基于虛擬技術(shù)的實(shí)驗(yàn)在線教學(xué)仿真平臺構(gòu)建

佘春華 鄧郁旭

摘? 要： 針對當(dāng)前實(shí)驗(yàn)在線教學(xué)仿真平臺存在實(shí)時性差，工作效率低的缺陷，為了獲得理想的實(shí)驗(yàn)在線教學(xué)仿真平臺，設(shè)計(jì)了基于虛擬技術(shù)的實(shí)驗(yàn)在線教學(xué)仿真平臺。首先對當(dāng)前實(shí)驗(yàn)在線教學(xué)仿真平臺研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，找到引起不同缺陷的原因;然后采用物聯(lián)網(wǎng)搭建實(shí)驗(yàn)在線教學(xué)仿真平臺硬件模塊，并引入虛擬技術(shù)對實(shí)驗(yàn)在線教學(xué)仿真平臺的軟件模塊進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì);最后與其他實(shí)驗(yàn)在線教學(xué)仿真平臺進(jìn)行對比測試。測試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)在線教學(xué)仿真平臺對用戶響應(yīng)時間短，具有更好的實(shí)時性，同時提升了實(shí)驗(yàn)在線教學(xué)效率，具有更高的實(shí)際應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞： 實(shí)驗(yàn)在線教學(xué); 仿真平臺; 虛擬技術(shù); 硬件系統(tǒng); 軟件系統(tǒng); 實(shí)時性分析

中圖分類號： TN99?34; TP181? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）21?0156?04

Construction of experimental online teaching simulation platform

based on virtual technology

SHE Chunhua， DENG Yuxu

（Tongren University， Tongren 554300， China）

Abstract： In view that the defects of poor real?time performance and low efficiency of the current experimental online teaching simulation platform， an experimental online teaching simulation platform based on virtual technology is designed to obtain an ideal experimental online teaching simulation platform. The current research status of experimental online teaching simulation platform is analyzed to find out the causes of different defects， and then the hardware module of experimental online teaching simulation platform is built by the Internet of Things. In addition， virtual technology is introduced to design the software module of experimental online teaching simulation platform in detail. Contrastive tests between the proposed platform and other experimental online teaching simulation platforms were performed. The results show that the designed online teaching simulation platform has a shorter user response time and better real?time performance， which improve the efficiency of online teaching. Therefore， it has a higher practical value.

Keywords： experimental online teaching; simulation platform; virtual technology; hardware system; software system; real?time analysis

0? 引? 言

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是學(xué)生知識學(xué)習(xí)過程中獲取課本中不能具體體現(xiàn)知識的重要過程，實(shí)驗(yàn)可以使學(xué)生更加生動地去學(xué)習(xí)每種知識，更好地去理解、鞏固所學(xué)知識。實(shí)驗(yàn)課程是書本知識的主要實(shí)踐來源，可以更好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性[1?2]。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，實(shí)驗(yàn)教學(xué)不再只局限于實(shí)驗(yàn)室，更多的學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)平臺的方式開展實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)。在以往的教學(xué)中，大量的學(xué)校構(gòu)建了實(shí)驗(yàn)在線教學(xué)仿真平臺，但在使用中這些平臺的用戶并發(fā)能力較差。因而，本文設(shè)計(jì)采用虛擬技術(shù)設(shè)計(jì)新型的仿真平臺，即基于虛擬技術(shù)的實(shí)驗(yàn)在線教學(xué)仿真平臺。通過此類設(shè)計(jì)提升平臺運(yùn)行穩(wěn)定性，保證學(xué)生在學(xué)習(xí)時不受平臺干擾。

虛擬技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)的核心，結(jié)合圖像渲染技術(shù)、仿真技術(shù)、視覺表現(xiàn)技術(shù)以及多媒體技術(shù)等相關(guān)技術(shù)，在視覺、聽覺、觸覺等多種感官為用戶提供逼真的虛擬環(huán)境，用戶也可以通過人機(jī)交互硬件與虛擬環(huán)境中的對象展開交互，使用此技術(shù)可以給人帶來身臨其境的真實(shí)感受[3?5]。使用虛擬技術(shù)可實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的虛擬化設(shè)計(jì)并輔助教學(xué)。在本文設(shè)計(jì)中，將沿用原有平臺中的部分技術(shù)，結(jié)合虛擬技術(shù)完成具有高運(yùn)行穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)在線教學(xué)仿真平臺構(gòu)建工作，并通過平臺測試驗(yàn)證其設(shè)計(jì)成果。

