构建远程实验教学云平台的探索与实践*

叶翔鹰 伍秀娟 郭海波

（广州市广播电视大学，广东 广州 510091）

一、引言

随着信息技术的进步，基于网络的远程教育也在迅速发展，各种网络教学模式和教学资源不断迭代更新涌现，并成为开放教育的主要手段。然而，这些教学手段大多应用在理论教学上，而远程实验教学却迟迟未能打开困局，究其原因，一方面也许是观念问题，不论是实验必须在实验室进行的定势思维，还是重理论教学轻实验教学的观念，都极大地影响了远程实验教学的研究和实践；另一方面远程实验教学确实比远程理论教学的技术实现难度要大得多，使得远程实验教学远远滞后于远程理论教学。远程实验教学的滞后明显拖了远程教育的后腿，使得远程教育灵活的时空优势逊色，成为了远程教育的一个难题。

为此我们以计算机专业、会计专业和管理专业的实验教学为突破口，研究如何利用成熟的技术搭建虚拟远程实验教学的环境，以实现真正意义上的远程实验教学的探索。

二、远程实验教学存在的主要问题

（一）远程实验环境的局限性

实验教学必须有统一的软硬件实验环境，虽然，计算机、金融会计管理等专业的实验硬件环境主要是电脑，但软件环境却是千差万别，比如计算机应用基础课程要求的是Windows7系统，若手头电脑安装的是Windows8或WindowsXP系统，就可能无法进行实验。即使操作系统一样，应用软件的版本不同也很难完成实验。因此，采用仿真技术提供实验环境是目前最常使用的方法，但其局限性也是明显的，仿真环境下的实验一般只能按一种预先设定的逻辑关系和操作步骤进行实验，这就限定了学生的思考方式，无法充分发挥学生的主观能动性。若要仿真出完整的实验环境不但制作成本极高，技术难度也极大，这也是目前极少有高仿真的实验环境的缘故。

（二）远程实验过程中交互与指导的必要性

实验教学与理论教学的区别在于理论教学可以是非线性的，跳跃的，而实验一般是一个连续的线性过程，一环扣一环，任何一个环节出错都不能将实验进行下去，而且不能得出实验结果或得出错误的结果。因此实验教学过程中对教师的指导和同学的相互交流的时效性要求比远程理论教学要高得多。因此，即使在实验室中实验教师的主要任务是重在实验指导而非授课。

（三）远程实验信息传输成本的经济性

理论教学的信息一般为文本类型以及小码流的音视频流信息，目前的网络环境一般都能满足，但实验教学的信息量却十分庞大，除了音视频流和文本信息外，还必须传输符合要求的实验环境以及其运行、控制、数据、显示等信息，还要承担实验结果中的应用程序信息、图形文件信息、音视频及动画文件信息等大信息量的文件传输，其信息量远比理论教学要大得多，对网络带宽的要求也高得多。

（四）远程实验过程评价的技术可行性

远程理论教学的过程评价一般是只看结果而不须分析其学习过程，可以依靠在线学习时间或点击项目来判断，但远程实验过程则需要分析学生的操作过程来判断对实验内容的掌握情况，以及容易产生的问题，并及时纠正，也是改进实验教学的重要参考，但事实上要提取远程实验过程的信息目前还是有一定难度。

三、基于虚拟技术的远程虚拟实验教学平台设计思路

搭建一个远程实验教学平台既要考虑其可行性、兼容性、实用性，还要兼顾其可复制性和经济性，所以，首先要求选择成熟且具有很好发展前景的技术，其次要求在保证高可用性的同时减少过多的二次开发，以避免过长的建设周期和过大的资金投入以及开发成果的不确定性。虚拟技术的成熟为我们提供了搭建远程实验教学平台的可能性，尽管目前虚拟技术在实验室的应用目的多在于提高实验室的管理效率和降低建设成本，但在远程移动办公方面已经展现出其应用前景以及提高管理效率和数据安全方面的优势，这就为我们解决远程实验教学难题提供了可能性。

