通信與信息網絡國家級虛擬仿真實驗教學中心建設與實踐

沈建華， 李 飛， 程崇虎， 朱 琦， 朱曉榮

(南京郵電大學 通信與信息網絡國家級虛擬仿真實驗教學中心，江蘇 南京 210003)

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通信與信息網絡國家級虛擬仿真實驗教學中心建設與實踐

沈建華， 李 飛， 程崇虎， 朱 琦， 朱曉榮

(南京郵電大學 通信與信息網絡國家級虛擬仿真實驗教學中心，江蘇 南京 210003)

虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化建設和實驗教學示范中心建設的重要內容，是學科專業與信息技術深度融合的產物。論文介紹了南京郵電大學通信與信息網絡國家級虛擬仿真實驗中心的建設及教學實施的各個環節，重點探索了中心建設理念、實驗實踐教學體系、實驗平臺及輻射示范效應等，對基于虛擬仿真實驗技術開展創新人才的培養進行了有益的探討。

虛擬仿真實驗中心； 通信與信息網絡； 實驗室建設； 人才培養

0 引 言

信息產業業已為我國國民經濟第一大產業。信息通信業已成為當前國際新一輪產業競爭和搶占經濟科技制高點的戰略先導領域[1]。在這種背景下，對我國未來的信息通信人才培養提出了更高要求，特別是全面掌握信息通信技術和經過充分訓練的創新型人才培養成為當前高校實驗實踐教學的核心工作之一[2-6]。針對信息通信技術快速更新和實驗教學平臺成本高昂等局限，于2009年建設了虛擬儀器實驗室，并開始在通信與信息類專業中采用虛擬現實、人機交互、仿真等信息化手段進行實驗教學；同時成立了相應的通信與信息網絡虛擬仿真技術研究室，致力于研究虛擬仿真實驗技術，并通過校企合作的方式開展虛擬仿真實驗教學資源的研發。隨著高等教育信息化建設的推進和學科專業的發展，對虛擬仿真實驗教學的需求不斷擴大，為了全面提高高校學生創新精神和實踐能力，共享優質實驗教學資源，進一步完善本科實驗教學體系，以及滿足可持續發展的需要，學校依照“大信息”辦學理念，依托我校“信息與通信工程”國家級實驗教學示范中心，整合了原有多個省級實驗教學示范中心和信息通信類相關學科專業的虛擬仿真實驗教學資源和人力資源[7-8]，組建了通信與信息網絡虛擬仿真實驗教學中心，本文主要介紹了通信與信息網絡國家級虛擬仿真實驗中心建設的探索與實踐。

1 虛擬仿真實驗中心的建設背景

信息通信技術具有技術高度密集、對實踐性要求高和更新換代迅速等特點，傳統的實驗實踐教學主要依賴于校內專業教學實驗室、科研實驗室以及校外實踐教育基地所開展。隨著包括新一代移動通信、三網融合、超高速光纖寬帶、虛擬現實、泛在網和物聯網、量子信息處理、大數據及云計算等新興通信與信息技術的不斷發展，采用傳統實驗實踐教學模式開展教學日益受到局限，引入虛擬仿真技術手段可以更好地推動信息化條件下自主學習、探究學習、協作學習等實驗教學方法的改革，提高教學能力，豐富教學內容，拓展實踐領域，降低成本和風險[9-13]：①實現真實實驗不具備或難以完成的教學功能。②針對高成本、高消耗、以及對環境存在污染等實驗項目，虛擬仿真實驗提供了可靠、安全和經濟的實驗方法。③開發現階段技術條件不具備或無法實現的實驗教學功能。信息通信技術的高速發展，使得傳統的實驗教學設備、系統和儀器的發展不能完全適應現階段實驗實踐教學的需要。

針對傳統的通信與信息網絡類實驗及綜合創新技能培養中存在一些真實實驗不具備或難以完成的教學功能需求，為全面提高學生創新精神和實踐能力，建設通信與信息網絡虛擬仿真實驗教學中心，以構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象，給學生提供綠色、可靠、安全和經濟的實驗項目，讓學生在虛擬環境中開展實驗，達到教學大綱所要求的教學效果。不僅有效解決了傳統基于實際通信信息網絡開展實驗教學的不足，同時也是解決通信信息類專業學生開展工程訓練的重要途徑。通信行業的保障性要求和信息安全要求高、設備貴、更新快，學生到企業真實網絡環境中開展實踐教學和工程訓練困難。為有效解決學生工程訓練難的問題[14-15]。中心依托與信息通信產業的密切聯合，在已經建設完成的具有國內領先水平的完整的全程全網信息通信實驗平臺基礎上，積極依托學校學科專業優勢，積極利用合作企業的開發實力和支持服務能力，系統地整合學校信息化實驗教學資源，以培養學生綜合設計和創新能力為出發點，建設了一大批應用高水平軟件共享虛擬實驗、儀器共享虛擬實驗和遠程控制虛擬實驗等教學資源，構建了較為完整的通信與信息網絡虛擬仿真實驗環境，是國內唯一一個能在校內建有全業務各類通信設備、虛擬網絡運行的實驗中心。

