計(jì)算機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)與實(shí)踐

王戰(zhàn)偉 王香寧 王麗麗

摘要：首先分析了計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題，結(jié)合計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)近年來(lái)的教學(xué)改革成果，給出了計(jì)算機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心的設(shè)計(jì)方案，介紹了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的總體構(gòu)架和具體功能?？偨Y(jié)了計(jì)算機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的特性和創(chuàng)新點(diǎn)，豐富了實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)體系，提升了學(xué)生的動(dòng)手能力和學(xué)習(xí)興趣，建立遠(yuǎn)程開(kāi)放、資源共享的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，“虛”與“實(shí)”結(jié)合，打破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)受時(shí)間、空間、設(shè)備的限制，完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式及教學(xué)手段，解決了以往緊張的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源分配的難題。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué);虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）17-0085-02

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)和高等教育信息化建設(shè)的重要內(nèi)容之一是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是信息技術(shù)與學(xué)科專(zhuān)業(yè)兩者深度融合的結(jié)果。根據(jù)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020年）》文件精神和《教育部關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見(jiàn)》（教高〔2012〕4號(hào)）文件精神，國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)是2013年教育部決定開(kāi)展工作的。其中建設(shè)的重要內(nèi)容之一即虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的共享管理平臺(tái)

在培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的國(guó)家戰(zhàn)略方針指導(dǎo)下，以“能實(shí)不虛、虛實(shí)結(jié)合、互為補(bǔ)充”為原則，以學(xué)生的創(chuàng)新能力、工程實(shí)踐為培訓(xùn)目的，使用先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和現(xiàn)代數(shù)據(jù)共享技術(shù)包括：人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫(kù)使用、流媒體處理、新型虛擬化技術(shù)等，建立計(jì)算機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[1]。平臺(tái)通過(guò)整合校內(nèi)和企業(yè)的優(yōu)質(zhì)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，以及構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)保障機(jī)制和教學(xué)效果考核、評(píng)價(jià)、反饋機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的改革與創(chuàng)新，有效保障了人才培養(yǎng)質(zhì)量的持續(xù)提升。

1 計(jì)算機(jī)虛擬仿真平臺(tái)建設(shè)的必要性

在很多高校，計(jì)算機(jī)學(xué)科是學(xué)生人數(shù)最多的，專(zhuān)業(yè)包括計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、軟件工程、物聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)安全等。 由于學(xué)生人數(shù)眾多，涉及專(zhuān)業(yè)也多，現(xiàn)在日常運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)室配套儀器、設(shè)備、規(guī)模遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足學(xué)生日益增長(zhǎng)的平時(shí)教學(xué)實(shí)驗(yàn)的要求，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面.

1.1 設(shè)備不足

對(duì)于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)安全和網(wǎng)絡(luò)實(shí)用技術(shù)等課程實(shí)驗(yàn)，所需實(shí)驗(yàn)儀器價(jià)格昂貴，對(duì)實(shí)驗(yàn)操作要求高，因此實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量少，使得學(xué)生很難在有限的實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)熟練掌握設(shè)備的使用。

1.2 經(jīng)費(fèi)不足

對(duì)于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及信息安全類(lèi)課程，進(jìn)行真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)攻防實(shí)驗(yàn)，需要購(gòu)買(mǎi)幾百萬(wàn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，由于學(xué)生只有通過(guò)不斷的攻防演練和學(xué)習(xí)，不斷地對(duì)服務(wù)器及相關(guān)設(shè)備進(jìn)行掃描、攻擊和“破壞”，才能夠提高水平、掌握技術(shù)。因而利用真實(shí)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，顯然無(wú)法滿(mǎn)足需求。

1.3 學(xué)時(shí)不足

由于時(shí)間限制，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課上并不能完全消化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容;另一方面，由于人數(shù)多，學(xué)生很難有機(jī)會(huì)再進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室重復(fù)原來(lái)的實(shí)驗(yàn)。因而，在復(fù)習(xí)和撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告時(shí)如遇疑難，只能靠“回憶”，這樣就導(dǎo)致學(xué)生對(duì)所學(xué)實(shí)驗(yàn)無(wú)很好的掌握，后續(xù)實(shí)驗(yàn)容易出現(xiàn)錯(cuò)誤和設(shè)備故障。