（一）虚拟技术简述

虚拟技术以往多指虚拟仿真技术（Virtual Reality）或称虚拟现实和模拟技术，简单地说，就是利用计算机系统去模仿和生成一个与现实环境一样，并可被人们体验、感知和交互的虚拟环境的技术[1]。

虚拟技术的另一个发展方向是虚拟化技术（Virtualization），它是通过计算机资源管理技术，将计算机的各种实体资源，如服务器、内存、存储和网络等资源组成一个资源池，通过抽象、转换、分区，形成一到多台逻辑计算机（即虚拟机），并可灵活调配各资源池中的资源，而且虚拟机之间互不影响，因此可在各虚拟机上建立相互不同的运行环境，为充分发挥计算机的效率提供了可能性[2]。

目前虚拟化技术应用包括两个层面，一个是底层的服务器、存储、网络设备资源的虚拟，另一个则是计算机桌面的虚拟（Virtual Desktop Infrastructure），桌面虚拟一般需要依赖于底层资源的虚拟，虚拟化技术已在云计算、远程移动办公，计算机实验环境管理等方面得到广泛应用[3]。

以上两种虚拟技术的区别就在于虚拟仿真技术是虚拟外部环境，而虚拟化技术则是虚拟计算机内部资源。虚拟仿真技术早已广泛应用于实验室教学中，如中央电大早期的液压传动实验、北邮的远程实验室、厦门网中网的会计类的实验软件都是基于虚拟仿真技术。然而，虚拟仿真课程仍然要依赖计算机运行环境和网络才能实现远程教学，并且对网络传输的要求也比较高，因此，只有解决远程计算机环境和网络传输问题才能发挥虚拟仿真课程的作用。

近年来随着云计算技术的发展，虚拟化技术日趋成熟，在实验室建设中得到越来越广泛的应用，尽管目前主要是为了提高设备的使用效率和管理效率，但也足以让我们看到了虚拟化技术在解决远程实验环境问题以及远程教学应用方面有着良好的发展前景。

（二）远程虚拟建设的可行性分析

本研究课题所选专业的实验定向为以计算机、网络设备、计算机操作系统以及相应的软件或虚拟仿真实验课程软件构成的实验环境。

1.虚拟化技术有效解决统一实验环境问题

远程实验首先要解决学习者的实验环境，虚拟仿真技术虽然可以达到这一目的，但开发成本和对网络的要求也极高，而虚拟化技术却能有效地解决这一问题，首先将高性能的服务器虚拟出多台虚拟服务器，分别为不同的实验课程服务，然后再在虚拟服务器上根据要求虚拟出很多个虚拟桌面，每个虚拟桌面就相当于一台计算机，我们只需将这些虚拟计算机按照实验要求分别安装好实验环境，使用者可以在家中计算机或移动智能终端通过服务器的IP地址和账号密码就可以登录到自己的桌面，就能获得与真实环境高度兼容的虚拟实验环境[4]，不但如此，桌面虚拟化还能让智能移动终端通过网络获得与PC机相同的实验环境，使得一些原本只能在PC机上运行的教学资源方便地移植到智能移动终端上，既扩展了教学资源使用的灵活性，又避免了在移动终端上重复开发相同的资源，降低了远程实验的成本。

2.虚拟化技术有效解决远程实验信息传输的问题

由于虚拟化桌面是运行在服务器上的计算机，因此所有运行信息都在服务内部完成，且虚拟桌面之间相当于在局域网中运行的计算机，之间的数据传输相当于在局域网中进行，因此，对于远程桌面只需要传输显示信息和控制信息即可完成各种操作，大大降低了对网络的要求，同时也使得一些本来只能在局域网中运行的软件可以扩展到远程桌面上。如一些仿真教学系统、交互系统和多媒体广播系统等[5]，有效保护以往投资，降低了远程实验室成本，提高了远程实验室性能。

3.虚拟化技术有效解决远程交互和远程实验指导问题

虽然虚拟化技术并不能直接解决远程交互和远程实验指导的问题，但却给我们提供了解决问题的方便性，因为虚拟实验环境的安装和设置都在服务器中完成，我们可以预先将设计好的远程交互系统以及学习者的分组信息嵌入到虚拟桌面系统中，并自动运行，使学习者在获取远程桌面的同时就看到在线的教师和同学，等同于一个面对面的平台，可以随时与老师和同学交互，并申请老师或同学的协助指导。

