虛擬仿真網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)云平臺建設(shè)研究

席奇 張翔 江西省景德鎮(zhèn)學(xué)院信工系

1 前言

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程都是以實(shí)物為基礎(chǔ)的操作實(shí)踐，存在設(shè)備數(shù)量有限、實(shí)驗(yàn)成本高、消耗大及無法遇知存在危險(xiǎn)性的環(huán)境里是無法滿足實(shí)驗(yàn)課堂需求。但是通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)這種新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式來克服真實(shí)環(huán)境中的諸多限制，從而為學(xué)生創(chuàng)造了更便利的學(xué)習(xí)條件，有效提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的效率和積極性。

這種虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺就是基于云計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室。首先通過云平臺接入設(shè)備采用服務(wù)器實(shí)現(xiàn)，負(fù)責(zé)管理多個(gè)設(shè)備單元并運(yùn)行服務(wù)器軟件，實(shí)現(xiàn)學(xué)生客戶端登錄管理、動(dòng)態(tài)分配硬件設(shè)備、程序提交與下載、記錄學(xué)生操作記錄等。并將客戶端的請求和操作以指令的形式發(fā)送到硬件設(shè)備單元。首先用戶進(jìn)行登錄驗(yàn)證，為學(xué)生動(dòng)態(tài)分配FPGA 硬件實(shí)驗(yàn)設(shè)備，再將學(xué)生提交的FPGA 程序傳送到對應(yīng)硬件單元，然后將用戶的操作命令轉(zhuǎn)發(fā)到對應(yīng)的板塊進(jìn)行處理，通過FPGA 的端口及寄存器狀態(tài)并返回給用戶。最后實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫管理，將用戶登錄信息、操作記錄都記錄到數(shù)據(jù)庫中，同時(shí)提供教師機(jī)后臺管理與數(shù)據(jù)查看功能。FPGA 云資源設(shè)備上硬件設(shè)備單元采用板卡的形式，通過USB 接口連接到遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)接入設(shè)備的服務(wù)器上。設(shè)備單元采用ARM+FPGA 的核心硬件方案，其中ARM 解析服務(wù)器軟件下發(fā)的命令，并負(fù)責(zé)下載FPGA 程序，設(shè)置FPGA 管腳輸入狀態(tài)以及采樣輸出管腳狀態(tài)。教學(xué)管理系統(tǒng)模塊提供了登錄、學(xué)生信息監(jiān)控、學(xué)生操作記錄監(jiān)控、實(shí)驗(yàn)管理、FPGA 板卡連接狀態(tài)監(jiān)控、學(xué)生實(shí)時(shí)操作信息監(jiān)控等功能。學(xué)生機(jī)軟件提供了學(xué)生賬號注冊、登錄、設(shè)備連接、實(shí)驗(yàn)程序上傳、實(shí)驗(yàn)界面、實(shí)驗(yàn)輸入設(shè)置、輸出監(jiān)控等功能。

2 開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)的意義

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)最突出的優(yōu)點(diǎn)是使學(xué)生能夠在虛擬環(huán)境中模擬各種網(wǎng)絡(luò)場景和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置，充分了解實(shí)驗(yàn)過程，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣，實(shí)現(xiàn)教學(xué)互惠。目前，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)大多采用現(xiàn)有的開源軟件。學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，觀察網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，配置網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。然而，在開源軟件中，學(xué)生的管理、實(shí)驗(yàn)報(bào)告的審批和管理等一系列與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的工作都比較困難。實(shí)驗(yàn)如果受限于有限的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)資金、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)時(shí)間條件等，就不能滿足教學(xué)的需要。然而，對于一些學(xué)校來說，資金短缺和設(shè)備的快速更新是目前的主要問題，一次購買更先進(jìn)、更昂貴的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備是不可能的。在高等教育中，不僅要求學(xué)生對理論知識有深刻的理解，而且要求學(xué)生培養(yǎng)理論與實(shí)踐相結(jié)合、在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)規(guī)劃

