基于虛擬仿真平臺的Linux實驗教學系統設計研究

王舒艷

摘 要：主要針對《Linux操作系統》課程在網上開展的虛擬仿真實驗平臺的現狀、發展趨勢、原理、架構及實施過程進行研究。該虛擬仿真平臺系統提供與Linux操作系統真實實驗相似的實驗環境，為Linux操作系統安裝、管理及配置實驗提供服務并開展應用，方便學生通過互聯網絡即可完成Linux操作系統實驗，提升實踐技能。

關鍵詞：虛擬仿真 實驗教學 Linux操作系統

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）11（c）-0005-02

1 本項目研究目的和意義

1.1 研究目的

網絡虛擬實驗室系統將使學生可以在任何地方做我們的實驗，自己不需要安裝任何復雜的軟件和環境。本課題主要針對網上虛擬實驗室系統的原理、架構及實施過程進行研究，通過構建相關環境進行試驗，并提出自己的改進方案。

通過該平臺，可以實現以下方面。

（1）安裝、配置Linux操作系統，進行自主實驗，并且放心大膽地做實驗，不會擔心操作對設備造成損害，培養學生的創新意識和創新能力。

（2）采用桌面虛擬化技術，可以實現遠程辦公，并且教師和學生可以通過互聯網進入同一實驗，教師可觀看到學生所有操作步驟，并提供實時的幫助，從而實現遠程指導學生實驗。

（3）通過虛擬仿真平臺，學生可通過虛擬化方式在一臺計算機上完成Linux操作系統的安裝、管理、服務器配置等相關實驗內容。虛擬仿真平臺實驗教學系統完全能滿足《Linux操作系統》課程所有實踐性教學任務。該實驗室將24h對學生開放，任何學生（Anyone）在任何時候（Anytime）、任何地點（Anywhere）都能通過“開放性虛擬實驗室”平臺在線進行工程項目的實訓。很好地滿足學生個性化學習和自主學習的需要。

虛擬仿真平臺能夠提升學生的實踐技能，培養學生Linux操作系統的實際操作能力及創新能力，使學生能夠在實踐技能方便得到顯著的提高，能夠有效補充教學時間受限的不足。

1.2 研究意義

實踐教學是國家實施“素質教育”和高等教育“質量工程”，全面提高教育質量的重要內容。實驗教學是培養學生提高實踐技能的一個重要的學習環節，能夠快速提高學生對知識的理解和掌握，幫助學生提高對于Linux操作系統的基礎知識和管理、配置能力。通過虛擬仿真平臺提供的實驗教學系統模擬真實實驗內容，加大學生的實踐能力培養。目前，虛擬實驗教學已經得到了全國實驗室建設指導委員會等相關部門的高度重視。

近年來，網絡設備更新升級很快，實驗室配套條件逐年下降。在實驗室使用過程中各種問題頻出，對于Linux操作系統這種對服務器配置要求較高的課程而言，實驗教學環境已難以滿足日益更新的教學要求。

1.2.1 實驗室成本較高

日常教學中很大程度上依賴實驗室的計算機等設備，需要投入較多的資金、日常管理維護成本也高，而且經常受到機房管理環境變化影響，從而導致正常的教學活動受到影響，降低了學生學習的積極性。

1.2.2 有限的教學時間

實驗教學內容較多，步驟繁瑣，學生出現的錯誤較多，但教學時間有限，教師很難在較短的教學時間內同時指導大量的學生，很多綜合性實驗、設計性實驗無法完成教學目標。

1.2.3 教學目標難以落實

實驗教學培養的目標是學生的實踐技能，但是很多實驗在課上有限的教學時間雖然能夠完成，但學生的熟練度尚未達標，而課下有沒有充足的實驗設備，無法多多練習提升熟練度，導致學生的創新能力也受到限制，僅僅能熟練完成基礎性實驗，而深層次高難度的設計性實驗的缺少實驗條件，影響了學生學習主動性，我們提出了基于虛擬仿真平臺的Linux實驗教學系統的解決方案。

