教學資源，突破了時間限制，實現(xiàn)了大學實驗課程的移動教學，促進了教育信息化發(fā)展。仿真實驗只是傳統(tǒng)教學手段的輔助，不能完全替代課堂實際教學，但是隨著云計算技術和虛擬仿真技術的發(fā)展，云計算將在高校教學中發(fā)揮越來越重要的作用。

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責任編輯（責任編輯：陳福時）