遠(yuǎn)程開放式云端虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)初探

1、遠(yuǎn)程開放式云端虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)初探 摘要：針對(duì)現(xiàn)有遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)教育中實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)難以有效進(jìn)行的難題，基于云計(jì)算技術(shù)，構(gòu)建了遠(yuǎn)程開放式云端虛擬實(shí)驗(yàn)室，分析并規(guī)劃設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，給出了虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，研究云端虛擬實(shí)驗(yàn)室遠(yuǎn)程開放管理策略。通過云端虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，突破傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)模式受時(shí)間與空間的限制，減少實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、管理及運(yùn)行維護(hù)成本，提高學(xué)生學(xué)習(xí)效果和教育教學(xué)質(zhì)量。 關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)教育；云服務(wù)；遠(yuǎn)程開放；虛擬實(shí)驗(yàn)室 中圖分類號(hào)：g640 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：a 文章編號(hào)：1674-9324（2014）43-0254-03 網(wǎng)絡(luò)教育為任何愿意獲取知識(shí)的人提供了學(xué)習(xí)的權(quán)利和機(jī)會(huì)，它突破傳統(tǒng)

2、學(xué)校教學(xué)方式的時(shí)空束縛，與課堂教育、廣播教育、電視教育共同構(gòu)成多元化的教育體系1。目前開設(shè)網(wǎng)絡(luò)教育的專業(yè)課程多以實(shí)踐為基礎(chǔ)，特別是一些實(shí)踐性要求很強(qiáng)的專業(yè)課程，實(shí)踐環(huán)節(jié)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際操作能力、解決問題能力和培養(yǎng)創(chuàng)新精神至關(guān)重要。由于受到資金和條件的限制，目前除了一些計(jì)算機(jī)類課程外，其他專業(yè)課程少有開設(shè)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，最多是將實(shí)踐環(huán)節(jié)做成錄像供學(xué)生觀看，學(xué)生學(xué)習(xí)效果和培養(yǎng)質(zhì)量可想而知?；诰W(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)是一種新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，將專業(yè)理論知識(shí)與多媒體仿真技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等有機(jī)結(jié)合，通過創(chuàng)建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使用者通過操作和修改虛擬實(shí)驗(yàn)裝置即可完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)過程，達(dá)到與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)一致的教學(xué)

3、要求和目的2。這種實(shí)踐教學(xué)模式，既可以突破傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)模式受時(shí)間與空間的限制，又可以有效降低實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、管理及運(yùn)行維護(hù)成本，還可以有效解決目前遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)難以有效進(jìn)行的難題，它的建立將促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)教育教學(xué)質(zhì)量的飛躍。近年來，云計(jì)算技術(shù)已逐漸進(jìn)入我們的視野，走進(jìn)了我們的生活，進(jìn)入了我們的教育。國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（20102020年）明確指出：“信息技術(shù)對(duì)教育發(fā)展具有革命性影響，必須予以高度重視?！?有專家預(yù)測(cè)：云計(jì)算將在未來三五年成為學(xué)校的主流技術(shù)，將影響教師的教學(xué)方式和學(xué)生學(xué)習(xí)的方式，再次帶來教育上的大變革4。將云計(jì)算技術(shù)與遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)融合在一起，構(gòu)建遠(yuǎn)程開放式

4、云端虛擬實(shí)驗(yàn)室具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文以網(wǎng)絡(luò)教育為背景，利用先進(jìn)的云計(jì)算技術(shù)和虛擬實(shí)驗(yàn)開發(fā)工具，探索遠(yuǎn)程開放式云端實(shí)驗(yàn)室建設(shè)思路與方法，為進(jìn)一步全面推廣進(jìn)行有益的嘗試，從而提高網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和培養(yǎng)質(zhì)量，最大限度地滿足日益增長(zhǎng)的現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育的要求。 一、云端實(shí)驗(yàn)室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 云計(jì)算技術(shù)實(shí)質(zhì)上是一種服務(wù)模式，即云服務(wù)。在這種模式下，用戶能夠方便地按需訪問網(wǎng)絡(luò)共享池中的可配置資源（如網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、存儲(chǔ)、應(yīng)用程序和服務(wù)）。其核心是將大量用網(wǎng)絡(luò)連接的計(jì)算資源統(tǒng)一管理和調(diào)度，構(gòu)成一個(gè)計(jì)算資源池向用戶提供所需的服務(wù)。云服務(wù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)主要包括：數(shù)據(jù)在云端；高可靠性和通用性；高可擴(kuò)展性和按需服務(wù)；低廉的

