基于虛擬桌面的IT實驗室系統設計

[摘要]以用戶為中心，有效提高實驗教學效率和效果是計算機課程實驗教學所追求的核心目標。但如何確保實驗環境的安全性，減少實驗環境部署和維護的操作復雜性和工作量，并有效支持計算機課程大作業的收發與評價，是當前研究的難點與熱點。該研究針對當前計算機實驗教學存在的主要問題，面向以用戶為中心的計算模式，設計了基于虛擬桌面的IT實驗室系統，并以《計算機基礎》課程實驗教學為例，測試和驗證了系統在計算機實驗教學方面的應用效果。

[關鍵詞]虛擬桌面；虛擬化技術；以用戶為中心；實驗教學

[中圖分類號]G40-057 [文獻標識碼]A [論文編號]1009-8097(2012)05-0111-05一 引言

實驗是教學中的重要環節，學習者通過動手實驗或訓練來獲取知識或技能，探索新的領域。計算機學科各類專業實驗室在培養學生的計算思維能力以及實踐操作技能等方面發揮著重要作用。

近年來，高校教育信息化建設有效地推動了學校網絡基礎設施建設和信息系統建設，尤其是計算機學科領域的各類實驗室建設。針對計算機課程實驗教學情況，我們深入調研了部分院校，教育層次涵蓋了中等職業教育、高等職業教育和普通高等教育，且調研地主要分布在信息化水平較高的地區。調研發現，實際的實驗教學中存在較多令人頭疼的問題。透過這些表象的背后，我們不禁思考，到底是什么原因造成實驗教學的諸多問題呢?

1 實驗環境的異構性影響了系統的兼容性和可擴展性

計算機課程實驗由于實驗內容面大量廣，不同的實驗對象涉及不同的操作環境，因此，對于集成的實驗教學系統來講，如何解決異構問題是決定系統的兼容性、可擴展性、穩定性和可用性的關鍵。

2 計算機課程對實驗環境的安全性要求較高

計算機核心實驗課程，如網絡技術、程序設計與數據庫設計等，學生在做實驗或運行程序時，常常造成PC機物理硬件或是應用軟件的損壞，更嚴重的將造成系統文件破壞，導致系統進入死循環、死機等現象，且不能迅速恢復。

3 實驗環境的維護與恢復操作麻煩，嚴重影響實驗教學效率

調研發現，在實際實驗教學中，實驗環境的搭建往往是通過手動完成的，操作步驟繁瑣，通常占用較多時間。而一旦出現問題，往往要重新手動部署實驗環境，嚴重影響實驗效率。同時，由于不同班級的學生共用一個機房，一場實驗結束后，實驗環境往往不能立即恢復到初始狀態，也在某種程度上影響了實驗教學效率。

4 計算機實驗課程大作業的收發與評價管理耗時耗力

無論是大規模的程序作業，還是學生創作的其他作品，從作業收發管理到作業的評價與統計，無疑都存在著量大耗時的問題，是當前的教學管理平臺難以實現的。

另外，在實驗教學方面，教學手段單一，實驗模式固化，實驗用例不能及時更新造成的有效實驗資源匱乏，實驗環境缺乏交互，評價方式落后等也是當前實驗教學中存在的突出問題。

以用戶為中心，基于用戶的核心需求提高實驗教學效率和效果是計算機課程實驗教學所追求的核心目標。針對上述問題，只有應用新的IT技術和網絡技術，實現以用戶為中心的計算模式，建設強大的新一代實驗教學平臺，才能實現計算機課程的深化改革。

以用戶為中心的計算強調用戶可以隨時隨地按需獲取高安全性和高可用性的數據和教育應用。它不僅具有極大的靈活敏捷性，又具有極強的適應性，能夠給用戶帶來靈活的高性能計算體驗。因此，以用戶為中心的計算是提高計算機實驗教學效率和效果的有效途徑之一。二 虛擬化技術概述

