面向地方院校工程教育類專業的虛擬仿真實驗教學中心建設

劉軍　施曉秋　金可仲

摘要：虛擬仿真實驗教學是信息技術促進實驗教學改革與創新的產物。從支撐人才培養目標達成和實現優質實驗教學資源共享兩大主題出發，闡述了“學生發展為中心、工程應用為特色、能力培養為導向、多元協同為抓手、虛實互動增成效、開放共享促輻射”的建設思路，并給出了溫州大學網絡工程國家級虛擬仿真實驗教學中心的建設實例，可為地方院校工程教育類專業實施虛擬仿真實驗教學建設提供借鑒與參考。

關鍵詞：實驗教學；虛擬仿真；網絡工程；多元協同；虛實互動

實驗教學作為學生實踐能力和創新能力培養的重要載體，需要有相應的實驗教學平臺作為支撐。傳統的實驗教學平臺采用實體形式，以物理空間中的實體設備、器件和材料為實驗對象或載體，具有真實、直觀、直接的優點，但存在更新運維成本高、規模與復雜度受限、可擴展性差、開放共享難等不足。虛擬仿真實驗教學綜合運用信息與通信技術，在信息空間中構建高度仿真的實驗操作環境和實驗對象，提供類似于實體實驗教學的體驗與效果，具有近似、抽象和間接的特點，并在可視性、交互性、安全性、可擴展性與可共享性等方面具備優勢，是對實體實驗教學的有益補充與完善。

一、虛擬仿真實驗教學中心建設需要解決的關鍵問題

作為專業人才培養的重要教學保障和優質實驗教學資源共享的主要載體，虛擬仿真實驗教學中心建設不能簡單停留在對實體實驗教學項目的信息化再現或資源堆砌，必須思考并解決以下六方面的關鍵問題。

第一，建設理念。涉及虛擬仿真實驗教學中心的基本指導思想、建設目標、服務面向，以及在專業人才培養中所應承擔的角色或發揮的作用。

第二，建設內涵。與指導思想、建設目標與服務面向相適應，涉及虛擬仿真實驗教學中心建設的教育教學品質與特色，例如是以基礎研究與教學為特色，還是以工程研發或工程應用教學為特色。

第三，建設主線。涉及虛擬仿真實驗教學中心建設的核心線索或體系，需要系統而有效地組織有關的實驗教學資源，以滿足中心的服務功能與特色。

第四，建設方法與途徑。通過什么樣的方法與途徑實施虛擬仿真實驗教學中心建設，是院校單獨建設，還是校內外協同；是自主開發，還是購買服務，抑或是多方面結合。

第五，使用模式。如何將虛擬仿真實驗教學中心資源運用于課內外教學，其與實體實驗之間是什么關系，如何發揮各自的優勢與長處，以提高實驗教學的實效。

第六，開放共享機制。虛擬仿真實驗教學中心如何實現優質實驗教學服務的開放共享，包括服務的對象與范圍、策略與機制以及服務能力等。

二、面向工程應用型人才培養的虛擬仿真實驗教學中心建設思路

作為地方本科院校，溫州大學網絡工程專業以培養工程應用型人才為目標。為此，針對前述六大關鍵問題，我們提出了“學生發展為中心、工程應用為特色、能力培養為導向、多元協同為抓手、虛實互動增成效、開放共享促輻射”的基本建設思路。

（1）學生發展為中心，解決建設理念問題。服務于網絡工程專業工程應用型人才培養目標，作為該專業實踐教學平臺的重要組成部分，虛擬仿真實驗教學中心立足學生創新精神、綜合素質與實踐能力的協調發展，支撐問題分析、問題研究、解決方案設計以及現代工具使用等相關畢業要求與培養標準的達成，并促進學生的自主性學習與個性化學習。

（2）工程應用為特色，解決建設內涵問題。虛擬仿真實驗教學中心建設內涵與品質必須和網絡工程專業工程應用型人才的培養目標與特色相契合，并著重在三個層面上予以把握：一是教學內容有效覆蓋網絡工程生命周期的主要應用環節，包括規劃與設計、部署與開發、運行與維護等；二是實驗平臺完全支持當前主流的網絡設備廠商及其產品，與業界主流網絡技術及其應用無縫對接；三是綜合性、設計性和創新性虛擬仿真實驗教學項目都來源于網絡工程實際問題或相關項目案例。

