基于虚拟技术的实验在线教学仿真平台构建

佘春华 邓郁旭

摘  要： 针对当前实验在线教学仿真平台存在实时性差，工作效率低的缺陷，为了获得理想的实验在线教学仿真平台，设计了基于虚拟技术的实验在线教学仿真平台。首先对当前实验在线教学仿真平台研究现状进行分析，找到引起不同缺陷的原因;然后采用物联网搭建实验在线教学仿真平台硬件模块，并引入虚拟技术对实验在线教学仿真平台的软件模块进行详细设计;最后与其他实验在线教学仿真平台进行对比测试。测试结果表明，设计的实验在线教学仿真平台对用户响应时间短，具有更好的实时性，同时提升了实验在线教学效率，具有更高的实际应用价值。

关键词： 实验在线教学; 仿真平台; 虚拟技术; 硬件系统; 软件系统; 实时性分析

中图分类号： TN99?34; TP181                    文献标识码： A                      文章编号： 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

实验教学是学生知识学习过程中获取课本中不能具体体现知识的重要过程，实验可以使学生更加生动地去学习每种知识，更好地去理解、巩固所学知识。实验课程是书本知识的主要实践来源，可以更好地激发学生的学习热情，调动学生学习的积极性[1?2]。随着现代信息技术的不断进步，实验教学不再只局限于实验室，更多的学生可以通过网络平台的方式开展实验学习。在以往的教學中，大量的学校构建了实验在线教学仿真平台，但在使用中这些平台的用户并发能力较差。因而，本文设计采用虚拟技术设计新型的仿真平台，即基于虚拟技术的实验在线教学仿真平台。通过此类设计提升平台运行稳定性，保证学生在学习时不受平台干扰。

虚拟技术是计算机技术的核心，结合图像渲染技术、仿真技术、视觉表现技术以及多媒体技术等相关技术，在视觉、听觉、触觉等多种感官为用户提供逼真的虚拟环境，用户也可以通过人机交互硬件与虚拟环境中的对象展开交互，使用此技术可以给人带来身临其境的真实感受[3?5]。使用虚拟技术可实现实验环境的虚拟化设计并辅助教学。在本文设计中，将沿用原有平台中的部分技术，结合虚拟技术完成具有高运行稳定性的实验在线教学仿真平台构建工作，并通过平台测试验证其设计成果。

1  实验在线教学仿真平台构建

根据原有实验在线教学仿真平台的相应问题，设计新型的教学仿真平台。为有效提升平台的用户并发数容量，将平台中的用户结构设定如图1所示，并采用E?R结构[6?7]体现。

通过对用户结构的设计获取用户容量结构，以此作为平台设计的基础。在实验教学部分增加虚拟技术，提升学生的学习体验。此次设计中，将针对平台框架、平台模块以及相应的界面进行设计，以此细化平台的构建过程。

1.1  平台框架设计

根据对实验在线教学仿真平台设计需求的分析结果，对平台的框架进行整体设计，梳理平台各模块之间的业务流程，对功能模块进行详细的设计。为保证功能模块设计的科学性，平台整体框架结构如图2所示。

在此次模型框架设计中，将教学仿真平台的内部设定为5部分，其中包含网络安全模块、数据库模块、资源管理模块、教学管理模块、后台管理模块。根据框架内容将平台用户所涉及的功能通过图像的形式具体显示，如图3所示。

采用图3中的功能内容完成用户功能的设定，保证用户的使用性能，提升平台用户承载力，并根据以上平台框架与用户功能框架搭建数据库。

1.2  平台数据库设计

实验在线教学平台数据库主要以实验教学为建设中心，通过建立网络资源数据库设定用户信息数据，将平台中的数据存储在数据库内。在平台数据库的设计中，选定SQL Server 2013[8]作为数据库开发软件，为平台提供数据库管理功能。平台数据库是平台运行的核心与基础，其主要功能为信息的存储与删减、维护与检索，数据库的稳定性是平台是否稳定的关键。在数据库的设计中，要保证其符合以下数据库设计原则[9?10]：数据表设计具有规范性;数据表的个数要少;表中字段要少。

数据库中设定相应的数据表，将平台中的数据进行统一管理，数据表设计如表1所示。

通过以上设计完成对数据库的设定，将数据表设定为统一格式便于对其管理。针对平台的功能构架，将数据表的具体内容根据平台内容填写，并将其存储至数据库内，为平台的运行提供相应的数据基础。

1.3  引用虚拟技术实现模块功能

在此次设计中引用虚拟技术设计虚拟实验室，以实现平台功能。因而，平台设计中增加虚拟设计模块，通过此模块完成实验环境与设备的仿真设计，在此模块中采用E?VL结构[11?13]，具体架构如图4所示。

采用虚拟技术模块实现实验在线教学仿真平台的功能，针对原有平台用户并发稳定性较差的问题，通过用户管理模块控制其状态。已知平台的运行稳定性与用户容量有关，用户剩余容量通过[x]表示，其值是用户容量[R]与剩余用户量[t]的比值，则有：

