虛實結合建設高水平虛擬仿真實驗教學中心

明 仲， 蔡茂國， 朱安民

(深圳大學 計算機與軟件學院，廣東 深圳 518060)

虛實結合建設高水平虛擬仿真實驗教學中心

明 仲， 蔡茂國， 朱安民

(深圳大學 計算機與軟件學院，廣東 深圳 518060)

如何建設符合企業人才需求的高校計算機教育實驗室，是全國高校計算機專業面臨的重要課題。分析了我國高等教育實驗室建設方面的現狀，在國家級“計算機實驗教學示范中心”的基礎上，以“虛實結合、能實不虛”為導向，提出以“實驗項目驅動為主導、以做中學為學習方式”的教學理念，建設高水平的“網絡工程虛擬仿真實驗教學中心”，希望能夠為同類高校計算機專業的實驗教學及人才培養提供思路。

實驗教學示范中心； 虛擬仿真； 網絡工程； 虛實結合

0 引 言

實驗室是高校進行教學、研究、培養高素質人才的重要場所。實踐動手能力的培養在高等教育和創新人才培養中占有非常重要的地位[1-2]。為了加強學生實踐能力和創新能力的培養，加快實驗教學改革和實驗室建設，提升辦學水平和教育質量，教育部非常重視高校實驗室的建設，于2005年啟動評審建立一批國家級實驗教學示范中心[3]，并且每年嚴格評審并建立一批[4-6]。隨著信息技術的發展，作為傳統實驗教學的一種有效補充，虛擬仿真實驗教學已經成為加強實踐教學、提高教學質量的重要手段，它不僅可以在一定程度上代替傳統的實驗教學，而且可以克服傳統實驗的各種制約和弊端，從而有效地解決目前實驗教學中存在的諸多問題。因此，教育部又在建設國家級實驗教學示范中心加強實驗教學的基礎上，于2013年提出了國家級虛擬仿真實驗中心的建設工作[7]。全國高校在此背景下進行了實驗教學中心建設的探討[8-12]。如何領會教育部的精神，建設好符合企業人才需求的高校計算機教育實驗室，這是全國高校計算機專業面臨的重要課題。

1 計算機實驗教學理念

實驗教學是高校課程教學的重要組成部分。近年來，深圳大學計算機實驗教學示范中心以培養“高素質、強能力、會創新、能創業”的工程應用型計算機高級專門人才為目標，在實驗教學理念(見圖1)和實驗教學改革等方面進行了持續的探索和實踐，建立了系統的、獨具特色的計算機實驗創新人才培養體系[13-15]。

圖1 實驗教學理念示意圖

以學生為中心，重視學生實踐能力的培養，以實驗項目驅動為主導，倡導“做中學”的實驗學習方式，培養學生自主學習能力，同時重視學生基本能力的培養，強調理論和實踐相結合；重視科研成果向實驗項目有效轉化，強化創新、研究意識，注重創新、創業意識的引導，促進科學研究能力培養，突出個性能力發揮，促進學生知識、能力、素質協調發展；重視校企業合作，為學生創建貼近實際的模擬、虛擬、仿真實驗環境，全面培養學生的科學作風、實驗技能以及綜合分析、發現和解決問題的能力，使學生具有創新、創業精神和實踐能力。

2 改革實驗教學方法與手段

計算機實驗教學中心、網絡工程虛擬仿真實驗教學中心，承擔全校的實驗教學任務比較繁重和復雜，涵蓋了80個專業的大學公共計算機基礎課程實驗教學，全校計算機相關專業的課程實驗教學，以及計算機與軟件學院計算機科學與技術、軟件工程、網絡工程、高性能計算等軟、硬件的實驗教學。計算機實驗中心還積極應對計算機技術軟、硬件不斷發展的趨勢，實驗技術和實驗教學方法，需要不斷學習、不斷更新。為此，根據中心建立的“課程實驗+開放實驗”雙軌交叉的實驗教學體系，遵循既注重實驗教學的規范性、統一性、系統性，又兼顧創新型人才、復合型人才的“因材施教”“興趣培育”“重點培養”的原則，采用了以下5種實驗教學方法。