網(wǎng)絡(luò)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在一些問題。理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容不能有效結(jié)合。大部分學(xué)生對實(shí)驗(yàn)感到不滿意，主要是因?yàn)樗麄儾惶私饩W(wǎng)絡(luò)課程的抽象理論，無法在課后通過實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行很好的實(shí)踐。隨著理論知識的不斷深入，概念變得越來越模糊。在很長一段時(shí)間內(nèi)，它將不可避免地導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的下降。如何讓學(xué)生在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)都能參與到實(shí)踐教學(xué)的過程中，并將理論課程結(jié)合起來，是值得思考的問題。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的出發(fā)點(diǎn)，也是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的瓶頸。當(dāng)學(xué)生做預(yù)習(xí)報(bào)告時(shí)，他們經(jīng)常面對一套書。對課文的枯燥描述導(dǎo)致學(xué)生對困難的恐懼。大部分學(xué)生在做預(yù)習(xí)報(bào)告的時(shí)候，都很長時(shí)間的抄寫實(shí)驗(yàn)教學(xué)說明中的單詞。他們沒有仔細(xì)閱讀和體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)原理、設(shè)備和過程。這種缺乏生動(dòng)感性認(rèn)識的應(yīng)對工作嚴(yán)重限制了學(xué)生的思維空間。現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)類型和尺度難以同步學(xué)生知識的擴(kuò)張和升級課程需求,并現(xiàn)場指導(dǎo)資源的缺乏不利于個(gè)性化的要求實(shí)驗(yàn)課程的網(wǎng)絡(luò)課程的教學(xué)特點(diǎn),這常常使實(shí)驗(yàn)教學(xué)流于形式。加強(qiáng)信息技術(shù)與物理實(shí)驗(yàn)課程的整合，激發(fā)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的興趣，有利于應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。虛擬實(shí)驗(yàn)提供了強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)交互功能和友好的虛擬軟件人機(jī)界面。它集視聽功能、視覺形象和豐富的圖文于一體。[1]它能有效激發(fā)學(xué)生對物理實(shí)驗(yàn)的興趣，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生參與的積極性，從而體現(xiàn)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中的認(rèn)知作用和主體作用。同時(shí)，它集計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理與模式識別、智能技術(shù)、傳感器技術(shù)、語言處理與音頻技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等科學(xué)于一體。因此，虛擬實(shí)驗(yàn)有助于培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算機(jī)控制儀器、收集數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、控制大量數(shù)據(jù)和生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告的能力，全面提高學(xué)生的綜合評價(jià)能力。結(jié)合計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力，提高學(xué)生的社會(huì)適應(yīng)能力和工程實(shí)踐能力。

4 教學(xué)案例

在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺實(shí)現(xiàn)了主要的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境來激發(fā)學(xué)生對學(xué)習(xí)的興趣。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺不僅可以模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)操作，還可以讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中了解網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的連接、配置及工作過程，并在虛擬環(huán)境中記錄計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)知識的實(shí)驗(yàn)過程，并了解學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中存在的問題。因?yàn)榇蟛糠值挠?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)，無論是虛擬的實(shí)驗(yàn)還是真正的物理實(shí)驗(yàn)，都很難理解實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生的具體步驟。這些信息的缺乏對教師進(jìn)一步了解學(xué)生的詳細(xì)學(xué)習(xí)過程是非常不利的。因此，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺應(yīng)該能夠記錄學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作，如物理連接、系統(tǒng)配置操作等，并能夠客觀地檢測和評估學(xué)生。由于不同的教師有不同的教學(xué)方法，平臺預(yù)設(shè)的實(shí)驗(yàn)不能完全滿足教師的需求。因此，虛擬模擬實(shí)驗(yàn)平臺的建設(shè)必須滿足教師的需求，來獨(dú)立設(shè)計(jì)虛擬模擬實(shí)驗(yàn)。

5 結(jié)語

從實(shí)驗(yàn)教學(xué)的最新發(fā)展趨勢的角度來看,以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)為中心的建設(shè)是新時(shí)期下高校本科人才培養(yǎng)中的一個(gè)重要任務(wù)，也是未來實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展的必然趨勢。在構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過程中，我們不僅需要明確其意義和目標(biāo)，還需要特別關(guān)注虛擬仿真實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)的構(gòu)建和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的建設(shè)，以滿足大規(guī)模虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要。從現(xiàn)狀來看，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究和改革還處于起步階段，還有很多工作要做。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)將實(shí)驗(yàn)設(shè)備、教學(xué)內(nèi)容、教師指導(dǎo)和學(xué)生操作有機(jī)地結(jié)合在一起。在實(shí)際教學(xué)中，要注意虛實(shí)互補(bǔ)，揚(yáng)長避短。虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和使用必須與具體的教學(xué)對象、學(xué)習(xí)需求和目標(biāo)緊密結(jié)合。作為指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)教師應(yīng)在相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行系統(tǒng)的比較研究。開發(fā)的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不僅要靈活地使用，而且要作為虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行一些技術(shù)開發(fā)和軟件設(shè)計(jì)，作為虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的有益補(bǔ)充。