4.虚拟化技术有效解决远程实验评价信息获取问题

实验评价信息包括实验结果信息和实验过程信息，实验评价信息的获取同样是有赖于虚拟桌面统一布置的便利性，采取预先设置的方法，对于实验结果信息的获取采取共享文件夹的方式，在虚拟桌面上预置一个实验专用的共享文件夹，学习者所有实验结果，实验数据和实验报告都存储在这个文件夹中，教师通过该文件获取实验结果信息并对该学习者进行评价。

实验过程信息则采取嵌入录屏软件，对学习者实验过程进行录制，以获取实验者的操作过程信息供教师评价时调用分析，并以改进实验教学。

（三）远程实验教学的流程设计思路

远程实验由于师生分离必然使实验过程不再是人与人的交互，而是人与机器的交互，所有人与机器的交互必定要有一个相对固定的流程，只有设计出合理的流程才能设计出科学的符合要求的应用平台，为了避免过多地改变学生实验的习惯，所以我们设计的原则是让远程实验教学过程尽可能的贴近实验室教学，尽可能使用熟悉的软件系统，并将这些软件系统与虚拟桌面进行整合，使学生和教师在情感上更容易接受，在使用上更容易上手。根据这一原则设计出以下实验教学流程。

1.通过实验信息管理系统获取学生的实验课程和实验环境要求，以学号建立虚拟远程实验账号[6]，配备实验环境，划分学习小组，分派指导教师，并将这些信息关联到教学交互系统上，方便学习者与老师和同学交流。

2.登录虚拟远程实验教学平台。平台的登录采用了模仿APP的形式，预先安装在学生的终端设备上，学习者只要安装了登录的APP即可以自己的账号密码登录到相应的虚拟实验环境中。如果1个学生需要多个不同的实验环境，只要在学生终端设备上安装多个课程附录的APP，登录是根据课程点击不同的APP，使用同一个账号密码即可登录到不同的虚拟实验环境中。

3.远程实验环境中以桌面图标的形式安装了实验指导、实验课程的远程教学直播计划、实验指导教师上课时间表、直播课程的链接以及课程资源管理系统的链接，这些信息同样也在实验中心网上公布。学习者在实验前可先看实验指导，需要时再按时看教学直播，如时间不允许可进行课程资源管理系统点播学习。

4.进入实验，如果是计算机类的实验，学习者可直接在虚拟桌面上按要求操作，如果是非计算机类实验则可点击桌面上相应的图标进入实验环境。

5.实验指导可以通过网络广播系统和实时交互系统进行，在实验指导教师的上课时间内，学习者可以通过实时交互系统向老师提问，如需老师指导操作时可在虚拟桌面上的网络广播系统点击举手按钮，在教师端即可看到学生举手，并可对学生进行桌面观看、控制桌面，广播教师桌面等操作来指导学生实验。

6.实验结果和实验报告按规定存入指定的共享文件夹，同时通过预装的录屏软件对学习者的实验过程进行记录，供教师进行分析评价。

7.教师除按时进入远程实验指导外，每周必须检查学生的实验情况，并在实验管理系统上给出评价，若发现没有按时完成实验或实验不及格的就通过师生交互系统通知学习者。

（四）基于虚拟技术的远程实验室构建要素

虽然虚拟技术为远程实验室提供了解决问题的可行性，但实验室除了为学习者提供实验环境外还承担着实验教学和实验管理任务，因此，我们认为构建远程虚拟实验室至少应包括以下几大要素：

