基于云计算的虚拟仿真实验平台设计

摘要摘要：针对高校虚拟仿真实验平台存在的重复投入、资源无法共享等问题，探讨云计算及其特点，提出基于云计算的虚拟仿真实验平台的架构模型，设计基于云计算的虚拟仿真实验平台，并介绍实验平台的功能和特点。

关键词关键词：云计算；虚拟仿真；实验平台；平台设计

DOIDOI：10.11907/rjdk.151843

中图分类号：TP302

文献标识码：A文章编号文章编号：16727800（2015）011000602

基金项目基金项目：上海市青年教师资助计划（1014204804）；上海市教委重点课程项目（2015）；2015年度上海理工大学“精品本科”教学改革项目（2015-JPBKZ-017）

作者简介作者简介：崔连敏（1988-），女，河南新乡人，硕士，上海理工大学实验室管理与服务中心助理实验师，研究方向为物理实验、信息技术。

0引言

虚拟仿真实验利用计算机网络技术和多媒体技术，通过计算机模拟实际实验操作，演示实验中的图形、文字、数据等信息。虚拟仿真实验打破了传统实验教学课时有限、场地固定等限制，提升了实验教学效果。随着信息技术和虚拟现实技术的发展，国内很多高校都建设了虚拟仿真实验室。然而许多高校建设虚拟仿真实验室时存在硬件重复投入、服务器闲置率高、建设及维护成本高、数据资源无法共享等问题。云计算技术被认为是一项继个人电脑、互联网技术后的信息技术革命性的新技术，在诸多领域都得到应用。借助云计算技术搭建虚拟仿真实验平台，对校内各实验中心的虚拟仿真实验平台统一部署和维护，能够整合硬件和软件资源，降低平台开发和搭建成本，实现信息资源共享。

1云计算虚拟仿真平台的优势

云计算是分布计算、并行计算、网络存储、虚拟化、负载均衡和热备份冗余等传统计算和网络技术发展融合的产物。云计算致力于解决网络平台的通讯、存储和资源利用等问题。自2006年Google公司首席执行官首次提出云计算的概念以来，云计算技术发展十分迅速。目前Google、IBM、亚马逊、微软、SUN等国际化大公司纷纷推出了自己的云计算平台，国内华为、阿里巴巴、腾讯、百度等也相继启动了云计算项目。典型的云计算架构分为基础设施层、平台层和应用层。基础设施层主要提供基础设施即服务，平台层提供平台即服务，应用层提供软件即服务。使用云计算技术搭建虚拟仿真实验平台优点如下：

（1）降低平台建设和运维成本。传统的平台搭建比较分散，管理和运维比较困难。云计算技术通过整合现有资源，使用虚拟技术分配资源，避免了服务器资源的重复投入，提高了设备利用率。

（2）平台功能更加完善。云计算通过整合不同的虚拟仿真实验平台，利用SOA技术为使用者提供通用统一的平台登录入口，将各类应用服务最大限度进行集成，提供一站式服务。

（3）提供稳定可靠的服务。云计算将数据资源通过虚拟化技术，整合存储在虚拟的资源池中，同时数据存储过程中采用副本备份方式。即使某台服务器出现故障，也可以迅速找到故障，并将故障的服务器数据备份到其它正常服务器。

（4）辅助教学效果更加显著。传统的虚拟仿真平台基于不同的架构设计开发，教师和学生都需要逐个学习适应。基于云计算的虚拟仿真实验平台架构统一，用户只需要学习一套系统的使用，可专注于教学和学习本身。

2基于云计算的虚拟仿真实验平台设计

2.1平台设计目标

虚拟仿真试验平台的搭建需要充分整合现有资源，满足虚拟仿真实验平台的实际需要，同时还需要总体考虑未来发展，实现平台组件化、松耦合和良好的扩展性。平台需实现用户的分类管理和权限控制、提升虚拟仿真实验学习效果、自动生成统计报表等。

2.2平台架构设计

基于云计算的虚拟仿真实验平台利用云计算的虚拟化技术和分布式存储技术，实现各个实验中心软硬件资源和实验教学资源整合，完成硬件资源整合、软件平台集成和教学课程数据共享。按照云计算基础架构，使用分层设计的思想，设计基于云计算的虚拟仿真实验平台架构如图1所示，共分为四层：平台基础层、平台管理层、平台应用层和平台接入层。

