佘春華 鄧郁旭

摘? 要： 針對當前實驗在線教學仿真平臺存在實時性差，工作效率低的缺陷，為了獲得理想的實驗在線教學仿真平臺，設計了基于虛擬技術的實驗在線教學仿真平臺。首先對當前實驗在線教學仿真平臺研究現(xiàn)狀進行分析，找到引起不同缺陷的原因;然后采用物聯(lián)網(wǎng)搭建實驗在線教學仿真平臺硬件模塊，并引入虛擬技術對實驗在線教學仿真平臺的軟件模塊進行詳細設計;最后與其他實驗在線教學仿真平臺進行對比測試。測試結果表明，設計的實驗在線教學仿真平臺對用戶響應時間短，具有更好的實時性，同時提升了實驗在線教學效率，具有更高的實際應用價值。

關鍵詞： 實驗在線教學; 仿真平臺; 虛擬技術; 硬件系統(tǒng); 軟件系統(tǒng); 實時性分析

中圖分類號： TN99?34; TP181? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： 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

實驗教學是學生知識學習過程中獲取課本中不能具體體現(xiàn)知識的重要過程，實驗可以使學生更加生動地去學習每種知識，更好地去理解、鞏固所學知識。實驗課程是書本知識的主要實踐來源，可以更好地激發(fā)學生的學習熱情，調動學生學習的積極性[1?2]。隨著現(xiàn)代信息技術的不斷進步，實驗教學不再只局限于實驗室，更多的學生可以通過網(wǎng)絡平臺的方式開展實驗學習。在以往的教學中，大量的學校構建了實驗在線教學仿真平臺，但在使用中這些平臺的用戶并發(fā)能力較差。因而，本文設計采用虛擬技術設計新型的仿真平臺，即基于虛擬技術的實驗在線教學仿真平臺。通過此類設計提升平臺運行穩(wěn)定性，保證學生在學習時不受平臺干擾。

虛擬技術是計算機技術的核心，結合圖像渲染技術、仿真技術、視覺表現(xiàn)技術以及多媒體技術等相關技術，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交互硬件與虛擬環(huán)境中的對象展開交互，使用此技術可以給人帶來身臨其境的真實感受[3?5]。使用虛擬技術可實現(xiàn)實驗環(huán)境的虛擬化設計并輔助教學。在本文設計中，將沿用原有平臺中的部分技術，結合虛擬技術完成具有高運行穩(wěn)定性的實驗在線教學仿真平臺構建工作，并通過平臺測試驗證其設計成果。

1? 實驗在線教學仿真平臺構建

根據(jù)原有實驗在線教學仿真平臺的相應問題，設計新型的教學仿真平臺。為有效提升平臺的用戶并發(fā)數(shù)容量，將平臺中的用戶結構設定如圖1所示，并采用E?R結構[6?7]體現(xiàn)。

通過對用戶結構的設計獲取用戶容量結構，以此作為平臺設計的基礎。在實驗教學部分增加虛擬技術，提升學生的學習體驗。此次設計中，將針對平臺框架、平臺模塊以及相應的界面進行設計，以此細化平臺的構建過程。

1.1? 平臺框架設計

根據(jù)對實驗在線教學仿真平臺設計需求的分析結果，對平臺的框架進行整體設計，梳理平臺各模塊之間的業(yè)務流程，對功能模塊進行詳細的設計。為保證功能模塊設計的科學性，平臺整體框架結構如圖2所示。

在此次模型框架設計中，將教學仿真平臺的內部設定為5部分，其中包含網(wǎng)絡安全模塊、數(shù)據(jù)庫模塊、資源管理模塊、教學管理模塊、后臺管理模塊。根據(jù)框架內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中的功能內容完成用戶功能的設定，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)庫設計

實驗在線教學平臺數(shù)據(jù)庫主要以實驗教學為建設中心，通過建立網(wǎng)絡資源數(shù)據(jù)庫設定用戶信息數(shù)據(jù)，將平臺中的數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫內。在平臺數(shù)據(jù)庫的設計中，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)庫是平臺運行的核心與基礎，其主要功能為信息的存儲與刪減、維護與檢索，數(shù)據(jù)庫的穩(wěn)定性是平臺是否穩(wěn)定的關鍵。在數(shù)據(jù)庫的設計中，要保證其符合以下數(shù)據(jù)庫設計原則[9?10]：數(shù)據(jù)表設計具有規(guī)范性;數(shù)據(jù)表的個數(shù)要少;表中字段要少。

數(shù)據(jù)庫中設定相應的數(shù)據(jù)表，將平臺中的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理，數(shù)據(jù)表設計如表1所示。

