基于Xenserver的虛擬網絡實驗平臺建設

宋皓軒++崔艷德++王永帥

摘要：為方便課堂教學質量，提高學生創新實驗能力，虛擬實驗提供了新的途徑和發展空間。結合國家創新發展理念，以科學文化理論知識為基礎，充分利用現代信息網絡與仿真軟件，本實驗平臺的構建是基于Xenserver以Multisim軟件為依托的模擬電子技術虛擬網絡實驗平臺。該平臺集體驗式學習，探究性學習，輕松化學習于一體，深入不間斷的學習方式，使得實驗學習時間可以無限延伸。使學生深刻地理解并掌握實驗內容，從而達到提高實驗效果的目的，同時實驗平臺建設將進一步推進虛擬實驗的創新發展。

關鍵詞：Xenserver；虛擬實驗；創新；模擬電子技術

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）26-0023-03

模擬電子技術是電氣，電子類專業基礎課程，模擬電子技術實驗則是以理論為導向，將課堂知識與實驗相結合，真正使學生在實驗中學有所用，學有所得。但模擬電子技術實驗具有原理復雜、操作繁瑣、要求較高、效果差的特點，而且單獨的仿真軟件又不具備在線交流，深入探究的功能，因此建設基于multisim的模擬電子技術虛擬網絡實驗平臺可趨利避害。虛擬網絡實驗平臺不僅彌補了實驗器材缺乏、損耗，實驗室空間不足等問題，而且可以很好地將學生融入其中，使其學有所樂，樂有所得。同時虛擬網絡實驗平臺不僅包括模擬電子技術基礎實驗，而且對于綜合型、設計型實驗，學生也可在此基礎上自行發揮與探究，與其他同學交流學習。因此建設虛擬網絡實驗平臺對于培養出基礎扎實、知識面廣、實驗能力強、創新意識高的人才具有較大的實踐意義。

1虛擬網絡實驗平臺發展必要性

1.1國內虛擬現實技術研究現狀

虛擬現實技術是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統，同時虛擬實驗是信息化、模擬化教學的一個重要組成部分。根據我國的科技發展國情，制定了開展虛擬現實技術的各項研究。名勝旅游、展出展館、工業仿真以及國家自然科學基金委、國家高技術研究發展計劃等都把虛擬現實技術列入研究項目。在緊跟虛擬技術發展的同時，國內一些高校，已積極投入到了這一領域的研究，比如北京師范大學基于虛擬空間的三維電子線路實驗環境，上海交通大學的機器人遠程控制系統，中國科學技術大學的物理實驗虛擬仿真系統，浙江大學化學虛擬實驗操作等都為虛擬實驗發展開辟了道路。

