計算機虛擬仿真實驗教學平臺建設與實踐

高永強，何沂沛

（內(nèi)蒙古大學計算機學院，內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特 010000）

0 引言

如今，國家正在穩(wěn)步推動信息化與高等學校實踐課程的深入融合，加大高等院校實驗教學中優(yōu)秀教學資源的建設力度。虛擬仿真實驗作為信息技術(shù)與專業(yè)融合的新產(chǎn)品，為實驗教學的變革和創(chuàng)新發(fā)展提供了全新的動能，在國家高等教育信息化研究與實驗教學示范中心建設發(fā)展過程中起到了重要作用［1-4］。

1 計算機實驗教學現(xiàn)狀

在中國眾多大學中，計算機科學與技術(shù)、人工智能、計算機網(wǎng)絡建設、軟件、網(wǎng)絡安全等專業(yè)的學生數(shù)量非常龐大。因為涉及到大量學生及專業(yè)，大部分高?，F(xiàn)有實驗室里的設備儀器遠遠不能滿足教學實驗要求，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）設備利用率低。針對計算機網(wǎng)絡、網(wǎng)絡安全等實驗項目而言，所要求的實驗儀器設備售價昂貴，且儀器設備數(shù)量較少，但對實踐操作能力的要求較高，使得學員們很難在限定的實驗課時內(nèi)學習并運用上述實驗儀器設備。

（2）資金短缺。對計算機網(wǎng)絡與安全課程而言，若想完成真正的計算機網(wǎng)絡攻防實驗，則必須購置價值高達百萬元的實驗裝置儀器設備［5］。學員們只有通過不斷地掃描、入侵和“摧毀”服務器及有關(guān)設施，并持續(xù)地開展攻防演練，才能進一步提高自身的技術(shù)水平。所以，如果使用實際的實驗裝置，顯然不能滿足需要。

（3）課時少。因為課堂時間的局限，學生們很難充分理解并消化實驗課中的內(nèi)容，同時因為參與實驗的學生數(shù)量較多，很難在實驗室內(nèi)重復進行實驗。因此，當學生們在復習或撰寫實驗報告遇到問題時，只能去回憶實驗情景，可能造成實驗結(jié)果不準確，并在以后的實驗中導致出錯或設備故障。

（4）課前準備不充分。實驗課之前的準備工作要求學生事先學習實驗課和實驗儀器原理及相關(guān)理論，但部分理論需要學生操作實驗儀器才可以理解。由于實驗室中的儀器設備數(shù)量無法滿足學生們的實驗預習要求，又缺乏仿真模擬實驗，所以在預習階段學生們只能簡單地了解課本的理論知識，對實驗環(huán)境和實驗設備缺乏直觀認識，課前準備不充分。

2 虛擬仿真實驗教學優(yōu)勢

虛擬仿真實驗平臺相較于普通的實驗教學具有以下幾個明顯優(yōu)勢：

（1）可為教師和學生提供一個無限制的實驗環(huán)境，包括實驗資金、實驗時間、實驗場所、實驗設備等，使學生能夠利用平臺的開放性自主進行實驗。

（2）可有效提升計算機實踐課程學生們的學習興趣，增加學習動機。

（3）能夠很好地訓練學生構(gòu)建計算機仿真建模體系的能力，也有助于鞏固學生的專業(yè)知識基礎，提升學生的實際創(chuàng)新能力。

（4）是學校開展計算機實驗教學的必由之路，有助于推動普通高等學校教師由單一型人才培養(yǎng)者到復合型人才培養(yǎng)者的職責轉(zhuǎn)換［6-7］。

（5）有助于訓練教師的開放性教學能力，以適應平臺課程內(nèi)容的隨機性、創(chuàng)新性和開放性特點。

3 計算機虛擬仿真實驗教學平臺構(gòu)建

以實驗教學資源建設為重點，以共享開放環(huán)境為根本目標，搭建計算機虛擬仿真實驗教學平臺，以培養(yǎng)學習者的技術(shù)應用能力與創(chuàng)新意識［8-10］。

3.1 平臺體系結(jié)構(gòu)