（3）能力培養為導向，解決建設主線問題。改變傳統的以課程為核心的教學組織框架，體現以能力為導向，圍繞工程實踐能力、工程設計能力與工程創新能力培養，針對遞進性的分級能力培養目標，對虛擬仿真實驗教學資源在實現技術、方式和手段等方面進行系統而精細地設計與開發。

（4）多元協同為抓手，解決建設方法與途徑問題。為了落實能力培養核心與工程應用特色，依托高校與企業、教學與科研、教學研究與教學實踐的多元協同，建立由教師、研究人員與工程師組成的專業化團隊，融合虛擬仿真實驗教學相關的教育、科技與工程優質資源，深度協作致力于虛擬仿真中心的開發與建設。

（5）虛實互動增成效，解決使用模式問題。充分發揮虛擬仿真實驗教學與實體實驗教學各自的優勢，改革單純基于實體實驗教學資源的傳統模式，結合分級能力培養目標，構建與實施虛擬實體高度互補、線上線下有機互動的新型實驗教學模式，貫穿課內課外的各項教學活動，全面提高實驗教學效果。

（6）開放共享促輻射，解決推廣機制問題。建立管理服務與技術服務的“雙輪驅動”機制，促進虛擬仿真中心的開放共享。在管理服務方面，面向兄弟院校、業界企業的團體與個人用戶提供“Lab as a Service”形態的虛擬仿真實驗教學云計算服務，為兄弟院校提供以全面降低使用門檻在技術服務方面，利用先進的虛擬數據中心網絡技術提供安全、穩健、靈活的虛擬仿真實驗教學服務，充分保障虛擬仿真實驗教學服務的品質。

三、網絡工程國家級虛擬仿真實驗教學中心建設實踐

依據上述基本建設思路，溫州大學網絡工程國家級虛擬仿真實驗教學中心主要進行了以下建設實踐。

1.能力培養為導向的虛擬仿真實驗教學體系

以“專業基本技能一綜合實踐能力一工程實踐能力一工程設計/創新能力”的遞進式模型為主線，圍繞綜合分析和解決復雜網絡工程問題的能力進行了虛擬仿真實驗教學體系建設，如下表所示。

其中，專業基本技能培養階段的虛擬仿真實驗以演示認知型、分析驗證型以及基礎操作型等形式為主，以對少量技能點的認知或理解為教學目標，以可視性、交互性表現突出的軟件仿真技術為主要實現途徑，網絡工程問題復雜度低；綜合實踐能力培養階段的虛擬仿真實驗以綜合訓練型為主，以對數個領域的大量技能點的整體掌握為教學目標，以仿真程度高的硬件虛擬技術為主要實現途徑，網絡工程問題復雜度較高；工程實踐能力培養階段的虛擬仿真實驗以工程演練型為主，以掌握真實網絡工程項目的部署與實施、測試與驗證為主要教學目標，以仿真程度高的硬件虛擬技術為主要實現途徑，網絡工程問題復雜度高；工程設計/創新能力培養階段的虛擬仿真實驗以創新設計型為主，以掌握真實網絡工程項目的規劃、設計與開發為主要教學目標，結合軟件仿真技術與硬件虛擬技術實現，網絡工程問題復雜度最高。

2.工程應用為特色的虛擬仿真實驗教學項目庫

在虛擬仿真實驗教學項目庫的建設中，主要通過以下三種途徑實現工程應用內涵與特色。

（1）虛擬仿真實驗教學項目的技術與產品覆蓋面接軌當前網絡工程行業的熱點應用領域與主流產品。包括網絡互連、網絡安全、無線局域網、協作網絡、數據中心網絡、運營商網絡等，支持對這些領域各主流廠商設備的軟件仿真或硬件虛擬。

（2）虛擬仿真實驗教學項目的能力點定位與設計源于網絡工程應用的實際需要，根據當前網絡工程生命周期各階段對工程能力要求的分布，對實驗教學內容進行細致的梳理與篩選。每門課程精選出若干能力點，并依據規劃與設計、部署與開發、測試與驗證、運行與維護等不同階段內能力點之間的關聯性，有針對性地設計虛擬仿真實驗教學項目的能力點組合方案。