1.远程实验教学要素：包括教师远程授课直播、录播和点播，以及虚拟仿真教学课程。

2.远程交互要素：包括实时和非实时的文字和音视频交互、远程协作和远程实验指导。

3.远程实验管理要素：包括学习者的账号和协作小组的设置和分配、实验内容选择、实验教学计划、时间的安排和提醒。

4.远程实验环境要素：主要是在桌面虚拟化的基础上集成其他各要素，为每个学习者提供一个符合其所选实验内容的实验和学习的环境。

5.远程实验评价要素：包括实验结果提交和评价，实验过程信息的记录、提取和评价。

6.资源配置和管理要素：主要包括服务器、存储、网络等资源要根据学习者的数量和学习习惯进行合理配置、负责均衡、保证学习者随时随地获得这些资源进行学习。

根据以上要素，远程虚拟实验教学平台的总体框架如下图所示：

四、构建远程虚拟实验教学平台的实践

（一）桌面虚拟化方案的选择

桌面虚拟化是远程的主体，目前市面上流行的主流桌面虚拟化系统主要有4种，分别是微软公司的VDI、VMware的VMware View、Redhat（红帽子）的KVM以及Citrix(思杰)的Xen Desktop。根据资料显示，Xen Desktop对网络带宽的要求较低，并通过高速交付协议可在任何网络条件下提供快速的桌面响应速度。而微软的VDI则在安全性方面以及众多桌面虚拟化解决方案方面有其突出的优势，VMware则在对桌面应用程序只需复制就能完成迁移，大大提高了虚拟桌面的配置效率。Redhat（红帽子）的KVM则在对网络带宽要求适中，能较好的支持视频播放，尤其是对虚拟桌面的配置和管理较为简单易用，而且是开源项目，使用成本相对其他方案要低，因此我们选择了KVM作为研究远程虚拟实验教学平台建设的桌面虚拟化系统。

（二）服务器和存储的配置

为了保证各虚拟化桌面的性能可以满足实验的要求，必须根据桌面的性能要求和数量配置相应的服务器、内存和存储。考虑到实验计算机的配置最低要求应达到：CPU的主频大于1G，内存为4G，硬盘100G，则一台物理服务器配置2颗Intel_Xeon 2.1G，8核CPU，128G内存，8*600G硬盘。服务器CPU的运算主频为2.1*2*8＝33.6G，满负荷最多负载30台虚拟化桌面（相近一个班的教学），内存和硬盘也大体上可以满足30台虚拟化桌面的运行需求[7]，这是考虑到远程虚拟桌面一般不会同时在线的情况，因为服务器自身运行还必须占用一定的资源。如果要求配置更高的虚拟化桌面，则要提高服务器配置或减少虚拟桌面的台数。

（三）实验课程直播点播系统

远程实验教学，我们采取了本地实验与远程实验相结合的建设模式，并在本地实验室中配置了实验教学课程的直播、录播环境和直播录播系统，为了缓解因视频直播教学对网络带来的压力，系统使用了流媒体的播放方式，并提供多码流供学习者根据自己的网络情况选择不同的码流进行播放。同时系统还使用了摄像机云自动跟踪话筒技术，使得直播和录播过程中不必有专门的摄像人员介入，一般技术人员启动了系统，上课教师只需象平时上课一样，只是通过多媒体中央控制系统切换信号源全能完成课程的自动直播和录播，视频信号通过流媒体服务器接入互联网供学习者观看。而所录制的视频教学课程也同时传送到教学资源管理服务器，并由管理人员编辑课程信息供不能按时参加直播学习的学习者进行点播（系统结构见直播点播系统结构图）。目前只设计了一间本地的实验课程直播室，因此，只要将直播的链接以图标形式预先装入虚拟桌面上，学习者只要在上课时间点击图标就可直接进入直播课堂，观看教师的授课，而点播则采用B/S模式，学习者需通过浏览器进入教学资源管理系统检索观看。

（四）实验指导与教学交互系统

实验指导与教学交互系统也是预装在虚拟桌面上并自动运行的应用系统，目前选用的是广州远志的多媒体广播系统和腾讯的RTX系统，多媒体广播系统是一款常用在局域网的广播教学软件，能完成屏幕广播、屏幕转播、终端控制等多项适合实验指导的功能，虽然只为局域网设计，但由于虚拟桌面无论在广域网登录还是局域网登录，其桌面与桌面之间的通讯形式仍是局域网，因此完全能够应用，只是延时可能稍长一点，在我们的测试环境中延时大约为3秒，如果只是观看学习者的实验操作或为其示范操作还是可以接受的。