1.4 預(yù)習(xí)準(zhǔn)備不足

實(shí)驗(yàn)課程的預(yù)習(xí)準(zhǔn)備要求學(xué)生做到：提前弄清楚實(shí)驗(yàn)課程和儀器的原理、理論知識(shí)，而這些是需要學(xué)生動(dòng)手操作一遍才可以理解的。由于缺乏仿真實(shí)驗(yàn)，而真實(shí)實(shí)驗(yàn)室的儀器和設(shè)備不能滿(mǎn)足每一位學(xué)生的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)要求，所以學(xué)生在完成預(yù)習(xí)準(zhǔn)備工作的時(shí)候只是簡(jiǎn)單了解了課本的理論知識(shí)，簡(jiǎn)單提交了預(yù)習(xí)報(bào)告。沒(méi)有對(duì)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和設(shè)備等建立直觀認(rèn)知，課前對(duì)預(yù)習(xí)工作準(zhǔn)備不充分。

2 計(jì)算機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的教學(xué)資源

主要包含三個(gè)模塊：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)模塊、網(wǎng)絡(luò)實(shí)用技術(shù)模塊和網(wǎng)絡(luò)安全模塊[2]。

2.1 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K主要完成的實(shí)驗(yàn)課程包括：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理與技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析等。該模塊的主要作用是幫助學(xué)生了解教師的課程安排、實(shí)驗(yàn)公告等。

2.2 網(wǎng)絡(luò)實(shí)用技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K

網(wǎng)絡(luò)實(shí)用技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K主要完成網(wǎng)絡(luò)實(shí)用技術(shù)、路由與交換等課程的實(shí)驗(yàn)。該模塊中，學(xué)生可以在模擬的真實(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞慕?，模擬軟件的圖形用戶(hù)界面非常靈活方便。

2.3 網(wǎng)絡(luò)安全虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K

網(wǎng)絡(luò)安全虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K則完成網(wǎng)絡(luò)安全基本原理、密碼學(xué)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)和安全協(xié)議分析與設(shè)計(jì)等課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。該模塊主要面向計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、通信工程、軟件工程、物聯(lián)網(wǎng)、信息安全等專(zhuān)業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全相關(guān)的課程。

3 建設(shè)和實(shí)踐計(jì)算機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

該平臺(tái)是和企業(yè)聯(lián)手開(kāi)發(fā)的“開(kāi)放式網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)室”。借助廣泛的校園網(wǎng)[3]，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)與虛擬試驗(yàn)技術(shù)相結(jié)合，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

3.1 該平臺(tái)的體系架構(gòu)

計(jì)算機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)使用B/S架構(gòu)，兼容性和擴(kuò)展性強(qiáng)。使用基于Linux操作系統(tǒng)的服務(wù)器，穩(wěn)定性和安全性高。數(shù)據(jù)庫(kù)和中間件使用開(kāi)源技術(shù)，采用正版軟件，保證安裝部署成本低，是國(guó)家科技部推薦的教育信息系統(tǒng)解決方案[4]。系統(tǒng)包括了日常教務(wù)管理和智能指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)、自動(dòng)批改實(shí)驗(yàn)結(jié)果、電子化管理實(shí)驗(yàn)報(bào)告、教學(xué)過(guò)程監(jiān)督、教學(xué)效果評(píng)價(jià)和檔案管理等功能。

3.2 計(jì)算機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的功能結(jié)構(gòu)

計(jì)算機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)用戶(hù)角色包括學(xué)生、教師、教務(wù)員、實(shí)驗(yàn)室管理員、領(lǐng)導(dǎo)、系統(tǒng)管理員等角色。平臺(tái)主要服務(wù)于實(shí)驗(yàn)課程的相關(guān)管理[5]。平臺(tái)功能結(jié)構(gòu)如下圖所示。