虛擬化技術是實現以用戶為中心計算模式的催化劑。早在1960年，IBM的CP-40就已經實現了“完全虛擬化”。在其上運行了14個IBM S/360的虛擬機，每一個虛擬機上擁有256KB的內存，并且可以映射到不同的硬盤分區上，更可以使用共享的資源，并且也提供了安全上的功能。虛擬化技術通過虛擬機監視器(Virtual Machine Monitor，VMM)把一個硬件虛擬成多個虛擬機(Virtual Machine，VM)，各VM之間可以認為是完全隔離的。無論是內存、設備，還是處理器等對各VM來講，都是彼此獨立的，即在VM上可以運行任何操作系統，而不會對其他的VM產生影響。

虛擬化技術可以將物理資源等底層千差萬別的資源進行抽象，使得設備的差異和兼容性對上層應用透明，從而允許上層應用對底層異構資源的統一管理和訪問。此外，虛擬化簡化了應用開發的工作，使得開發人員專注于業務邏輯，而不需要考慮底層資源的供給與調度。在虛擬化技術中，這些應用和服務駐留在各自的虛擬機上，有效地形成了隔離，一個應用的崩潰不至于影響到其他應用和服務的正常運行。不僅如此，運用虛擬化技術還可以隨時方便地進行資源調度，實現資源的按需分配，應用和服務既不會因為缺乏資源而性能下降，也不會由于長期處于空閑狀態而造成資源的浪費。最后，虛擬機的易創建性使應用和服務可以擁有更多的虛擬機來進行容錯和災難恢復，從而提高了自身的可靠性和可用性。

目前，虛擬化技術已較為成熟。虛擬化的主要類型包括硬件虛擬化、軟件系統虛擬化、虛擬內存、存儲虛擬化、網絡虛擬化、桌面虛擬化和數據庫虛擬化等。其中，桌面虛擬化是將計算機的桌面進行虛擬化，以達到桌面使用的安全性和靈活性。通過虛擬桌面，用戶可以通過任何設備，在任何地點，任何時間訪問在網絡上的屬于用戶個人的桌面系統。三 基于虛擬桌面的IT實驗室系統設計

1 桌面虛擬化技術

針對實驗環境部署與維護操作的復雜性，并考慮到實驗環境的高安全性要求，本研究采用VMware View桌面虛擬化軟件來簡化IT管理，提高終端用戶的安全性和控制力。VMrare View能夠實現兼具有高可用性、可擴展性、安全性和可靠性的桌面服務，這些特性是物理PC所無法企及的。通過跨不同地點提供具有最高保真度的性能和用戶體驗，采用PCoIP(PC-over-IP)的VMwarc View可為用戶提供豐富的個性化虛擬桌面，用于訪問IT實驗室的實驗教學應用程序。

VMware View是桌面和應用程序虛擬化技術最完整的解決方案，它通過將應用程序、數據和操作系統與端點分離，并將這些組件轉移到數據中心，以實現集中統一管理。桌面和應用程序虛擬化為計算機課程實驗教學提供了一種更加精簡和安全的方法來管理用戶和提供可按需訪問的敏捷桌面服務。

2 基于虛擬桌面的IT實驗室系統設計

針對當前計算機課程實驗教學中存在的突出問題，本研究設計了基于虛擬桌面的IT實驗室。

該系統提供IT專業技能實驗教學的全方位支持，以IT專業領域技能的培養與提高為目標，以問題解決理論為向導，創設高度交互的實驗情境，實現資源更新與維護、教學管理、實驗訓練、作業收發與自動化評價和考核統計等功能。其系統架構圖如圖2所示。

vSphere是一個完整的IT架構解決方案，由底層的架構服務(Infrastructure Service)、應用服務(Application Service)，神經中樞VMware vCenter和虛擬機(Virtual Machine，VM)組成。

