虛擬仿真實驗教學中心建設與實踐

摘要：利用虛擬實驗室開展實驗教學能有效降低實驗成本、擴大受益面、解決優(yōu)質實驗資源共享等問題。文章從分析建設虛擬仿真實驗教學中心的背景和意義入手，闡釋建設虛擬仿真實驗教學中心的目標、平臺、內容等；結合電子科技大學信息與網絡安全虛擬仿真實驗教學中心的建設經驗，對目前虛擬仿真實驗教學中心網絡架構、系統(tǒng)功能、建設中存在的相關問題進行探討。

關鍵詞：虛擬仿真；實踐教學；虛擬仿真實驗教學中心；信息與網絡安全

0 引 言

實驗教學一直是高校本科人才培養(yǎng)工作中不可或缺的重要組成部分，關系著培養(yǎng)人才的工程實踐能力和工程創(chuàng)新能力。在傳統(tǒng)的實驗教學模式下，受限于各種條件的約束，學生只能在限定的時間和地點，利用限定的實驗設備，完成特定的實驗內容。因此，傳統(tǒng)實驗是完成具有“代表性”和“普適性”的“規(guī)定動作”，極大地制約了對學生動手能力及工程創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。此外，傳統(tǒng)實驗室的建設經費投入不可小覷，不論是實驗儀器設備的購置與維護，還是實驗場地的建設與管理，都需要花費大量的人力、物力和財力。因此，在傳統(tǒng)實驗教學模式下，“投入產出比”往往受到質疑。為此，改革傳統(tǒng)實踐教學模式，探索適應新時代發(fā)展的實踐教學新模式，是擺在高校實驗教學改革面前的重要課題。

自1989年虛擬仿真實驗的概念被首次提出以后，國內外若干高校都陸續(xù)開始建設虛擬環(huán)境下的實驗平臺。究其本質而言，虛擬仿真實驗是借助于計算機、通信、多媒體、虛擬現實等現代技術于段，實現對傳統(tǒng)實驗資源的遠程訪問和高效共享。隨著教育技術的進步，尤其是近年來大規(guī)模開放在線課程（MOOC）的出現，遠程開放式虛擬仿真實踐教學模式越來越得到關注和重視，而建設虛擬仿真實驗教學中心為解決上述若干問題提供了統(tǒng)一的平臺和方法，為實踐教學改革提供了新思路。

1 虛擬仿真實驗教學中心產生的背景

1.1 如何滿足新型教育手段對實驗教學的要求？

首先，從現代教育的發(fā)展趨勢來看，新型的實踐教學手段應該能引導學生自主學習。學生可以根據個人的學習情況和學習習慣自豐選擇實踐項目內容及其難度。通過學生自主實驗，在教師的輔導下做到理論與實踐相結合，從而在實驗教學領域達到因材施教的教學目的。

其次，新型實踐教學手段應該支持將專業(yè)培養(yǎng)計劃里的理論課程和實驗課程面向不同專業(yè)背景的學生開放。通過實驗開放，學生可以跨學科、跨專業(yè)自由選擇感興趣的課程及其棚心的實踐項目，進行工程實踐實訓，從而有利于促進學生知識面的拓展和知識應用能力的提高。

最后，新型的實踐教學手段應該與MOOC平臺相結合，理論教學與實踐教學雙管齊下，使學生不受地域和時間的限制，不受設備和平臺的限制，理解和掌握所學知識，并通過實踐進行印證、應用、設計和創(chuàng)新。

為此，從滿足新型教育手段的需求來看，必須開展虛擬仿真實驗教學中心的建設工作，確保在新的教育手段下學生的工程實踐能力和工程創(chuàng)新能力得到培養(yǎng)和提高。

1.2 真實實驗項目開設困難怎么辦？

真實環(huán)境下，受專業(yè)方向的影響，一些實驗項目具有一定的危險性和破壞性。搭建這類課程的實驗環(huán)境難度大且成本高。為此，很多學校和專業(yè)放棄了此類實驗項目的建設，這不僅影響學生學習和吸收理論知識，也嚴重影響對其專業(yè)實踐能力和實用技能的培養(yǎng)。以信息安全專業(yè)為例，網絡安全的實驗環(huán)境在現實網絡中具有不可逆性，同時攻防實驗具有強烈的對抗性和破壞性，還會產生一定的安全隱患和法律風險。如果因此而放棄此類實驗教學，該專業(yè)學生就不能真正掌握現實世界里的安全防范控制技術，不利于培養(yǎng)該專業(yè)的實用型人才，而在虛擬實驗環(huán)境下，上述問題都能迎刃而解。