(1) 統一指導，獨立完成實驗教學方法。對于大學公共計算機基礎實驗(為全校非計算機類專業開設)以及計算機技術基礎實驗課程，如計算機基礎(理工科、文科)、多媒體技術與應用、辦公軟件高級應用、C/C++程序設計；數據結構實驗與課程設計、程序設計實驗與課程設計、數字邏輯與數字系統等程序開發類為主要實驗內容的實驗，以及數字邏輯與數字系統等以硬件基本原理驗證型實驗，基本上屬于應獨立完成的簡單實驗，一般先由實驗老師進行集中指導，然后由學生根據實驗指導書獨立完成。為了加強訓練計算機類專業學生編程能力，實驗中心對計算機重點語言類課程單獨設立實驗課，專門為程序設計與課程設計、數據結構與課程設計兩門課程各安排了每周4 h(共計8 h/周)的實驗，采用“全程緊張、機考評分”的全新實驗教學方式，訓練學生規范、熟練地掌握計算機編程能力，取得了良好的實驗效果。

(2) 典范引導，獨立完成實驗教學方法。對于計算機應用基礎實驗課程，如操作系統，計算機網絡、計算機組成原理、計算機體系結構、數據庫系統、微型計算機技術等實驗課程，具有中等難度，一般先由老師通過講授與實驗相結合的方式進行典型示范，然后由學生根據實驗指導書獨立完成。

(3) 自主設計、協同完成實驗教學方法。對于綜合設計性實驗課程以及大部分計算機應用實驗課程，如操作系統課程設計、動畫與游戲設計等實驗課程，以及各個實驗課程(特別是計算機應用基礎課程)中部分設計性實驗項目，這些實驗目標和要求明確，但實驗內容和具體實現方案，必須由學生進行精心設計和安排。這類實驗一般每組由2～4個學生組成，共同設計實驗方案，規劃實驗步驟，老師在實驗過程中，給予必要的指導，實驗結果由實驗小組協同完成。有的設計性實驗還采用學生講解、老師學生提問的答辯方式對實驗結果進行評判。

(4) 個別指導，項目管理實驗教學方法。對于高年級學生參加的畢業設計，以及實驗室開放基金創新實驗項目；各省級、市級重點實驗室、科學研究所研究成果轉化的研究型實驗項目；學生參加國際/國內各種類型的計算機大賽而設計的創新性實驗項目，皆采取老師個別指導，學生實驗小組自主完成的教學方式。實驗項目的目標由學生和指導老師共同商定，實驗方案、實驗步驟由學生實驗小組自行制定，實驗過程中，老師分階段定期對學生進行指導，實驗結果一律采用答辯的方式進行。

(5) 師徒教學、貼近實戰實驗教學方法。對于校企聯合創新俱樂部開設的創業性實驗項目，按照學生學習興趣，將學生分成小組，進入校企聯合創新俱樂部，采用師徒教學方式，由一個老師指導少量學生，按照企業對產品要求，設計實驗項目，并進入相關企業，直接針對產品要求進行實驗方案設計、規劃實驗步驟，實驗過程在企業和學校共同進行。實驗完成后由學校和企業共同組織答辯，企業承認實驗結果，并發給相應能力認可證書，甚至畢業后直接進入企業就業。

3 建設網絡工程虛擬仿真實驗教學中心

本著“實驗教學與科研成果轉化有機結合、現場實驗與虛擬仿真實驗虛實結合、實驗中心與企業緊密聯合”的建設理念，以“虛實結合、能實不虛”為導向，在計算機實驗教學示范中心的基礎上，建立了網絡工程虛擬仿真實驗教學中心。

3.1 虛擬仿真實驗教學中心組織架構

深圳大學網絡工程虛擬仿真實驗教學中心，依托計算機與軟件學院計算機科學與技術(國家特色專業、省級名牌專業)、網絡工程、物聯網專業；廣東省普及型高性能計算機重點實驗室等省級重點實驗室；深圳市移動互聯網應用中間件技術工程重點實驗室、深圳市嵌入式系統設計重點實驗室和深圳市物聯網專用集成電路設計工程實驗室等3個市級重點實驗室，以及網絡與信息安全研究所建設。已建成9個與網絡工程虛擬仿真實驗相關的實驗室(網絡信息安全虛擬仿真、計算機網絡技術、計算機網絡集成、物聯網室、嵌入式系統、云計算機智能服務中心I、II、計算機硬件技術實驗室I、II)，見圖2。