為了更好地服務(wù)廣大學(xué)生，建立了信息內(nèi)容可動(dòng)態(tài)發(fā)布和管理的計(jì)算機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心網(wǎng)站。訪(fǎng)客通過(guò)中心主頁(yè)，可直接進(jìn)入開(kāi)放式網(wǎng)上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)，交流學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)心得。

3.3 綜合管理模塊

綜合管理模塊包括了實(shí)驗(yàn)室相關(guān)管理、教學(xué)信息、賬戶(hù)管理、信息交互和終端管理子模塊。

實(shí)驗(yàn)室管理包括實(shí)驗(yàn)室建制、實(shí)驗(yàn)成果和實(shí)驗(yàn)室用房。實(shí)驗(yàn)室隊(duì)伍包括教師管理和工作人員統(tǒng)計(jì)，教師管理工作日志和專(zhuān)職實(shí)驗(yàn)人員。實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)放包括房間開(kāi)放設(shè)置和預(yù)約審批。儀器設(shè)備包括設(shè)備綜合信息和儀器設(shè)備登記。教學(xué)信息包括實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目庫(kù)、實(shí)驗(yàn)課程庫(kù)、專(zhuān)業(yè)管理和教材管理。賬戶(hù)管理包括教師、學(xué)生和校外用戶(hù)的管理。

信息交互包括交互管理、網(wǎng)絡(luò)硬盤(pán)和網(wǎng)站控制。終端管理子模塊包括刷卡端、門(mén)禁布控、門(mén)禁授權(quán)、電源設(shè)備、視頻監(jiān)控、儀器授權(quán)。管理整個(gè)實(shí)驗(yàn)中心所有實(shí)驗(yàn)室門(mén)禁系統(tǒng)和視頻監(jiān)控，師生注冊(cè)綁定校園卡，經(jīng)過(guò)授權(quán)后使用校園卡刷卡進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室或者進(jìn)行實(shí)驗(yàn)考勤。

3.4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊

實(shí)驗(yàn)教學(xué)部分包括了教學(xué)相關(guān)的管理過(guò)程。

1）教學(xué)安排

教學(xué)安排的主要內(nèi)容有提前準(zhǔn)備教學(xué)任務(wù)、給實(shí)驗(yàn)課程提前排課、預(yù)約實(shí)驗(yàn)管理和實(shí)驗(yàn)進(jìn)程課表。

實(shí)驗(yàn)教務(wù)管理是按照各部門(mén)提前制定的教學(xué)計(jì)劃，將課程庫(kù)和學(xué)生培養(yǎng)計(jì)劃、學(xué)期信息還有排課信息提前錄入系統(tǒng)，方便老師和學(xué)生使用網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，給老師和學(xué)生查找豐富多彩的實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)信息提供了便利。

2）教學(xué)過(guò)程

教學(xué)過(guò)程包括實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)考勤、實(shí)驗(yàn)過(guò)程、實(shí)驗(yàn)報(bào)告和實(shí)驗(yàn)成績(jī)子模塊。

教師根據(jù)每學(xué)期教務(wù)處提前安排的開(kāi)課計(jì)劃進(jìn)行以下相關(guān)工作，包括：維護(hù)典型實(shí)驗(yàn)庫(kù)、安排實(shí)驗(yàn)、提前查看學(xué)生的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展情況、及時(shí)查看學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和批改實(shí)驗(yàn)報(bào)告、統(tǒng)計(jì)和發(fā)布學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成績(jī)。

3）教學(xué)考核

教學(xué)考核包括題庫(kù)管理、試卷管理、考試管理和成績(jī)管理。通過(guò)題庫(kù)管理可以創(chuàng)建、錄入、導(dǎo)入題庫(kù)，試卷管理預(yù)習(xí)試卷和考試試卷，考試管理可以安排考試、批閱試卷，成績(jī)管理可以查詢(xún)考試成績(jī)。