通過以上設計完成對數(shù)據(jù)庫的設定，將數(shù)據(jù)表設定為統(tǒng)一格式便于對其管理。針對平臺的功能構架，將數(shù)據(jù)表的具體內容根據(jù)平臺內容填寫，并將其存儲至數(shù)據(jù)庫內，為平臺的運行提供相應的數(shù)據(jù)基礎。

1.3? 引用虛擬技術實現(xiàn)模塊功能

在此次設計中引用虛擬技術設計虛擬實驗室，以實現(xiàn)平臺功能。因而，平臺設計中增加虛擬設計模塊，通過此模塊完成實驗環(huán)境與設備的仿真設計，在此模塊中采用E?VL結構[11?13]，具體架構如圖4所示。

采用虛擬技術模塊實現(xiàn)實驗在線教學仿真平臺的功能，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)。已知平臺的運行穩(wěn)定性與用戶容量有關，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）

在平臺運行的過程中，無法直接獲取[x]值，因而，采用預算的形式獲取其數(shù)值，采用按時計量法對用戶剩余容量[14]進行實時估算，設定其估算初始值為[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。至此，基于虛擬技術的實驗在線教學仿真平臺構建完成。

2? 仿真實驗

實驗在線教學仿真平臺是當今實驗教學中的一種方式，需要對其進行測試證實平臺效果。為保證本文設計的基于虛擬技術的實驗在線教學仿真平臺相較于原有實驗在線教學仿真平臺更加穩(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，首先就平臺運行條件進行設定，具體內容如表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計好的測試用例進行測試，設定此次測試范圍與方法設計如表3所示。

通過以上平臺設計與測試范圍設計，完成此次性能測試，在測試前設定相應的測試樣本，根據(jù)樣本中的內容完成測試，獲取平臺測試結果。

2.2? 測試樣本

此次測試中，將測試樣本設定為平臺的使用人數(shù)，將此次平臺測試的次數(shù)設定為10次，每次測試都設定使用平臺人員峰值與低谷值，具體內容如表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)代入實驗在線教學仿真平臺中，計算出相應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? 結果分析

通過以上內容完成平臺測試過程，將測試結果顯示如表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)運行。在第9次的測試中，本文設計平臺仍在平穩(wěn)運行，制導律仿真平臺出現(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，本文設計平臺依舊正常運行，制導律仿真平臺崩塌，最大用戶并發(fā)數(shù)為4 500人。綜上可知，相較于制導律仿真平臺，本文設計平臺在運行過程中更為穩(wěn)定，用戶并發(fā)數(shù)容量更大。本文平臺優(yōu)于制導律仿真平臺性能，將本文設計平臺應用于生活中，可擴大實驗教學的受眾面，提升實驗教育效果。

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

從圖5可以看出，隨著并發(fā)人數(shù)的增加，本文平臺響應時間上升緩慢，始終保持在允許時間（3 s）內，當并發(fā)用戶達到2 000人時，響應時間趨于平穩(wěn);制導律仿真平臺在并發(fā)用戶達到500人時響應時間已經(jīng)超過允許時間，表明制導律仿真平臺并發(fā)人數(shù)超過500時，負載過高，響應時間變長，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)運行，且保持良好的運行效果。

對比本文平臺與制導律仿真平臺在不同并發(fā)用戶情況下每秒事務數(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展性能;在開始階段制導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，制導律仿真平臺每秒事務數(shù)也隨之升高，但當并發(fā)用戶人數(shù)達到1 800人時，制導律仿真平臺每秒事務數(shù)開始下降，證明該平臺下數(shù)據(jù)交換量降低，此時制導律仿真平臺所提供的服務應當出現(xiàn)了問題，平臺負載過大，系統(tǒng)擁堵。對比來看，本文平臺性能更佳，所提供服務更好。

觀察本文平臺與制導律仿真平臺在連續(xù)10 h內的平臺穩(wěn)定性，該測試下，設定并發(fā)用戶人數(shù)為200人，通過響應時間變化情況，判斷平臺性能，結果如圖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，本文平臺響應時間上升緩慢，至測試4個小時以后，本文平臺響應時間趨勢基本穩(wěn)定，不再變化，而制導律仿真平臺始終保持上升趨勢，說明制導律仿真平臺穩(wěn)定性較差，不能提供良好的服務。

3? 結? 語

實驗教學是現(xiàn)代教育中的關鍵技術，學生可以通過實驗在線教學仿真平臺的新型教學形式，剔除傳統(tǒng)枯燥的教學模式，提升學生的學習熱情。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行穩(wěn)定性的問題，本文設計新型的仿真平臺。與原有平臺相比，新平臺的穩(wěn)定性更強，更加適用于學生人數(shù)激增的當今社會，應將本文設計平臺予以普及。

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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，主要研究方向為計算機科學與應用。