本平臺為石家莊鐵道大學遠程訪問虛擬機仿真實驗系統為高校實驗平臺建設提出新的理論與途徑。緊跟虛擬技術發展的腳步，力求創新。

1.2 現實實驗面臨的問題

1）電學實驗等由于自身具有實驗原理復雜，連線困難，操作不易等特點，學生總是望而生畏，實驗課上畏手畏腳，實驗課下敷衍了事。這給高校實驗教學質量帶來嚴重影響。

2）實驗器材耗損問題，由于現實實驗保護措施不足或者學生操作不當等原因造成的器材損壞以及時間，溫度等原因造成的器材損耗給實驗的準確性、真實性造成的影響。

3）電學實驗的多樣性，綜合性。由于電學實驗不拘泥于基本電路，因此現實實驗的改裝電路，組合電路往往造成連線復雜不清，容易造成短路，斷路等問題。

4）實驗教學出現僧多粥少的局面，學生做實驗限定地點，限定時間，限定實驗，對于學有余力的學生往往學不到更多的知識，學生實驗也逐漸成為一種形式。

5）學生平時自己在操作實驗箱時缺乏創造性，對于設計性實驗，動手能力嚴重不足，沒有實驗的拓展延伸創新。

1.3 虛擬網絡實驗平臺發展價值

仿真軟件multisim具有超強的仿真能力，它可以對模擬電子技術電路進行仿真，同時分析結果可以以數值或波形直觀地顯示出來，當仿真失敗時，不僅不會損耗實際器材，而且還會顯示出錯信息，提示可能出錯的原因，然而僅僅一個仿真軟件并不具備交互，交流，探究，深入學習的功能，因此充分利用計算機網絡與虛擬機技術，將信息技術與仿真技術相結合的方式就很有必要。這樣的方案不僅能解決上述問題，而且具有真實性、交互性、簡單和易實現等特點。虛擬網絡實驗平臺建設可以說是在教育教學上一次重要的發展創新，也是互聯網大潮來臨之際一次重大革新。

2虛擬網絡實驗平臺功能介紹

2.1設計目標

模擬電子技術虛擬網絡實驗平臺的設計目標是，改變高?，F有實驗教學中普遍存在的各種問題和提高教學質量以及增強學生實驗素質和創新能力，通過虛擬化的實驗模擬，讓學生切實體會理論的深刻內涵，幫助學生在現實實驗中操作自如。利用multisim軟件的仿真功能，joomla的網頁構建功能，虛擬機的虛擬擴展功能和網絡的交互交流功能，將模擬電子技術虛擬網絡實驗平臺建設成一個探索性學習，創新性學習，自由式學習，協同性學習的教學工具。

2.2結構布局及其功能

虛擬網絡實驗平臺分為登陸，基礎實驗仿真操作，創新性實驗模擬，在線交流探討，實驗報告瀏覽與下載等功能。

首頁上有以下模塊：

1）實驗報告電子版講義功能模塊

這是紙質版的實驗報告在后臺以發文章的形式呈現在網站上，其中包括基礎實驗仿真操作模塊包括常用半導體器件的識別與簡單測試、單管共射放大電路、負反饋交流放大電路、集成運放組成的基本運算電路、電壓比較器的研究、RC正弦波振蕩電路、非正弦波發生電路、OTL/OCL 互補功率放大器、集成功率放大器、有源濾波器、整流濾波與穩壓電路等12個基礎實驗的實驗報告（包括實驗原理，實驗器材，實驗步驟，預備知識等），實驗電路參考仿真圖（在此模板基礎上可以修改個別器件的參數，可觀察修改后對整體電路或部分電路的影響）便于同學們在校園網免流的環境下可以隨時隨地查閱報告，在普遍使用智能手機的當下，通過這樣的一種方式可以激發同學們的學習興趣，從網上游習變為網上學習、網上實驗。創新性實驗模擬支持在原有的實驗電路基礎上修改創新也支持新建空白界面搭建電路，此模塊主要方便深入探究學習模擬電子技術。對于一些包括反饋系統，多級放大系統等電路的研究更加清晰易懂。

2）仿真實驗平臺模塊功能

這部分的功能是本系統的主要功能，即核心部分。通過進入仿真實驗平臺界面，有多個開啟Xenserver環境里面搭建的虛擬機的按鈕，學生可以通過分配的IP號與密碼登錄到實驗仿真界面（如圖1所示），從而進行遠程訪問云平臺的虛擬機進行學生實驗，這樣免去了學生在本地安裝仿真的繁瑣過程，大大提高了學生的實驗效率。學生在虛擬實驗環境中按實驗步驟完成整個虛擬實驗，允許重做，直到駕輕就熟，不受時間、地點制約。而對于學生在原有電路的修改并不影響后續其他人的實驗，任何修改在退出登陸后都將恢復如初。

