基于Xenserver的虚拟网络实验平台建设

宋皓轩++崔艳德++王永帅

摘要：为方便课堂教学质量，提高学生创新实验能力，虚拟实验提供了新的途径和发展空间。结合国家创新发展理念，以科学文化理论知识为基础，充分利用现代信息网络与仿真软件，本实验平台的构建是基于Xenserver以Multisim软件为依托的模拟电子技术虚拟网络实验平台。该平台集体验式学习，探究性学习，轻松化学习于一体，深入不间断的学习方式，使得实验学习时间可以无限延伸。使学生深刻地理解并掌握实验内容，从而达到提高实验效果的目的，同时实验平台建设将进一步推进虚拟实验的创新发展。

关键词：Xenserver；虚拟实验；创新；模拟电子技术

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）26-0023-03

模拟电子技术是电气，电子类专业基础课程，模拟电子技术实验则是以理论为导向，将课堂知识与实验相结合，真正使学生在实验中学有所用，学有所得。但模拟电子技术实验具有原理复杂、操作繁琐、要求较高、效果差的特点，而且单独的仿真软件又不具备在线交流，深入探究的功能，因此建设基于multisim的模拟电子技术虚拟网络实验平台可趋利避害。虚拟网络实验平台不仅弥补了实验器材缺乏、损耗，实验室空间不足等问题，而且可以很好地将学生融入其中，使其学有所乐，乐有所得。同时虚拟网络实验平台不仅包括模拟电子技术基础实验，而且对于综合型、设计型实验，学生也可在此基础上自行发挥与探究，与其他同学交流学习。因此建设虚拟网络实验平台对于培养出基础扎实、知识面广、实验能力强、创新意识高的人才具有较大的实践意义。

1虚拟网络实验平台发展必要性

1.1国内虚拟现实技术研究现状

虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，同时虚拟实验是信息化、模拟化教学的一个重要组成部分。根据我国的科技发展国情，制定了开展虚拟现实技术的各项研究。名胜旅游、展出展馆、工业仿真以及国家自然科学基金委、国家高技术研究发展计划等都把虚拟现实技术列入研究项目。在紧跟虚拟技术发展的同时，国内一些高校，已积极投入到了这一领域的研究，比如北京师范大学基于虚拟空间的三维电子线路实验环境，上海交通大学的机器人远程控制系统，中国科学技术大学的物理实验虚拟仿真系统，浙江大学化学虚拟实验操作等都为虚拟实验发展开辟了道路。

本平台为石家庄铁道大学远程访问虚拟机仿真实验系统为高校实验平台建设提出新的理论与途径。紧跟虚拟技术发展的脚步，力求创新。

1.2 现实实验面临的问题

1）电学实验等由于自身具有实验原理复杂，连线困难，操作不易等特点，学生总是望而生畏，实验课上畏手畏脚，实验课下敷衍了事。这给高校实验教学质量带来严重影响。

2）实验器材耗损问题，由于现实实验保护措施不足或者学生操作不当等原因造成的器材损坏以及时间，温度等原因造成的器材损耗给实验的准确性、真实性造成的影响。

3）电学实验的多样性，综合性。由于电学实验不拘泥于基本电路，因此现实实验的改装电路，组合电路往往造成连线复杂不清，容易造成短路，断路等问题。

4）实验教学出现僧多粥少的局面，学生做实验限定地点，限定时间，限定实验，对于学有余力的学生往往学不到更多的知识，学生实验也逐渐成为一种形式。

5）学生平时自己在操作实验箱时缺乏创造性，对于设计性实验，动手能力严重不足，没有实验的拓展延伸创新。

1.3 虚拟网络实验平台发展价值

仿真软件multisim具有超强的仿真能力，它可以对模拟电子技术电路进行仿真，同时分析结果可以以数值或波形直观地显示出来，当仿真失败时，不仅不会损耗实际器材，而且还会显示出错信息，提示可能出错的原因，然而仅仅一个仿真软件并不具备交互，交流，探究，深入学习的功能，因此充分利用计算机网络与虚拟机技术，将信息技术与仿真技术相结合的方式就很有必要。这样的方案不仅能解决上述问题，而且具有真实性、交互性、简单和易实现等特点。虚拟网络实验平台建设可以说是在教育教学上一次重要的发展创新，也是互联网大潮来临之际一次重大革新。