1.3 實驗成本如何控制？

傳統(tǒng)實驗室建設需要大量的人力物力，從設備的購置、維護到升級，以及實驗室環(huán)境的建設和管理，都會受到成本預算的制約，不論哪個環(huán)節(jié)滯后或缺失，都將造成學生理論學習與實踐操作的嚴重脫節(jié)。因此，在現代實驗教學中，必須解決如何控制實驗成本問題，提高實驗教學的投入產出比。顯然，借助虛擬仿真教學可以減少經費投入，有效控制實驗成本。

1.4 如何實現優(yōu)質資源共享？

實驗資源是指實驗室的儀器設備、軟件平臺、各類教學文檔等。在傳統(tǒng)的實驗室模式下，這些資源都歸屬特定的物理場地、實驗室設備或內部網絡，學生受限于使用時間和場地，資源利用率不高，共享受益面不大。同時，受專業(yè)劃分的影響，不同課程的實驗教學資源分散隔離，不利于學生進行綜合實驗的設計。虛擬仿真教學中心打破了局域網的限制，重新整合了實驗資源，使得學生在校外和校內一樣，隨時隨地訪問自己感興趣的實驗課程和實驗內容，極大地提高了優(yōu)質實驗資源的利用率，擴大了受益面。

2 虛擬仿真實驗教學中心建設目標

2.1 實驗系統(tǒng)應當具有仿真性

虛擬仿真實驗教學中心的建設目標之一就是要確保實驗系統(tǒng)具有高度仿真性。所謂仿真性，就是在計算機、多媒體、虛擬現實技術等支持下，虛擬實驗室里的虛擬實驗與實際設備儀器功能和操作方法大致相同（甚至達到“逼真”的程度）。例如，為了向學生開設“硬盤開盤實驗”虛擬仿真實驗，首先我們采用動畫的形式向學生介紹開盤需要的主要工具；其次，借助于Flash等技術，以高逼真的三維立體模型，完整、真實地呈現硬盤的組成和結構；最后，當學生需要完成所要求的開盤實驗任務時，借助于可視化工具，可以像在真實物理實驗室中一樣對硬盤“實時進行”拆卸操作。

2.2 實驗系統(tǒng)應當具有開放性

借助于計算機、通信、網絡等現代技術手段，虛擬仿真實驗系統(tǒng)應該提供用戶跨網訪問功能?？缇W訪問將原來環(huán)境受限的實驗室拓展到了“無限”的網絡空間中，從而允許用戶在不同的物理地點都可以方便使用實驗資源。此外，虛擬仿真實驗還需要滿足不同教師對實驗教學安排的需求，允許教師借助于開放的實驗系統(tǒng)按照本校培養(yǎng)方案和自己的授課特色開設實驗課程。當然，為了確保實驗資源的安全訪問，需要借助于遠程登錄等控制技術和安全性保證方法。

2.3 實驗過程應具有易操作性

在虛擬仿真條件下，參與實驗的學生在學科、專業(yè)、基礎和能力方面均有較大差異，因此實驗過程必須具有易操作的特點，從而保證不論學生專業(yè)背景和能力如何，均不需要經過復雜的培訓即可上手完成實驗，這要求實驗系統(tǒng)應具有友好的操作界面和簡潔的操作流程。

3 虛擬仿真實驗系統(tǒng)設計

為了便于開展虛擬仿真實驗教學，虛擬仿真實驗系統(tǒng)不僅要能確保學生通過互聯網在線接受教師的指導，還要提供給學生一個可以進行實驗操作的實驗環(huán)境。同時，僅僅提供儀器設備和文檔類資源的共享是不夠的，虛擬環(huán)境下的儀器設備除了摸不著，別的功能應該和實物一樣。學生可以根據需要對儀器設備進行參數配置、輸入/輸出和數據分析。這就要求提供一個架構合理、功能全面的虛擬仿真實驗系統(tǒng)。

3.1 實驗系統(tǒng)架構

良好的實驗系統(tǒng)架構不僅可以確保實驗系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，而且在將來需要對系統(tǒng)進行升級時具有良好的可擴展性。圖1是電子科技大學信息與網絡安全虛擬仿真實驗教學中心實驗系統(tǒng)的架構，整個架構包括實驗室網絡和遠程實驗區(qū)。