3）交互留言模塊功能

交互留言是此虛擬仿真系統的重要組成部分，起到反饋的作用。相當于Blog或技術交流論壇。在線交流探討模塊實現學習的交互功能，使用者可以對實驗電路做出設想與建議，方便學生參與到教與學對于指導教師來說可以關注學生在實驗過程中的投入程度和過程性評價。在此平臺留言模塊教師也可考慮學生對本課程或實驗的建議與意見，使實驗課程或理論到達更高水平的層次。同學們之間可以討論模擬電子技術里面的技術問題，也可以是同學們向老師詢問問題，老師專家們甚至可以互相切磋。

4）視頻播放功能

此菜單欄模塊是補充部分，起到輔助作用。是為教學提供便利和為學生在課余學習更多的技能服務。視頻里面介紹了幾種廠家的示波器的使用方法，如何操作示波器以及介紹各種電子元器件的型號，拓展同學們的知識面，以便更好地實踐。

5）虛擬存儲器NFS功能

NFS即網絡文件系統，是FreeBSD支持的文件系統中的一種，它允許網絡中的計算機之間通過TCP/IP網絡共享資源。在NFS的應用中，本地NFS的客戶端應用可以透明地讀寫位于遠端NFS服務器上的文件，就像訪問本地文件一樣。通過平臺內嵌的教學和實驗反饋功能及時核查學生報告中的實驗行為，監督和考評學生的實驗能力，瞬間實現一對多模式，隨時隨地教學。這樣就實現了學生和老師交互的途徑。

3虛擬網絡實驗平臺建設總體設計

本項目的整體構架（如圖2所示），在XEN環境下虛擬，搭建網頁服務器xampp，通過網頁來獲取遠程實驗機器和密碼。 “虛擬機里嵌套虛擬機”，這是本項目的核心創新之處，也是國內虛擬實驗首次創新。Joomla服務網頁通過后臺python語言腳本來控制和檢測虛擬機的開關。虛擬機在運行（或者說用戶在使用時）可以將自己產生的數據通過NFS的形式進行保存，并且每一個虛擬機采用一種類似影子系統的軟件進行數據還原，避免產生更多的用戶垃圾。

圖2 項目的整體構架

3.1前臺網站搭建

1）網站的搭建采用目前流行的joomla平臺搭建，使用了WebExperts作為網站的基本模板。

2）在主頁上位了便于用戶使用，本平臺以Multisim軟件為對象，加入了仿真實驗平臺、在線幫助、實驗指導書和在線留言四大模塊鏈接。用戶可以在主頁上進入虛擬實驗平臺，了解本平臺的使用介紹，提前學習實驗指導流程和對實驗問題的在線交流。

3）在網站主頁上加入了在線QQ留言，便于用戶在使用過程中遇到平臺不能使用或其他較為緊急的情況可以通過本鏈接及時聯系技術人員。另外就是加入賬號機制，是用戶可以擁有自己的賬戶而獲得更多的是用權限。另外我們也將不斷更新升級該網站以及主頁新聞話題，

不斷貼合用戶的使用。

如圖3為當前設計網站主頁， 如圖4為實驗指導書的下拉菜單，如圖5為網站主頁框架布局。

3.2虛擬機平臺搭建

虛擬機上有虛擬機，通過遠程來解決在本機上需要安裝的麻煩，這也是服務教學和在教學事業上的創新。

以下分為四個部分：

1） 在Xenserver的基礎運行上有一個環境，具體下面對Xen進行介紹，Xen作為個軟件開源的軟件，學校在實驗教學樓引進了華為的三臺機器，作為后臺的服務器0。

2） 客戶端的多個虛擬機，是學生在遠程登陸界面，進行自己的仿真電路實驗，這樣就可以像在自己的電腦一般，免去在自己的電腦上再次安裝冗余的安裝包，使用簡便。

3） 在CentOS的系統下，這是屬于Linux的操作系統范疇。在這里面嵌入網頁的后臺，相關搭建在后續。

3.3實驗仿真軟件嵌入

此虛擬網絡實驗平臺安裝的是multisim12.0版本，當所有任務完成后（包括網頁構建完成，學生可通過互聯網登錄以及虛擬機的虛擬擴展實現等），將multisim鑲嵌于實驗平臺，學生登入后可一目了然，簡便操作，快速入門。