[x=tR] （1）

在平台运行的过程中，无法直接获取[x]值，因而，采用预算的形式获取其数值，采用按时计量法对用户剩余容量[14]进行实时估算，设定其估算初始值为[x0]，则有：

[x=x0-t0R] （2）

式中：用户剩余量为满额时，其取值为1;[t0]为用户登录数量[15]，其计算公式为：

[t0=R-tn] （3）

式中[tn]是用户的登录速度与用户量的比值。

通过上述公式完成对用户容量的控制，在平台运行出现异常时采用及时的控制手段，保证用户的使用体验。至此，基于虚拟技术的实验在线教学仿真平台构建完成。

2  仿真实验

实验在线教学仿真平台是当今实验教学中的一种方式，需要对其进行测试证实平台效果。为保证本文设计的基于虚拟技术的实验在线教学仿真平台相较于原有实验在线教学仿真平台更加稳定，通过对比用户并发数的形式体现两平台的稳定性，并获取两者之间的差异。

2.1  测试环境

在此次测试环境的搭建中，首先就平台运行条件进行设定，具体内容如表2所示。

此次測试采用测试方法中的功能测试，这种测试需要采用设计好的测试用例进行测试，设定此次测试范围与方法设计如表3所示。

通过以上平台设计与测试范围设计，完成此次性能测试，在测试前设定相应的测试样本，根据样本中的内容完成测试，获取平台测试结果。

2.2  测试样本

此次测试中，将测试样本设定为平台的使用人数，将此次平台测试的次数设定为10次，每次测试都设定使用平台人员峰值与低谷值，具体内容如表4所示。

以上数据作为此次测试中的样本人数，将数据代入实验在线教学仿真平台中，计算出相应的平台承载最多用户人数，将其采用表格形式显示出来，并对比两平台最大用户并发数。

2.3  结果分析

通过以上内容完成平台测试过程，将测试结果显示如表5所示。

表5中为此次测试中两平台的最大用户并发数，通过对并发数的研究可知，在多次的测试中，两平台均平稳运行。在第9次的测试中，本文设计平台仍在平稳运行，制导律仿真平台出现平台崩塌的现象，其最大用户并发数为4 500人。将平台数据清零，展开第10次测试，本文设计平台依旧正常运行，制导律仿真平台崩塌，最大用户并发数为4 500人。综上可知，相较于制导律仿真平台，本文设计平台在运行过程中更为稳定，用户并发数容量更大。本文平台优于制导律仿真平台性能，将本文设计平台应用于生活中，可扩大实验教学的受众面，提升实验教育效果。

对比本文平台与制导律仿真平台在不同并发用户数情况下的响应时间，结果如图5所示。

从图5可以看出，随着并发人数的增加，本文平台响应时间上升缓慢，始终保持在允许时间（3 s）内，当并发用户达到2 000人时，响应时间趋于平稳;制导律仿真平台在并发用户达到500人时响应时间已经超过允许时间，表明制导律仿真平台并发人数超过500时，负载过高，响应时间变长，由此可以看出，本文平台性能更佳，即使并发人数过大仍旧可以保证平台平稳运行，且保持良好的运行效果。

对比本文平台与制导律仿真平台在不同并发用户情况下每秒事务数情况，对比情况如图6所示。

通过图6能够看出，本文平台每秒事务数随着并发用户的增多，始终保持着上升趋势，证明本文平台具备极好的扩展性能;在开始阶段制导律仿真平台也能保持着良好的趋势，随着并发用户人数的上升，制导律仿真平台每秒事务数也随之升高，但当并发用户人数达到1 800人时，制导律仿真平台每秒事务数开始下降，证明该平台下数据交换量降低，此时制导律仿真平台所提供的服务应当出现了问题，平台负载过大，系统拥堵。对比来看，本文平台性能更佳，所提供服务更好。

观察本文平台与制导律仿真平台在连续10 h内的平台稳定性，该测试下，设定并发用户人数为200人，通过响应时间变化情况，判断平台性能，结果如图7所示。

通过图7的稳定性测试可以看出，随着测试时间的增加，本文平台响应时间上升缓慢，至测试4个小时以后，本文平台响应时间趋势基本稳定，不再变化，而制导律仿真平台始终保持上升趋势，说明制导律仿真平台稳定性较差，不能提供良好的服务。

3  结  语

实验教学是现代教育中的关键技术，学生可以通过实验在线教学仿真平台的新型教学形式，剔除傳统枯燥的教学模式，提升学生的学习热情。针对原有教育仿真平台用户容量较小，承载力较差影响平台运行稳定性的问题，本文设计新型的仿真平台。与原有平台相比，新平台的稳定性更强，更加适用于学生人数激增的当今社会，应将本文设计平台予以普及。

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作者简介：佘春华（1978—），男，湖南怀化人，硕士，副教授，主要从事网络课程方面的工作。

邓郁旭（1978—），女，侗族，贵州铜仁人，硕士，副教授，主要研究方向为计算机科学与应用。