該平臺依托于大學校園網(wǎng)，分為服務器和實驗終端兩部分。服務器模塊內(nèi)配置了虛擬實驗與教學管理系統(tǒng)，支持實驗終端的登錄申請，并存儲實驗結(jié)果、實驗報告及其他數(shù)據(jù)。實驗終端模塊為使用者搭建一個虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的仿真實驗平臺，學生們可直接輸入學號進行注冊，并且能夠隨時完成實驗。教師們可共享實驗資料，教學人員和實驗室管理人員可發(fā)布課程與管理儀器設備，實現(xiàn)實驗教學的網(wǎng)絡化、數(shù)字化和智能化。虛擬仿真實驗平臺結(jié)構(gòu)拓撲圖如圖1所示。

Fig.1 Topology diagram of virtual simulation experiment platform圖1 虛擬仿真實驗平臺結(jié)構(gòu)拓撲圖

3.2 平臺功能

計算機虛擬仿真實驗教學平臺的使用者包括學生、教師、實驗室工作人員、系統(tǒng)管理員等。該平臺主要用于實驗教學管理，主要功能如圖2所示。

Fig.2 Function of computer virtual simulation experiment teaching platform圖2 計算機虛擬仿真實驗教學平臺功能

為更好地為廣大學員服務，本文還創(chuàng)建了一個用于動態(tài)發(fā)表與處理信息的計算機虛擬仿真實驗教學網(wǎng)站，訪問者可直接通過中心網(wǎng)頁進入開放的網(wǎng)絡虛擬仿真實驗教學平臺參與教學活動，并交流學習理論和實踐經(jīng)驗。

3.2.1 綜合管理模塊

綜合管理模塊包含實驗室信息管理、實驗室隊伍、實驗室開放信息系統(tǒng)、儀器設備、教學資料、賬號管理、信息系統(tǒng)互動和計算機終端信息管理幾部分。其中，實驗室信息管理包含實驗室創(chuàng)建、實驗室結(jié)果報告；實驗室隊伍包含教職工信息管理、實驗室管理人員信息管理［11-15］；實驗室開放信息系統(tǒng)包含室內(nèi)開放設置和預約審批；儀器設備包含儀器設備綜合信息和儀器設備登記；教學資料包含教學實驗項目數(shù)據(jù)庫、教學實驗課程數(shù)據(jù)庫、教師專業(yè)信息管理和教學課程管理；賬號管理包含教師、學員和校外使用者管理；信息系統(tǒng)互動包含互動信息管理、網(wǎng)絡硬盤和網(wǎng)絡信息管理；計算機終端信息管理包含磁卡端口、門禁安全、訪問權(quán)限、電源設備以及錄像監(jiān)聽與儀器授權(quán)，負責管理實驗中所有的現(xiàn)場門禁系統(tǒng)和錄像監(jiān)控。

3.2.2 實驗教學模塊

實驗教學模塊則涉及與教學有關(guān)的管理過程：

（1）教學安排。教學安排包括預先準備好教學內(nèi)容，為實驗課制定教學任務目標，并預約實驗時間。實驗教學工作管理系統(tǒng)會根據(jù)學校各部門預先制定的教學計劃，把各學科數(shù)據(jù)庫和學員培養(yǎng)規(guī)劃、學校信息以及實際教學安排信息等及時錄入系統(tǒng)，以便于教師利用網(wǎng)絡進行實驗教學，也方便教師查詢相關(guān)信息。

（2）教學流程。教學流程分為實驗練習、實驗考勤、實驗步驟和實驗研究等。按照學務部每學期預先安排的實驗課程表進行了如下任務：維護典型的實驗數(shù)據(jù)庫、開展科學實驗、檢測學生實驗進度、檢驗學生的實驗成果、編輯實驗報告、統(tǒng)計分析與發(fā)表學生的實驗成果。

（3）教學評估。教學評估采用試題庫管理系統(tǒng)、考試管理系統(tǒng)以及成績管理系統(tǒng)。試題庫管理系統(tǒng)可創(chuàng)建、輸入、導入題庫，考試管理系統(tǒng)可創(chuàng)建新試題和考卷、批改試題，成績管理系統(tǒng)可查看考試結(jié)果。

