云桌面技术在虚拟仿真系统中的应用研究

万晨

摘要：文章从论述虚拟仿真技术在辅助教育教学方面的作用入手，分析虚拟仿真系统使用和管理中存在的问题，针对现存的问题提出了一种新颖的将云桌面应用于虚拟仿真系统的方案。深入探讨了方案的设计目标，设计了方案的总体架构，分析云桌面技术应用于虚拟仿真系统的优势及云桌面与虚拟仿真技术融合在教育教学的应用。通过该方案能实现虚拟仿真系统的统一维护和管理，能有效提高虚拟仿真系统的使用和管理效率，创新教学模式，提高教学质量。

关键词：云桌面；虚拟仿真；教育教学

中图分类号：TP311.1      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2023）01-0130-03

1 研究背景

随着信息技术的发展与进步，将虚拟仿真技术应用于教育教学越来越受到各大高校的关注。虚拟仿真技术能构建可视化、高度仿真、身临其境的虚拟仿真场景，给用户带来互动性、趣味性和沉浸感等多样化的体验，将其应用于教育教学对培养学生的想象力、创造力和学习兴趣具有重要作用[1]。目前高校已尝试将虚拟仿真系统应用于课堂教学[2]、实践教学、虚拟智慧教室[3]等教学场景中，解决了因传统教育模式导致学生主体地位无法凸显、因实际教学条件有限导致学生动手能力和创新能力无法充分培养的问题。通过应用虚拟仿真技术丰富了高校的教学形式，打破了时间空间的束缚，为学生创造了更加好的学习环境[4]。在新冠肺炎疫情期间，为确保停课不停学，高校开展在线教学、组织网上考试、开放在线教学资源，努力为师生提供服务[5]，虚拟仿真系统在其中发挥了重要作用。

虽然将虚拟仿真系统应用于教育教学中取得了一定的成效，但虚拟仿真软件在使用中依然存在安全性低、兼容性差、仿真软件安装复杂、访问速度慢、数据共享困难等问题[6]。在云桌面技术支持下，通过云桌面虚拟化改造虚拟仿真系统的使用和管理方式，为虚拟仿真系统提供统一的访问入口，能改变虚拟仿真系统建设和管理思路，节约大量的人力物力，提高虚拟仿真系统的管理效率，创新教学模式，提高教学质量[7]。

2 虚拟仿真系统使用和管理现状

虚拟仿真系统已经成为高校开展课堂教学和实践教学的重要在线学习系统，虚拟仿真系统也正在逐渐成为教学活动中使用最为频繁的系统之一，然而通过深入研究分析发现，当前虚拟仿真系统使用过程中存在着以下问题。

2.1 虚拟仿真系统易受攻击，安全性差

虚拟仿真系统制作和设计比较复杂，导致安全问题排查和定位复杂，难以处理和解决。高校开放的网络环境使得访问系统的用户难于管理，且并非所有的系统都对接高校统一身份认证系统，导致系统容易遭受攻击，存在信息数据泄露、丢失等的风险。

2.2 虚拟仿真软件安装复杂，兼容性差

通常不同虚拟仿真系统采用不同的开发引擎和软件架构，师生在使用系统时常因为缺少特定的插件导致系统的内容无法正常展示，需要重新安装虚拟仿真软件或者运行环境软件，同时不同配置设备在运行系统时容易出现不兼容、卡顿等问题，导致虚拟仿真系统在教学中难以发挥应有的作用。

2.3 虚拟仿真系统统一维护和管理难度大

虚拟仿真系统通常都是根据教学需求逐步建设的，不同时期建设的系统存在系統间相互封闭，使得系统难于统一管理。随着虚拟仿真系统不断升级更新，系统的稳定性、软硬件的兼容等问题将逐渐凸显，系统的管理难度和管理工作量呈上升增长趋势。

2.4 硬件建设和升级更新成本高

运行虚拟仿真系统通常需要高性能的终端设备，建设与系统配套的硬件设备成本高，且随着系统的升级更新，硬件设备也同时需要迭代更新，每次对所有设备进行升级是一笔较大的支出。

3 云桌面应用于虚拟仿真系统的方案

方案设计的目的是通过利用云桌面与虚拟仿真等技术的融合，依托于计算服务器集群、存储服务器及桌面虚拟化平台提供的资源，现实虚拟仿真系统的整合、重构、组织和管理，通过云桌面为师生统一配置用户权限、操作系统、CPU资源、内存资源和存储资源，在保证各项资源有效合理利用情况下，让师生流畅地访问各类虚拟仿真系统。

