郭芬 GUO Fen；李静锴 LI Jing-kai；张安定 ZHANG An-ding
（华南理工大学，广州 510006）
（South China University of Technology，Guangzhou 510006，China）
摘要：本科实验教学课程是本科教学的重要组成部分，传统实验教学中心的模式已不能适应计算机软件专业的发展和需求。本文针对传统实验教学平台存在的问题，充分利用桌面云技术的优势，构建基于桌面云的实验教学平台。该平台面向实验教学过程的各个环节，涉及到实验室的管理、学生上机实验的考勤和管理、实验教学镜像的制作、服务器集群的监控等过程。学生可通过本文构建的桌面云实验教学平台按需自助的通过云终端获取实验资源，从而最大化满足学生对学习资源的需求。同时该平台有利于教师教学资源及教学成果的共享，从而提高实验教学的质量，促进学院学科建设的发展。
Abstract： Experimental teaching is very important for university teaching， and the traditional experiment teaching mode can not adapt to the development of computer software. An teaching platform for experiment is constructed， which is based on the cloud desktop. The platform takes each factor for experiment teaching into account， involving the management of laboratory， attendance of students， setting up of environment image， and server cluster monitoring， etc. The experiment teaching platform can meet the needs of students in learning resources as best as it can， students can access to the resources on-demand self-service via cloud terminal. At the same time， it is beneficial for teaching resources sharing so as to improve the quality of experiment teaching.
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关键词 ：桌面云；实验教学平台；构建
Key words： cloud desktop；experiment teaching platform；construction
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）19-0247-03
课题项目：本文获得省级产学研结合项目：“具有社交化功能的汉字书写教育学习机”（项目编号：2012B091100396）支持；广东省省级科技计划项目：“面向Android智能移动终端的桌面云平台”（项目编号：2013B090500062）支持；校极教改项目：基于ACM模式的《C++高级程序设计方法》探索性实验课程改革 （x2rj-Y1150270）。
作者简介：郭芬（1979-），女，湖南沅江人，博士，华南理工大学教师，研究方向为服务计算与先进计算。
0 引言
本科实验教学课程是本科教学的重要组成部分。传统实验教学中心的模式已不能适应计算机软件专业的发展和需求，譬如教师需提前申请某时段的实验教学系统的使用权限及所需软件，而管理员则针对需求每台实验设备上布置实验教学系统，从而影响实验教学的实施效率[1，2]。另外，某些专业课程的实验操作对主机的配置要求比较高，学院需要定期按峰值需求升级或更新设备，这容易造成硬件资源的浪费并增加实验教学成本。桌面云教学实验平台作为虚拟化技术的主要应用之一，教师可使用终端设备通过网络访问按需自助地设置桌面环境，而学生则可使用终端快速使用云桌面，从而提高实验教学的效率。同时，桌面云教学实验平台将硬件资源虚拟化成资源池，以共享的方式提供给所有用户，从而能最大化硬件资源的利用率，达到节能高效的效果[3-5]。
本文针对传统实验教学平台存在的问题，充分利用桌面云技术的优势，构建基于桌面云的实验教学平台，旨在有效降低传统实验教学过程中的人力成本和资源耗费，提升实验教学过程整体效率。该平台面向实验教学过程的各个环节，基于桌面云技术，对教务数据管理、实验教学过程管理、镜像管理和基本的集群管理等进行研究与实现，涉及到实验室的管理、学生上机实验的考勤和管理、实验教学镜像的制作、服务器集群的监控等过程。
1 平台体系结构
平台体系结构如图1所示，主要包含了混合型桌面云服务端和实验教学系统。