（4）教學質(zhì)量監(jiān)測。教學質(zhì)量監(jiān)測包括信息查詢模塊與課程情景模塊。信息查詢模塊通過信息查詢系統(tǒng)查看課程工作量、授課時間、教師工作日志及實驗室運行記錄；課程情境模塊包含評估標準管理、評估規(guī)則管理、評估表、評分記錄信息、網(wǎng)絡講座以及實時監(jiān)測［16］。

（5）教學資源。教學資源包括課堂視頻、教材及實驗教學手冊。教師可上傳課堂錄像、教案和實驗教學本等資源讓學生進行下載。

（6）教學管理參數(shù)。教學管理參數(shù)包括基本設置和系統(tǒng)信息設置?；驹O置包括學校信息、教師信息、實驗時間、院系、學科；系統(tǒng)信息設置包括數(shù)據(jù)導入、角色管理、目錄結(jié)構(gòu)、口令修改和術(shù)語設置。

3.2.3 系統(tǒng)設置模塊

系統(tǒng)設置模塊的主要功能為集成參數(shù)管理，包括運行記錄、權(quán)限管理、系統(tǒng)初始化和基本數(shù)據(jù)等功能。該管理系統(tǒng)將通過各種措施，保證學生在開放環(huán)境中的安全性。系統(tǒng)管理員的職責主要是針對小組管理的用戶和實驗班級進行開放的輸入、導出、插入、撤銷、查找、更改等管理服務，維護學生參與實驗教學中的角色以及進行相關(guān)的安全管理，針對學生的不同角色提供對應的管理權(quán)限功能，并且能夠查看用戶在線人數(shù)、訪問歷史記錄及用戶注冊情況［17］。

3.3 教學資源建設

計算機虛擬仿真實驗的工作重點包括兩部分：基礎類實驗和綜合性實驗?；A類實驗主要由幾個常規(guī)課題的實驗構(gòu)成，每門課程的實驗數(shù)量為7～13 個，每次實驗計劃的時間為2 學時。綜合性教學實驗一般為虛擬現(xiàn)實模型仿真的綜合實訓建設項目，計劃的時間為2～9 學時。已完成的實驗項目功能模塊見表1。

Table 1 Functional modules of virtual simulation experiment projects表1 虛擬仿真實驗項目功能模塊

（1）基礎型實驗部分。基礎型實驗主要是針對計算機專業(yè)的基礎課程，包括計算機組成原理、計算機操作系統(tǒng)等的虛擬仿真實驗。該部分將本該在實驗室進行的實驗教學放到虛擬仿真實驗平臺上進行，虛擬仿真實驗平臺可實現(xiàn)對實驗目的與要求進行介紹、實驗操作指導、提供實驗報告模板等功能。

（2）綜合型實驗部分。綜合型實驗涉及物聯(lián)網(wǎng)、移動應用開發(fā)等課程知識，為綜合設計性實驗，該部分實驗主要由學生的項目實踐及教師的科研項目組成。每個實驗都包含實驗研究目的、實驗要求、實驗研究方式、綜合設計等內(nèi)容，以考察學生對專業(yè)知識的綜合應用能力，同時可提高學生的創(chuàng)新能力。

3.4 實驗案例

以下以計算機操作系統(tǒng)虛擬實驗為例，介紹了虛擬仿真實驗項目的具體教學安排、實驗內(nèi)容和實施過程。

針對計算機操作系統(tǒng)實驗教學的特點，學校建立了分層設計的操作系統(tǒng)實踐教學內(nèi)容：①基礎實驗。設計操作系統(tǒng)的實踐驗證教學，內(nèi)容涉及DOS 命令應用、Windows系統(tǒng)配置、Linux 操作系統(tǒng)安裝、Linux 系統(tǒng)通用命令等，其目的是讓學員掌握目前主流的多用戶、多任務式操作系統(tǒng)，區(qū)分單通道和多通道運行，減少學習開始時對困難的恐懼，激發(fā)學生的學習興趣；②高級實驗。設計關(guān)鍵原理和算法模擬實驗，并選擇操作系統(tǒng)中典型的功能或算法，如典型的進程調(diào)度算法［18-19］、莊家算法、磁盤調(diào)度算法等，一個實驗程序的案例如圖3 所示，以幫助學生更深入地掌握操作系統(tǒng)的重要原理和算法，有助于將操作系統(tǒng)課程與程序設計語言、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、軟件工程［20］等課程進行融會貫通，使學生更系統(tǒng)地理解計算機專業(yè)課程知識；③擴展實驗。設計操作系統(tǒng)應用的綜合實驗，以培養(yǎng)學生的應用能力。該實驗力求讓學習者掌握Windows、Linux 等操作系統(tǒng)調(diào)度API 的特點，并通過運行系統(tǒng)中的系統(tǒng)調(diào)度界面開發(fā)程式，掌握其調(diào)用方法，如進程控制、進程同步與通信、文件系統(tǒng)調(diào)用、虛擬內(nèi)存在內(nèi)存管理中的應用等。

