虛擬云實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在網(wǎng)絡(luò)綜合實(shí)訓(xùn)教學(xué)改革的應(yīng)用

李鵬 曹洪武 鄔歡歡 范振岐

摘 ? 要：邊疆建設(shè)急需網(wǎng)絡(luò)信息化人才，當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與軟件更新?lián)Q代迅速，邊疆高校實(shí)驗(yàn)環(huán)境與建設(shè)經(jīng)費(fèi)無(wú)法滿足相關(guān)專業(yè)的教學(xué)需要。在教學(xué)實(shí)驗(yàn)改革中，文章通過(guò)在云實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中加入預(yù)設(shè)的虛擬機(jī)鏡像系統(tǒng)，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，完成“網(wǎng)絡(luò)綜合實(shí)訓(xùn)”等相關(guān)課程，提高了教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：虛擬云試驗(yàn)平臺(tái);網(wǎng)絡(luò)綜合實(shí)訓(xùn);教學(xué)改革

當(dāng)前我國(guó)西部邊疆經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，網(wǎng)絡(luò)信息化建設(shè)人才需求日益增多，但邊疆普通高校的“計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)通信”課程建設(shè)還存在短板和不足，在網(wǎng)絡(luò)綜合實(shí)訓(xùn)中面臨師資短缺、課時(shí)不夠、實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)難以充分實(shí)現(xiàn)等諸多問(wèn)題，必須在教學(xué)中采取有效措施，提高教學(xué)質(zhì)量，為興疆固邊服務(wù)。

1 ? ?網(wǎng)絡(luò)綜合實(shí)訓(xùn) 的教學(xué)實(shí)踐性與復(fù)雜性

網(wǎng)絡(luò)綜合實(shí)訓(xùn)是計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)學(xué)生在完成專業(yè)基礎(chǔ)課學(xué)習(xí)與大部分專業(yè)課程學(xué)習(xí)之后，綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)，選擇貼近生產(chǎn)與科研實(shí)際的項(xiàng)目，完成計(jì)算機(jī)工程實(shí)踐的重要課程，是對(duì)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力的綜合鍛煉。

網(wǎng)絡(luò)綜合實(shí)訓(xùn)中應(yīng)用到的專業(yè)課程有“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”“綜合布線技術(shù)”“Linux技術(shù)應(yīng)用”“網(wǎng)際互聯(lián)技術(shù)”等。

學(xué)生的選題涉及以下知識(shí)模塊：傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）的原理及應(yīng)用，數(shù)據(jù)包的采集與分析，交換機(jī)路由器配置與路由維護(hù)，多種常用服務(wù)器的搭建，網(wǎng)絡(luò)攻防平臺(tái)中的靶機(jī)建立、攻擊與防御過(guò)程，入侵檢測(cè)系統(tǒng)與蜜罐系統(tǒng)的建立與維護(hù)。

網(wǎng)絡(luò)綜合實(shí)訓(xùn)涉及大量的特殊實(shí)驗(yàn)，比如交換機(jī)路由器需要多種的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備，這些設(shè)備參數(shù)復(fù)雜、配置時(shí)間長(zhǎng)、模塊昂貴。再如網(wǎng)絡(luò)攻防實(shí)驗(yàn)具有一定的破壞性，對(duì)目標(biāo)計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)會(huì)造成種種危害。此外，還有大量驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，例如對(duì)典型的“0day漏洞”進(jìn)行攻擊，理解操作系統(tǒng)的隱患所在位置與補(bǔ)丁修復(fù)后的效果。

部分實(shí)驗(yàn)操作復(fù)雜，需要學(xué)生用幾小時(shí)甚至數(shù)天時(shí)間去攻擊靶機(jī)，讓部分學(xué)習(xí)不夠細(xì)致的學(xué)生在綜合實(shí)訓(xùn)的起始階段就難以入門(mén)。教師在實(shí)驗(yàn)環(huán)境配置與修復(fù)上花費(fèi)了大量的精力，在實(shí)驗(yàn)講解上花費(fèi)了大量的重復(fù)時(shí)間，卻往往不能收到應(yīng)有的效果。