2 本項目研究現狀與發展趨勢

虛擬實驗室（Virtual Laboratory，VL）最早在1989年由威廉·沃爾夫（William Wulf）教授提出。通過虛擬仿真平臺可以讓學生通過虛擬出來的實驗環境及虛擬化的實驗設備，通過軟件或硬件接口技術將真實場景在計算機上呈現出來，方便用戶隨時隨地通過互聯網絡進行實驗操作，不需購買昂貴的實驗設備即可完成相關實驗內容。

虛擬實驗是描述真實實驗的一個教學過程。在傳統的虛擬實驗里，變化過程是預置的，切換圖文畫面就代表了實驗的變化，與實驗者如何參與無關。

從技術的角度看虛擬仿真實驗有以下幾種形式，比如虛擬實驗，通過動畫視頻的方式，下載到本地進行查看運行；或者利用三維技術進行制作，在電腦客戶端安裝相關插件，通過鼠標鍵盤或熱鍵與之進行互動，完成相關實驗，還有就是利用面向對象的集成開發環境等進行軟件開發，可以具有良好的交互性能等多種方式。

目前，微軟的“TechNet 虛擬實驗室”采用先進的桌面虛擬技術，對自己的產品做實驗，但網絡上還沒有Linux操作系統等其他計算機課程開放式的桌面虛擬實驗室，我們的虛擬實驗室系統參考和借鑒微軟的實驗室建立，填補目前網絡上的空白。

3 系統設計

虛擬仿真平臺的功能類似于VMWare“虛擬機”軟件，但與的思路并不相同。VMWare是能夠“同時”運行多個操作系統的一個主系統平臺，而我們的目的是開發基于虛擬仿真平臺的Linux實驗教學系統，在校園網中設計研究可以采用瀏覽器/服務器（B/S，Browse/Server）的架構進行部署，硬件設備包括數據庫服務器、應用程序服務器、虛擬仿真平臺及客戶端，客戶端只需要運行瀏覽器，學生就可以高效地實用虛擬仿真平臺。

首先，根據實驗內容選擇目標進行建模，其次選擇合適的三維建模軟件、虛擬現實軟件最后再選擇合適的軟件開發工具制作虛擬仿真Linux實驗教學系統。

以實驗教學目標為導向，根據不同的實驗教學內容設計，完成實驗內容的虛擬仿真制作，在制作過程中幾何模型可以通過Autodesk公司的3DS Max，Google公司的Sketchup等三維建模軟件制作模型，然后利用虛擬現實軟件添加三維場景和智能交互等功能，進一步還可以利用面向對象的集成開發環境等進行二次開發。

主要完成以下實驗案例。

（1）Linux基礎管理類實驗：Linux系統的安裝；Linux基本管理命令；Linux文件管理；Linux進程管理；VI編輯器；Linux用戶管理。

（2）Linux服務器實驗：網絡環境配置；FTP服務器配置與管理；DNS服務器配置與管理；DHCP服務器配置與管理；Web服務器配置；郵件服務器配置與管理等。

充分利用學校的網絡資源，克服傳統實驗教學的種種限制，充分調動學生的學習積極性。保證學生在課下可以進行實踐技能練習，提升Linux操作系統的管理配置技能，達到學生進行仿真實訓的需要。

4 系統特點

該軟件的實現，可以無需新建Linux專用機房，使得Linux操作系統的相關課程實驗可以在普通機房實現配置，無需高配置就可達到教學目的，同時節省了機房建設資金投入。本項目提供網絡實驗教學的立體化教學與管理功能，在此基礎上可建立針對不同課程的虛擬實驗平臺教學系統，從而為學校減少對硬件的投資，同時避免因設備的更新和維護而浪費更多的時間和精力。

Linux操作系統能夠在計算機上建立虛擬仿真實驗室環境，提供Linux操作系統的虛擬仿真實驗教學系統，使學生在互聯網上通過瀏覽器客戶端即可完成相關實驗內容，提升實踐技能、達到教學目標。但仍有很多不足，管理平臺缺少分數統計、在線討論等模塊，對于Linux操作系統的一些細節化的功能操作現在也不完善，在以后的研究中將會再進行提升。

參考文獻

[1] 李春娥.計算機軟件虛擬仿真實驗教學系統設計[J].科技經濟導刊，2016（24）：17，20.

[2] 李輝發.計算機網絡虛擬實驗教學平臺的設計與實現[D].河北農業大學，2015.