（1）平台基础层是整个平台的基础，主要由服务器、数据库、网络设备和存储资源等组成。往往现有硬件资源品牌、型号、使用年限等不尽相同，操作系统系统也各有差异，因此可选择使用VMware Workstation虚拟化技术生成多个虚拟机，实现所有软硬件资源虚拟化整合管理。

（2）平台管理层主要为虚拟仿真实验平台提供整套开发、运行和应用软件支撑。平台管理层主要提供用户权限管理、用户登录认证服务、用户访问session控制、平台安全管理、报表统计、系统运行和用户使用日志等功能。

（3）平台应用层主要实现各实验平台的统一管理和运维。集成了目前现有的虚拟仿真实验平台，例如物理仿真实验平台、化学仿真实验平台、生物仿真实验平台等，通过制定统一的平台框架和规范，各仿真实验平台只需要按照框架和规范进行开发和设计，就能纳入到基于云计算的虚拟仿真实验平台中。后续如果有新的虚拟仿真实验平台需要建设，只需依据现有架构搭建，相当于在现有平台上增加一个应用模块，大大节省平台的建设成本，而且新平台可以纳入统一运行维护体系，方便后期维护。

（4）平台接入层主要实现用户通过不同的设备，如个人电脑、移动手机如Android和IOS设备、平板电脑等接入，通过统一的一站式登录认证门户登录。个人电脑通过Web浏览器访问系统，移动设备除了可以使用Wap浏览器访问外，还可以通过移动APP应用访问。一站式登录认证门户是平台对外的唯一入口，用户通过该入口登录后，加载对应的应用。

2.3平台实现功能

基于云计算的虚拟仿真实验平台集教学实验管理、教师教学、学生实验于一体。平台主要用户有学生、教师、教学管理人员和系统管理人员等，不同的用户可以使用不同的功能。

（1）注册与登录功能。学生可以使用学号作为ID注册账号，教师用户使用工号作为ID注册账号。用户首先填写个人信息，然后设置登录密码，最后验证并绑定学号或工号后，平台提示用户注册成功。注册成功后，可以使用注册的用户账户，通过统一认证门户网站登录到实验平台。

（2）课程管理功能。学生用户登录后，可以看到待学习的课程列表，点击后开始学习课程，该课程进入正在学习课程列表，完成学习后，进入已完成学习课程列表。用户可以随时随地选择所有未完成学习的课程，平台记录学生用户的学习进度，下次登陆系统时，可以选择继续学习上次未完成的课程。

（3）教学管理功能。教师用户登录平台后，可以上传实验学习资料，制作仿真实验程序，管理虚拟仿真实验课程。教师用户还可以浏览学生学习记录，掌握学生学习进度。

（4）报表统计功能。教学管理员使用该平台可自动收集用户使用平台相关数据信息，生成统计报表。如统计学生累计学习时长和学习进度等。通过数据分析学生学习习惯和平台使用效果，并生产报表。

（5）系统管理功能。系统管理员可以管理用户信息、查看系统运行日志和用户访问日志、平台管理参数设置、管理系统运行维护等。

3结语

基于云计算搭建的大学虚拟仿真实验平台功能强大，整合了高校软硬件资源，用户体验佳，平台具有良好的可靠性和可扩展性。云计算技术整合了高校教学资源，突破了时间限制，实现了大学实验课程的移动教学，促进了教育信息化发展。仿真实验只是传统教学手段的辅助，不能完全替代课堂实际教学，但是随着云计算技术和虚拟仿真技术的发展，云计算将在高校教学中发挥越来越重要的作用。

参考文献参考文献：

[1]张林.虚拟仿真技术对大学物理实验教学影响的探究＼[J＼].大学物理实验，2015（28）：116118.

[2]董海宽，费英.大学物理仿真实验教学探讨＼[J＼].渤海大学学报：自然科学版，2008（29）：8082.

[3]龚强.云计算应用展望与思考＼[J＼].信息技术，2013（1）：18.

[4]王磊.SOA与云计算的结合＼[J＼].信息技术，2013（7）：110112.

[5]伍燕青.基于云计算的实验室管理信息系统设计＼[J＼].实验室研究与探索，2013，32（8）：291296.

责任编辑（责任编辑：陈福时）