劉莞玲 ,謝伙生 ,葉福玲 ,陸澤萍 ,林 晶
(1.福州大學(xué) 數(shù)學(xué)與計算機(jī)科學(xué)學(xué)院,福建 福州 350116;2.福州大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)信息安全與計算機(jī)技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心,福建 福州 350116)
隨著信息化時代的迅速發(fā)展,多媒體技術(shù)、云技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、人機(jī)交互等技術(shù)不斷影響著人們的學(xué)習(xí)和工作。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效補(bǔ)充,可以改進(jìn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的各種弊端[1],成為加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)和提高教學(xué)質(zhì)量的重要手段。平臺的構(gòu)建可以提高硬件設(shè)備的利用率,降低建設(shè)和管理成本,方便系統(tǒng)及資源統(tǒng)一部署,提高系統(tǒng)安全性,促進(jìn)實(shí)驗(yàn)資源的共享,為學(xué)生提供個性化實(shí)驗(yàn)資源[2],從而更好地服務(wù)于創(chuàng)新型人才的培養(yǎng),提升高校本科教學(xué)質(zhì)量,為雙一流建設(shè)提供保障。
隨著實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的不斷深入,為了加強(qiáng)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng),需要根據(jù)教學(xué)大綱及學(xué)生個性化要求,不斷擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)的數(shù)量和內(nèi)容。然而,傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全與計算機(jī)技術(shù)專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程,從形式到內(nèi)容再到效率和效果都存在影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的缺陷,因此,有必要利用虛擬仿真技術(shù)補(bǔ)充和拓展傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。目前,實(shí)體實(shí)驗(yàn)室存在的主要問題包括如下幾方面。
在實(shí)體實(shí)驗(yàn)室做網(wǎng)絡(luò)安全類實(shí)驗(yàn)時,由于實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)線路與校園網(wǎng)絡(luò)直接相連,可能造成病毒等不良數(shù)據(jù)泄漏導(dǎo)致校園網(wǎng)崩潰等嚴(yán)重的后果;同時,現(xiàn)有的實(shí)體實(shí)驗(yàn)室僅支持對安全配置要求較低的小型實(shí)驗(yàn),無法進(jìn)行信息安全原理型和創(chuàng)新設(shè)計類實(shí)驗(yàn)。因此,網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)驗(yàn)在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中存在安全風(fēng)險和局限性,最好用虛擬仿真來實(shí)現(xiàn)。
傳統(tǒng)基于實(shí)物的電路類實(shí)驗(yàn)和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計實(shí)驗(yàn)都會因?qū)嵨飻?shù)量和種類的限制,影響實(shí)驗(yàn)的規(guī)模和效果。實(shí)體網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的狀態(tài)燈指示連接方式有限,在超級終端上也只能以命令行進(jìn)行配置操作和顯示配置結(jié)果。在實(shí)驗(yàn)中,學(xué)生無法看到網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之間的運(yùn)行原理,如數(shù)據(jù)分組、路由的選擇、數(shù)據(jù)幀的快速交換等,這類實(shí)驗(yàn)只能局限于原理驗(yàn)證,因此學(xué)生無法很好地理解實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行原理。
采用防火墻、入侵檢測、VPN等設(shè)備搭建網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)體實(shí)驗(yàn)平臺,多個設(shè)備僅支持單個用戶的操作,一個實(shí)驗(yàn)室需要配置多套相同的設(shè)備,建設(shè)成本高。由于設(shè)備數(shù)目及種類的限制,大型的綜合性實(shí)驗(yàn)無法組建,學(xué)生受益面窄,實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)時間受限;同時,設(shè)備不更新?lián)Q代無法滿足技術(shù)進(jìn)步的需要,頻繁更新?lián)Q代又會造成資源的浪費(fèi),加上傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境部署繁雜、靈活性差,缺乏實(shí)驗(yàn)環(huán)境的統(tǒng)一管理,給實(shí)驗(yàn)室的管理帶來巨大的難度和壓力。實(shí)體網(wǎng)絡(luò)設(shè)備場地和時間固定、內(nèi)容固定,這些都極大地限制了實(shí)驗(yàn)室的使用效率、效果和資源的開放共享。
隨著教育教學(xué)改革不斷深化,在一流高校、一流學(xué)科和新工科建設(shè)的背景下,探索虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺的建設(shè),實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的信息化、共享化和個性化具有重要意義[3]。
虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等教育信息化建設(shè)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的重要組成部分。自2013年以來,教育部正式啟動建設(shè)國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。2017年,教育部提議建立示范虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項目,計劃從2017年到2020年確定大約1 000個示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項目[4]。2018年5月,教育部決定認(rèn)定105個項目為首批國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項目。2019年1月教育部高等教育司發(fā)布了《關(guān)于2018年度國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項目名單的公示》,共有298個項目入選第二批國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項目。
網(wǎng)絡(luò)安全和計算機(jī)技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的構(gòu)建主要為了提高學(xué)生的實(shí)踐技能和創(chuàng)新意識。以實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源信息化為建設(shè)的重點(diǎn),把共享和開放優(yōu)質(zhì)的資源作為目標(biāo)[5]。建設(shè)過程堅持“虛實(shí)結(jié)合、能實(shí)不虛”的原則,結(jié)合個性化、多元化、信息化的教學(xué)模式;綜合應(yīng)用多媒體技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)、云計算、人機(jī)交互等技術(shù)構(gòu)建實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺。
網(wǎng)絡(luò)安全與計算機(jī)技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的構(gòu)建,堅持一切從學(xué)生的需求出發(fā),綜合培養(yǎng)創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力,以問題為導(dǎo)向,結(jié)合教學(xué)大綱和內(nèi)容,重點(diǎn)解決真實(shí)實(shí)驗(yàn)項目條件不具備或?qū)嶋H運(yùn)行存在困難的實(shí)驗(yàn)。堅持科學(xué)規(guī)劃,資源共享,突出重點(diǎn),提高效率和可持續(xù)發(fā)展的指導(dǎo)思想;堅持“虛實(shí)結(jié)合、能實(shí)不虛”的原則,將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源整合到現(xiàn)有的教學(xué)系統(tǒng)中,為涉及網(wǎng)絡(luò)安全病毒泄露危害性大、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信原理可見性差或者實(shí)驗(yàn)成本高的不可逆實(shí)驗(yàn)(如交換機(jī)、服務(wù)器和CPU)等提供可靠、安全和經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)項目。
傳統(tǒng)教學(xué)模式主要是以教學(xué)大綱為主,往往忽視學(xué)生的自身認(rèn)知水平和知識積累情況,無法真正做到個性化提供實(shí)驗(yàn)資源。由于實(shí)體設(shè)備限制,大部分實(shí)驗(yàn)是原理驗(yàn)證型練習(xí),為了獲得已知的唯一實(shí)驗(yàn)結(jié)果,往往不允許學(xué)生出錯,這極大限制了學(xué)生的創(chuàng)造能力和創(chuàng)新意識,也無法真正提升他們探索未知的能力。虛擬技術(shù)的出現(xiàn)為實(shí)驗(yàn)教學(xué)問題提供了新的視角和新的解決方案[6],可以有效改變傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式,改變以教為主的教育現(xiàn)狀,提升學(xué)生自學(xué)和動手實(shí)踐的能力,實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐教學(xué)的結(jié)合[7];同時,在虛擬仿真網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中,開展網(wǎng)絡(luò)安全攻防實(shí)驗(yàn)和大型網(wǎng)絡(luò)綜合設(shè)計類實(shí)驗(yàn),不會出現(xiàn)病毒泄露等網(wǎng)絡(luò)安全隱患。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚪Y(jié)合個性化、多樣化和信息化的實(shí)踐教學(xué)新體系,形成基礎(chǔ)型、應(yīng)用型、綜合型和創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)有效融合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式。
綜合應(yīng)用多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、云技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)等,構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)安全和計算機(jī)技術(shù)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺,平臺的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D如圖1所示。
平臺依托校園的網(wǎng)絡(luò),包括服務(wù)器和實(shí)驗(yàn)終端兩部分,服務(wù)器模塊默認(rèn)安裝虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng),為實(shí)驗(yàn)終端的訪問請求提供服務(wù),并保存實(shí)驗(yàn)結(jié)果、實(shí)驗(yàn)報告等數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)終端區(qū)將為用戶提供一個虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺,學(xué)生只需輸入賬號密碼,即可以登錄平臺,隨時隨地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作;教師可以共享實(shí)驗(yàn)資源,在線指導(dǎo)實(shí)驗(yàn),批改實(shí)驗(yàn)報告等;教務(wù)和實(shí)驗(yàn)室管理人員可以進(jìn)行課程發(fā)布、儀器設(shè)備管理等,真正實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化和智能化。

圖1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D
