卓皓 刘圆圆 吴乐勤
福建幼儿师范高等专科学校 福建省福州市 350007
摘 要 针对传统多媒体教室设备多、维护困难、利用率低、无法个性化等问题，结合目前业界领先的虚拟云桌面技术，设计并构建了一套完整的虚拟云桌面教学系统。该系采用购集群式虚拟架构，通过传统物理机云桌面软件和新型云终端“盒子”的混合架构方案，实现了所有多媒体设备的远程云管理，降低了维护成本，提高了管理效率和智能化程度。
关键词 智慧教室；云桌面；虚拟化
中图法分类号 TP39
Design and Construction of Cloud Desktop System for Intelligent Classrooms in Colleges
ZHUO Hao1, LIU YuanYuan2，WU Le Qin3
123 (Fujian Proschool Education College, FuZhou, China, 350007)
Abstract Aiming at the problems of traditional multimedia classroom, such as too many equipments, difficult maintenance, low utilization rate and individuation, a complete virtual cloud desktop teaching system is designed and constructed in combination with the leading virtual cloud desktop technology in the industry. The system purchases cluster virtual architecture, realizes remote cloud management of all multimedia devices, reduces maintenance costs, improves management efficiency and intellectualization through the hybrid architecture scheme of traditional physical machine cloud desktop software and new cloud terminal "box".
Keywords Intelligent Classroom;Cloud Desktop;Virtualization
1 引言
近年来，随着计算机技术的发展，高校的教学理念和模式也在发生着深刻的变革，从原来的传统教学模式向“智慧教育”快速地转变，“智慧教育”相关的软硬件设备也在日新月异地不断更新换代[1]。传统的教室、实验室的设备很多已经使用多年，早已不能适应教育新模式的要求，单靠简单地更换设备、零件等已经无法从根本上解决这种问题，必须借助先进的计算机技术对其进行彻底地改造。
云计算是目前“智慧教育”领域主流技术之一，以云计算技术为基础的“云桌面”是其在新型智慧教室领域最重要的应用[2]，其在信息安全、维护的便捷性、绿色环保、易于维护等方便的优势十分适合构建教室云桌面系统，本研究以福建幼儿师范高等专科学校（以下简称“幼高专”）“多媒体-智慧教室”升级改造项目为背景，结合当前业界先进的虚拟云桌面技术，设计并构建了一套基于混合架构的智慧教室云桌面教学系统，从根本上提升了教学的效率。
2 传统多媒体教室存在的问题
幼高专的多媒体教室由现代教育技术中心电教科负责规划设计建设和维护，目前多媒体教室于2010-2015年间陆续分期建设，当时设计的是基于传统的多媒体教室模式，其架构如图1所示，整个校园的多媒体教室以校园的局域网作为互联的基础，通过万兆核心接入国际互联网，校内主干网络为千兆以太网，桌面为百兆以太网，所有设备通过楼宇之间的交换机连接到主控中心，主控中心设有高性能服务器，安装有远程控制和管理的软件，同时设有基于视频拼接矩阵的LED大屏幕，可以实现分屏滚动监视和单一专门监视，设有网络电话可以供实时通话，同时配备专门管理人员对多媒体教室进行远程协助和现场维护。
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图1 传统的多媒体教室架构图
随着学校办学规模的扩大，学生人数的增加以及教师们新教学理念的转变，课堂教学对多媒体教室的要求越来越高，传统的单机版的管理模式已经很难满足教学需求，出现了诸多问题，主要有以下几项：
（1）软硬件维护效率低。以往的多媒体教室为了保证软硬件设备安全，一般与外网实行隔离，各种设备通过内网远程客户端管理，当前越来越多教师上课需要网络以便支持多媒体素材的获取与演示，开放外网已经不可避免，由此带来的故障也逐渐增多，管理员用传统的模式维护起来十分困难。
（2）硬件设备使用效率低。传统的多媒体教室的电脑、存储、网络等在上课时存在瓶颈、在下课时资源又闲置浪费，得不到很好的利用[4]。
（3）个性化需求难以实现。传统多媒体教室的电脑系统一般都是由电教人员做好一个镜像之后复制到各教师机上的，一旦系统软件需要更新，电教人员需要机械化地重复劳动，不但效率低，而且老师的个性化需求也难以满足。