架構服務的主要功能是完成資源集成和資源虛擬化，將虛擬的硬件資源向上提供給VM使用。它包括運算部分的vComputer、存儲部分的vStorage以及網絡部分的vNetwork。vComputer涵蓋了ESX/ESXi和分布式資源調度(DistributedResource Scheduler，DRS)。其中，ESX/ESXi服務器是vSphere的靈魂。如上圖2所示，其功能是將服務器虛擬為多個虛擬機操作平臺，這些虛擬機的數量和性能可以根據實驗教學的具體需求而隨時配置和調整，結合實際實驗內容，虛擬機操作平臺在實驗過程中可有效支持學生的個性化實驗訓練。DRS可以在從硬件資源聚集到邏輯資源池的過程中實現動態的合理的分配資源和不斷平衡不同應用程序的優先權。

應用服務通過資源調度和動態轉移等資源管理機制，為VM上的實驗教學功能提供可用性、安全性和可擴展性的絕對保證。首先，在可用性方面，VMofion和Hi曲Availabiliy(HA)可以把VM從一臺物理服務器轉移到另一臺上，從而保證服務永遠不會中斷。其次，在安全性方面，VMSafe能夠保證虛擬機的網絡安全。另外，在可擴展性方面，vsDhere支持計算機的橫向升級，用更多的物理服務器來添加效能。

VMware vCenter是vSDhere的神經中樞，用來實現對ESX的中央總控和集中管理。

虛擬機VM是真正運行IT實驗室系統的地方，因此是最重要的部件。

采用虛擬化傳輸協議PCoIP fPC-ove-IP)，VMwareView可為用戶提供豐富的個性化虛擬桌面，用于訪問IT實驗室的實驗教學應用程序。

3 IT實驗室系統核心功能

本研究所設計的IT實驗室系統是一款基于Intemet的實驗教學軟件。該系統集成了多門計算機課程核心實驗子系統，虛擬化技術能夠有效解決系統異構問題，從而增強系統的兼容性、可擴展性、穩定性和可用性?；谧烂嫣摂M化技術的IT實驗室具有以下核心功能：

(1)計算機課程實驗教學的多方位支持。IT實驗教學系統提供了從教師備課到最終課程考核的多方位支持，包括課程資源庫的不斷更新與維護、教學設計與組織開展、作業收發與批改、實驗設計與訓練、考核管理與統計等流程化服務。同時，實驗室管理平臺支持用戶管理、教學管理和實驗室資源管理。

(2)優質的實驗教學案例資源。優質資源是保證IT技能培養與提高的有效保障。IT實驗室實驗教學系統提供高可用性、易獲取的、優質豐富的實驗教學案例資源，旨在充分調動學習者的積極性，并滿足學習者大量練習的需求。

(3)計算機專業領域技能的培養與提高。IT實驗室以優質豐富的IT操作案例資源為基礎，通過創設有意義的問題解決情境，使學習者“在做中學”的過程中，不斷提高IT專業領域技能。

(4)高度交互、面向問題解決的專業化實驗教學環境。IT實驗教學系統通過即時反饋功能，支持實時診斷與評價，指出錯誤原因、提出學習建議和操作示范，及時更正錯誤操作，在高度交互的實驗環境中，不斷提供并優化技能學習支持服務。同時，IT實驗教學系統以學習者的職業發展為目標，緊密結合當前IT專業技能訓練的不同專業技能需求與要求，通過創設有意義的問題解決情境，有效支持學習者在解決問題過程中培養和提高IT專業技能水平。

(5)體驗式實驗訓練活動設計。多年實踐表明，已有實驗訓練平臺iTutor[5]中的“做中學”實驗訓練方法是實現技能水平提高的有效方式。IT實驗教學系統以體驗式學習為設計理念，擯棄了傳統實驗中既定的實驗模式與套路，使得學生可以根據實驗目標與已有條件進行開放性實驗訓練，充分發揮其創新思維能力和施展創作才能，在體驗中獲得與提高IT專業技能。

(6)以自動化測評為中心的多元評價體系。以自動化測評技術為核心的IT技能自動化評價，能夠有效地減輕教師負擔。同時，系統支持大作業的同伴評價和教師評價等多元評價方式。