基于真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備,采用軟件仿真和硬件虛擬的方式,可以建立一套技術(shù)先進(jìn)、覆蓋面廣和擴(kuò)展性強(qiáng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺。平臺包括虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程體系和實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)兩個部分,采用多媒體形式講解理論知識,采用人機(jī)交互式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作,用大數(shù)據(jù)智能化分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。通過該平臺,學(xué)生可以獨(dú)立或分組合作進(jìn)行學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)操作。
開放式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的課程體系是基于國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系進(jìn)行規(guī)劃和建設(shè)的,平臺上部署了9個虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源,如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)安全與計算機(jī)技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源
目前已經(jīng)開發(fā)了345個虛擬仿真實(shí)驗(yàn),直接支持計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)踐、網(wǎng)絡(luò)信息安全、Internet技術(shù)與協(xié)議分析、數(shù)字邏輯等14門實(shí)驗(yàn)課程。該平臺為網(wǎng)絡(luò)工程、信息安全、軟件工程、大數(shù)據(jù)和計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的學(xué)生提供服務(wù),同時實(shí)驗(yàn)資源也共享給全校其他專業(yè)的學(xué)生使用。網(wǎng)絡(luò)安全和計算機(jī)技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程體系如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)安全與計算機(jī)技術(shù)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程體系
虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)主要采用C/S架構(gòu),集成所有虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源,實(shí)現(xiàn)在線學(xué)習(xí)、在線教學(xué)、在線操作、在線評估、在線管理等功能。網(wǎng)絡(luò)安全與計算機(jī)技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的用戶角色主要有教師、學(xué)生、教務(wù)和管理員。平臺的功能如圖4所示,主要包括實(shí)驗(yàn)前的預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)的開課管理、典型實(shí)驗(yàn)庫的維護(hù)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)安排、實(shí)驗(yàn)過程的指導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的批改、實(shí)驗(yàn)成績統(tǒng)計查詢等功能。
實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理模塊可以有效地安排教學(xué)任務(wù),對實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行流程化管控,改革傳統(tǒng)的教學(xué)模式,有效提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。①該模塊可以自動生成實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)書,并能根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整教學(xué)任務(wù)和教學(xué)計劃,可在線審核與調(diào)整實(shí)驗(yàn)課程。②支持智能排課設(shè)計,以實(shí)驗(yàn)項目為基礎(chǔ),實(shí)現(xiàn)多類型混合排課,支持實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的新型教學(xué)模式。③支持實(shí)驗(yàn)分批、自主選課等方式,支持小組組隊的實(shí)驗(yàn)?zāi)J健"軐?shí)驗(yàn)室、課程、教師、學(xué)生等資源占用情況進(jìn)行分析,提供智能的實(shí)驗(yàn)資源沖突檢測。⑤按照實(shí)驗(yàn)課程匯總成績,提供數(shù)據(jù)接口給教務(wù)處,可進(jìn)行成績分析和統(tǒng)計。⑥可以上傳和發(fā)布多種多樣的實(shí)驗(yàn)資源,并能對實(shí)驗(yàn)資源進(jìn)行統(tǒng)一管理。

圖4 網(wǎng)絡(luò)安全與計算機(jī)技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的功能
系統(tǒng)還提供實(shí)驗(yàn)管理、實(shí)驗(yàn)工具等多種擴(kuò)展接口,方便教師添加新實(shí)驗(yàn),并在校企合作模式下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的共享開發(fā)。教師可以根據(jù)自己的需求進(jìn)行全新操作系統(tǒng)的安裝、定制課件和共享課件,也可以采用產(chǎn)品中自帶的虛擬機(jī)母本進(jìn)行復(fù)用,重新配置。系統(tǒng)提供編程接口,可開展有深度的實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)項目開發(fā),可開展有廣度又有深度的實(shí)驗(yàn)。平臺還提供多媒體的交互式練習(xí)、測試、在線答疑等功能,并支持人工組卷和智能組卷兩種出卷模式。