3.1 方案总体架构设计

云桌面应用于虚拟仿真系统的方案如图1所示，将虚拟仿真系统服务器与云桌面虚拟化平台联通，通过云桌面虚拟化平台统一管理虚拟仿真系统访问入口，通过云桌面访问虚拟仿真系统依赖高速、稳定、安全的网络传输，为满足网络带宽的要求，云桌面虚拟化平台接入万兆链路核心交换机，核心交换机通过千兆光纤接入每栋楼宇汇聚交换机。汇聚交换机通过百兆链路接入到每间办公室、教室和实验室，保证接入网络的带宽，同时为每个独立区域划分独立的虚拟局域网，通过设置网络策略让每台终端设备在独立安全的环境下工作。为便于师生在校外也可登录云桌面系统，本方案同时设计了校外访问链路，通过在核心交换机和边界防火墙设置策略，保证校外访问云桌面系统的速度和安全性。虚拟云桌面系统支持多终端多操作系统接入，运算和存储要求大，因此将计算服务器集群、存储服务器作为云桌面虚拟化平台服务器运行环境支撑，保证云桌面虚拟化平台服务器拥有快速的运行速度和足够的存储空间。

云桌面虚拟化平台在配置策略和分配资源时，允许多个用户同时登录云桌面系统，并保证各自系统独立运行，同时能共享CPU、内存、网络连接以及存储器等底层物理硬件资源。该种设计方式能让每个用户拥有独立的操作系统，彼此互不影响，实现资源的精确分配，最大限度利用现有的各类服务器资源。同时将服务器的物理资源形成动态资源池，根据师生实际使用虚拟仿真系统的情况动态调整各类资源，以满足不同用户需求。云桌面虚拟化平台设计和配置能保证多路终端同时接入，以此保证系统的接入能力。

4 云桌面技术应用于虚拟仿真系统的优势

云桌面的核心技术是桌面虚拟化，通过一台性能强大的服务器虚拟出若干台虚拟云桌面系统，所有云桌面系统通过后台系统统一管理，师生可以在个人云桌面操作系统中预先安装各类虚拟仿真系统、插件及其他应用程序，并能通过瘦客户机、笔记本、手机及平板等设备随时随地访问和使用私有的云桌面系统。将云桌面技术应用于虚拟仿真系统具有以下优势。

4.1 提升虚拟仿真系统的安全性

早期建设的虚拟仿真系统以C/S架构为主，随着信息技术的发展，后期建设的虚拟仿真系统架构逐渐升级改为B/S架构，目前高校虚拟仿真系统使用情况是C/S架构和B/S架构系统并行使用，部分系统拥有一套独立的用户管理功能，师生使用不同系统需要重新注册新的账号密码，该部分系统也难于跟学校统一身份认证系统对接，系统升级困难，系统的安全性低难于管理，存在极大的安全隐患。云桌面技术所依托的桌面云数据安全机制，为虚拟仿真系统安全性引入了一种新型的模式，将所有访问和使用的数据集中存储在云桌面存储服务器，虚拟仿真系统交互数据只会在虚拟仿真业务系统与云桌面架构之间进行，师生使用的瘦客户机、笔记本、手机及平板等设备访问云桌面系统时并不对其设备传输虚拟仿真系统数据，仅仅传输云桌面的云端镜像数据，实现数据在云端，保障虚拟仿真系统及数据的安全。云桌面系统能有效与学校统一身份认证系统对接，师生能应用一套账号密码通过云桌面访问所有虚拟仿真系统，有效保障了访问系统的安全性。

4.2 便于虚擬仿真系统的统一维护、管理及资源的开放共享

通过云桌面技术可为师生提供云端的操作系统，管理人员可以根据师生教学的需要预先在云端操作系统中安装各类虚拟仿真系统、资源及其插件，使各虚拟仿真系统在一套稳定的云端环境中运行，并能根据虚拟仿真系统的需求对系统持续迭代升级，并能以镜像的形式批量下发给师生，师生能通过云桌面系统访问和使用所需的虚拟仿真系统，实现所有虚拟仿真资源在云桌面环境下的开放和共享，同时管理员能实时监控各终端设备运行的数据，及时发现和解决云桌面系统在运行虚拟仿真系统过程中出现的各类问题，提升虚拟仿真资源利用率。