計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備更新?lián)Q代的頻率很快，通常5年就會(huì)更新，每次的軟件硬件升級(jí)或更新都是巨大的資金支出，對(duì)于普遍建設(shè)資金緊張的邊疆高校來(lái)講是難以承擔(dān)的負(fù)擔(dān)，實(shí)際上，實(shí)驗(yàn)室部分網(wǎng)絡(luò)設(shè)備建設(shè)完成后都用了8年以上。

綜合實(shí)訓(xùn)課程的知識(shí)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，學(xué)習(xí)難度大，對(duì)教師教學(xué)與學(xué)生學(xué)習(xí)都是嚴(yán)峻的考驗(yàn)。用傳統(tǒng)教學(xué)方式，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，學(xué)生的學(xué)習(xí)效果也不夠好，即使完成了課程實(shí)訓(xùn)，再來(lái)撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告也是很漫長(zhǎng)的工作，各屆學(xué)生都反映學(xué)習(xí)強(qiáng)度太大，部分學(xué)生難以按質(zhì)按量完成教師所布置的任務(wù)。

2 ? ?虛擬云平臺(tái)的基本結(jié)構(gòu)

虛擬云平臺(tái)的應(yīng)用改變了以上弊端，對(duì)于實(shí)驗(yàn)中容易出錯(cuò)的操作，教師可以事先錄制操作步驟，上傳到云端，供學(xué)生點(diǎn)擊學(xué)習(xí)。邊學(xué)習(xí)邊操作減輕了教師的教學(xué)壓力，學(xué)生可以在課前預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提高了教學(xué)效果。

虛擬機(jī)云平臺(tái)采用瀏覽器/服務(wù)器模式（Browser/Server，B/S）結(jié)構(gòu)，學(xué)生注冊(cè)賬戶，經(jīng)過(guò)任課教師審核通過(guò)后可進(jìn)入平臺(tái)，進(jìn)行相關(guān)的綜合實(shí)訓(xùn)，在實(shí)驗(yàn)課程中選擇與教師講授同步的課程，在課余時(shí)間可以自由選擇感興趣的題目進(jìn)行學(xué)習(xí)。

虛擬云平臺(tái)集成了VMware相關(guān)技術(shù)，將各門(mén)課程的實(shí)驗(yàn)題目整合，學(xué)生提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，教師在線批閱報(bào)告后給出評(píng)分。教師在批閱報(bào)告時(shí)，能通過(guò)后臺(tái)系統(tǒng)查看此學(xué)生所操作的虛擬機(jī)狀態(tài)，確認(rèn)該生是否真正完成了實(shí)驗(yàn)操作。

由于實(shí)訓(xùn)題目中有部分是破壞性題目，為防止學(xué)生利用所學(xué)網(wǎng)絡(luò)攻防知識(shí)攻擊系統(tǒng)，平臺(tái)設(shè)定了多重保護(hù)措施，做好數(shù)據(jù)備份。平臺(tái)的操作日志寫(xiě)入網(wǎng)絡(luò)中的其他備份計(jì)算機(jī)，確保數(shù)據(jù)與成績(jī)的安全。云實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 ? ?實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的應(yīng)用過(guò)程

教師進(jìn)入系統(tǒng)后臺(tái)，建立課程，從實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)導(dǎo)入對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)單元，也可以增加自己設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)?zāi)K。教師在虛擬機(jī)上可以配置各種應(yīng)用程序和實(shí)驗(yàn)環(huán)境，并且可以指定機(jī)型，自行設(shè)定硬件配置，生成虛擬機(jī)鏡像文件并上傳。

完成課程建設(shè)后，通知學(xué)生注冊(cè)或選修本課程。批準(zhǔn)學(xué)生選課后，學(xué)生即可選修已經(jīng)開(kāi)放的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