學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中,平臺支持?jǐn)帱c(diǎn)續(xù)存,能自動保存當(dāng)前學(xué)習(xí)進(jìn)度,方便學(xué)生隨時隨地開展實(shí)驗(yàn);系統(tǒng)中的實(shí)驗(yàn)環(huán)境以虛擬機(jī)形式存在,能夠讓實(shí)驗(yàn)環(huán)境在短時間內(nèi)啟動,使實(shí)驗(yàn)操作更加便捷、高效。同時,平臺還能對學(xué)習(xí)行為分析,為提升教學(xué)效率提供決策參考;學(xué)生提交實(shí)驗(yàn)結(jié)果后,系統(tǒng)可以設(shè)置手動校正或自動校正實(shí)驗(yàn)報告。批改完作業(yè)后,平臺將評價結(jié)果反饋給師生,同時會把成績等信息匯總到成績管理模塊,進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析,為實(shí)驗(yàn)教學(xué)調(diào)整提供決策依據(jù)。
系統(tǒng)管理模塊可以管理和設(shè)置系統(tǒng)用戶的權(quán)限。考勤管理模塊主要負(fù)責(zé)值班人員考勤登記和學(xué)生上課考勤的智能化管理,智能統(tǒng)計和生成每門課程上課情況的報表。開放預(yù)約管理模塊,讓學(xué)生可根據(jù)興趣和需求,預(yù)約實(shí)驗(yàn)資源,進(jìn)行個性化實(shí)驗(yàn)設(shè)計。整個平臺的數(shù)據(jù)分析模塊可以為實(shí)驗(yàn)室調(diào)配資源提供依據(jù),對實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總統(tǒng)計分析,為實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和中心建設(shè)提供數(shù)據(jù)支持。
在構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的過程中,福州大學(xué)網(wǎng)絡(luò)信息安全與計算機(jī)技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心構(gòu)建了多層次的校企合作實(shí)踐教學(xué)體系。學(xué)校主要負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容規(guī)劃,提供智力支持;合作企業(yè)根據(jù)學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求提供個性化的技術(shù)支持和服務(wù)。平臺具有很強(qiáng)的可編程和配置性,系統(tǒng)開放內(nèi)容、開發(fā)接口。教師可根據(jù)需要定制課件和實(shí)驗(yàn)資源;學(xué)生可以隨時隨地開展實(shí)驗(yàn),根據(jù)自身知識水平和能力選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,也可以自己設(shè)計實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探索。實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理模塊能對課程實(shí)驗(yàn)資源進(jìn)行有效管理,數(shù)據(jù)分析模塊能針對學(xué)生的學(xué)習(xí)行為進(jìn)行分析,為實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革提供智能化決策。
平臺主要面向計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)工程、軟件工程、信息安全、大數(shù)據(jù)等專業(yè)的學(xué)生開放資源。從2016年建設(shè)以來,截止2018年12月,網(wǎng)絡(luò)安全與計算機(jī)技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺累計使用情況見表1。

表1 2016—2018年虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源累計使用人次
平臺每年實(shí)驗(yàn)學(xué)生人數(shù)約1 300余人,為實(shí)驗(yàn)教學(xué)及科研提供了一個完整的、一體化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境。該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺能將抽象的教學(xué)內(nèi)容“變”形象,將復(fù)雜的教學(xué)內(nèi)容“變”簡單,將簡單驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)“變”為綜合設(shè)計型實(shí)驗(yàn),對于學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)原理、提升實(shí)踐能力、提高創(chuàng)新意識有很好的促進(jìn)作用。目前,現(xiàn)有的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源主要通過中心門戶(http://cmcs.fzu.edu.cn/isct/jsj/)和福州大學(xué)在線實(shí)驗(yàn)吧(http://fzu.shiyanbar.com/)面向全國開放和共享,力求實(shí)現(xiàn)校內(nèi)共享、校企共享和校外共享[8-10]。兩年多的實(shí)驗(yàn)教學(xué)成果表明,該平臺運(yùn)行效率高,學(xué)生受益面廣,資源共享程度高,已成為實(shí)驗(yàn)室建設(shè)新的亮點(diǎn)和教學(xué)質(zhì)量提升的助推器。
網(wǎng)絡(luò)安全與計算機(jī)技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的建設(shè),加速了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的信息化改革和優(yōu)質(zhì)資源的共享。該平臺能實(shí)現(xiàn)高危的網(wǎng)絡(luò)攻防實(shí)驗(yàn)、不可見的原理型實(shí)驗(yàn)、大型的綜合實(shí)驗(yàn)等,提高設(shè)備的使用效率,降低成本,提升系統(tǒng)及資源部署的靈活性、管理的復(fù)雜度,提高實(shí)驗(yàn)的安全性和穩(wěn)定性。平臺能使學(xué)生更靈活、更自主地控制學(xué)習(xí)時間和學(xué)習(xí)進(jìn)度,進(jìn)行個性化實(shí)驗(yàn)教學(xué),有利于促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的提升,綜合培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力和創(chuàng)新意識。未來,相關(guān)的研究人員計劃在現(xiàn)有的平臺上繼續(xù)拓展,開發(fā)更豐富的實(shí)驗(yàn)教學(xué)項目,也進(jìn)一步探索可持續(xù)化的資源共享形式。