1? 實(shí)驗(yàn)在線教學(xué)仿真平臺構(gòu)建

根據(jù)原有實(shí)驗(yàn)在線教學(xué)仿真平臺的相應(yīng)問題，設(shè)計(jì)新型的教學(xué)仿真平臺。為有效提升平臺的用戶并發(fā)數(shù)容量，將平臺中的用戶結(jié)構(gòu)設(shè)定如圖1所示，并采用E?R結(jié)構(gòu)[6?7]體現(xiàn)。

通過對用戶結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)獲取用戶容量結(jié)構(gòu)，以此作為平臺設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)部分增加虛擬技術(shù)，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。此次設(shè)計(jì)中，將針對平臺框架、平臺模塊以及相應(yīng)的界面進(jìn)行設(shè)計(jì)，以此細(xì)化平臺的構(gòu)建過程。

1.1? 平臺框架設(shè)計(jì)

根據(jù)對實(shí)驗(yàn)在線教學(xué)仿真平臺設(shè)計(jì)需求的分析結(jié)果，對平臺的框架進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，梳理平臺各模塊之間的業(yè)務(wù)流程，對功能模塊進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)。為保證功能模塊設(shè)計(jì)的科學(xué)性，平臺整體框架結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在此次模型框架設(shè)計(jì)中，將教學(xué)仿真平臺的內(nèi)部設(shè)定為5部分，其中包含網(wǎng)絡(luò)安全模塊、數(shù)據(jù)庫模塊、資源管理模塊、教學(xué)管理模塊、后臺管理模塊。根據(jù)框架內(nèi)容將平臺用戶所涉及的功能通過圖像的形式具體顯示，如圖3所示。

采用圖3中的功能內(nèi)容完成用戶功能的設(shè)定，保證用戶的使用性能，提升平臺用戶承載力，并根據(jù)以上平臺框架與用戶功能框架搭建數(shù)據(jù)庫。

1.2? 平臺數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)在線教學(xué)平臺數(shù)據(jù)庫主要以實(shí)驗(yàn)教學(xué)為建設(shè)中心，通過建立網(wǎng)絡(luò)資源數(shù)據(jù)庫設(shè)定用戶信息數(shù)據(jù)，將平臺中的數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫內(nèi)。在平臺數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)中，選定SQL Server 2013[8]作為數(shù)據(jù)庫開發(fā)軟件，為平臺提供數(shù)據(jù)庫管理功能。平臺數(shù)據(jù)庫是平臺運(yùn)行的核心與基礎(chǔ)，其主要功能為信息的存儲與刪減、維護(hù)與檢索，數(shù)據(jù)庫的穩(wěn)定性是平臺是否穩(wěn)定的關(guān)鍵。在數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)中，要保證其符合以下數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)原則[9?10]：數(shù)據(jù)表設(shè)計(jì)具有規(guī)范性;數(shù)據(jù)表的個數(shù)要少;表中字段要少。

數(shù)據(jù)庫中設(shè)定相應(yīng)的數(shù)據(jù)表，將平臺中的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，數(shù)據(jù)表設(shè)計(jì)如表1所示。

通過以上設(shè)計(jì)完成對數(shù)據(jù)庫的設(shè)定，將數(shù)據(jù)表設(shè)定為統(tǒng)一格式便于對其管理。針對平臺的功能構(gòu)架，將數(shù)據(jù)表的具體內(nèi)容根據(jù)平臺內(nèi)容填寫，并將其存儲至數(shù)據(jù)庫內(nèi)，為平臺的運(yùn)行提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1.3? 引用虛擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)模塊功能

在此次設(shè)計(jì)中引用虛擬技術(shù)設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)室，以實(shí)現(xiàn)平臺功能。因而，平臺設(shè)計(jì)中增加虛擬設(shè)計(jì)模塊，通過此模塊完成實(shí)驗(yàn)環(huán)境與設(shè)備的仿真設(shè)計(jì)，在此模塊中采用E?VL結(jié)構(gòu)[11?13]，具體架構(gòu)如圖4所示。