其中，實驗室網絡包括安全驗證服務器、遠程實驗服務區(qū)、學生實驗區(qū)以及其他服務器等實驗室網絡由虛擬中心服務器、實驗教學支撐系統(tǒng)等組成，具有實驗教學資源管理、實驗室虛擬仿真實驗和實驗教學演示等功能，是實驗教學平臺的核心組成部分。學生實驗區(qū)是虛擬仿真中心的本地實驗支撐平臺，由實驗室終端及相關儀器設備組成，主要提供本地虛擬仿真實驗和基于儀器設備的虛擬仿真實驗功能。遠程實驗區(qū)通過網絡與實驗室服務器群相聯結，遠程用戶通過瀏覽器登錄實驗室服務器，可以進行相關虛擬仿真實驗

在接人方式方面，遠程實驗區(qū)通過VPN、遠程桌面和直接訪問3種方式實現遠程虛擬仿真實驗。在VPN方式中，互聯網上的遠程用戶通過VPN接入到局域網，從而突破實驗設備只能在局域網內訪問的限制，直接訪問實驗資源。在遠程桌面方式中，用戶利用遠程桌面開展虛擬仿真實驗，解決了由于物理條件的局限性而只能訪問本地實驗資源的問題。在直接訪問方式中，用戶使用瀏覽器訪問實驗室門戶網站，通過WEB服務器接入虛擬實驗服務器，進而訪問實驗資源。

3.2 實驗系統(tǒng)功能

實驗系統(tǒng)功能包括實驗教學功能和教學管理功能。以電子科技大學信息與網絡安全虛擬仿真實驗教學中心實驗系統(tǒng)為例，其主要功能包括：

（1）虛擬實驗。提供虛擬實驗的人口，按類型列出虛擬實驗項目，同時提供課程與實驗項目關聯表。實驗分為自選和必修兩類，必修實驗在規(guī)定時限內必須進行一次，自選實驗沒有時間和次數限制。

（2）實驗資源。按多媒體課件、應用軟件、仿真案例等進行分類，提供信息資源的瀏覽、下載、上傳等功能。上傳的信息資源須經系統(tǒng)管理員審核后列入相關欄目。

（3）實驗管理。主要包括實驗計劃安排、實驗過程管理、實驗成績評定等內容。由教師實現網絡化的實驗計劃安排、系統(tǒng)化的自動批閱、集中化的成績管理等功能。

（4）學生中心。主要包括個人信息、個人實驗安排及其完成日志以及實驗交流等內容。

（5）系統(tǒng)管理。主要包括學生管理、教師管理、信息發(fā)布、資源管理、實驗統(tǒng)計等內容。

3.3 實驗資源遠程共享的方式

根據實驗內容和實驗儀器設備的不同要求，虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)應當向用戶提供遠程控制、遠程操作和實驗預約3類實驗資源共享方式。遠程控制方式是通過互聯網向實驗室的物理設備發(fā)送控制命令，觀察、統(tǒng)計和分析該設備的輸出。遠程操作是通過互聯網遠程使用實驗資源，觀察、統(tǒng)計和分析該設備的輸出。實驗預約是通過互聯網提交實驗需求，等待實驗資源提供方返回實驗結果。

4 電子科技大學信息與網絡安全虛擬仿真實驗教學中心的建設

4.1 中心簡介

建于2009年的電子科技大學信息與網絡安全虛擬仿真實驗教學中心（以下簡稱“中心”），依托信息與通信工程、計算機科學與技術、控制科學與工程3個一級學科以及計算機國家級實驗教學示范中心的教學資源，服務于信息安全、信息對抗、計算機科學與技術、軟件工程、網絡工程、通信工程、探測制導與控制技術等10個專業(yè)，年均受益人數約為4500人。

通過多年的建設，中心形成了“攻防兼?zhèn)洹⒁怨ゴ俜馈脿恳?、資源共享”的建設理念，以“基礎驗證、工程實踐和創(chuàng)新研究”以及“信息加密、系統(tǒng)安全加固、網絡互聯安全、網絡攻防到安全應用”為主線，建成了信息安全基礎、系統(tǒng)安全加固、網絡互聯安全、網絡攻防實戰(zhàn)、移動智能終端安全、云信息安全、空天信息安全等7個虛擬仿真實驗平臺，建設并開設了27個實驗項目，涵蓋了從信息、系統(tǒng)和網絡的安全，到移動智能終端、云計算等新型應用安全，以及空天信息等高端軍事應用安全等內容。

中心自主開發(fā)了信息與網絡安全虛擬仿真實驗管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅具有支持動態(tài)更新實驗項目庫和教師按需自主創(chuàng)建實驗課程的特點，而且實現了實驗過程和實驗報告等文檔管理的電子化，解決了信息與網絡安全實驗破壞性強和搭建實驗環(huán)境復雜且成本高的問題，突破傳統(tǒng)實驗在時空上的限制，有力地支撐了教師“按需開課”的實驗開課機制和“學生隨時隨地實驗”的實驗課程學習機制。