4.3 虚拟仿真系统使用数据云端备份，缩短故障修复时间

通过云桌面技术为师生分配独立的云桌面环境后，师生可以在个人云桌面操作和使用各类虚拟仿真系统，师生云桌面环境数据都保存在存储服务器中，通过存储服务器集中为所有用户数据做备份处理，当出现人为操作失误删除了某些虚拟仿真系统环境和插件、安装了带病毒软件或者操作系统环境出现问题时，可以快速启用云端恢复机制，避免了因人为操作失误和网络攻击行为而导致的数据被破坏和丢失，有效地缩短了故障的修复时间，便于师生更好地使用虚拟仿真系统。

4.4 降低硬件采购成本，增加硬件使用寿命

云桌面系统将所有计算资源和存储资源都部署在云端，对所有计算资源及存储资源进行集中式管理和部署，所有桌面全部运行在云端，本地访问的硬件终端仅仅需要承载一个基础的系统，在云桌面环境下运行虚拟仿真系统，当虚拟仿真系统升级更新后，仅需要更新云桌面后台服务器计算资源、存储资源等小部分资源的硬件设备，同时云桌面后台能根据师生使用情况动态将资源分配给正在使用系统的师生，在保证师生流畅访问虚拟仿真系统的情况下，最大化地优化各类硬件资源的利用率。使用云桌面后可有效降低终端硬件设备采购成本，延长终端设备的使用寿命。

5 云桌面与虚拟仿真技术融合在教育教学的应用

5.1 辅助教学工作开展，创新教育教学模式

将云桌面与虚拟仿真系统融合应用于教育教学是促进教育教学发展的一种新型技术手段。在传统教学模式中，很多抽象难以理解的理论知识，很难让学生真正理解，利用云桌面教师在上课前可根据教授课程的需要，提前将教学资料同步到云桌面及创建虚拟仿真教学环境，学生在课前通过虚拟仿真系统可直观提前预习和学习各知识点，课程中教师可以根据学生学习情况有针对性地讲解学生难以理解的知识，并通过现场演示和展示进一步加深学生对知识点的理解，课后学生可以使用云桌面及虚拟仿真系统根据个人的自身情况，随时随地在线学习相关课程知识，将以教师教为主的教学模式，变为学生主动学习的模式，能有效提高教学效果和学习效率。

5.2 打造开放型实验实训平台，促进人才培养

如何提高学生实践动手能力一直是学校关注的重点。很多专业由于设备、实验实训条件有限，不能很好地将理论与实践结合起来。通过云桌面与虚拟仿真系统融合能为学生提供开放型的在线实验实训平台，能扩展实验实训教学内容广度和深度、延伸实验实训教学时间和空间，使原来“做不到”“做不好”“做不了”“做不上”的实验实训教学成为可能。通过对实验实训虚拟场景的还原，使学习者可以在其中进行自由探索和自主学习，丰富和完善现有教学手段，消除实验实训教学盲点，激发学生的学习积极性，更好地提高实验实训课程质量，使实验实训教学变得更加生动、丰富。通过增强学生实践能力，以加深学生对知识的掌握，促进学生实践技能的提高，促进学校创新型应用人才培养。

6 结束语

虚拟仿真系统已成为提高教学质量的重要手段，将云桌面技术应用于虚拟仿真系统能解决传统虚拟仿真系统统一维护和管理难度大、安全性差等问题。管理人员能通过云桌面虚拟化平台对师生使用虚拟仿真系统过程中产生的故障进行快速定位并及时修复，以此提升虚拟仿真系统维护和管理的工作效率。同时将本文设计的方案应用于教育教学能有效解决课堂教学、实验实训教学中存在的诸多问题，达到优化教育资源，提高教学质量的目的。

参考文献：

[1] 韦素娟.虚拟仿真实验教学资源用户持续使用意愿研究[J].上饶师范学院学报，2020，40（6）：24-30.

[2] 刘革平，王星.虚拟现实重塑在线教育：学习资源、教学组织与系统平台[J].中国电化教育，2020（11）：87-96.

[3] 汤显峰，沈丽燕，董榕，等.基于云渲染的VR/AR智慧教室的设计与应用[J].现代教育技术，2021，31（5）：82-89.

[4] 王文宜.高等院校虚拟仿真实验教学资源的开放共享机制探讨[J].信息化建设，2015（9）：173.

[5] 李基有，张志龙，张艳莉.线上教学的虚拟仿真平台实践与应用[J].福建电脑，2020，36（9）：25-28.

[6] 祝士明，陈静潇.虚拟现实学习环境的作用、挑战以及应对策略[J].现代教育技术，2019，29（2）：39-45.

[7] 梁伟杰.基于云桌面技术的高校计算机实验室资源共享平台创建[J].电脑与信息技术，2022，30（1）：84-87.

【通联编辑：梁书】