采用虛擬技術(shù)模塊實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)在線教學(xué)仿真平臺的功能，針對原有平臺用戶并發(fā)穩(wěn)定性較差的問題，通過用戶管理模塊控制其狀態(tài)。已知平臺的運(yùn)行穩(wěn)定性與用戶容量有關(guān)，用戶剩余容量通過[x]表示，其值是用戶容量[R]與剩余用戶量[t]的比值，則有：

[x=tR] （1）

在平臺運(yùn)行的過程中，無法直接獲取[x]值，因而，采用預(yù)算的形式獲取其數(shù)值，采用按時計(jì)量法對用戶剩余容量[14]進(jìn)行實(shí)時估算，設(shè)定其估算初始值為[x0]，則有：

[x=x0-t0R] （2）

式中：用戶剩余量為滿額時，其取值為1;[t0]為用戶登錄數(shù)量[15]，其計(jì)算公式為：

[t0=R-tn] （3）

式中[tn]是用戶的登錄速度與用戶量的比值。

通過上述公式完成對用戶容量的控制，在平臺運(yùn)行出現(xiàn)異常時采用及時的控制手段，保證用戶的使用體驗(yàn)。至此，基于虛擬技術(shù)的實(shí)驗(yàn)在線教學(xué)仿真平臺構(gòu)建完成。

2? 仿真實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)在線教學(xué)仿真平臺是當(dāng)今實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的一種方式，需要對其進(jìn)行測試證實(shí)平臺效果。為保證本文設(shè)計(jì)的基于虛擬技術(shù)的實(shí)驗(yàn)在線教學(xué)仿真平臺相較于原有實(shí)驗(yàn)在線教學(xué)仿真平臺更加穩(wěn)定，通過對比用戶并發(fā)數(shù)的形式體現(xiàn)兩平臺的穩(wěn)定性，并獲取兩者之間的差異。

2.1? 測試環(huán)境

在此次測試環(huán)境的搭建中，首先就平臺運(yùn)行條件進(jìn)行設(shè)定，具體內(nèi)容如表2所示。

此次測試采用測試方法中的功能測試，這種測試需要采用設(shè)計(jì)好的測試用例進(jìn)行測試，設(shè)定此次測試范圍與方法設(shè)計(jì)如表3所示。

通過以上平臺設(shè)計(jì)與測試范圍設(shè)計(jì)，完成此次性能測試，在測試前設(shè)定相應(yīng)的測試樣本，根據(jù)樣本中的內(nèi)容完成測試，獲取平臺測試結(jié)果。

2.2? 測試樣本

此次測試中，將測試樣本設(shè)定為平臺的使用人數(shù)，將此次平臺測試的次數(shù)設(shè)定為10次，每次測試都設(shè)定使用平臺人員峰值與低谷值，具體內(nèi)容如表4所示。

以上數(shù)據(jù)作為此次測試中的樣本人數(shù)，將數(shù)據(jù)代入實(shí)驗(yàn)在線教學(xué)仿真平臺中，計(jì)算出相應(yīng)的平臺承載最多用戶人數(shù)，將其采用表格形式顯示出來，并對比兩平臺最大用戶并發(fā)數(shù)。

2.3? 結(jié)果分析

通過以上內(nèi)容完成平臺測試過程，將測試結(jié)果顯示如表5所示。

表5中為此次測試中兩平臺的最大用戶并發(fā)數(shù)，通過對并發(fā)數(shù)的研究可知，在多次的測試中，兩平臺均平穩(wěn)運(yùn)行。在第9次的測試中，本文設(shè)計(jì)平臺仍在平穩(wěn)運(yùn)行，制導(dǎo)律仿真平臺出現(xiàn)平臺崩塌的現(xiàn)象，其最大用戶并發(fā)數(shù)為4 500人。將平臺數(shù)據(jù)清零，展開第10次測試，本文設(shè)計(jì)平臺依舊正常運(yùn)行，制導(dǎo)律仿真平臺崩塌，最大用戶并發(fā)數(shù)為4 500人。綜上可知，相較于制導(dǎo)律仿真平臺，本文設(shè)計(jì)平臺在運(yùn)行過程中更為穩(wěn)定，用戶并發(fā)數(shù)容量更大。本文平臺優(yōu)于制導(dǎo)律仿真平臺性能，將本文設(shè)計(jì)平臺應(yīng)用于生活中，可擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)教學(xué)的受眾面，提升實(shí)驗(yàn)教育效果。