Fig.3 Process scheduling algorithm experiment圖3 進程調(diào)度算法實驗

4 課程實踐及效果分析

為檢測本文所設計的計算機虛擬仿真實驗教學平臺的實用性和穩(wěn)定性，選取內(nèi)蒙古大學計算機學院的學生使用該平臺，采用教學成績對比及調(diào)查問卷兩種方式分析教學改革實施效果。本學院的計算機專業(yè)包括網(wǎng)絡工程、軟件工程、大數(shù)據(jù)、計算機科學等，為了使成績更具可比性，選取相同專業(yè)（軟件工程）的學生，將采用傳統(tǒng)教學與采用虛擬仿真環(huán)境教學兩個學年的計算機操作系統(tǒng)課程成績進行對比。兩個學年使用相同教材，考試范圍和難度相當，成績對比結(jié)果如圖4所示。

Fig.4 Comparison of grade distribution between traditional teaching and teaching based on virtual simulation platform圖4 傳統(tǒng)教學與基于虛擬仿真平臺教學成績分布對比

由圖4 可知，采用基于虛擬仿真實驗平臺的教學方式，學生成績優(yōu)秀的比例明顯較高，相比傳統(tǒng)教學提高了40%，不及格比例相比傳統(tǒng)教學降低了7.5%，且學生平均分相比傳統(tǒng)教學提升了8.3 分，最低分也提高了不少。對學生進行教學改革問卷調(diào)查，從問卷結(jié)果可知，82.7%的學生認為使用虛擬仿真平臺對理解課程內(nèi)容有較大幫助，63.2%的學生能在課前完成平臺安裝并查閱相關(guān)資料，77%的學生能獨立完成課程實驗內(nèi)容。然而，仍有部分學生雖能理解教師課堂演示的案例，但獨立完成實驗尚存在困難。因為部分實驗是探究性的，沒有固定答案，也不局限于書本中的知識內(nèi)容，需要學生課后花費時間自行查閱資料。由實踐結(jié)果可知，在大學計算機教學中引入虛擬仿真實驗平臺，對學生理解知識內(nèi)容有較大幫助，課程成績有所提高，但學生還需進一步轉(zhuǎn)變學習觀念，不局限于課本內(nèi)容的學習，而應主動完成課前知識調(diào)研和課后擴展學習，以適應以學生為中心的教學方式。

5 結(jié)語

根據(jù)計算機教學實驗課程的特點，本文設計了一種采用B/S 架構(gòu)的虛擬仿真實驗教學平臺。在計算機網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)通信原理、計算機組成原理、計算機操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡安全等課程教學中，通過運用教學實驗平臺，大大提高了學生的學習積極性，也提升了其實踐能力和創(chuàng)新能力。以學生為中心的開放性教育理念反映在對實驗平臺資源的無限制利用上，即實驗不受場所、時間、設施和裝置等的約束，在任意場所、任何時間可進行，而且不增加任何經(jīng)費，從而解決了計算機硬件實驗室資金、師資、設備不足與培育學生創(chuàng)新精神及實驗能力的教育宗旨之間的沖突問題［21-22］。

但由于計算機專業(yè)的課程較多，所以目前該仿真平臺未能適用于所有課程。因此，未來的研究方向是為平臺增加更全面的實驗功能，以適用于更多實驗課程，比如無線通信與網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)庫原理與應用、數(shù)字邏輯、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、計算機圖形學等。