圖2 網絡工程虛擬仿真實驗教學中心組織架構

3.2 加強虛擬仿真實驗教學中心教學資源建設

中心已建成開放式網絡工程虛擬仿真實驗教學管理與共享平臺，以及虛擬仿真實驗教學系統(資源)7個，已建成虛擬仿真實驗課程11門，虛擬仿真實驗項目201項。

(1) 虛擬仿真實驗教學管理與共享平臺。該平臺基于J2EE架構的B/S結構，將所有網絡工程的虛擬仿真實驗資源，全部整合到統一的平臺上，進行高效管理和共享。可以促進學生學用結合，實驗的安排更加靈活方便且不受時間、空間限制。只要有網絡的地方就可以動手做實驗，實現真正意義上的虛擬仿真開放實驗室。通過該平臺的建設，解決了計算機與軟件學院計算機科學與技術、網絡工程、物聯網工程，以及其他學院的相關專業，包括電子、通信等專業的網絡虛擬仿真實驗教學問題，完善了現有實驗教學體系。

(2) 專用集成電路(ASIC)芯片設計與物聯網設備設計虛擬仿真實驗教學系統。網絡工程虛擬仿真實驗教學中心，多年來率先開展專用集成電路(ASIC)芯片虛擬仿真實驗，已建成專用集成電路(ASIC)芯片設計虛擬仿真實驗教學系統，開展了多項具體與網絡通信有關的芯片設計實驗，包括：超低功耗高靈敏度無線接收芯片、無源數據和時鐘同步精確恢復芯片等實驗，將最新的網絡技術，以芯片級的硬件加以實現，并將這些芯片設計的成果，直接應用在物聯網等設備實現上，為學生們盡快掌握新的網絡技術，并鍛煉網絡工程硬件設備的設計，起到了很好作用。

(3) 軟件定義網絡(SDN)虛擬仿真實驗教學系統。網絡工程虛擬仿真實驗教學中心，率先開展軟件定義網絡(SDN)虛擬仿真實驗，已建成軟件定義網絡(SDN)虛擬仿真實驗教學系統，開展了多項具體軟件定義網絡(SDN)實驗，包括：搭建軟件定義網絡實驗環境、搭建軟件定義網絡實驗拓撲、軟件定義網絡控制器基本編程、建立二層防火墻等網絡虛擬化實現。

(4) 網絡信息安全虛擬仿真實驗室及教學系統。網絡信息安全虛擬仿真實驗室與教學系統分為服務區及客戶操作區兩部分。其中服務區存放實驗教學系統相關的硬件設備，包括管理中心設備、數據服務設備、安全實驗設備、交換設備和顯示控制設備等，為實驗系統提供完善的硬件支撐環境；客戶操作區為實驗室用戶操作區，主要為學生用PC機、教師管理PC機。

(5) 計算機網絡虛擬仿真實驗教學系統。計算機網絡虛擬仿真實驗教學系統由課程實驗仿真平臺和虛擬實驗教學管理系統兩部分組成。仿真平臺模擬真實實驗中用到的器材和設備，提供與真實實驗相似的實驗環境；虛擬實驗教學管理系統提供全方位的虛擬實驗教學輔助功能。計算機網絡虛擬仿真實驗教學系統可開展大多數普通網絡類的虛擬仿真實驗。

(6) 大型綜合性網絡虛擬仿真實驗教學系統。大型綜合設計性網絡實驗系統，包括大型校園網絡需求分析、方案設計與系統集成，企業網搭建與應用，園區網互聯及網站建設等。大型綜合設計性網絡實驗的難點在于實驗設備種類多、數量大、拓撲結構復雜多樣、設置和調試復雜困難。在虛擬仿真實驗環境中，①將目前盡量多的主流的各種路由器、交換機的虛擬設備增加新系統中，并留下擴展空間；②還可根據教學需要，靈活添加新的實驗設備及典型實驗，提供個性化定制功能；或者在網絡設備及技術進步后，再新增網絡設備和功能。