4）教學(xué)體系

教學(xué)體系包括實(shí)驗(yàn)課程庫(kù)、試驗(yàn)項(xiàng)目庫(kù)、教學(xué)大綱、實(shí)驗(yàn)教材、行政班級(jí)和選修班級(jí)。實(shí)驗(yàn)課程庫(kù)和試驗(yàn)項(xiàng)目庫(kù)可以通過(guò)系統(tǒng)導(dǎo)入、導(dǎo)出和創(chuàng)建。教學(xué)大綱模塊可以制定、審核和查詢(xún)教學(xué)大綱。錄入實(shí)驗(yàn)教材，創(chuàng)建和導(dǎo)出行政班級(jí)，創(chuàng)建、導(dǎo)入和導(dǎo)出選修班級(jí)。

5）教學(xué)質(zhì)量

教學(xué)質(zhì)量包括信息查詢(xún)和教學(xué)整體情況。信息查詢(xún)可以查詢(xún)教學(xué)工作量、教學(xué)人時(shí)數(shù)、教師工作日志和實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行記錄。教學(xué)整體情況有評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)管理、評(píng)價(jià)規(guī)則管理、我的評(píng)價(jià)列表、評(píng)價(jià)記錄查詢(xún)、在線(xiàn)聽(tīng)課和實(shí)時(shí)監(jiān)控。

6）教學(xué)資源

教學(xué)資源包括教學(xué)視頻、教學(xué)課件和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)。教師可以上傳教學(xué)視頻、課件和實(shí)驗(yàn)室指導(dǎo)書(shū)等資料，學(xué)生可以下載。

7）教學(xué)管理參數(shù)

教學(xué)管理參數(shù)包括基本設(shè)置和系統(tǒng)信息配置?；驹O(shè)置可以設(shè)置學(xué)生信息、教師信息、節(jié)次、實(shí)驗(yàn)室、部門(mén)、專(zhuān)業(yè)和課程權(quán)限。系統(tǒng)信息配置可以進(jìn)行數(shù)據(jù)導(dǎo)入、角色管理、目錄結(jié)構(gòu)、修改密碼和學(xué)期設(shè)置。

3.5 系統(tǒng)設(shè)置模塊

系統(tǒng)設(shè)置模塊的功能是綜合參數(shù)管理，主要包括運(yùn)行記錄、權(quán)限管理、初始化設(shè)置和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)功能。系統(tǒng)采用了一系列的安全措施以便保障在開(kāi)放環(huán)境下大規(guī)模學(xué)生的使用安全。系統(tǒng)管理員的工作主要包括分組管理系統(tǒng)用戶(hù)賬號(hào)和實(shí)驗(yàn)學(xué)生班級(jí)，開(kāi)通導(dǎo)入、導(dǎo)出、增加、刪除、查找、修改等服務(wù)，并且維護(hù)參加實(shí)驗(yàn)教學(xué)的角色和相應(yīng)權(quán)限，按照角色的不同，給予相應(yīng)管理權(quán)限功能，同時(shí)還能夠查看在線(xiàn)的用戶(hù)人數(shù)，查看用戶(hù)功能訪(fǎng)問(wèn)和用戶(hù)登錄的記錄情況。

4 結(jié)束語(yǔ)

在大力培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的國(guó)家戰(zhàn)略方針指導(dǎo)下，堅(jiān)持培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、工程實(shí)踐能力，以“能實(shí)不虛、虛實(shí)結(jié)合、互為補(bǔ)充”為原則，使用現(xiàn)代虛擬化技術(shù)、流媒體處理、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、人機(jī)交互等現(xiàn)代技術(shù)，建立了計(jì)算機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)[6]。平臺(tái)通過(guò)整合校內(nèi)和企業(yè)的優(yōu)質(zhì)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，以及構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)保障機(jī)制和教學(xué)效果考核、評(píng)價(jià)、反饋機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的改革與創(chuàng)新，有效保障了人才培養(yǎng)質(zhì)量的持續(xù)提升。

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