對(duì)于難以配置的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，教師可以在云端虛擬機(jī)中預(yù)設(shè)多個(gè)不同的實(shí)驗(yàn)狀態(tài)，學(xué)生在某個(gè)步驟遇到阻力，或者操作出錯(cuò)時(shí)，既可以點(diǎn)擊導(dǎo)入虛擬機(jī)的上一個(gè)狀態(tài)，重新進(jìn)行操作，也可以導(dǎo)入虛擬機(jī)的下一個(gè)鏡像，跳過(guò)某步操作，先完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)思路，再返回來(lái)重新學(xué)習(xí)避免因?yàn)橐粋€(gè)步驟不熟悉，卡住了整個(gè)實(shí)驗(yàn)。

注冊(cè)用戶為學(xué)生，經(jīng)教師批準(zhǔn)后即可進(jìn)入選課平臺(tái)，多門(mén)課程實(shí)現(xiàn)了賬戶共享，學(xué)生只需要成功注冊(cè)一次即可。

學(xué)生登錄實(shí)訓(xùn)云平臺(tái)，部分課程只能在指定實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中使用，絕大部分基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)可以在連入校園網(wǎng)的計(jì)算機(jī)中使用，在手機(jī)端也可用瀏覽器登入平臺(tái)，但只能進(jìn)行課程討論，類似于BBS，實(shí)驗(yàn)虛擬機(jī)模塊所需要的資源量太大，又需要相關(guān)平臺(tái)插件，無(wú)法在手機(jī)中運(yùn)行。

學(xué)生的作業(yè)提交—實(shí)驗(yàn)報(bào)告中附帶截圖，并上傳用仿真軟件繪制的拓?fù)鋱D，教師可以查看學(xué)生的虛擬機(jī)狀態(tài)，核實(shí)學(xué)生是否真的完成了實(shí)驗(yàn)。事后，將虛擬機(jī)關(guān)閉，釋放內(nèi)存空間，也可以設(shè)計(jì)為時(shí)間到點(diǎn)后，自動(dòng)關(guān)閉本次課程的所有虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，還原所有修改，在下次使用時(shí)，初始化所有虛擬機(jī)。對(duì)于小型實(shí)驗(yàn)，可以將恢復(fù)時(shí)間設(shè)定為4 h，大型實(shí)驗(yàn)設(shè)定為8 h，綜合實(shí)訓(xùn)則設(shè)定為兩周，學(xué)生在兩周內(nèi)完成所有任務(wù)，撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告，將實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的關(guān)鍵截圖導(dǎo)入實(shí)驗(yàn)報(bào)告，提交給教師，兩周后，所有更改清零，系統(tǒng)恢復(fù)初始狀態(tài)，學(xué)生可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告中的實(shí)驗(yàn)步驟再次練習(xí)實(shí)驗(yàn)。教師也可將優(yōu)質(zhì)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告電子版導(dǎo)出，給下屆學(xué)生作為參考資料。

4 ? ?云平臺(tái)的應(yīng)用效果探討

云平臺(tái)加上鏡像虛擬機(jī)的配置簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程，降低了配置難度，把教師從繁重的系統(tǒng)配置與審核過(guò)程中解脫了出來(lái)，可以專心進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，并將關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)操作步驟用錄屏軟件制作為微課產(chǎn)品，供學(xué)生自學(xué)，教師根據(jù)教學(xué)效果與學(xué)生反饋，不斷更新教學(xué)內(nèi)容，提高了教學(xué)質(zhì)量。

經(jīng)過(guò)一年的試運(yùn)行，用平臺(tái)授課的效果很好，教師可以統(tǒng)計(jì)學(xué)生的訪問(wèn)頻率，通過(guò)查看統(tǒng)計(jì)可知學(xué)生的實(shí)驗(yàn)完成情況，也可以了解學(xué)生對(duì)高難度實(shí)驗(yàn)的掌握情況。

