虚拟实验室技术白皮书

虚拟实验室技术白皮书上海庚商网络信息技术有限公司2015年9月目录1 产品概述 (3)1.1 云教育基础架构分类 (5)1.1.1 服务器虚拟化 (5)1.1.2 桌面虚拟化 (6)1.2 教育虚拟技术应用分类 (7)1.1.1 模拟 (7)1.1.2 仿真 (8)1.1.3 虚拟现实 (8)1.1.4 增强现实 (9)1.1.5 远程实验 (9)2 总体设计 (13)2.1 系统架构 (13)2.2 系统说明 (13)3 系统功能 (17)3.1开放管理 (17)3.2知识地图 (18)3.3二维码 (20)3.4微课与实验支架 (21)3.5虚拟实验 (22)3.6 可视化环境监控 (23)3.7 电流检测 (23)3.8 科研协同 (24)3.9 云桌面 (26)4 预算清单 (28)1 产品概述随着计算机技术和网络技术的迅速发展，以及科学研究进一步深入的需要，虚拟仿真实验技术日渐成熟和完善，虚拟实验作为继理论研究和实验研究之后的第三种科学研究方法，对社会发展和科技进步起到了越来越重要的作用，代表着科学研究方法的重要发展方向。

虚拟实验是指以计算机为控制中心，利用软件技术，构建系统的逻辑结构模型，基于模块化和层次化的设计思想，采用软硬件相结合的方式，协调相关硬件和效应设备，形成虚拟实验系统，并利用网络技术，实现虚拟实验系统的网络化，形成运行在个人计算机上、实现自行设计与开发，以及远程控制与协作的实验方式。

庚商虚拟实验室作为实验资源综合服务平台，不同于传统的虚拟平台，割裂实体资源与在线资源的联系，而是面向最终实践教学、科研与管理活动，对数据与应用资源的整合与开发，是实体资源的延伸与增强。

同时，通过对实践教学、科研等核心活动数据的采集，为管理活动提供第一手的信息，有效辅助管理决策。

系统建设目标如下：1）提供良好实验平台，提高实验教学水平传统教学中，理论教学与实验教学是分开的。

理论课上没有实验，建设虚拟实验室，借助虚拟仿真实验，就可以将实验带进理论课。

2）整合实验教学资源，实现实验室的真正开放虚拟实验室可以提供开放式实验环境，真正实现实验室向学生开放。

学生可以打破时间和地域的限制完成相关的教学实验。

由于虚拟仪器系统的支持，学生可以自拟、自选实验题目，自行组织实验，使用现成的仪器为开发自己的仪器进行实验，摒弃传统的灌输式教学方式，让学生自主参与到教学中来，最大限度地发挥学生的主动性和创造性。

3）改变实验教学模式，培养科技创新人才传统实验大多数以验证性为主，实验内容单一，学生无需思考，按部就班地按照实验步骤就可以做完实验，缺乏设计性和创新能力的培养。

建设虚拟实验室，可灵活地增加各种设计性实验内容，使学生根据实验要求，自行设计实验方案，以各种形式输出检测结果，实时进行分析。

因此，虚拟实验不仅能锻炼学生的独立构思和设计能力，而且能激发学习的兴趣，这样更有利于培养出具有创新精神和实践能力的人才。

1.1 云教育基础架构分类1.1.1 服务器虚拟化将服务器物理资源抽象成逻辑资源，让一台服务器变成几台甚至上百台相互隔离的虚拟服务器，我们不再受限于物理上的界限，而是让CPU、内存、磁盘、I/O等硬件变成可以动态管理的“资源池”，从而提高资源的利用率，简化系统管理，实现服务器整合，让IT对业务的变化更具适应力。

1.1.2 桌面虚拟化桌面虚拟化是指将计算机的终端系统（也称作桌面）进行虚拟化，以达到桌面使用的安全性和灵活性。

可以通过任何设备，在任何地点，任何时间通过网络访问个人的桌面系统。

桌面虚拟化依赖于服务器虚拟化，在数据中心的服务器上进行服务器虚拟化，生成大量的独立的桌面操作系统（虚拟机或者虚拟桌面），同时根据专有的虚拟桌面协议发送给终端设备。

1.2 教育虚拟技术应用分类1.1.1 模拟模拟是对真实事物或者过程的虚拟。

模拟要表现出选定的物理系统或抽象系统的关键特性。

模拟的关键问题包括有效信息的获取、关键特性和表现的选定、近似简化和假设的应用，以及模拟的重现度和有效性。

公司案例：漏洞网、图像识别1.1.2 仿真仿真（Simulation），即使用项目模型将特定于某一具体层次的不确定性转化为它们对目标的影响，该影响是在项目仿真项目整体的层次上表示的。

公司案例：海事海上搜救实验室、上海第二军医大学灾难急救模拟实训平台建设项目。

1.1.3 虚拟现实虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统。

它利用计算机生成一种模拟环境，是一种多源信息融合的交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真，使用户沉浸到该环境中。

以flash等方式，开发虚拟的在线实验，相关的实验数据和结果可以保存在教学平台中，实现对自学活动及成绩的有效管理。

创客们可以通过教学系统平台中的相关falsh，进行自主学习。

公司案例：自主学习平台、上海第二工业大学电工学院Flash1.1.4 增强现实增强现实技术，是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术，是把原本在现实世界的一定时间空间范围内很难体验到的实体信息(视觉信息,声音,味道,触觉等),通过电脑等科学技术，模拟仿真后再叠加，将虚拟的信息应用到真实世界，被人类感官所感知，从而达到超越现实的感官体验。

真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间同时存在。

公司案例：上海中医药大学化学互动实验室化学互动、护理互动1.1.5 远程实验1）基于物联网系统采用多种物联设备，获取实验业务信息及设备运行数据，并进行设备的管理与运行。