（3）在虛擬仿真實驗教學內容的組織與設計上，以能力點目標組合方案為出發點，以網絡工程案例為背景素材，以實際需求和工程問題為導向，進行虛擬仿真實驗教學項目的設計，保障其真實性、時效性以及針對性。網絡工程案例主要來源于合作企業工程師參與或主持的工程項目，經過有豐富經驗的工程師根據分級能力目標對復雜網絡工程問題的分解、梳理與萃取。

當前，虛擬仿真中心建成的306個實驗教學項目對應于分級能力培養目標的項目數量比例大致為4：4：1：1，其中直接來源于實際網絡工程案例合計占總數的一半以上。

3.多元協同的虛擬仿真實驗教學中心開發與建設方式

多元協同的開發與建設方式體現在三個方面，即高校與企業協同、教學與科研協同、教學研究與教學實踐協同。

首先，通過與兩家業界領軍企業（思科系統與思博倫通信）的校企協同，在技術層面獲得了網絡功能虛擬化的授權，解決了對網絡系統進行高度虛擬和仿真的核心技術難題，同時獲得了工程師的加盟，增強了開發與建設隊伍的整體技術實力；在資源層面得到了企業一線工程師隊伍的寶貴經驗，解決了虛擬仿真實驗教學項目案例主要來源的關鍵問題；在管理層面借鑒了企業在線實驗室開放與管理模式，解決了虛擬仿真實驗教學服務的安全性和穩健性問題。

其次，充分利用高校教師隊伍教學與科研并舉的優勢，依托教學與科研協同實現了科研反哺虛擬仿真實驗教學。一是通過學生課外科技與創新活動等形式，將科研成果直接或間接轉化成虛擬仿真實驗教學項目，此類項目占總數近14%；二是在虛擬仿真中心的開發與建設中，轉化了許多虛擬化與云計算領域的科研成果，到目前為止直接實施應用的發明專利共有6項，主題涉及網絡服務質量、虛擬機資源配置以及云計算調度等。

最后，依托教學研究與教學實踐的協同解決了虛擬仿真中心建設各個層面的多個關鍵理論問題。例如，針對虛擬仿真中心硬件平臺的建設，先后依托兩項浙江省提升地方高校辦學水平專項資金項目開展了主題為“多租戶虛擬數據中心網絡建設”的研究；針對虛擬仿真中心軟件平臺的建設，依托浙江省高校實驗室工作研究重點項目開展了主題為“‘實驗教學即服務的云計算模式構建”的研究；針對虛擬仿真實驗教學的應用，依托浙江省高等教育課堂教學改革項目開展了主題為“依托虛擬仿真實驗教學平臺的混合式實踐教學模式探索”的課題研究；針對校企合作開發與建設虛擬仿真中心的機制，依托浙江省高等教育教學改革項目開展了主題為“基于企業生態系統的分布式工程實踐教育中心建設模式探索與實踐”的課題研究。

4.虛實互動的實驗教學資源使用模式

相對于傳統的網絡工程實體實驗教學，網絡工程虛擬仿真實驗教學在以下方面具有明顯的優勢，對實體實驗教學起到補足與增強作用。

首先，彌補了實體實驗教學在開放時間、地點和方式上的不足，實現在任意安裝有瀏覽器的終端設備上隨時隨地訪問虛擬仿真實驗教學資源以及實體實驗教學資源進行練習，為自主性學習和個性化提供充分的保障。

其次，克服實體實驗教學可見性與交互性差的弱點，實現對網絡協議和網絡系統工作原理的交互式可視化呈現，促進對基本技能點的認知、理解與掌握。

再次，克服實體實驗教學在拓撲規模、網絡特性以及管理便捷性等方面的局限，以低成本構建特性更豐富、結構更復雜的虛擬仿真實驗教學環境，進而實現簡捷高效的連接與配置管理，提高綜合性實踐教學的品質。

最后，克服實體實驗教學由于成本因素而明顯滯后于工程應用發展水平的局限，支持跨廠商、多系列高端網絡設備，支持對復雜網絡系統連接與配置的多視角可視化交互管理，用于在專業實習或畢業設計環節中對實際復雜網絡工程項目進行快速概念驗證。

