虚拟云技术在实验教学的应用论文
时间：2021-08-31摘要：当前云技术、虚拟化技术在高校实验教学管理中得到被越来越广泛的应用，通过云技术和虚拟化技术的有效结合能够大大提高实验教学资源的共享和利用率，以及计算机实验室的服务支撑能力。本文以搭建的私有云桌面平台为支撑，对虚拟云技术的计算机实验室建设管理进行研究，从而实现专业实验教学的由点及面、理论到应用、涵盖原理及创新的多层次实验教学，并且以学生为本出发，满足不同层次学生的实验需求，帮助学生获得最大的学习空间。
关键字：云技术；虚拟化；实验室建设管理
随着信息化社会的迅速发展，云技术、大数据、“互联网+”等概念的提出，计算机在各行各业得到了越来越广泛的应用。为了加强专业学生的动手实践能力，计算机实验室的使用率在逐年提升，如何提升实验室的利用效率，强化学生的综合实力，满足学生实验方式的个性化、多样化需求，充分发挥现有资源完成教师教学和科研任务，将成为实验室管理人员亟需解决的重要难题。
1、传统实验室管理方式下的现状
（1）由于学科建设和定位的不同，各专业对学生的培养方向也不同，不同年级不同专业所开设的课程存在较大差异，为了满足实验教学和教师科研环境的需求，经常需要对实验室的相关软件进行更新和重新配置，容易导致系统文件的破损，软件不能正常使用。
（2）同一操作系统下不同科目的课程使用的软件版本不同，给实验室管理员对实验环境的部署带来不便[1]。例如，实验教学中不同教师对于Visualstudio软件的版本要求不同，虽然同时安装各种版本的软件会满足不同课程的需要，但过度安装会影响机器的运行速度，造成资源的极大浪费。
（3）为了满足基础教学、实习实训等方面的需求，计算机实验室通常是进行大规模建设，硬件设备的投入十分巨大，但随着互联网行业对人才需求的不断变化，课程设置及所需软件对硬件的需求也在不断提高，同时硬件设备存在3到5年的更换周期，这些淘汰的固定资产的存放和再利用给学校带来了不小的压力。
（4）实验教学环节的上课时间有限而且固定，充分利用课外时间完成和复习所学知识是学习过程中的有效解决途径。但教学环境本身不具备灵活性和转移性，特定的软件对操作的要求不同，导致学生很难在个人计算机上安装和使用，课后实验无法继续进行，造成理论与实践的脱节。
（5）实验室是提供教学环境的公共场所，由于不当的上网方式和移动设备的交叉使用，容易造成病毒的传播和扩散，使一些软件甚至硬件频遭攻击和破坏，增加实验室的管理工作量，影响正常的教学活动[2]。为了避免这种情况的发生，管理人员通常为机器安装还原软件，保持基本的上课环境不受影响，但却给学生的课后实践练习带来不便，比如不及时存盘造成文件丢失、无法自主安装所需要的软件等。
2、虚拟化技术
随着数据规模的日益增加，计算成本的逐渐上升，数据之间的管理越来越复杂，云技术的提出可以有效的解决这些难题。虚拟化技术作为云计算系统中的关键技术，可以将原来孤立的物理资源进行抽象整合，实现资源的动态分配和调度，提高现有资源的利用率和服务可靠性，降低运维成本，使数据更加安全。虚拟化技术是指在硬件条件确定的前提下，为用户创建一个完整的虚拟操作系统，这个操作系统拥有虚拟的CPU和内存，可以有效的提高资源的利用率和系统的安全性。对于机器的硬件层，其核心部件包括CPU、内存及I/O设备，某一个进程若想在这个硬件上运行，则需要对以上核心部件拥有绝对的管理权，这样不便于多个进程的同时进行[3,4]。为了解决这一弊端，需要在运行的软件和硬件之间建立一个资源管理软件层，即对硬件平台的抽象系统调用接口，这个中间层让虚拟机管理器（VMM）可以控制用户操作系统如何有序的使用软件资源，以上便是虚拟化技术的运行机制。
3、虚拟云桌面的实现
虚拟云桌面是云计算的典型应用，能够在终端提供远程的计算机桌面服务[5]。虚拟云桌面是通过远程服务器所提供的虚拟软件和操作系统，以视图的方式发送给客户端，终端的所有操作实际都在服务器上进行，共享服务器的存储资源，完成操作后可以对任务进行实时提交，监控资源的利用效率，及时释放低利用率资源，保证资源的合理利用。
3.1云平台的`设计原理
