虛擬云實驗平臺在網(wǎng)絡(luò)綜合實訓(xùn)教學(xué)改革的應(yīng)用

李鵬 曹洪武 鄔歡歡 范振岐

摘 ? 要：邊疆建設(shè)急需網(wǎng)絡(luò)信息化人才，當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與軟件更新?lián)Q代迅速，邊疆高校實驗環(huán)境與建設(shè)經(jīng)費無法滿足相關(guān)專業(yè)的教學(xué)需要。在教學(xué)實驗改革中，文章通過在云實驗平臺中加入預(yù)設(shè)的虛擬機鏡像系統(tǒng)，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，完成“網(wǎng)絡(luò)綜合實訓(xùn)”等相關(guān)課程，提高了教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：虛擬云試驗平臺;網(wǎng)絡(luò)綜合實訓(xùn);教學(xué)改革

當(dāng)前我國西部邊疆經(jīng)濟發(fā)展迅速，網(wǎng)絡(luò)信息化建設(shè)人才需求日益增多，但邊疆普通高校的“計算機與網(wǎng)絡(luò)通信”課程建設(shè)還存在短板和不足，在網(wǎng)絡(luò)綜合實訓(xùn)中面臨師資短缺、課時不夠、實驗設(shè)備不足、實驗環(huán)節(jié)難以充分實現(xiàn)等諸多問題，必須在教學(xué)中采取有效措施，提高教學(xué)質(zhì)量，為興疆固邊服務(wù)。

1 ? ?網(wǎng)絡(luò)綜合實訓(xùn) 的教學(xué)實踐性與復(fù)雜性

網(wǎng)絡(luò)綜合實訓(xùn)是計算機與網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)學(xué)生在完成專業(yè)基礎(chǔ)課學(xué)習(xí)與大部分專業(yè)課程學(xué)習(xí)之后，綜合應(yīng)用所學(xué)知識，選擇貼近生產(chǎn)與科研實際的項目，完成計算機工程實踐的重要課程，是對學(xué)生實踐動手能力的綜合鍛煉。

網(wǎng)絡(luò)綜合實訓(xùn)中應(yīng)用到的專業(yè)課程有“計算機網(wǎng)絡(luò)”“綜合布線技術(shù)”“Linux技術(shù)應(yīng)用”“網(wǎng)際互聯(lián)技術(shù)”等。

學(xué)生的選題涉及以下知識模塊：傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）的原理及應(yīng)用，數(shù)據(jù)包的采集與分析，交換機路由器配置與路由維護，多種常用服務(wù)器的搭建，網(wǎng)絡(luò)攻防平臺中的靶機建立、攻擊與防御過程，入侵檢測系統(tǒng)與蜜罐系統(tǒng)的建立與維護。

網(wǎng)絡(luò)綜合實訓(xùn)涉及大量的特殊實驗，比如交換機路由器需要多種的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備，這些設(shè)備參數(shù)復(fù)雜、配置時間長、模塊昂貴。再如網(wǎng)絡(luò)攻防實驗具有一定的破壞性，對目標(biāo)計算機的系統(tǒng)會造成種種危害。此外，還有大量驗證性實驗，例如對典型的“0day漏洞”進行攻擊，理解操作系統(tǒng)的隱患所在位置與補丁修復(fù)后的效果。

部分實驗操作復(fù)雜，需要學(xué)生用幾小時甚至數(shù)天時間去攻擊靶機，讓部分學(xué)習(xí)不夠細(xì)致的學(xué)生在綜合實訓(xùn)的起始階段就難以入門。教師在實驗環(huán)境配置與修復(fù)上花費了大量的精力，在實驗講解上花費了大量的重復(fù)時間，卻往往不能收到應(yīng)有的效果。

計算機與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備更新?lián)Q代的頻率很快，通常5年就會更新，每次的軟件硬件升級或更新都是巨大的資金支出，對于普遍建設(shè)資金緊張的邊疆高校來講是難以承擔(dān)的負(fù)擔(dān)，實際上，實驗室部分網(wǎng)絡(luò)設(shè)備建設(shè)完成后都用了8年以上。

綜合實訓(xùn)課程的知識結(jié)構(gòu)復(fù)雜，學(xué)習(xí)難度大，對教師教學(xué)與學(xué)生學(xué)習(xí)都是嚴(yán)峻的考驗。用傳統(tǒng)教學(xué)方式，費時費力，學(xué)生的學(xué)習(xí)效果也不夠好，即使完成了課程實訓(xùn)，再來撰寫實驗報告也是很漫長的工作，各屆學(xué)生都反映學(xué)習(xí)強度太大，部分學(xué)生難以按質(zhì)按量完成教師所布置的任務(wù)。

