基于虚拟仿真平台的Linux实验教学系统设计研究

王舒艳

摘 要：主要针对《Linux操作系统》课程在网上开展的虚拟仿真实验平台的现状、发展趋势、原理、架构及实施过程进行研究。该虚拟仿真平台系统提供与Linux操作系统真实实验相似的实验环境，为Linux操作系统安装、管理及配置实验提供服务并开展应用，方便学生通过互联网络即可完成Linux操作系统实验，提升实践技能。

关键词：虚拟仿真 实验教学 Linux操作系统

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）11（c）-0005-02

1 本项目研究目的和意义

1.1 研究目的

网络虚拟实验室系统将使学生可以在任何地方做我们的实验，自己不需要安装任何复杂的软件和环境。本课题主要针对网上虚拟实验室系统的原理、架构及实施过程进行研究，通过构建相关环境进行试验，并提出自己的改进方案。

通过该平台，可以实现以下方面。

（1）安装、配置Linux操作系统，进行自主实验，并且放心大胆地做实验，不会担心操作对设备造成损害，培养学生的创新意识和创新能力。

（2）采用桌面虚拟化技术，可以实现远程办公，并且教师和学生可以通过互联网进入同一实验，教师可观看到学生所有操作步骤，并提供实时的帮助，从而实现远程指导学生实验。

（3）通过虚拟仿真平台，学生可通过虚拟化方式在一台计算机上完成Linux操作系统的安装、管理、服务器配置等相关实验内容。虚拟仿真平台实验教学系统完全能满足《Linux操作系统》课程所有实践性教学任务。该实验室将24h对学生开放，任何学生（Anyone）在任何时候（Anytime）、任何地点（Anywhere）都能通过“开放性虚拟实验室”平台在线进行工程项目的实训。很好地满足学生个性化学习和自主学习的需要。

虛拟仿真平台能够提升学生的实践技能，培养学生Linux操作系统的实际操作能力及创新能力，使学生能够在实践技能方便得到显著的提高，能够有效补充教学时间受限的不足。

1.2 研究意义

实践教学是国家实施“素质教育”和高等教育“质量工程”，全面提高教育质量的重要内容。实验教学是培养学生提高实践技能的一个重要的学习环节，能够快速提高学生对知识的理解和掌握，帮助学生提高对于Linux操作系统的基础知识和管理、配置能力。通过虚拟仿真平台提供的实验教学系统模拟真实实验内容，加大学生的实践能力培养。目前，虚拟实验教学已经得到了全国实验室建设指导委员会等相关部门的高度重视。

近年来，网络设备更新升级很快，实验室配套条件逐年下降。在实验室使用过程中各种问题频出，对于Linux操作系统这种对服务器配置要求较高的课程而言，实验教学环境已难以满足日益更新的教学要求。

1.2.1 实验室成本较高

日常教学中很大程度上依赖实验室的计算机等设备，需要投入较多的资金、日常管理维护成本也高，而且经常受到机房管理环境变化影响，从而导致正常的教学活动受到影响，降低了学生学习的积极性。

1.2.2 有限的教学时间

实验教学内容较多，步骤繁琐，学生出现的错误较多，但教学时间有限，教师很难在较短的教学时间内同时指导大量的学生，很多综合性实验、设计性实验无法完成教学目标。

1.2.3 教学目标难以落实

实验教学培养的目标是学生的实践技能，但是很多实验在课上有限的教学时间虽然能够完成，但学生的熟练度尚未达标，而课下有没有充足的实验设备，无法多多练习提升熟练度，导致学生的创新能力也受到限制，仅仅能熟练完成基础性实验，而深层次高难度的设计性实验的缺少实验条件，影响了学生学习主动性，我们提出了基于虚拟仿真平台的Linux实验教学系统的解决方案。