2虚拟网络实验平台功能介绍

2.1设计目标

模拟电子技术虚拟网络实验平台的设计目标是，改变高校现有实验教学中普遍存在的各种问题和提高教学质量以及增强学生实验素质和创新能力，通过虚拟化的实验模拟，让学生切实体会理论的深刻内涵，帮助学生在现实实验中操作自如。利用multisim软件的仿真功能，joomla的网页构建功能，虚拟机的虚拟扩展功能和网络的交互交流功能，将模拟电子技术虚拟网络实验平台建设成一个探索性学习，创新性学习，自由式学习，协同性学习的教学工具。

2.2结构布局及其功能

虚拟网络实验平台分为登陆，基础实验仿真操作，创新性实验模拟，在线交流探讨，实验报告浏览与下载等功能。

首页上有以下模块：

1）实验报告电子版讲义功能模块

这是纸质版的实验报告在后台以发文章的形式呈现在网站上，其中包括基础实验仿真操作模块包括常用半导体器件的识别与简单测试、单管共射放大电路、负反馈交流放大电路、集成运放组成的基本运算电路、电压比较器的研究、RC正弦波振荡电路、非正弦波发生电路、OTL/OCL 互补功率放大器、集成功率放大器、有源滤波器、整流滤波与稳压电路等12个基础实验的实验报告（包括实验原理，实验器材，实验步骤，预备知识等），实验电路参考仿真图（在此模板基础上可以修改个别器件的参数，可观察修改后对整体电路或部分电路的影响）便于同学们在校园网免流的环境下可以随时随地查阅报告，在普遍使用智能手机的当下，通过这样的一种方式可以激发同学们的学习兴趣，从网上游习变为网上学习、网上实验。创新性实验模拟支持在原有的实验电路基础上修改创新也支持新建空白界面搭建电路，此模块主要方便深入探究学习模拟电子技术。对于一些包括反馈系统，多级放大系统等电路的研究更加清晰易懂。

2）仿真实验平台模块功能

这部分的功能是本系统的主要功能，即核心部分。通过进入仿真实验平台界面，有多个开启Xenserver环境里面搭建的虚拟机的按钮，学生可以通过分配的IP号与密码登录到实验仿真界面（如图1所示），从而进行远程访问云平台的虚拟机进行学生实验，这样免去了学生在本地安装仿真的繁琐过程，大大提高了学生的实验效率。学生在虚拟实验环境中按实验步骤完成整个虚拟实验，允许重做，直到驾轻就熟，不受时间、地点制约。而对于学生在原有电路的修改并不影响后续其他人的实验，任何修改在退出登陆后都将恢复如初。

3）交互留言模块功能

交互留言是此虚拟仿真系统的重要组成部分，起到反馈的作用。相当于Blog或技术交流论坛。在线交流探讨模块实现学习的交互功能，使用者可以对实验电路做出设想与建议，方便学生参与到教与学对于指导教师来说可以关注学生在实验过程中的投入程度和过程性评价。在此平台留言模块教师也可考虑学生对本课程或实验的建议与意见，使实验课程或理论到达更高水平的层次。同学们之间可以讨论模拟电子技术里面的技术问题，也可以是同学们向老师询问问题，老师专家们甚至可以互相切磋。

4）视频播放功能

此菜单栏模块是补充部分，起到辅助作用。是为教学提供便利和为学生在课余学习更多的技能服务。视频里面介绍了几种厂家的示波器的使用方法，如何操作示波器以及介绍各种电子元器件的型号，拓展同学们的知识面，以便更好地实践。

