遠(yuǎn)程開放式云端虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)初探

徐 林，盧廣宇，楊 凱，郭龍鋼

（東北大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819）

【實(shí)驗(yàn)平臺】

遠(yuǎn)程開放式云端虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)初探

徐 林，盧廣宇，楊 凱，郭龍鋼

（東北大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819）

針對現(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。

網(wǎng)絡(luò)教育；云服務(wù)；遠(yuǎn)程開放；虛擬實(shí)驗(yàn)室

網(wǎng)絡(luò)教育為任何愿意獲取知識的人提供了學(xué)習(xí)的權(quán)利和機(jī)會，它突破傳統(tǒng)學(xué)校教學(xué)方式的時空束縛，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)理論知識與多媒體仿真技術(shù)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等有機(jī)結(jié)合，通過創(chuàng)建一個網(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)場實(shí)驗(yàn)一致的教學(xué)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。《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》明確指出：“信息技術(shù)對教育發(fā)展具有革命性影響，必須予以高度重視?！盵3]有專家預(yù)測：云計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

云計算技術(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、應(yīng)用程序和服務(wù)）。其核心是將大量用網(wǎng)絡(luò)連接的計算資源統(tǒng)一管理和調(diào)度，構(gòu)成一個計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)；低廉的價格和便捷性；數(shù)據(jù)共享。[5，6]針對網(wǎng)絡(luò)教育的特點(diǎn)，對基于云計算技術(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。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

由圖1可以看出，硬件環(huán)境由超強(qiáng)計算能力的服務(wù)器、支持海量數(shù)據(jù)的存儲器、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；虛擬化平臺采用云計算技術(shù)對底層的網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、存儲設(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，使用云計算平臺進(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；個性化用戶訪問平臺，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)，從而簡化了每一層的設(shè)計。系統(tǒng)設(shè)計中建立了一個安全的信息服務(wù)環(huán)境，包括完整的系統(tǒng)軟硬件安全體系設(shè)計，從云安全軟件支撐體系、虛擬存儲安全、漏洞掃描和安全配置管理。同時，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

云端實(shí)驗(yàn)室，實(shí)質(zhì)上是基于云計算技術(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]。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)（Virtual Reality）。本文以C語言程序設(shè)計、模擬電子電路、計算機(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)計遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。在系統(tǒng)設(shè)計過程中，采用分布式數(shù)據(jù)處理技術(shù)，利用先進(jìn)的云計算技術(shù)，在各個服務(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)庫的管理采用云計算中的Map Reduce機(jī)制，把多用戶產(chǎn)生的臨時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給出了實(shí)驗(yàn)?zāi)K示意圖。

圖2 C語言程序設(shè)計遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)K

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)。

圖3 晶體管放大電路虛擬仿真系統(tǒng)

3.計算機(jī)控制系統(tǒng)課程半實(shí)物仿真遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。計算機(jī)控制系統(tǒng)課程是自動化等專業(yè)的一門重要專業(yè)課程，針對該課程特點(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連接到網(wǎng)絡(luò)的計算機(jī)，即可遠(yuǎn)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究、控制算法設(shè)計、控制系統(tǒng)建模等。

本系統(tǒng)利用云計算高效、快捷的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)一步優(yōu)化了學(xué)習(xí)平臺，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)包括三個部分：（1）被控對象系統(tǒng)：直流電機(jī)（被控對象），磁粉制動器（負(fù)載或擾動源），光電編碼器（測速傳感器），輸出控制模塊（驅(qū)動模塊），監(jiān)控攝像頭（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)時圖像模塊，控制算法模塊，數(shù)據(jù)管理模塊等。通過強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)共享功能，用戶只要注冊就可以隨時隨地登錄仿真模擬實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，用戶的指令被該平臺響應(yīng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)會通過網(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)給該用戶評審，而評審的結(jié)果和成績又會通過服務(wù)器傳輸給用戶，此外，用戶還可以在此平臺上與老師進(jìn)行有關(guān)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)與互動，提高自己的知識儲備。

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)。對教師，通過課程管理和課程維護(hù)功能；對管理員，通過管理、查詢、備份等功能；對實(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)測試功能，部分課程（如C語言程序設(shè)計等）提供在線測試功能，系統(tǒng)自動評判成績，如果成績不及格，學(xué)生可以再次申請考試。對于其他不能在線測試的課程，提供離線提交實(shí)驗(yàn)報告的功能，由教師評判后給出成績。

圖4 半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

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)施云計算平臺，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。

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G640

A

1674-9324（2014）43-0254-03

此項(xiàng)工作得到2012年遼寧省普通高等教育本科教學(xué)改革研究立項(xiàng)資助（2012305）

徐林（1970-），男，陜西南鄭人，副教授，工學(xué)博士，主要研究方向?yàn)樽詣踊瘜I(yè)教學(xué)與科研。