3 虚拟云桌面系统设计
虚拟云桌面是当前云计算在教育领域的一个重要的应用，它能够把原本集中在客户端电脑上的用户数据、操作系统及相关应用程序等分散的数据集中起来到云端，将操作与存储相互分离的虚拟技术，其基本组成有以下几个部分：
（1）云终端。云终端的基本功能只是负责显示图像，其他的操作系统、数据存储等复杂操作均在云端服务器上运行。
（2）云端服务器。一般由高性能服务器构成，服务器的资源通过资源池的形式由软件负责调度和分配。
（3）云桌面软件。云桌面的控制软件功能是对云桌面进行管理、配置和部署，根据远程桌面终端的请求，服务器进行计算，并同时控制虚拟机，将合适的虚拟机分配给远程的云终端[3]。
（4）高速网络。由于云终端与云服务器之间通过网络相连，且具有大量的实时数据传输，所以高速网络是云桌面系统的重要保障，一般必须满足千兆主干、百兆桌面的基本要求。
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图2 虚拟云桌面系统功能架构图
虚拟云桌面系统从功能架构上看主要采用了4层架构，如图2所示，自上而下分别是客户层、负载均衡层、web服务和数据层、操作系统层[5]。
其中负载均衡层所对应的是负载均衡服务器，该设备根据两种情况来决定如何转发任务：
（1）判断备选的后端服务器是否正常工作，将不正常工作的服务器排除在列表之外。
（2）根据内置的负载均衡算法和负载均衡设定规则来从资源池中选择健康的服务器。
Web服务层提供了许多appservice也就是应用服务，如系统管理、日志管理、权限管理、远程呼叫、数据统计、远程控制等。同时还提供了appEngine应用集成的接口，可以对接标准化考场、标准化考试系统、电子巡查系统、人脸识别、安防监控、大数据采集等其他系统。
数据库采用的是Oracle专业版数据库，能够支持大容量的数据存储，同时提供强有力的数据支持服务。
操作系统层采用的是Linux服务器操作系统，相比Windows server，Linux具有更强大的性能，更专业的操作方式，同时还是开源软件，可以通过技术支持及时发现漏洞等威胁，具有更高的安全性。
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图3 虚拟云桌面系统功能架构图
图3是虚拟云桌面系统的网络架构设计，具体构建实例以每间教室1台云桌面终端为例，需要硬件配置主要有：一台教师云终端（盒子）、一台显示器、一个专用教学桌，若干台学生云终端，与教师云终端通过交换机连接，构成了一个小型局域网，该局域网通过学校千兆主干网络连接到云端桌面资源池，资源池通过虚拟算法和虚拟服务器来分配和生成虚拟镜像。
所有的云桌面终端的启动模式为云启动，接通电源之后，正常连接服务器，由服务器将镜像推送至客户机即可，在事先操作中，管理人员在客户机原始操作系统上安装云桌面客户端程序，将镜像传至服务器即可，云终端可以根据需要随时获取相关的系统镜像。
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图4 P2V系统迁移流程图
如图4所示，源物理磁盘到可启动虚拟磁盘的转换操作一般使用P2V技术（Physical to virtual）来实现，该技术可以将操作系统、应用程序和相应的数据从原先的物理磁盘迁移到虚拟环境的磁盘分区中，P2V的一般步骤包括镜像制作、驱动选择、定制配置等。
通过使用P2V工具能够将先前安装在单台教学电脑上的操作系统制作成镜像，一般情况下镜像中会保存物理机的驱动程序，必须将其进行替换，植入新的驱动程序之后再将其移植到虚拟运行环境中；然后进行参数设置，主要设置的虚拟环境的参数，如网络地址、内存分配量等，这些参数会在虚拟环境中被识别。
4 总结
高校的云桌面技术将虚拟计算资源与教育资源结合起来，实现了资源的统一调度和个性化分配，对于提高教学效率、降低教学成本来说都具有十分重要的意义。
参 考 文 献
[1] 基于虚拟云桌面技术的高校语言实验室应用研究[J]. 黄四青，冯凌云，冯凌峰.??电脑知识与技术.?2019(12).
[2] 浅谈.虚拟云桌面技术在高职院校实训室的应用[J]. 牛霞红.??电脑知识与技术.?2019(21).
[3] 李芒.现代教育技术[M].北京：中央广播电视大学出版社，2011.
[4] 云桌面技术在高校计算机实验室管理中的应用研究[J]. 张彬彬.?科技经济导刊.?2019(21).
[5] 林福宗.多媒体技术基础[M].北京：清华大学出版社，2009.
福建省中青年教师教育科研项目（职业院校专项）课题名称：“高校智慧教室云桌面教学系统构建技术研究”课题编号：(No.JZ180426）资助.
本文得到福建省中青年教师教育科研项目（职业院校专项）“高校智慧教室云桌面教学系统构建技术研究”(No.JZ180426）资助。 卓皓(通讯作者、第一作者)，男，硕士，1983年生，主要研究领域为软件工程、教育技术。 刘圆圆（第二作者），男，硕士，1988年生，主要研究领域为戏剧影视、数字媒体技术、教育技术。 吴乐勤（第三作者），男，本科，1963年生，主要研究领域为教育技术等。