對比本文平臺與制導(dǎo)律仿真平臺在不同并發(fā)用戶數(shù)情況下的響應(yīng)時間，結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出，隨著并發(fā)人數(shù)的增加，本文平臺響應(yīng)時間上升緩慢，始終保持在允許時間（3 s）內(nèi)，當(dāng)并發(fā)用戶達(dá)到2 000人時，響應(yīng)時間趨于平穩(wěn);制導(dǎo)律仿真平臺在并發(fā)用戶達(dá)到500人時響應(yīng)時間已經(jīng)超過允許時間，表明制導(dǎo)律仿真平臺并發(fā)人數(shù)超過500時，負(fù)載過高，響應(yīng)時間變長，由此可以看出，本文平臺性能更佳，即使并發(fā)人數(shù)過大仍舊可以保證平臺平穩(wěn)運(yùn)行，且保持良好的運(yùn)行效果。

對比本文平臺與制導(dǎo)律仿真平臺在不同并發(fā)用戶情況下每秒事務(wù)數(shù)情況，對比情況如圖6所示。

通過圖6能夠看出，本文平臺每秒事務(wù)數(shù)隨著并發(fā)用戶的增多，始終保持著上升趨勢，證明本文平臺具備極好的擴(kuò)展性能;在開始階段制導(dǎo)律仿真平臺也能保持著良好的趨勢，隨著并發(fā)用戶人數(shù)的上升，制導(dǎo)律仿真平臺每秒事務(wù)數(shù)也隨之升高，但當(dāng)并發(fā)用戶人數(shù)達(dá)到1 800人時，制導(dǎo)律仿真平臺每秒事務(wù)數(shù)開始下降，證明該平臺下數(shù)據(jù)交換量降低，此時制導(dǎo)律仿真平臺所提供的服務(wù)應(yīng)當(dāng)出現(xiàn)了問題，平臺負(fù)載過大，系統(tǒng)擁堵。對比來看，本文平臺性能更佳，所提供服務(wù)更好。

觀察本文平臺與制導(dǎo)律仿真平臺在連續(xù)10 h內(nèi)的平臺穩(wěn)定性，該測試下，設(shè)定并發(fā)用戶人數(shù)為200人，通過響應(yīng)時間變化情況，判斷平臺性能，結(jié)果如圖7所示。

通過圖7的穩(wěn)定性測試可以看出，隨著測試時間的增加，本文平臺響應(yīng)時間上升緩慢，至測試4個小時以后，本文平臺響應(yīng)時間趨勢基本穩(wěn)定，不再變化，而制導(dǎo)律仿真平臺始終保持上升趨勢，說明制導(dǎo)律仿真平臺穩(wěn)定性較差，不能提供良好的服務(wù)。

3? 結(jié)? 語

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是現(xiàn)代教育中的關(guān)鍵技術(shù)，學(xué)生可以通過實(shí)驗(yàn)在線教學(xué)仿真平臺的新型教學(xué)形式，剔除傳統(tǒng)枯燥的教學(xué)模式，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。針對原有教育仿真平臺用戶容量較小，承載力較差影響平臺運(yùn)行穩(wěn)定性的問題，本文設(shè)計(jì)新型的仿真平臺。與原有平臺相比，新平臺的穩(wěn)定性更強(qiáng)，更加適用于學(xué)生人數(shù)激增的當(dāng)今社會，應(yīng)將本文設(shè)計(jì)平臺予以普及。

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作者簡介：佘春華（1978—），男，湖南懷化人，碩士，副教授，主要從事網(wǎng)絡(luò)課程方面的工作。

鄧郁旭（1978—），女，侗族，貴州銅仁人，碩士，副教授，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)科學(xué)與應(yīng)用。