2 本项目研究现状与发展趋势

虚拟实验室（Virtual Laboratory，VL）最早在1989年由威廉·沃尔夫（William Wulf）教授提出。通过虚拟仿真平台可以让学生通过虚拟出来的实验环境及虚拟化的实验设备，通过软件或硬件接口技术将真实场景在计算机上呈现出来，方便用户随时随地通过互联网络进行实验操作，不需购买昂贵的实验设备即可完成相关实验内容。

虚拟实验是描述真实实验的一个教学过程。在传统的虚拟实验里，变化过程是预置的，切换图文画面就代表了实验的变化，与实验者如何参与无关。

从技术的角度看虚拟仿真实验有以下几种形式，比如虚拟实验，通过动画视频的方式，下载到本地进行查看运行；或者利用三维技术进行制作，在电脑客户端安装相关插件，通过鼠标键盘或热键与之进行互动，完成相关实验，还有就是利用面向对象的集成开发环境等进行软件开发，可以具有良好的交互性能等多种方式。

目前，微软的“TechNet 虚拟实验室”采用先进的桌面虚拟技术，对自己的产品做实验，但网络上还没有Linux操作系统等其他计算机课程开放式的桌面虚拟实验室，我们的虚拟实验室系统参考和借鉴微软的实验室建立，填补目前网络上的空白。

3 系统设计

虚拟仿真平台的功能类似于VMWare“虚拟机”软件，但与的思路并不相同。VMWare是能够“同时”运行多个操作系统的一个主系统平台，而我们的目的是开发基于虚拟仿真平台的Linux实验教学系统，在校园网中设计研究可以采用浏览器/服务器（B/S，Browse/Server）的架构进行部署，硬件设备包括数据库服务器、应用程序服务器、虚拟仿真平台及客户端，客户端只需要运行浏览器，学生就可以高效地实用虚拟仿真平台。

首先，根据实验内容选择目标进行建模，其次选择合适的三维建模软件、虚拟现实软件最后再选择合适的软件开发工具制作虚拟仿真Linux实验教学系统。

以实验教学目标为导向，根据不同的实验教学内容设计，完成实验内容的虚拟仿真制作，在制作过程中几何模型可以通过Autodesk公司的3DS Max，Google公司的Sketchup等三维建模软件制作模型，然后利用虚拟现实软件添加三维场景和智能交互等功能，进一步还可以利用面向对象的集成开发环境等进行二次开发。

主要完成以下实验案例。

（1）Linux基础管理类实验：Linux系统的安装；Linux基本管理命令；Linux文件管理；Linux进程管理；VI编辑器；Linux用户管理。

（2）Linux服务器实验：网络环境配置；FTP服务器配置与管理；DNS服务器配置与管理；DHCP服务器配置与管理；Web服务器配置；邮件服务器配置与管理等。

充分利用学校的网络资源，克服传统实验教学的种种限制，充分调动学生的学习积极性。保证学生在课下可以进行实践技能练习，提升Linux操作系统的管理配置技能，达到学生进行仿真实训的需要。

4 系统特点

该软件的实现，可以无需新建Linux专用机房，使得Linux操作系统的相关课程实验可以在普通机房实现配置，无需高配置就可达到教学目的，同时节省了机房建设资金投入。本项目提供网络实验教学的立体化教学与管理功能，在此基础上可建立针对不同课程的虚拟实验平台教学系统，从而为学校减少对硬件的投资，同时避免因设备的更新和维护而浪费更多的时间和精力。

Linux操作系统能够在计算机上建立虚拟仿真实验室环境，提供Linux操作系统的虚拟仿真实验教学系统，使学生在互联网上通过浏览器客户端即可完成相关实验内容，提升实践技能、达到教学目标。但仍有很多不足，管理平台缺少分数统计、在线讨论等模块，对于Linux操作系统的一些细节化的功能操作现在也不完善，在以后的研究中将会再进行提升。

参考文献

[1] 李春娥.计算机软件虚拟仿真实验教学系统设计[J].科技经济导刊，2016（24）：17，20.

[2] 李辉发.计算机网络虚拟实验教学平台的设计与实现[D].河北农业大学，2015.