2 ? ?虛擬云平臺的基本結(jié)構(gòu)

虛擬云平臺的應(yīng)用改變了以上弊端，對于實驗中容易出錯的操作，教師可以事先錄制操作步驟，上傳到云端，供學(xué)生點擊學(xué)習(xí)。邊學(xué)習(xí)邊操作減輕了教師的教學(xué)壓力，學(xué)生可以在課前預(yù)習(xí)實驗內(nèi)容，提高了教學(xué)效果。

虛擬機云平臺采用瀏覽器/服務(wù)器模式（Browser/Server，B/S）結(jié)構(gòu)，學(xué)生注冊賬戶，經(jīng)過任課教師審核通過后可進入平臺，進行相關(guān)的綜合實訓(xùn)，在實驗課程中選擇與教師講授同步的課程，在課余時間可以自由選擇感興趣的題目進行學(xué)習(xí)。

虛擬云平臺集成了VMware相關(guān)技術(shù)，將各門課程的實驗題目整合，學(xué)生提交實驗報告，教師在線批閱報告后給出評分。教師在批閱報告時，能通過后臺系統(tǒng)查看此學(xué)生所操作的虛擬機狀態(tài)，確認(rèn)該生是否真正完成了實驗操作。

由于實訓(xùn)題目中有部分是破壞性題目，為防止學(xué)生利用所學(xué)網(wǎng)絡(luò)攻防知識攻擊系統(tǒng)，平臺設(shè)定了多重保護措施，做好數(shù)據(jù)備份。平臺的操作日志寫入網(wǎng)絡(luò)中的其他備份計算機，確保數(shù)據(jù)與成績的安全。云實驗教學(xué)平臺結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 ? ?實驗平臺的應(yīng)用過程

教師進入系統(tǒng)后臺，建立課程，從實驗系統(tǒng)導(dǎo)入對應(yīng)的實驗單元，也可以增加自己設(shè)計的實驗?zāi)K。教師在虛擬機上可以配置各種應(yīng)用程序和實驗環(huán)境，并且可以指定機型，自行設(shè)定硬件配置，生成虛擬機鏡像文件并上傳。

完成課程建設(shè)后，通知學(xué)生注冊或選修本課程。批準(zhǔn)學(xué)生選課后，學(xué)生即可選修已經(jīng)開放的實驗內(nèi)容。

對于難以配置的計算機系統(tǒng)，教師可以在云端虛擬機中預(yù)設(shè)多個不同的實驗狀態(tài)，學(xué)生在某個步驟遇到阻力，或者操作出錯時，既可以點擊導(dǎo)入虛擬機的上一個狀態(tài)，重新進行操作，也可以導(dǎo)入虛擬機的下一個鏡像，跳過某步操作，先完成整個實驗思路，再返回來重新學(xué)習(xí)避免因為一個步驟不熟悉，卡住了整個實驗。

注冊用戶為學(xué)生，經(jīng)教師批準(zhǔn)后即可進入選課平臺，多門課程實現(xiàn)了賬戶共享，學(xué)生只需要成功注冊一次即可。

學(xué)生登錄實訓(xùn)云平臺，部分課程只能在指定實驗室環(huán)境中使用，絕大部分基礎(chǔ)實驗可以在連入校園網(wǎng)的計算機中使用，在手機端也可用瀏覽器登入平臺，但只能進行課程討論，類似于BBS，實驗虛擬機模塊所需要的資源量太大，又需要相關(guān)平臺插件，無法在手機中運行。

學(xué)生的作業(yè)提交—實驗報告中附帶截圖，并上傳用仿真軟件繪制的拓?fù)鋱D，教師可以查看學(xué)生的虛擬機狀態(tài)，核實學(xué)生是否真的完成了實驗。事后，將虛擬機關(guān)閉，釋放內(nèi)存空間，也可以設(shè)計為時間到點后，自動關(guān)閉本次課程的所有虛擬實驗環(huán)境，還原所有修改，在下次使用時，初始化所有虛擬機。對于小型實驗，可以將恢復(fù)時間設(shè)定為4 h，大型實驗設(shè)定為8 h，綜合實訓(xùn)則設(shè)定為兩周，學(xué)生在兩周內(nèi)完成所有任務(wù)，撰寫實驗報告，將實驗過程中的關(guān)鍵截圖導(dǎo)入實驗報告，提交給教師，兩周后，所有更改清零，系統(tǒng)恢復(fù)初始狀態(tài)，學(xué)生可以根據(jù)實驗報告中的實驗步驟再次練習(xí)實驗。教師也可將優(yōu)質(zhì)的實驗報告電子版導(dǎo)出，給下屆學(xué)生作為參考資料。