其中电源管理系统通过网络进行远程通信，实现远程的参数设定和控制检测，完成实验预约的电源控制和管理；门禁系统通过刷卡身份验证或预约系统完成实验室出入和安全问题；视频系统完成实验室安全管理和视频采集工作，并提供授权页面的访问查询；考勤机系统解决实验室考勤、实验室上课点名以及实验室使用情况统计问题。

所有系统通过物联通讯中间件体系架构统一管理。

2）基于IP设备INTERNET实验服务器网络控制器网络/信息安全实验室远程实验设备远程接入设备实验支架实验包远程连接组件如图所示，远程实验系统由实验支架、远程连接组件、远程实验包以及远程实验设备组成。

其中实验支架、远程连接组件、远程实验包安装在实验服务器中。

实验支架提供学生实验操作的登录、网络接入、实验设备的连接，并基于实验包进行实验项目内容的集成展示与实验操作辅助，实验包提供基于独立实验项目的实验操作指导书、实验操作视频、实验相关图片、实验工具下载与嵌入应用、知识库与相关资源的链接。

远程连接组件采用WEBTELNET协议，嵌入到实验包的工具中，通过实验支架实现与实验相关设备的连接。

远程实验包集成了可以实现交换、路由的远程实验内容。

远程实验设备为进行远程实验的基础设施，包含了一组完整的实验设备，包括基础交换机、路由器以及网络控制器组成，网络控制器作为远程实验的控制设备，一端连接到实验网络，连接8台网络设备的Consle口，控制直接接受来自网络的相关指令，可以直接登录到设备实现对交换机与路由器等网络设备的配置，以及基于设备进行对各项实验结果的验证。

为了充分利用远程实验设备，设备之间采用了网状的连接，可以通过远程的配置实现各类拓扑。

目前我校的远程网络实验可以实现基于一组设备的相关远程实验，学生可以通过远程登录进行相关的路由与交换实验。

3）基于LABVIEW和视频1）对实验室的运行监控，学生监测的样板，可以融合到场景中2）设备全部进行物联（数据联网）3）环境监控4）大规模计算、云计算5）科研的经费，硬件部分其他部门解决6）项目主要是应用，做1-2个演示型的实验，搭建平台7）硬件、软件、接口的费用2 总体设计2.1 系统架构2.2 系统说明1、虚拟物联网实验中心a)实验云开发、测试与发布服务平台为教学与科研提供基于云的开发、测试及发布平台，以及远程实验的基础服务平台。

i.实验应用开发资源服务平台，开发相关的资源，包括开发环境、基于虚拟化的软硬件资源等ii.实验工具资源服务平台，系统运行与测试的平台，包括运行环境、相关的工具、基于虚拟化的可分配资源等iii.实验教学、科研成果发布平台，正式对外发布的工具平台，包括保留的创新性开发、科研成果等的发布与展示iv.远程实验基础服务平台，远程实验通信与接入平台，包括远程IP接入、仪器设备物联测控中间件平台，服务于远程实验资源b)实验云教学、科研服务平台实验教学、科研支撑平台，包含知识地图、信息发布、在线教学、微课碎片化学习、实验操作支持及科研协同等。

i.知识地图：基于信息学院实体资源的可视化实验室资源发布，集成相关的实验教学、科研资源、管理数据的交互平台，结合二维码系统，实现多维度的现实增强服务。

实现应用信息的动态发布、基于移动用户的专门门户，同时提供内部通知、公告、展示等信息的发布；ii.实验资源协同平台：基于项目的实验资源统一协同，项目计划、项目活动、阶段控制、数据采集、文档管理等的集成管理。

iii.实验教学支撑平台：1.基于课程的在线学习平台，提供在线课件、测验、作业、成绩等的综合管理2.实验微课平台：服务于碎片化学习，基于知识点的学习平台，支持微课视频、测验、深入探究以及在线讨论等功能，可以通过二维码方式直接接入3.实验支架平台：服务于实验操作，提供关于实验操作视频、实验指导书、协同、知识库及数据管理的支撑平台，服务于实验操作iv.虚拟实验：在线的虚拟实验内容，虚拟仿真实验、远程实验等实验内容v.实验教学课件：包括但不限于在线实验课件、实验微课包、实验包等c)实验云管理基础服务平台提供基于云的实验室基础设施支撑平台。

i.云服务管理基础平台，提供基于虚拟化应用、操作系统、服务器、网络与存储的统一管理平台，用于动态分配资源，按需提供服务ii.云基础资源服务平台，对基础设施进行虚拟化，实现可统一对外服务的资源池iii.云数据集成与共享管理平台，统一数据交换及共享管理平台，实现对数据的集成管理iv.实验室智能管理平台，实验室基础信息、排课、开放及设备预约的综合管理平台，通过已有的平台进行进一步的集成d)云终端服务平台i.云桌面管理系统，云端虚拟桌面的统一管理与对外接入服务ii.虚拟桌面系统，桌面虚拟化系统，对基于单机版的专用软件应用进行虚拟化，摆脱对具体物理设备的依赖，为基于Labview远程实验提供平台iii.云工作空间管理系统，教师、研发PC、笔记本等的桌面、数据与云端的同步2、实验室物联实验室环境及设施的建设，为实验教学活动提供有效的支撑。

a)机房物联，基于PC机的基础实验平台，物联机房管理系统，实现对机房设备的监控。

b)资源物联，物联实验室中的多媒体教学设备，实现对实验教学资源的集成与管理。

c)无线互动，基于无线的互动，可实现基于手机、平板对各类云资源的访问，并可以通过二维码，直接访问相关的内容。