面对实验室的各种管理难题，例如软件的多样性、复杂性、对硬件系统的要求逐渐提高、针对数据的存储和共享难度加大等问题，加大了管理人员的工作量，同时对技术的要求也更加苛刻。而基于虚拟化的云平台桌面实现了桌面应用环境与终端设备的分离，用户的桌面环境集中部署于数据中心服务器上的虚拟机中运行。用户通过网络访问虚拟桌面，并且能够获得与使用本地终端相同的效果，如图1所示。通过集中化管理方式，让系统管理员拥有比传统终端更有效的控制和管理权限，并可以根据用户的实际应用软件，及时按需交付应用桌面，大大的减轻了实验室管理人员的工作量。
3.2云平台的构成
桌面虚拟化应用是一个系统工程，需要有服务器、网络环境、终端设备及软件兼容性等多方面的统一配合。完整的云桌面方案包括：
（1）主控节点：部署在服务器上的虚拟化软件，只需配置一台服务器作为主控节点，即可通过主控节点管理整个服务器集群。同时主控节点有权限创建新的虚拟机提供给用户使用。
（2）计算节点：部署在服务器上的虚拟化软件，以KVM为基础提供虚拟化层，虚拟化物理服务器的CPU、内存、存储以及网络资源，并将其分配给多台虚拟机。
（3）管理平台：B/S架构的单一管理模式，任意与服务器在同一网段的终端通过浏览器直接访问主控机的虚拟桌面管理平台，实现服务器虚拟化IT架构以及虚拟桌面的统一管理。虚拟云平台的架构可以真正实现通过网络将定制的桌面系统实时交付给用户，而用户可以通过不同类型的终端如PC机、笔记本、智能设备随时随地进入学习场景，开启一种新型的全开放式学习新模式。
3.3桌面虚拟化的实现
桌面虚拟化的技术主流主要包括瘦客端和非瘦客端两种模式，他们的共同点是：在网络环境允许的情况下，在服务器启动下都可以选择所需要的镜像。不同点是：瘦客端的所有数据存在于服务器中，非瘦客端将个人终端做为客户端。针对学院的教学环境和实际要求，实验室主要采用非瘦客端做为虚拟桌面的实现平台，实施建设主要分以下几方面：
（1）对服务器的相应磁盘采用NTFS文件格式，安装虚拟化软件，如物理服务器已经存在操作系统，则此安装会覆盖之前的操作系统，安装完毕后，对电源、网络信息等参数进行设置和优化。
（2）配置挂载任务。为服务器配置存储，分配操作系统安装目录，设置网卡IP地址，DNS、主机名、通信密钥等信息，如果配置服务的过程中只有一台服务器，则安装后初始化为主控节点即可，如有多台服务器存在，则需要初始化一台为主控节点，其他服务器在管理台添加为计算节点。以上操作完成后，则可以基本完成管理端与服务器端的连接。
（3）在客户端安装虚拟软件，安装完成后重启终端，由于操作系统预先存于主服务器端，即可直接实现客户端的登录操作，终端与服务器通过WEB设置相关信息建立连接，设置密码以便进行匹配验证。
（4）启动任意客户端，进行密码验证后，设置系统上传命令，可将操作系统镜像上传至服务器目标目录[6]。通过以上的操作，即可完成实验室虚拟云桌面的部署和搭建。测试成功后，终端的登录方式已由原来的单一操作界面增加了个人桌面和教学桌面多种场景模式，能够有效的提高实验室环境的部署效率，解决还原软件在实验室管理工作中形成的瓶颈问题，使虚拟化技术在运维管理方面得到了充分应用。
4、小结
培养学生的实践操作能力是高校教学环节中非常重要的组成部分，低配的终端设备已无法实现教学模式的创新，影响学生个性化的学习活动和教学实验的开展。虚拟化云桌面的实现不仅解决了实验教学环境面临的诸多问题，还通过云技术和虚拟桌面技术的有效结合实现了快速部署实验环境和故障机器的排查，使实验室管理人员可以轻松的管理千台终端，极大的减少整体运维成本。
参考文献
[1]曾阳艳.基于虚拟云技术的实验室建设和管理[J].电脑知识与技术,2015(18).
[2]高云霞,高景刚.基于云计算的高校虚拟实验教学研究[J].制造业自动化,2013(8).
[3]胡旭.计算机实验教学中虚拟化技术的应用[J].中国管理信息化,2017(3).
[4]邹永康.桌面云技术在高校计算机类实验室建设中的应用[J].重庆文理学院学报,2016(5).
[5]姜宁,何婧媛,牛永洁.基于虚拟云桌面的高校计算机实验室管理[J].延安大学学报(自然科学版),2016(3).
[6]陈志雄.高校计算机实验室管理技术探讨[J].电脑知识与技术,2016(19).
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