1.1 混合型桌面云服务端 服务端包括基于云服务端构建的资源池、资源池监控管理系统和通信通道等。资源池中的服务器节点通过QEMU-KVM框架提供底层虚拟化运行环境，而资源池监控管理系统通过TCP协议连接到这些服务器节点的Libvirt守护进程，借助Libvirt库实现对物理资源和虚拟资源的监控管理。资源池监控管理系统和资源池共同构成了混合型桌面云服务端，并为上层应用通过统一的标准化API提供底层服务。上层应用的服务端通过调用API获得底层服务。
1.2 实验教学系统 基于桌面云的实验教学系统用C/S架构实现了一整套实验教学系统的功能与业务逻辑，该系统主要包括两大部分，一是Windows平台客户端：为终端用户提供相应教学实验相关的操作界面和功能入口；二是实验教学后台服务端：为教师、学生和系统管理员提供云端虚拟桌面。体系结构如图2所示。
1.2.1 实验教学系统Windows客户端 客户端主要为各个角色提供相应的、教学实验相关的操作界面和功能入口，实现对实验教学过程更高效的管理。客户端不需要拥有任何实验环境，只需要通过统一入口即可使用所有教学实验资源。包括教务数据管理模块、实验教学过程管理模块、镜像功能模块及集群管理模块、个人功能模块等。客户端主要功能包括与服务端建立网络连接、针对不同的桌面数据利用相应的数据通道进行数据传输、对数据的处理、命令参数的处理、协议配置、数据包封装与解析、图形渲染和音视频数据处理等。其软件架构图如3所示。
1.2.2 实验教学服务端 后台服务端的桌面虚拟化实现主要为学生、管理员提供云端虚拟机的功能，从而实现了将教学环境和本地主机进行分离的目的。
2 实验教学功能组成
实验教学系统服务端的功能主要包括教务数据管理，如对教师、学生、教务员、实验室、课程、班级、时段课表、学期等数据的管理；实验教学过程管理，如实验室申请、时段申请审核等；镜像功能，如登录云端虚拟机、镜像派生、镜像制作等；虚拟机应用资源管理，如上传应用软件到资源池、归档资源池中的应用软件、删除应用软件等。总体功能结构如图4所示。
2.1 教务数据管理模块 该模块主要用于对实验教学整个流程中涉及的教务数据，包括学生账号、教师账号、教务员账号、班级、课程、实验室、时段课表、学期以及相互之间的关联关系进行有效的管理，涉及单个创建、批量创建、单个导入、批量导入、删除等操作。
2.2 实验教学过程管理模块 该模块主要对实验教学的前期准备过程进行管理，主要涉及实验室申请、实验室申请审核，还涉及到实验环境配置、课程地点查看等操作。
2.3镜像功能模块 该模块主要实现镜像相关的各项功能，包括学生登录课程派生镜像、管理员登录模板镜像、基于模板镜像的学生专属镜像派生、模板镜像的制作以及镜像更改的提交（用于管理员安装实验环境）等。
2.4 集群管理模块 该模块主要为管理员实现了基本的集群管理功能，主要针对虚拟资源池的物理主机、主机上运行的虚拟机进行监控管理，涉及到动态监控（实时监控）和静态监控（查看基本配置信息）等。
2.5 个人功能模块 该模块主要为各个用户角色，包括学生、教师、教务员、管理员提供用户登录、修改密码、用户退出的功能。
3 平台应用效果
当前软件专业各种课程的开发性、设计性实验较多，知识面相当广泛，涉及交叉学科、多学科知识，传统的实验平台可能无法满足学生的需求。桌面云实验教学平台在教学中的应用使得学生对学习资源的需求可得到最大化的满足。学生可便捷地按需自助地使用资源池中的所有学习资源，从而为学生的实践与创新能力培养提供有效的实验平台。具体如下。
3.1 基于云计算的实验室具有开放性、模块化、可重复使用及互换性特点，可拓展虚拟仪器的使用范围，实现实验数据共享，为多人协同的大型实验提供有利的条件；
3.2 通过虚拟化技术构建的桌面云实验教学系统，可以培养学生的创新思维和分析问题、解决问题的能力，达到与实验室的真实实验同样的效果；
3.3 基于云计算的开放实验平台为学生提供对同一实验过程进行不同观察和分析的机会，帮助学生加深对实验的理解，提高认知能力；
3.4 基于云计算的虚拟环境可以设计出可供学生选择的、丰富的学习资源，学生可以根据现实实验的要求，在虚拟实验的过程中进行课程预操作，利于问题的发现并能向教师及时反馈疑难点，这可帮助教师对这些问题进行收集、分析和改进。
4 结语
本文构建的桌面云实验教学平台可最大化满足学生对学习资源的需求，学生可便捷地按需自助地使用资源池中的所有学习资源，从而为学生的实践与创新能力培养提供有效的实验平台；本项目基于桌面云实验教学平台的教学模式将有利于教师教学资源及教学成果的共享，也有利于学生按需自助的通过云终端获取实验资源，从而提高实验教学的质量，促进学院学科建设的发展。
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参考文献：
[1]崔贯勋.基于云计算技术的计算机实验教学平台[J].实验室研究与探索，2013（10）.
[2]陈冬林，付敏，陈玲.基于混合云的高校实验教学平台建设模式研究[J].实验技术与管理，2013（05）.
[3]张浩军，赵玉娟，王晓松.建设一体化实践教学平台 培养卓越软件人才[J].实验室研究与探索，2013（10）.
[4]毛杰，桑世庆.基于云桌面技术的服务外包人才培养教学平台建设[J].科技通报，2013（12）.
[5]蒋宁，李文，李鸿彬.基于Hadoop的云计算辅助教学平台研究[J].中国远程教育，2012（09）.