4 ? ?云平臺的應(yīng)用效果探討

云平臺加上鏡像虛擬機的配置簡化了實驗操作過程，降低了配置難度，把教師從繁重的系統(tǒng)配置與審核過程中解脫了出來，可以專心進行實驗設(shè)計，并將關(guān)鍵實驗操作步驟用錄屏軟件制作為微課產(chǎn)品，供學(xué)生自學(xué)，教師根據(jù)教學(xué)效果與學(xué)生反饋，不斷更新教學(xué)內(nèi)容，提高了教學(xué)質(zhì)量。

經(jīng)過一年的試運行，用平臺授課的效果很好，教師可以統(tǒng)計學(xué)生的訪問頻率，通過查看統(tǒng)計可知學(xué)生的實驗完成情況，也可以了解學(xué)生對高難度實驗的掌握情況。

學(xué)生通過云實驗平臺，進入預(yù)先配置好的實驗環(huán)境，在微課與設(shè)計指導(dǎo)書的指引下完成指定的實訓(xùn)任務(wù)，便于學(xué)生在宿舍事先預(yù)習(xí)實驗內(nèi)容，到實驗室直接完成實驗，難點可通過論壇和留言板快速討論。

對于學(xué)生的報告可以更方便地撰寫和批閱，教師進入系統(tǒng)管理，在教師后臺管理中即可審閱，給出成績后，學(xué)生可以實時看到。如果需要提示某些操作細(xì)節(jié)，也可在教師后臺中通過短消息的形式發(fā)給學(xué)生，對于重要的操作，或者是多個學(xué)生都犯的錯誤，可以在課程討論模塊發(fā)布主題，平臺的所有學(xué)生都能看到，也都能參與討論。實現(xiàn)了自學(xué)—討論—提高—深入學(xué)習(xí)的良性循環(huán)，簡化了實訓(xùn)流程，能較快地完成實踐項目。

從某種意義上來說，云平臺的應(yīng)用也存在缺點：

首先，減少了學(xué)生的學(xué)習(xí)機會，使得學(xué)生沒有調(diào)試系統(tǒng)“百思不得其解的痛苦感”，也沒有經(jīng)歷過繁瑣的配置過程，而這在今后的工作中會經(jīng)常遇到。

其次，在虛擬機上按照預(yù)定的配置去完成對應(yīng)操作是很容易，但現(xiàn)實中的設(shè)備配置遠(yuǎn)比這些復(fù)雜，出錯之后的調(diào)試過程也與虛擬機上的調(diào)試完全不同。

最后，實訓(xùn)中容易出現(xiàn)“重操作，輕理論”的現(xiàn)象，部分學(xué)生喜好動手操作，做出看得見摸得著的實訓(xùn)成果，而不習(xí)慣去鉆研分析理論知識，導(dǎo)致理論基礎(chǔ)欠缺，難以勝任耐心和細(xì)致的設(shè)備調(diào)試與系統(tǒng)維護工作。

5 ? ?結(jié)語

綜上所述，應(yīng)用云平臺虛擬機可以引導(dǎo)學(xué)生較快完成實驗任務(wù)，掌握基本操作。在此基礎(chǔ)上，仍然需要讓學(xué)生自行配置真實的服務(wù)器、布線系統(tǒng)、交換機路由器，以培養(yǎng)實踐操作能力，兩者同等重要。

[參考文獻(xiàn)]

[1]黎加厚.走向教育技術(shù)“云”服務(wù)[J].遠(yuǎn)程教育雜志，2008（3）：79.

[2]唐紅，徐光俠.云計算研究與發(fā)展綜述[J].數(shù)字通信，2010（3）：23-28.

[3]韓燕波，王桂玲，劉晨，等.互聯(lián)網(wǎng)計算的原理與實踐[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

[4]黎加厚.云計算輔助教學(xué)[M].上海：上海教育出版社，2010.

[5]柴亞輝，涂春萍，劉覺夫，等.基于云計算的計算機與軟件實驗資源管理[J].實驗室研究與探索，2010（10）：254-256.

[6]李鵬，王玉麗，賈桂珍，等.微課技術(shù)在實驗教學(xué)中的應(yīng)用研究—以“獸醫(yī)寄生蟲學(xué)”課程為例[J].無線互聯(lián)科技，2018（21）：161-162.