登入VM宿主機軟件為將multisim12.0版本與虛擬網絡實驗平臺完成接口任務，如圖6：

圖6 圖7 圖8

宿主機地址為202.206.32.235，將主機地址輸入登入方式如圖7以及圖8。

3.4學習資源共享（NFS）

在搭建虛擬網絡實驗平臺大環境構架基礎上，為使實驗平臺真正成為有內涵，有資源，有幫助的學習工具，在實驗平臺上添加學習資料便舉足輕重。12個模擬電子技術基礎實驗從實驗理論到實驗仿真將為實驗者一一呈現，使學生實驗的同時，深入理解實驗原理，全局透析電路連接。對于電壓放大電路或功率放大電路都可以通過預加的萬用表或者雙蹤示波器觀察。對于基本電路研究，在一些仿真圖旁增加了基本公式，便于學生對電路理解分析。對于一些仿真，軟件都無法實現的如：萬用表的二極管檔位，這里就采用的是利用雙蹤示波器觀察二極管、穩壓管伏安特性曲線的方法。甚至于一些功率放大器不能獲得的，這里也巧妙的使用了其替代品，其性能一致，結果大同。對于虛擬網絡實驗平臺參考教材《模擬電子技術基礎簡明教程（第三版）》（清華大學出版社）上的仿真練習，我們也將以multisim12.0格式為其展現，該部分將作為附錄寫入其中。當然對于后續國家發展和學生建議，模擬電子技術虛擬網絡實驗平臺也將緊跟時代，更新內容。

虛擬網絡實驗平臺交流模塊相信會成為學生們最為感興趣的，尤其在這里不僅有文字的交流而且還有表情的傳達，當然最為主要的是，這里相當于一個大的QQ群，學生可以提出問題也可以解決問題，可以交流心得也可以提出質疑。這里也方便詢問錯誤仿真原因，同學之間可以在線修改，大大節省時間和精力，也大大方便實際實驗操作。

4虛擬網絡實驗平臺測試

我們對網站和虛擬平臺在不斷進行著測試。在前臺網站我們的留言板采用easybook進行留言創建，通過設計和不斷改善使之更便于留言，使之交流可以更加豐富多樣。主頁上的QQ留言是為訪問者提供的一種與后臺服務人員直接聯系的方式，這便在平臺使用中突發問題而導致訪問者不能正常使用，這樣就可以通過該QQ及時通知技術人員進行解決。仿真平臺我們通過后臺建立了幾臺虛擬機，用戶通過前臺鏈接進入，后臺分配給用戶一臺虛擬機以及進入賬號和密碼，防止兩人同時登陸上同一臺虛擬機。

5總結

當今時代是信息和知識經濟的時代，實驗教育的目的是培養具有創新精神和實踐能力的高素質人才。虛擬網絡實驗平臺以其資源共享，教學融合，創新發展的屬性擴展了實驗教學的功能，為學生提供了一種嶄新的實驗形式。虛擬網絡實驗平臺以先進的信息技術和仿真為基礎，革新傳統的教學實驗模式，推動實驗課程遠程教育的發展。在學校局域網條件下，同學們對其使用效果普遍反映良好，方便實用，但是局部須有進一步提升。

虛擬網絡實驗平臺是互聯網+教育的又一次發展，虛擬網絡實驗平臺跟上實驗的時代性，先進性，創新性和豐富性，創造 了有活力，有趣味，不受時間、空間制約的開放性實驗環境。同時構建虛擬網絡實驗平臺經濟、高效且前景可觀。其誘人的前景不僅在實驗教學上獲得的應用，而且在未來社會生產中也會有巨大的利用價值。如今創新創業呼聲之高，未來信息網絡與仿真技術的更多融合不可估量。

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