5）虚拟存储器NFS功能

NFS即网络文件系统，是FreeBSD支持的文件系统中的一种，它允许网络中的计算机之间通过TCP/IP网络共享资源。在NFS的应用中，本地NFS的客户端应用可以透明地读写位于远端NFS服务器上的文件，就像访问本地文件一样。通过平台内嵌的教学和实验反馈功能及时核查学生报告中的实验行为，监督和考评学生的实验能力，瞬间实现一对多模式，随时随地教学。这样就实现了学生和老师交互的途径。

3虚拟网络实验平台建设总体设计

本项目的整体构架（如图2所示），在XEN环境下虚拟，搭建网页服务器xampp，通过网页来获取远程实验机器和密码。 “虚拟机里嵌套虚拟机”，这是本项目的核心创新之处，也是国内虚拟实验首次创新。Joomla服务网页通过后台python语言脚本来控制和检测虚拟机的开关。虚拟机在运行（或者说用户在使用时）可以将自己产生的数据通过NFS的形式进行保存，并且每一个虚拟机采用一种类似影子系统的软件进行数据还原，避免产生更多的用户垃圾。

图2 项目的整体构架

3.1前台网站搭建

1）网站的搭建采用目前流行的joomla平台搭建，使用了WebExperts作为网站的基本模板。

2）在主页上位了便于用户使用，本平台以Multisim软件为对象，加入了仿真实验平台、在线帮助、实验指导书和在线留言四大模块链接。用户可以在主页上进入虚拟实验平台，了解本平台的使用介绍，提前学习实验指导流程和对实验问题的在线交流。

3）在网站主页上加入了在线QQ留言，便于用户在使用过程中遇到平台不能使用或其他较为紧急的情况可以通过本链接及时联系技术人员。另外就是加入账号机制，是用户可以拥有自己的账户而获得更多的是用权限。另外我们也将不断更新升级该网站以及主页新闻话题，

不断贴合用户的使用。

如图3为当前设计网站主页， 如图4为实验指导书的下拉菜单，如图5为网站主页框架布局。

3.2虚拟机平台搭建

虚拟机上有虚拟机，通过远程来解决在本机上需要安装的麻烦，这也是服务教学和在教学事业上的创新。

以下分为四个部分：

1） 在Xenserver的基础运行上有一个环境，具体下面对Xen进行介绍，Xen作为个软件开源的软件，学校在实验教学楼引进了华为的三台机器，作为后台的服务器0。

2） 客户端的多个虚拟机，是学生在远程登陆界面，进行自己的仿真电路实验，这样就可以像在自己的电脑一般，免去在自己的电脑上再次安装冗余的安装包，使用简便。

3） 在CentOS的系统下，这是属于Linux的操作系统范畴。在这里面嵌入网页的后台，相关搭建在后续。

3.3实验仿真软件嵌入

此虚拟网络实验平台安装的是multisim12.0版本，当所有任务完成后（包括网页构建完成，学生可通过互联网登录以及虚拟机的虚拟扩展实现等），将multisim镶嵌于实验平台，学生登入后可一目了然，简便操作，快速入门。