2 構建多層次、立體化、開放式、虛實結合的實驗實踐教學體系

中心在建設和發展過程中，秉承學校大信息辦學理念，面向國家大力推進信息化、信息化與工業化融合以及江蘇建設信息強省對信息人才的需求，依托學校信息學科優勢，實驗教學改革與虛擬仿真實驗中心建設并進，依照“工程訓練為基礎、能力提高為重點、創新意識培養為核心”的原則，構建了以“基礎—綜合—研究與創新”為主線、“課內與課外相結合、校內與校外相結合”的多層次、立體化、開放式、虛實結合的實踐教學體系，體現了從基礎實驗技能訓練—到綜合設計能力培養—實現研究創新能力的逐步提高，體現了學校人才培養主體與社會協同育人的創新人才培養模式，見圖1。

圖1 多層次、立體化、開放式、虛實結合的實驗實踐教學體系

在人才培養方面，中心一貫堅持“知識、能力、素質協調發展，學習、實踐、創新相互促進”，始終把學生實踐和應用能力、研究和創新能力的培養放在重要位置，堅持以學生為中心，推行網絡化條件下自主學習、探究學習、協作學習，學生在虛擬環境中開展各類仿真實驗，完全達到教學大綱所要求的教學效果，實現了人才培養目標與社會需求的有機結合。

中心建立了科學的實驗實踐教學理念和扎實的實驗實踐教學體系，并隨著信息通信技術、多媒體技術、虛擬儀器測試技術和虛擬現實等技術的發展不斷優化實驗中心資源、教學內容和實驗平臺體系，不斷改革創新教學方法和手段。

3 建設虛實結合的虛擬仿真實驗平臺

中心建設圍繞為通信信息領域培養更多的高素質創新人才的建設目標，提出了“一體兩翼、虛實結合”的建設構想，即依托我校在信息學科的優勢，以科技創新和教學改革為驅動力，構建以我校“信息與通信工程”國家級實驗教學示范中心為主體，實體實驗與虛擬仿真實驗兩翼虛實結合、協調發展的虛擬仿真實驗教學中心。

中心建設工作遵循“學科交叉融合、教學科研協同、學校企業聯合、資源共建共享”的建設理念，堅持“理實互通、虛實結合、相互補充、能實不虛、開放共享”的原則，充分依托中心教師在虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫、大數據和網絡通訊等方面所具備的信息技術優勢，自主構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象，圍繞從“信息感知、信息傳輸、信息處理”到“工程應用”的知識體系，建設了10個虛擬仿真實驗教學平臺，體現了實驗資源與信息技術深度融合、真實網絡與虛擬環境有機結合，見圖2。

圖2 構建虛實結合虛擬仿真實驗平臺

4 豐碩的成果和示范效應

中心堅持“學校企業密切聯合，資源共建共管共享”，依托與信息行業的緊密聯系，形成了校內虛擬仿真實驗實踐教學與校外企業真實工程實踐有機結合的教學機制、“走出去+引進來”的實驗實踐隊伍建設機制。中心與通信信息行業的領軍企業：三大運營商中國電信、中國移動、中國聯通，兩大制造業中興、華為均有密切合作，在校內與企業聯合共建了包括全部三個3G標準的移動通信實驗室、4G移動通信實驗室、以及下一代網絡NGN實驗室、SDN實驗室、全光通信實驗室等十多個實驗室，是國內唯一一個能在校內建有全業務各類通信設備、虛擬網絡運行的實驗中心。

中心利用校企共建國家級實踐教育中心和學院建立的40余個校外實踐基地，每年有超過1000名學生到企業完成真實工程實踐教學環節，使學生在中心完成的虛擬仿真實驗教學環節與實際的信息通信網絡環境充分接軌，對學生培養完整的全程全網、儀器測試、遠程控制、軟件共享等知識及能力提供了有力的支撐。中心每年定期派出10名左右教師到企業進修和培訓，同時邀請15名左右企業教師到中心授課或講座，實現了校內人才培養與企業需求的無縫對接，中心與包括中興通訊、大唐移動、VPI、OPNET、IBM、R&S、EXFO、Agilent等國內外一流通信與信息仿真軟件及測量儀器制造商建立了穩定的合作機制，與企業聯合開發虛擬仿真實驗，校內平臺開展的虛擬仿真實驗實踐教學內容與真實的信息通信行業工程技術發展同步更新，豐富教學內容，降低成本和風險，開展綠色實驗教學，為學生提供實踐創新良好平臺。