為充分發揮虛擬仿真實驗教學在支撐實踐能力培養目標的不同維度上的優勢，結合能力分級目標的特點，依據兩者之間的內在邏輯關系，可以將實驗教學資源的組合使用模式分為四種：虛輔實主、虛實并舉、虛主實輔以及純虛擬仿真。

（1）虛輔實主模式。利用上述第一與第二項優勢，適用于專業基本技能培養階段。虛擬仿真實驗教學項目是對實體實驗教學項目的近似仿真，虛擬仿真實驗平臺用于課前預習以及課后練習，而在課堂中使用實體實驗平臺與虛擬仿真實驗相互印證。

（2）虛實并舉模式。利用上述第一與第三項優勢，適用于綜合實踐能力培養階段。虛擬仿真實驗教學主要面向開放實驗項目、學生科技創新項目、專業技能競賽等課外教育活動，而實體實驗教學面向日常課堂。

（3）虛主實輔模式。利用上述第一與第三項優勢，適用于工程實踐能力培養階段。虛擬仿真實驗平臺用于前期耗時較長、不依賴于實體設備的建模與部署環節，實體實驗平臺用于后期耗時較短、依賴于實體設備的驗證與測試環節。

（4）純虛擬仿真模式。利用上述第一與第四項優勢，適用于工程設計/創新能力培養階段。學生在進入企業學習階段后，用于大規模復雜網絡工程解決方案的概念驗證，包括規劃與設計、建模與開發，用于新建網絡解決方案的展示、客戶網絡割接方案的預演以及客戶網絡故障排錯方案的驗證等。

當前，虛擬仿真中心所有實驗教學項目覆蓋10門專業課程、5門綜合實踐課程、4大類課外教育活動以及專業實習與畢業設計，時間跨度從大二下到大四。從整體人才培養過程來看，隨著專業教育階段的逐步深入，實踐能力培養目標逐步提升，所涉及的工程問題復雜度隨之提升，對實驗教學平臺支持能力的要求越來越高。相應地，所依托的實驗教學環境也由以實體中心為主逐漸演變為虛實結合，最終過渡到以虛擬仿真中心為主。

5.虛擬仿真實驗教學開放共享的實現與推廣

虛擬仿真中心對外開放共享提供虛擬仿真實驗教學服務的內涵包括管理服務與技術服務兩個方面。在管理服務方面，使用高級服務調度引擎將所有虛擬仿真實驗教學資源整合起來，以“實驗教學即服務”（Lab as a Service，LaaS）的形態統一對外提供開放共享。此外，對于兄弟院校與行業企業等團體用戶，為其提供專有的管理門戶，便于自我管理。在技術服務方面，構建了安全、健壯、高效、可擴展的技術平臺架構。其中，軟件仿真前端提供可視化的實驗教學體驗；而硬件虛擬后臺創建虛擬仿真網絡的運行實例并提供遠程配置與管理手段，而云監控與管理、云備份與安全提供充分的服務質量保障。

在面向專業點的開放共享推廣上，充分發揮作為國家專業綜合改革試點專業、卓越工程師教育計劃試點專業的影響力，通過舉辦或參加會議、兄弟院校來校考察、國家和省級精品資源共享課開放共享、網絡工程專業建設指導方案的編制等為抓手，向兄弟院校進行宣傳與推廣。在面向行業企業與零散學員的開放共享推廣上，積極發揮合作企業作為行業領頭羊的影響力，與其市場、宣傳以及技術部門合作，以合作伙伴聚會、用戶交流大會以及技術培訓班為抓手，向其渠道合作伙伴、學習合作伙伴以及最終用戶進行宣傳與推廣。

經過四年的持續建設實踐，溫州大學網絡工程虛擬仿真實驗教學中心已取得了很好的教學成果。近三屆畢業生調查表明，其在促進學生工程實踐能力培養中的角色得到廣泛認同，學生工程能力提升效果明顯，中心的開放范圍由兄弟院校擴展到了企業，2015年初成功入選國家級虛擬仿真實驗教學中心。

[責任編輯：余大品]