(7) 移動通信原理虛擬仿真實驗教學系統。移動通信原理虛擬仿真實驗系統，包括信源、信號處理、信道、濾波器與信道編碼、調制解調、計算分析與繪圖等實驗，支持“通信原理”“無線網絡技術”“無線傳感器網絡”等課程的虛擬仿真實驗教學。

(8) 網絡設備基礎虛擬仿真實驗教學系統。網絡類的設備(路由器、交換機等)，本質上是一種專用計算機，具有計算機硬件的所有共性，因此，對計算機硬件系統、對網絡設備的學習和理解有非常大的幫助。為此，中心專門建設了計算機系統虛擬仿真實驗教學系統，通過虛擬仿真實驗，使學生掌握LC-3小型計算機系統的設計和工作原理，初步掌握機器語言, 匯編語言和高級語言的編程方法, 讓學生對計算機系統軟件和硬件有一個整體理解，從整體上為理解網絡設備(路由器、交換機等)的原理打下堅實的基礎。

中心教學資源統計資源如表1所示，表2列出了其中的10項典型的實驗項目。

表1 中心虛擬仿真實驗教學資源統計表

表2 典型實驗項目及所屬教學系統一覽表

3.3 虛擬仿真實驗教學中心特色

網絡工程虛擬仿真實驗教學中心在“實驗統一規劃、人員統一調配、資源統一使用”的管理體制下，以“實驗教學體系和教學手段現代化，科研成果向實驗教學內容轉化常態化，創新創業實驗企業化，中心實驗規模化，實驗教學資源全方位共享化”為鮮明特色，實現了計算機實驗教學的示范作用。

(1) 倡導“做中學”實驗學習方式。創新了“重基礎、重實踐、重創新、重實戰”的人才培養模式；重視學生實踐能力的培養，以實驗項目驅動為主導，倡導“做中學”的實驗學習方式，培養學生自主學習能力。開創了層次化開放式的“課程實驗+開放實驗”雙軌交叉的計算機實驗教學體系；整體實驗項目覆蓋計算機學科的各個方面的實驗，不僅基礎實驗項目全，而且著力發展綜合型、設計型和創新型(包括課外創新性軟、硬件比賽)等開放性實驗，實驗教學內容全面、系統、高新。項目遵循既注重實驗教學的規范性、統一性、系統性，又兼顧創新型人才、復合型人才“因材施教”“興趣培育”“重點培養”的原則，根據不同的實驗項目，采用不同的實驗教學指導方法(統一指導、典范引導、獨立完成，自主設計、協同完成，個別指導、項目管理；師徒教學、貼近實戰等5種實驗教學方法)。

(2) 教學科研有機結合。項目依托省級科研重點實驗室、3個市級科研重點實驗室以及科學研究所，積極將各重點實驗室(或研究所)的科研成果，轉化為學生(特別是本科生)的實驗項目(共計77項)，供學生(特別是本科生)在課堂實驗中使用；部分研究性實驗項目，以開放實驗項目的形式，提供給學生課外創新實驗中使用。科研成果向實驗教學內容的有效轉化，使學生了解了科技最新發展和學術前沿動態，激發了科研興趣，啟迪了科研思維，更好地掌握了科研方法，培養了科研道德，提升了學生科學研究和科技創新的能力。

(3) 實行校企“協同創新”培養模式。項目通過與企業聯合成立的3個校企聯合實驗室、9個校企創新俱樂部以及6個校企聯合實習基地，為學生創建貼近實際的模擬、虛擬、仿真實驗環境，提供了大量貼近實戰的與企業產品相關的實驗項目。中心還特別鼓勵并提供條件，將學生的實習、實踐(如畢業設計等)搬到高新企業中進行，使學生實驗教學與工程實際應用更好地結合。一方面調動了學生的學習積極性，另一方面培養了學生的綜合和創新能力，使學生更早、更好地接受到企業的專業訓練和就業培訓，更有利于學生日后工作能力和適應能力的提高。