5、價(jià)格和便捷性；數(shù)據(jù)共享。5，6針對(duì)網(wǎng)絡(luò)教育的特點(diǎn)，對(duì)基于云計(jì)算技術(shù)，提出了云端實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)想，主要包括基礎(chǔ)設(shè)施、虛擬化方法、安全保障方式、應(yīng)用支撐平臺(tái)和服務(wù)以及用戶訪問系統(tǒng)的方式，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。 由圖1可以看出，硬件環(huán)境由超強(qiáng)計(jì)算能力的服務(wù)器、支持海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器、能夠支持快速大數(shù)據(jù)量傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)等物理硬件設(shè)備組成；虛擬化平臺(tái)采用云計(jì)算技術(shù)對(duì)底層的網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行虛擬化，將硬件層提供的資源進(jìn)行虛擬化和離散化處理，實(shí)現(xiàn)資源自動(dòng)化調(diào)度管理，通過目錄服務(wù)和認(rèn)證系統(tǒng)等實(shí)現(xiàn)云端實(shí)驗(yàn)室的安全管理；可擴(kuò)展的應(yīng)用支撐平臺(tái)，使用云計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行資源整合，負(fù)責(zé)資源的網(wǎng)絡(luò)傳輸，負(fù)載均衡等功能；個(gè)性化用戶訪問平

6、臺(tái)，主要處理用戶邏輯，按照用戶需要提取數(shù)據(jù)，為用戶提供服務(wù)。云端實(shí)驗(yàn)室框架中的四個(gè)層次，底部層次為上層提供服務(wù)，而上層只需要考慮服務(wù)的功能和使用，不必關(guān)心服務(wù)的具體實(shí)現(xiàn)，從而簡(jiǎn)化了每一層的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中建立了一個(gè)安全的信息服務(wù)環(huán)境，包括完整的系統(tǒng)軟硬件安全體系設(shè)計(jì)，從云安全軟件支撐體系、虛擬存儲(chǔ)安全、漏洞掃描和安全配置管理。同時(shí)，可以提供豐富的云端服務(wù)，包括身份認(rèn)證服務(wù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和備份服務(wù)、信息共享和分類服務(wù)、信息發(fā)布服務(wù)、網(wǎng)上教學(xué)服務(wù)。上述服務(wù)的實(shí)現(xiàn)依靠靈活的云端管理和應(yīng)用系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。 二、虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 云端實(shí)驗(yàn)室，實(shí)質(zhì)上是基于云計(jì)算技術(shù)構(gòu)建的通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制與交互的遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)7

7、。從目前的技術(shù)來看，遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)一般兩種模式，即演示型實(shí)驗(yàn)和操作型實(shí)驗(yàn)。演示型實(shí)驗(yàn)多采用攝像機(jī)拍攝真實(shí)的實(shí)驗(yàn)后制成視頻文件進(jìn)行播放，或采用flash等多媒體軟件制成動(dòng)畫進(jìn)行演示，這種模式缺少交互性，也無法體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。操作型實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)者參與其中，需要使用專門的軟件實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)備的虛擬化，具有很好的仿真性和交互性，實(shí)驗(yàn)者可以通過實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，其實(shí)現(xiàn)方式主要有（1）虛擬儀器編程語言（labview）；（2）矩陣實(shí)驗(yàn)室matlab & simulate；（3）面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，主要包括java、vc、c#等；（4）虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言（vrml）；（5）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（vir

8、tual reality）。本文以c語言程序設(shè)計(jì)、模擬電子電路、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等三門課程為例，探索不同形式的云端實(shí)驗(yàn)室遠(yuǎn)程虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)。 1.c語言程序設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，采用分布式數(shù)據(jù)處理技術(shù)，利用先進(jìn)的云計(jì)算技術(shù)，在各個(gè)服務(wù)器之間進(jìn)行負(fù)載均衡，實(shí)現(xiàn)資源最大化利用。系統(tǒng)功能主要包括用戶管理模塊、學(xué)習(xí)與測(cè)試模塊、實(shí)驗(yàn)?zāi)K等。在該系統(tǒng)中，用戶信息、學(xué)生實(shí)驗(yàn)信息和課程資源等數(shù)據(jù)庫的管理采用云計(jì)算中的map reduce機(jī)制，把多用戶產(chǎn)生的臨時(shí)文件按照某種特征歸納起來，然后經(jīng)過分布式數(shù)據(jù)處理得到最終的結(jié)果，降低了數(shù)據(jù)庫存放大量數(shù)據(jù)所占用的空間，極大地提高了服務(wù)器運(yùn)行效率。圖2給

9、出了實(shí)驗(yàn)?zāi)K示意圖。 2.模擬電子電路課程遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。通過labview、multisim軟件進(jìn)行系統(tǒng)功能開發(fā)，利用control design&simulation module實(shí)現(xiàn)兩個(gè)軟件之間數(shù)據(jù)傳輸，得到所需功能的vi，并通過labview中web發(fā)布工具將vi的前面板發(fā)布到云端系統(tǒng)中，使實(shí)驗(yàn)者能夠無障礙訪問并控制前面板。圖3是以模擬電子電路中經(jīng)典實(shí)驗(yàn)“晶體放大器”為例構(gòu)建的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。 3.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程半實(shí)物仿真遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程是自動(dòng)化等專業(yè)的一門重要專業(yè)課程，針對(duì)該課程特點(diǎn)，采用半實(shí)物仿真系統(tǒng)，將實(shí)驗(yàn)設(shè)備（實(shí)體控制器、由特定的設(shè)備描述實(shí)際工業(yè)環(huán)境）連接到