RTX系统是腾讯公司专为企业订制的类似QQ的交互系统，由于系统的服务是在企业内部，在安全性方面优于QQ，在功能上各有千秋。之所以选择RTX是因为一方面其获取的成本较低，另一方面其功能比较适合远程实验交互的需要，例如，可由系统管理人员预先将参与交互的人员编排组，这样我们就可以按专业、班级将学习者和指导老师预先编在同一个组内，使学习者和教师都能方便地找到自己的同学和老师，教师对自己的学生也一目了然，可直接进行交流。

（五）实验评价系统

根据实验流程，实验评价包括两部分，一是实验结果评价，二是实验过程的评价，实验结果的评价我们希望以学习档案的形式，将学习者实验所产生的文档存入服务器上与实验信息管理系统相关联的文件夹中，方便教师进行调取，但目前虚拟机暂时不能将文件直接往服务器上存，只能通过邮件或RTX等其他方式上传，这种方法既不方便也容易出错，还占用网络资源，因此只能暂时设计为以共享文件夹的形式存储实验文档，由教师分别到学习者的共享文件夹中提取，虽然增加了教师的工作量，但却方便了学习者，且不容易出错。

而对于远程实验过程的评价采取的是录屏方式，录屏软件很多，但大多只是单机版，为了避免影响远程实验，在选择录屏软件时要求软件能对压缩率、每秒帧数、录制范围进行调整。我们经过简单的测试，在以每秒3帧，中等压缩率下全屏录制，所占用的虚拟桌面资源的5%到10%，因此，在配置录屏的虚拟桌面需要相对提高其资源的分配，如果所有桌面者设置录屏，必定会降低系统的使用效率，配置时需要根据课程要求甄别是否需要录屏。

（六）远程虚拟的硬件架构

根据以上设计组成远程虚拟的总体硬件架构如下图所示：

五、远程虚拟实验教学的应用与有待解决的问题

远程虚拟实验教学平台在校园网内运行，各项教学、交互、实验指导、录屏、实验课程的直播点播都比较顺畅，完全符合远程实验的要求，学习者可以随时随地通过PC和PAD登录到虚拟桌面系统中学习和实验，而在广域网上运行虚拟桌面上的各种软件和教学交互系统都较为顺畅，但屏幕广播和屏幕控制延时较大，通过多媒体广播系统进行视频广播基本上不能用，这和该系统本来只能在局域网运行有关，能够做到屏幕广播和屏幕控制已经基本满足实验的需求。

我们经过对虚拟化技术的研究，并借助该技术整合现有的各种教学应用系统构建了切实可用的远程虚拟平台，由于这种整合还只是浅层面的整合，因此仍有不少有待解决的问题，主要体现在以下三个方面，一是网络环境仍不是十分理想，在使用较大型的实验软件和仿真实验课程软件时仍有一些卡顿现象，远程实验指导也存在延时过大的问题。二是几乎找不到基于桌面虚拟化的系统的第三方应用软件。三是如何将远程实验课程文件夹整合到实验教学信息管理系统中，通过管理系统就能方便查看课程文件的内容，方便教师对学生实验进行评价。

总的来说，远程虚拟运行的整体效果达到了设计的要求，存在的问题相信随着远程实验教学的发展和虚拟化技术的进步以及更多的学校、企业加入到远程实验教学的建设与研究中，未来将会有更加完善的解决方案。

[1]百度百科：虚拟技术http://baike.baidu.com/view/274295.htm.

[2]百度百科：虚拟化 http://baike.baidu.com/view/729629.htm .

[3]徐燕雯.基于KVM的桌面虚拟化架构设计与实现[D].上海交通大学工程硕士专业学位论文，2012(6).

[4]刘文杰，丁宁，杨涛.基于Xen的桌面虚拟化实验设计实验[J].技术与管理，2013(10).

[5]梁迎丽，梁英豪.基于虚拟桌面的IT实验室系统设计[J].现代教育技术，2012(5).

[6]张乃千等. 基于云计算的虚拟实验云平台设计[J]. 计算机教育，2015(1).

[7]柏忠贤，崔纯，张健.高校云计算实验室虚拟化解决方案探究[J].软件导刊，2014(6).