(4) 創新虛擬實驗中虛實結合能實不虛教學模式。項目積極探索在線虛擬仿真實驗課程和實驗項目的建設，結合深圳大學倡導發起的UOOC(全國地方高校MOOC聯盟)平臺建設和推廣，在在線虛擬仿真實驗、協作式虛擬實驗、自組織虛擬實驗教學等方面進行大量的研究和探索。實現了網絡芯片設計到網絡設備實現的虛擬仿真化，實現了軟件定義網絡(SDN)虛擬仿真，開發出只有在虛擬仿真環境下，才能實現的大型網絡組網實驗。已建成11門在線仿真實驗課程，設立了在線仿真實驗項目201項，可供UOOC聯盟中的所有學生以及社會上的專業人才通過網絡在線做實驗。

3.4 強化虛擬仿真實驗教學中心運行的管理

完善計算機實驗教學中心、網絡工程虛擬仿真實驗教學中心的管理體制。

(1) 中心建制相對獨立，實行校、院兩級管理。

(2) 中心實驗主任負責制。在運行機制上，主任作為中心的第一責任人，在課程設置、教學改革、人員聘用、實驗室管理和經費管理等方面具有較大的自主權，從而保證了教學資源的充分合理利用，形成了功能明確和管理有序的實驗教學中心。

(3) 中心實行按需設崗，按崗聘任實驗教師。中心的16個本科實驗教學實驗室皆有專職實驗技術人員負責管理，實驗室主任由教學經驗豐富，教學能力強的教師擔任(教授6人，副教授8人，高級工程師、高級實驗師8人，講師、實驗師2人)。實驗教師不但具備扎實的理論知識、較全面的實驗技能、嚴謹的科學態度與作風，而且是一個掌握多學科知識與技術的多面手。

(4) 全面提高實驗技術隊伍素質。通過競爭上崗，學歷提升，職務晉升，優化實驗技術人員隊伍。在現有7名專職實驗技術人員中，具有碩士學位的有4人，另外2人正在攻讀工程碩士學位；通過學習、培訓、學歷提升和技術職務晉升等措施，提高實驗技術人員的業務能力，以適應教學、科研工作的需要。

(5) 中心儀器設備、實驗人員、實驗用房均由中心統一管理，實現了資源共享，實驗室根據功能和學科特點進行重組和建設，減少重復投資，對實驗室儀器設備進行實時動態管理，即從儀器設備的使用信息到儀器設備的使用狀態有明確的“賬目”；實驗中心每年對實驗儀器進行清查，做到帳物相符，提高了實驗儀器設備使用效率。

(6) 通過幾年努力，中心已實現“實驗統一規劃、人員統一調配、資源統一使用”，提高了中心實驗室和實驗設備的利用效率和實驗課程的實驗效果。

為了確保計算機實驗教學中心、網絡工程虛擬仿真實驗教學中心設備的全天候安全運行和高效率使用，制定了學校層面的14個計算機及其相關實驗管理制度和16個設備管理辦法，針對計算機實驗教學的具體情況，中心還進一步制定了6項切合計算機實驗教學實際的規章制度。

近3年來，深圳市政府已為中心投入約1 000余萬元經費，全部用于實驗教學設備的購置和維護。計算機設備更新率達50%，設備利用率達98%，設備完好率達98%。學校每年向中心投入運行經費近100萬元，包括學生實驗易耗品，實驗工具購置，儀器儲備維修與保養，學生創新實驗材料的購置，以及實驗課程改革經費等，從而確保了教學實驗系統的正常運行。

4 結 語

在國家級計算機實驗教學示范中心的基礎上，建立的國家級網絡工程虛擬仿真實驗教學中心。實現了教學資源的全方位共享，大型實驗儀器設備社會共享的突破；有效整合了學校計算機類優質實驗教學資源，實現了科研成果向實驗教學有效轉化；創新了虛擬實驗教學模式，開創了“全程緊張、機考評分”的全新計算機編程實驗教學新模式；加強了校企合作，實行了“協同創新”培養模式，創建了貼近企業實際的模擬、虛擬、仿真實驗環境；開創了層次化開放式的“課程實驗+開放實驗”雙軌交叉的計算機實驗教學體系和“重基礎、重實踐、重創新、重實戰”、“做中學”的人才培養模式。

[1] 楊士強，彭遠紅. 加強實驗教學示范中心建設,促進創新人才培養[J]. 計算機教育，2015(9): 1.