10、互聯(lián)網(wǎng)上，不要求實(shí)驗(yàn)設(shè)備集中放置，實(shí)驗(yàn)者可以利用任意一臺(tái)連接到網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)，即可遠(yuǎn)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究、控制算法設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)建模等。 本系統(tǒng)利用云計(jì)算高效、快捷的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)一步優(yōu)化了學(xué)習(xí)平臺(tái)，為用戶提供更安全，快捷，便利，高效的服務(wù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。該系統(tǒng)包括三個(gè)部分：（1）被控對(duì)象系統(tǒng)：直流電機(jī)（被控對(duì)象），磁粉制動(dòng)器（負(fù)載或擾動(dòng)源），光電編碼器（測(cè)速傳感器），輸出控制模塊（驅(qū)動(dòng)模塊），監(jiān)控?cái)z像頭（監(jiān)控系統(tǒng)），嵌入式以太網(wǎng)接口（網(wǎng)絡(luò)接口）。（2）服務(wù)器：主要是系統(tǒng)管理軟件系統(tǒng)，完成終端訪問者與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的連接管理。（3）遠(yuǎn)程終端：主要是監(jiān)控軟件系統(tǒng)，包括實(shí)時(shí)圖像模塊，控制算法模塊，數(shù)據(jù)管理模塊等

11、。通過強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)共享功能，用戶只要注冊(cè)就可以隨時(shí)隨地登錄仿真模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，用戶的指令被該平臺(tái)響應(yīng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)會(huì)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)较到y(tǒng)服務(wù)器，然后由教師通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)給該用戶評(píng)審，而評(píng)審的結(jié)果和成績(jī)又會(huì)通過服務(wù)器傳輸給用戶，此外，用戶還可以在此平臺(tái)上與老師進(jìn)行有關(guān)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)與互動(dòng)，提高自己的知識(shí)儲(chǔ)備。 三、云端虛擬實(shí)驗(yàn)室管理策略 云端實(shí)驗(yàn)室遠(yuǎn)程開放，是方便使用者有效利用云端實(shí)驗(yàn)室的保證。本系統(tǒng)提供用戶管理功能模塊，該模塊與用戶進(jìn)行無縫連接，用戶可以通過手機(jī)、筆記本電腦、臺(tái)式機(jī)等進(jìn)入云端實(shí)驗(yàn)室，系統(tǒng)身份認(rèn)證模塊將對(duì)登錄者進(jìn)行身份認(rèn)證，然后根據(jù)登錄者的身份，提供相應(yīng)的服務(wù)。對(duì)教師，通過課程管理

12、和課程維護(hù)功能；對(duì)管理員，通過管理、查詢、備份等功能；對(duì)實(shí)驗(yàn)者，根據(jù)身份信息，進(jìn)行身份認(rèn)證，通過預(yù)約功能模塊進(jìn)行預(yù)約，系統(tǒng)將進(jìn)行預(yù)約管理，動(dòng)態(tài)跟蹤實(shí)驗(yàn)者登錄信息、使用信息，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，提供試驗(yàn)測(cè)試功能，部分課程（如c語言程序設(shè)計(jì)等）提供在線測(cè)試功能，系統(tǒng)自動(dòng)評(píng)判成績(jī)，如果成績(jī)不及格，學(xué)生可以再次申請(qǐng)考試。對(duì)于其他不能在線測(cè)試的課程，提供離線提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告的功能，由教師評(píng)判后給出成績(jī)。 本系統(tǒng)開發(fā)的功能，已經(jīng)在東北大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院進(jìn)行了在線測(cè)試，功能基本上能夠滿足網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)生的學(xué)習(xí)，可以有效地解決網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)生實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)難以有效實(shí)施，學(xué)生學(xué)習(xí)效果和培養(yǎng)質(zhì)量無法達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)的問題，可以在各專業(yè)課程建設(shè)中予以推廣應(yīng)用。但是，如何科學(xué)、有效地部署和實(shí)施云計(jì)算平臺(tái)，如何保證云端實(shí)驗(yàn)室的安全、如何實(shí)現(xiàn)負(fù)荷均衡，也是擺在系統(tǒng)開發(fā)和管理者面前的一道必須解決的問題。 參考文獻(xiàn)： 1魏建香，陸驥，孫越泓.中國(guó)網(wǎng)絡(luò)教育的現(xiàn)狀分析與研究j.計(jì)算機(jī)教育，2004，（12）：42-43. 2朱乾坤，李超，崔曉曦.基于虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的教學(xué)模式j(luò).實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2008，（6）：84-86. 3國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（20102020年）z.http：/ 4畢曉東.云計(jì)算輔助教學(xué)在高職課程教學(xué)中的應(yīng)用研究j.軟件導(dǎo)刊，2012，（12）：214-215. 5張豪鋒，鄧敏杰.基于云計(jì)算的數(shù)字