學(xué)生通過(guò)云實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)入預(yù)先配置好的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，在微課與設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)的指引下完成指定的實(shí)訓(xùn)任務(wù)，便于學(xué)生在宿舍事先預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，到實(shí)驗(yàn)室直接完成實(shí)驗(yàn)，難點(diǎn)可通過(guò)論壇和留言板快速討論。

對(duì)于學(xué)生的報(bào)告可以更方便地撰寫(xiě)和批閱，教師進(jìn)入系統(tǒng)管理，在教師后臺(tái)管理中即可審閱，給出成績(jī)后，學(xué)生可以實(shí)時(shí)看到。如果需要提示某些操作細(xì)節(jié)，也可在教師后臺(tái)中通過(guò)短消息的形式發(fā)給學(xué)生，對(duì)于重要的操作，或者是多個(gè)學(xué)生都犯的錯(cuò)誤，可以在課程討論模塊發(fā)布主題，平臺(tái)的所有學(xué)生都能看到，也都能參與討論。實(shí)現(xiàn)了自學(xué)—討論—提高—深入學(xué)習(xí)的良性循環(huán)，簡(jiǎn)化了實(shí)訓(xùn)流程，能較快地完成實(shí)踐項(xiàng)目。

從某種意義上來(lái)說(shuō)，云平臺(tái)的應(yīng)用也存在缺點(diǎn)：

首先，減少了學(xué)生的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，使得學(xué)生沒(méi)有調(diào)試系統(tǒng)“百思不得其解的痛苦感”，也沒(méi)有經(jīng)歷過(guò)繁瑣的配置過(guò)程，而這在今后的工作中會(huì)經(jīng)常遇到。

其次，在虛擬機(jī)上按照預(yù)定的配置去完成對(duì)應(yīng)操作是很容易，但現(xiàn)實(shí)中的設(shè)備配置遠(yuǎn)比這些復(fù)雜，出錯(cuò)之后的調(diào)試過(guò)程也與虛擬機(jī)上的調(diào)試完全不同。

最后，實(shí)訓(xùn)中容易出現(xiàn)“重操作，輕理論”的現(xiàn)象，部分學(xué)生喜好動(dòng)手操作，做出看得見(jiàn)摸得著的實(shí)訓(xùn)成果，而不習(xí)慣去鉆研分析理論知識(shí)，導(dǎo)致理論基礎(chǔ)欠缺，難以勝任耐心和細(xì)致的設(shè)備調(diào)試與系統(tǒng)維護(hù)工作。

5 ? ?結(jié)語(yǔ)

綜上所述，應(yīng)用云平臺(tái)虛擬機(jī)可以引導(dǎo)學(xué)生較快完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，掌握基本操作。在此基礎(chǔ)上，仍然需要讓學(xué)生自行配置真實(shí)的服務(wù)器、布線系統(tǒng)、交換機(jī)路由器，以培養(yǎng)實(shí)踐操作能力，兩者同等重要。

[參考文獻(xiàn)]

[1]黎加厚.走向教育技術(shù)“云”服務(wù)[J].遠(yuǎn)程教育雜志，2008（3）：79.

[2]唐紅，徐光俠.云計(jì)算研究與發(fā)展綜述[J].數(shù)字通信，2010（3）：23-28.

[3]韓燕波，王桂玲，劉晨，等.互聯(lián)網(wǎng)計(jì)算的原理與實(shí)踐[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

[4]黎加厚.云計(jì)算輔助教學(xué)[M].上海：上海教育出版社，2010.

[5]柴亞輝，涂春萍，劉覺(jué)夫，等.基于云計(jì)算的計(jì)算機(jī)與軟件實(shí)驗(yàn)資源管理[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2010（10）：254-256.

[6]李鵬，王玉麗，賈桂珍，等.微課技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用研究—以“獸醫(yī)寄生蟲(chóng)學(xué)”課程為例[J].無(wú)線互聯(lián)科技，2018（21）：161-162.