4.2 建設必要性及目標

1）必要性。

因網絡信息安全與攻防技術本身所具有的破壞性，為教學而設置網絡安全漏洞會產生巨大風險。在真實的網絡環(huán)境中開展網絡攻擊、病毒注入等實驗，將釀成災難性后果。實驗性計算機病毒流向公共網絡在計算機發(fā)展史上不乏其例，如世界上第一例病毒就是從實驗室流出到公共網絡，這些使得該類實驗教學必須依賴于虛擬仿真技術和手段。為此，中心通過虛擬手段仿真上述實驗的過程，學生遠程登錄，參與整個實驗工程項目，在達到相同教學效果的前提下，大大降低了開展真實實驗的破壞性。

網絡信息安全與攻防實驗對環(huán)境要求具有特殊性，如網絡攻防實戰(zhàn)實驗涉及網絡搭建、環(huán)境配置、攻擊日標定制、數據處理、防護及綜合滲透測試等過程，對實驗環(huán)境的搭建技術和維護成本要求都很高。

總之，虛擬仿真實驗解決了開展真實實驗項目破壞性大、搭建實驗環(huán)境復雜、實驗成本高等問題，同時也為進一步實現跨校的高水平實驗遠程共享打下良好的基礎。

2）建設理念及目標。

中心依托電子科技大學國家級計算機實驗教學示范中心的教學資源，以學校的人才培養(yǎng)目標和創(chuàng)新能力教育為宗旨，以全面提高學生的創(chuàng)新精神和綜合實踐能力為目標，堅持“攻防兼?zhèn)?、以攻促防、應用牽引、資源共享”的建設理念，利用現代信息和虛擬仿真技術豐富實驗教學手段，全面提高本科生的創(chuàng)新能力和綜合實踐能力。

中心旨在建成國內一流、具有國際影響力的信息與網絡安全領域的虛擬仿真教學實踐平臺。

4.3 虛擬仿真實驗教學體系

中心構建了以“3層次5模塊7平臺”為內容的信息與網絡安全虛擬仿真實驗體系。根據信息與網絡安全領域的特點，在信息安全基礎等7個虛擬仿真實驗教學平臺上，建立了以“信息加密一系統(tǒng)安全加固一網絡互聯安全一攻防實戰(zhàn)→安全應用”5個模塊構成的實驗項目，覆蓋了信息與網絡安全領域各環(huán)節(jié)的實驗教學內容，從“基礎驗證層→工程實踐層→創(chuàng)新研究層”3個小川層次對學生進行綜合訓練，增強了學生對知識的理解，提高了學生的實踐技能和創(chuàng)新能力中心實驗教學體系如圖2所示。

4.4 特色與創(chuàng)新

1）建成了內容涵蓋從信息、系統(tǒng)和網絡的安全，到移動智能終端、云計算等新型應用安令以及空天信息等高端軍事應用安全的虛擬仿真實驗體系。

中心依托信息與通信T程、計算機科學與技術、控制科學與工程3個一級學科和國家級計算機實驗教學平臺，建成了涵蓋信息、系統(tǒng)、網絡、移動智能終端、云計算、空天等領域的“3層次5模塊7平臺”的信息與網絡安全虛擬仿真實驗體系。

“3層次”模型為實驗教學的規(guī)劃提供了方法論的指導；“5模塊”解決了如何建設實驗項目的問題；“7平臺”解決了數據恢復開盤、網絡滲透攻擊、虛擬路由器模擬、網絡入侵檢測、網絡攻防、移動智能終端安全等27個虛擬仿真實驗項目如何開設的問題。

2）開發(fā)了支持動態(tài)更新實驗項日庫及自主創(chuàng)建實驗課程的信息與網絡安全虛擬仿真實驗管理系統(tǒng)。

借助于本系統(tǒng)，教師可以在實驗教學中不斷完善和改進實驗項目，不斷擴充和豐富實驗項目庫的內容。此外，系統(tǒng)還支持教師自主創(chuàng)建實驗課程，按照課程需求從實驗項目庫中選出滿足課程要求的實驗項目，動態(tài)組建和開設實驗課程，從而有助于形成教師“按需開課”的實驗開課機制

對學生而言，信息與網絡安全虛擬仿真實驗管理系統(tǒng)具有實驗過程網絡化和虛擬化的特點借助于本系統(tǒng)，學生可以進行網上實驗預約、實驗選課、實驗資料下載、實驗數據管理與統(tǒng)計，網上提交實驗報告等操作。此外，學生還可通過遠程在線方式完成不同層次的實驗項目，其過程猶如在“真實”實驗室完成實驗，有助于形成學生“隨時隨地實驗”的實驗課程學習機制。