登入VM宿主机软件为将multisim12.0版本与虚拟网络实验平台完成接口任务，如图6：

图6 图7 图8

宿主机地址为202.206.32.235，将主机地址输入登入方式如图7以及图8。

3.4学习资源共享（NFS）

在搭建虚拟网络实验平台大环境构架基础上，为使实验平台真正成为有内涵，有资源，有帮助的学习工具，在实验平台上添加学习资料便举足轻重。12个模拟电子技术基础实验从实验理论到实验仿真将为实验者一一呈现，使学生实验的同时，深入理解实验原理，全局透析电路连接。对于电压放大电路或功率放大电路都可以通过预加的万用表或者双踪示波器观察。对于基本电路研究，在一些仿真图旁增加了基本公式，便于学生对电路理解分析。对于一些仿真，软件都无法实现的如：万用表的二极管档位，这里就采用的是利用双踪示波器观察二极管、稳压管伏安特性曲线的方法。甚至于一些功率放大器不能获得的，这里也巧妙的使用了其替代品，其性能一致，结果大同。对于虚拟网络实验平台参考教材《模拟电子技术基础简明教程（第三版）》（清华大学出版社）上的仿真练习，我们也将以multisim12.0格式为其展现，该部分将作为附录写入其中。当然对于后续国家发展和学生建议，模拟电子技术虚拟网络实验平台也将紧跟时代，更新内容。

虚拟网络实验平台交流模块相信会成为学生们最为感兴趣的，尤其在这里不仅有文字的交流而且还有表情的传达，当然最为主要的是，这里相当于一个大的QQ群，学生可以提出问题也可以解决问题，可以交流心得也可以提出质疑。这里也方便询问错误仿真原因，同学之间可以在线修改，大大节省时间和精力，也大大方便实际实验操作。

4虚拟网络实验平台测试

我们对网站和虚拟平台在不断进行着测试。在前台网站我们的留言板采用easybook进行留言创建，通过设计和不断改善使之更便于留言，使之交流可以更加丰富多样。主页上的QQ留言是为访问者提供的一种与后台服务人员直接联系的方式，这便在平台使用中突发问题而导致访问者不能正常使用，这样就可以通过该QQ及时通知技术人员进行解决。仿真平台我们通过后台建立了几台虚拟机，用户通过前台链接进入，后台分配给用户一台虚拟机以及进入账号和密码，防止两人同时登陆上同一台虚拟机。

5总结

当今时代是信息和知识经济的时代，实验教育的目的是培养具有创新精神和实践能力的高素质人才。虚拟网络实验平台以其资源共享，教学融合，创新发展的属性扩展了实验教学的功能，为学生提供了一种崭新的实验形式。虚拟网络实验平台以先进的信息技术和仿真为基础，革新传统的教学实验模式，推动实验课程远程教育的发展。在学校局域网条件下，同学们对其使用效果普遍反映良好，方便实用，但是局部须有进一步提升。

虚拟网络实验平台是互联网+教育的又一次发展，虚拟网络实验平台跟上实验的时代性，先进性，创新性和丰富性，创造 了有活力，有趣味，不受时间、空间制约的开放性实验环境。同时构建虚拟网络实验平台经济、高效且前景可观。其诱人的前景不仅在实验教学上获得的应用，而且在未来社会生产中也会有巨大的利用价值。如今创新创业呼声之高，未来信息网络与仿真技术的更多融合不可估量。

参考文献：

[1]李欣.现代教育技术虚拟实验室的设计与开发[J].现代教育技术， 2008， 18（2）：115-120.

[2]郑颖立.体验式虚拟实验研究[J].华东师范大学， 2008.

[3]蒲永红，余粟，王维荣.Multisim辅助电工电子实验教学的探讨[J].实验室研究与探索， 2013， 32（9）：174-177.

[4]李剑清.Multisim在电路实验教学中的应用[J].浙江工业大学学报， 2007， 35（5）：543-546.

[5]白雁，张娟，潘瑾，等.“虚拟实验室”在高校仪器分析教学中的应用[J].实验技术与管理， 2011， 28（12）：169-171.

[6]于秀金，张皓斐.基于joomla系统开发网站的设计与实现[J].电脑开发与应用 ，2010， 23（11）：50-52.

[7]陈玉.Joomla系统中模块运行原理研究[J].软件工程师， 2014（12）：28-29.

[8]陈小红.虚拟实验室的研究现状及其发展趋势[J].中国现代教育装备， 2010（17）：107-109.

[9]朱敏，张际平.虚拟实验室及其教学应用[J].实验室研究与探索， 2006， 25（5）：626-628.