(7)便捷的技能考核組織與管理。方便快捷的考場部署方案和自動化測評技術，有效支持技能考核的順利組織與開展。四 IT實驗室環境下的《計算機基礎》實驗教學

為了提升以用戶為中心的實驗教學新體驗，提高實驗教學的效率，我們在Dell R900服務器上部署VMware vSphRe整體架構，將其作為服務器。其中VMware ESX虛擬化軟件將vSphere服務器虛擬為80個虛擬機操作平臺。結合《計算機基礎》課程，本研究以IT實驗室系統在《計算機基礎》課程實驗教學中的應用為例，設計、測試和驗證了系統在計算機實驗教學方面的應用效果。

1 用戶通過虛擬桌面登錄Ⅱ實驗室

傳統的實驗系統登錄之前，管理員需要在機房的每一臺PC機上手動安裝實驗所需的應用軟件，并至少確保局域網環境暢通；教師需要手動配置和部署實驗系統，添加實驗教學資源；之后，學生需要通過賬號登錄實驗系統進行實驗訓練。傳統的實驗系統登錄界面如圖3所示。

IT實驗室以虛擬化技術為基礎，通過標準化環境建設實現實驗室環境部署，通過虛擬化資源池建設實現安全可靠的實驗室環境搭建，通過自動化方式實現實驗資源的申請、回收、監控和管理，通過虛擬桌面的方式實現遠程訪問。因此，可以有效確保實驗環境的安全性，減少實驗環境部署和運維的復雜性和工作量。圖4為學生通過虛擬桌面的方式登錄實驗

2 高度交互的實驗教學環境

IT實驗教學系統中，學生通過交互面板實現與系統的高度交互。系統支持實時診斷與評價，通過即時反饋功能，系統能夠指出學生當前技能操作的錯誤原因、提出學習建議，

3 支持大作業的收發與評價管理

教學實踐表明，大作業是充分發揮學生創作技能和綜合素質的有效作業形式。本研究過程中，學生所提交的大作業規模較大，一般超過20M，因此，一般的教學管理平臺往往受到作業規模的限制，教師不得不通過FTP服務等方式對學生大作業進行單獨管理，耗時耗力。IT實驗室在作業服務器的教學的操作界面。并提供操作示范，提供并優化技能學習支持服務，使得學生能夠及時更正錯誤操作，在高度交互的實驗環境中不斷提高技能掌握水平。圖5是學生在《計算機基礎》課程實驗中練習word操作技能的高度交互的實驗教學環境操作界面。支持下，能夠高效能地實現較大規模大作業的管理和統計?！队嬎銠C基礎》課程中，學生需要運用所學的操作技能，進行自我創造，完成并提交～系列的大作業。圖6為教師端的Power Point大作業管理與評價操作界面。教師可以直接通過縮略圖直觀地查看學生的作業內容并批改。五 總結

以用戶為中心，基于用戶的核心需求提高實驗教學效率和效果是計算機課程實驗教學所追求的目標。以用戶為中心的計算模式是解決當前計算機課程實驗教學的有效辦法。桌面虛擬化技術是實現以用戶為中心計算模式的途徑之一。一方面，從系統架構的角度分析，基于虛擬桌面的IT實驗室綜合解決方案能夠解決實驗環境的異構性問題，確保實驗環境的安全性，減少實驗環境部署和運維的復雜性和工作量，從而極大地提高實驗教學效率，為計算機實驗教學提供技術支持和實施方案；另一方面，從系統功能的角度分析，基于虛擬桌面的IT實驗室綜合解決方案可以有效支持學生大作業的收發管理、IT技能的自動化評價和即時高效的自動化反饋功能，從而減少實驗管理員和教師的工作量，使教師能夠集中精力于實驗教學，使學生能夠專注于實驗訓練，真正實現以用戶為中心的計算機課程實驗教學，從而有效地提高實驗教學效果。