3）借力國內外著名企業(yè)的先進技術，構建了科研與教學相融合的、校企合作的、虛實結合的高水平實驗平臺。

中心始終堅持科研與教學相融合的理念，從科研成果中提煉實驗項目，依托“通信抗干擾技術國家級重點實驗室”“網絡與數據安全四川省重點實驗室”等科研團隊，在本科虛擬實驗教學工作中按照“新技術引進一教學實驗項目改造一本科生實驗教學應用”的思路，不斷將重點實驗室科研成果向教學實驗進行轉化。近年來，中心將信息安全、數字媒體等科研成果轉化為虛擬教學的實驗項目，豐富了本科教學實驗的內容，提升了虛擬實驗教學的水平。

同時，中心主要實驗平臺先后與華為、Intel、中國西昌衛(wèi)星發(fā)射中心以及多家國內外著名電子信息企業(yè)進行合作建設。通過企業(yè)捐贈或部分捐贈實驗設施等手段，將企業(yè)主流產品應用到本科實驗教學中來，結合課堂學習與實際工作，實現校企雙贏。虛擬仿真實驗教學建設，極大地拓展了信息與網絡安全課程實驗的內容，豐富了實驗訓練手段，進一步形成虛從實中來、虛為實服務、虛實互補的實驗教學新機制。

5 關于虛擬仿真實驗中心建設的幾點思考

5.1 如何將虛擬實驗平臺與MOOC結合起來？

隨著客戶終端的多元化，接受在線教育的載體可以是電腦、手機、iPad等多種可以連接互聯網的個人終端設備。這樣，如何使虛擬實驗系統(tǒng)在不同的終端上運行，并將其數據和分析結果與MOOC教學網站進行集合，是我們需要考慮的問題。一旦將二者結合起來，將提高MOOC教學的成效，實現理論與實踐深度融合。針對這一問題，中心將結合以面向西南地區(qū)的“西南學府”MOOC平臺開放中心實驗項目，大力發(fā)展并完善已有的虛擬仿真實驗平臺。

5.2 如何實現實驗資源的匯聚和整合？

隨著實驗資源和訪問量的不斷增大，如何對大量實驗信息進行有效存儲并分類管理，也是未來虛擬實驗教學系統(tǒng)面臨的問題。在實驗資源的匯聚和整合方面，可借助云計算技術有效降低系統(tǒng)成本，確保系統(tǒng)的不斷更新和發(fā)展。

此外，隨著系統(tǒng)訪問用戶的不斷增加，受網絡帶寬、訪問方式等條件的制約，訪問速度會受到不同程度的影響，如何最大化地降低影響，平衡符個環(huán)節(jié)之間的關系，是值得進一步研究的問題。

針對上述問題，中心將充分利用已有的及兄弟高校的優(yōu)質實驗教學資源，動態(tài)更新實驗項目庫。同時，積極促進校企合作，開發(fā)更多優(yōu)質實驗資源，更好地為兄弟院校和社會服務。通過與國家教育資源公共服務平臺和高等學校實驗教學示范中心網站連接，中心將不斷完善實驗資源庫。

5.3 如何對外運營？

隨著用戶訪問量和實驗資源的增加，虛擬中心及實驗系統(tǒng)的升級、運行和維護成本必然濕著上升，而高校受制度、人員和經費的制約，難以承擔相應的運營和維護工作。此外，一大規(guī)模開展虛擬仿真實驗，也需要相應的經費支持才能保證其穩(wěn)定、可靠和持續(xù)運營。此外，隨著塒外運營的開展，虛擬實驗平臺安全性保障也必將面臨新的問題。因此，中心在未來如何開展大規(guī)模虛擬仿真實驗教學的對外運營工作，也是值得深入探討的一個問題。

6 結語

從實驗教學最新發(fā)展趨勢來看，開展虛擬仿真實驗教學中心建設是新時期下高校本科人才培養(yǎng)中的一個重要任務，也是未來實驗教學發(fā)展的必然趨勢。在建設虛擬仿真實驗教學的過程中，不僅需要明確其意義和目標，而且需要特別重視虛擬仿真實驗管理系統(tǒng)和虛擬仿真實驗內容的建設，以滿足大規(guī)模虛擬仿真實驗教學的需求。從目前的情況來看，虛擬仿真實驗教學的研究與改革仍處于起步階段，尚有大量工作需要開展。