[2] 李 平，毛昌杰，徐 進. 開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設提高高校實驗教學信息化水平[J].實驗室研究與探索，2013，32(11): 5-8.

[3] 教育部. 教育部關于開展高等學校實驗教學示范中心建設和評審工作的通知，教高[2005]08號[EB/OL].(2005-05-12)[2016-08-13]. http://www.moe.gov.cn/s78/A08/s4532/201105/t201 10512_120840.html

[4] 張 鋒，宋寶玉，崔麗娟，等. 國家級機械工程實驗教學中心的建設與成效[J].實驗室研究與探索，2014，33(2)：135-138.

[5] 章 穎. 國家級實驗教學示范中心功能與作用探討[J].實驗室研究與探索，2014，33(2)：139-142.

[6] 嚴 薇，王振中，張 波，等. 國家級實驗教學示范中心的可持續發展[J].實驗室研究與探索，2016，35(10)：151-154.

[7] 教育部辦公廳. 關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知，教高廳函[2013]94號[EB/OL].(2013-08-13)[2016-08-13]. http://www.moe.gov.cn/s78/A08/A08_gggs/ A08_sjhj/ 201308/ t201308 21_156121.html

[8] 周云霞. 企業“招聘難”與大學生“就業難”的對比思考[J]. 職業教育研究，2014(2):63-66.

[9] 姜 華. 信息管理與信息系統應用型人才培養體系的構建[J]. 計算機教育，2016(3):25-28.

[10] 郝永勝.示范中心信息化建設中管理系統的功能設計[J].中國教育信息化，2009(9):10-13.

[11] 陳智勇，文益民，鄧珍榮，等. 以培養軟件工程師為目標的計算機科學與技術本科人才培養體系[J]. 計算機教育，2015(9):68-71.

[12] 向遠明，范 炤，王伏玲. 虛擬仿真實驗室在心理學實驗教學中的作用[J]. 實驗技術與管理，2015，32(12):120-122.

[13] 教育部辦公廳. 關于批準北京工業大學電子信息與電工技術實驗教學中心等80個國家級實驗教學示范中心的通知，教高廳函[2015]2號[EB/OL].(2015-01-09)[2016-08-13]. http://www.moe.gov.cn/srcsite /A08/s7945/s7946/201501/t20150109_189309.html

[14] 教育部辦公廳. 關于批準北京大學考古虛擬仿真實驗教學中心等100個國家級虛擬仿真實驗教學中心的通知，教高廳函[2016]6號[EB/OL].(2016-01-27)[2016-08-13]. http://www.moe.gov.cn/srcsite/A08 /s7945/s7946/201602/t20160219_229805.html

[15] 明 仲，蔡茂國，朱安民. 虛實結合和科教融合的計算機實驗教學體系[J]. 計算機教育，2016(7):154-158.

EstablishmentofHigh-levelVirtualSimulationExperimentalCenterBasedonCombinationofRealityandVirtualization

MINGZhong,CAIMaoguo,ZHUAnmin

(College of Computer Science and Software Engineering, Shenzhen University, Shenzhen, 518060, Guangdong, China)

How to construct a computer laboratory in colleges which meets the requirements of enterprises is an important project faced by the educators majoring in computer science. This paper analyzed the status of the laboratory establishment in Chinese college education area. Based on the national Computer Experimental Demonstration Center, we premised the "combination of virtualization and reality, novirtualization if reality beingpossible", proposed a teaching philosophy named as "project driven and learn by doing", constructed a high-level network engineering virtual simulation experimental teaching center.This paperhopes to provide experiment teaching and student training ideas for computer specialty ofsimilar colleges and universities.

experimental teaching demonstration center; virtual simulation; network engineering; combination of virtualization and reality

TP 393.08

A

1006-7167(2017)11-0146-05

2017-01-15

廣東省研究生教育創新計劃資助項目(12JGXM-MS29，2015SQXX0)

明 仲(1967-)，男，江西寧都人，博士，教授，院長，研究方向；計算機云計算。

Tel.：0755-2653-4480；E-mail: mingz@szu.edu.cn