中心擁有一支結構合理、核心骨干穩定、學科科研與實驗實踐教學人員互融、理論教學與實驗實踐教學隊伍互通的師資隊伍。中心教師全部具有信息學科背景，具備信息技術素養，教師團隊具有自主開發虛擬仿真實驗項目的能力與實力。中心培養了一大批拔尖創新人才，包括國際電聯副秘書長趙厚麟，中國科學院院士尹浩，中國聯通董事長常小兵，中興通訊前總裁殷一民，IEEE Fellow嚴洪、李平、高雨青、姚育東等一大批信息通信產業界和科技界領軍人才。同時，中心培養的學生取得了豐碩的科技創新成果。近三年共獲省級以上各類學科競賽獎勵210項(其中國際級獎18項，國家級獎66項)，獲獎檔次和數量在全國高校名列前茅。國家級大學生創新訓練計劃項目146項，江蘇省大學生創新訓練計劃項目138項，省級優秀畢業設計21項。

5 結 語

中心在長期的建設過程中，提出了“一體兩翼”的建設構想，實現了真實實驗與虛擬實驗資源的有效融合，構建了開放式、網絡化、虛實結合的通信信息網絡虛擬仿真實驗教學大平臺。按照“學科交叉融合、教學科研協同、學校企業聯合、資源共建共享”的中心建設理念，突出虛擬網絡與實體網絡相結合，虛擬對象與實體對象相結合，虛擬手段與實際手段相結合，通過實驗室資源有效整合，構建了學科深度交叉融合的虛擬仿真實驗大平臺。同時，依托中心信息專業優勢，推行網絡化條件下自主學習、探究學習、協作學習，構建了實驗教學新模式，中心將“理實互通、虛實結合、相互補充、能實不虛、開放共享”的實驗中心建設原則貫穿人才培養全過程，構建了多層次、立體化、開放式、虛實結合的實驗實踐教學體系。在人才培養方面，中心一貫堅持“知識、能力、素質協調發展，學習、實踐、創新相互促進”，堅持以學生為中心，推行網絡化條件下自主學習、探究學習、協作學習，構建了實驗教學新模式，取得了豐碩的建設成果，實現了人才培養目標與社會需求的有機結合。中心不斷深化實驗教學改革，通過強化教學科研有機結合、學校社會協同育人，構建了學做合一、研創結合的信息通信高素質創新人才培養模式，探索了虛實結合實驗中心建設和實驗教學方法的新途徑。中心強化融合理念，堅持通過高水平學科建設來提升本科教學水平，通過“學科專業貫通”實現了“知識交叉融合”；堅持通過高水平科研來提升本科教學水平，通過將教師科研課題和成果轉化為學生的科研訓練課題和虛擬仿真實驗項目，固化到實驗講義和教材，促進了教學內容更新和創新人才的培養；中心探索出了“虛實結合，互為補充”的實驗實踐人才培養方法，企業深度參與虛擬仿真平臺及資源建設，人才培養成效顯著，拔尖人才層出，創新成果突出，示范與輻射效應明顯。

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(本刊編輯部)

State-level Virtual Simulation Experiment Teaching Center of Communication & Information Network

SHENJian-hua，LIFei,CHENGChong-hu，ZHUQi，ZHUXiao-rong

(National Communication & Information Network Virtual Simulation Experiment Teaching Center，Nanjing University of Posts & Telecommunications， Nanjing 210003， China)

Virtual simulation experiment teaching center is an important content of the higher educational informatization and construction of the experimental teaching demonstration center, which is a depth fusion product of discipline and information technology. The center is introduced along with implementation of the experimental practice teaching issues. Some important strategies and mechanisms for innovative personnel cultivation are proposed including construction idea and purpose, experimental teaching system, experimental platform, demonstration effect, respectively.

virtual simulation teaching center； communication & information network； laboratory construction； personnel cultivation

江蘇省高等教育教改研究立項課題(2013JSJG518)，江蘇省高校實驗室研究會立項研究課題(GS2013YB06)

沈建華(1972-)，男，江蘇南京人。博士，教授，通信與信息工程學院副院長，通信與信息網絡國家級虛擬仿真實驗中心常務副主任。主要從事實驗室建設管理及通信網絡的教學、科研和管理工作。Tel.：025-83492428；E-mail：shenjh@njupt.edu.cn

TN 923;G 642

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1006-7167(2015)01-0161-04