綜合性高校虛擬仿真實驗教學項目群建設初探

許 麗，王鴻鵬，高振元，劉景泰

（1.南開大學人工智能學院，虛擬仿真實驗教學中心，天津 300350；2.天津瀚海星云數字科技股份有限公司，天津 300131）

0 引言

近些年虛擬仿真實驗教學在教育教學改革領域發揮著重要的作用，《教育部關于一流本科課程建設的實施意見》中的“雙萬計劃”推薦認定辦法指出要完成1 500 門左右國家級虛擬仿真實驗教學一流課程建設，形成高等教育信息化實驗教學體系［1］。這就要求虛擬仿真實驗教學項目在形式新穎、內容精彩、突破傳統教學模式限制的基礎上，更要開放共享并且長期有效地運行，只有高效地管理和積極地維護才能保證項目的活躍度和實時性，大幅度提高學習成效，達到立德樹人的教學目的［2］。

1 虛擬仿真項目建設的現狀及問題

隨著各大院校虛擬仿真實驗教學項目的建設力度不斷加大，產生了一大批教學效果優良的實驗教學項目，逐步解決真實實驗條件不具備或實際運行困難的實驗問題。項目的數量遞增和長期維護給項目管理帶來了一定的問題，傳統的單一項目管理方法過于松散，新項目的建設也得不到有效的指導。如何提高虛擬仿真實驗教學項目管理效率是目前高等院校普遍面臨的課題。主要存在以下幾個問題：

（1）缺乏專業知識支撐。綜合性高校的虛擬仿真實驗教學項目服務于多學科實驗教學，項目負責人一般為工作在教學一線的專業老師，除了計算機相關專業的教師外，絕大多數教師沒有虛擬仿真技術專業背景，僅憑借項目開發企業的技術支撐進行項目建設，對企業有很強的依賴性，當企業的技術路線發生變化或者運轉不良的情況下，項目的維護會受到影響，同時缺少對企業開發行為的監督和開發路線的規范。

（2）項目建設交互性差。傳統的項目建設模式是各項目分別建設，獨立開發全套交互軟件，新項目常常花費大量精力在了解流程和基礎搭建上，思考如何有效利用現有的虛擬仿真建設項目的先進經驗進行新項目培育，加強項目之間的交互性和共享性，避免每個項目都是從零開始建設是必要的，在此基礎上項目負責老師才可以把主要精力放在項目內容建設上。

（3）非國家項目維護困難。由于國家虛擬仿真實驗教學項目評定數量的限制，有大量的實驗項目沒有獲批，這些項目沒有進一步支撐很難持續建設并提供開放服務，很多項目停滯下來甚至無法繼續使用，這是開發資源的浪費，也是相關本科教學工作的損失。

（4）網絡安全問題突出。虛擬仿真實驗教學項目的開發企業數量眾多，使用的軟件和數據標準良莠不齊，項目服務器長期掛載在各自公司中，知識產權歸屬不清晰［3］，IP地址和域名均不屬于高校的“雙非”網站使用風險高，監管難度大。這種分散管理對于高校的教學項目來講，網絡安全很難保障，給實驗教學帶來了安全隱患，一旦項目受到網絡攻擊，將直接破壞教學秩序并產生不良影響。

2 虛擬仿真實驗教學項目群建設的意義

我校虛擬仿真實驗教學中心以人工智能學院為技術依托，針對上述虛擬仿真實驗教學項目建設和運維中存在的問題，進行了虛擬仿真項目群建設實踐。

項目群支持各類虛擬仿真實驗教學項目發布并進行項目管理，按照“統一規范，協同管理，增量發展，統一監管”的原則進行建設，建立高校內部項目發布技術規范和項目監管制度，可共享各院系的虛擬仿真實驗教學資源，服務于國家、天津市和學校3 級項目的申報和運行維護，保證全校虛擬仿真實驗教學項目高效運行和共享應用，免費開放給校內外人員使用。

項目群是對虛擬仿真實驗教學項目管理模式的新探索，突破時間、內容和空間的限制［4］，實現項目的集成和動態管理，形成可持續發展的在線運行機制［5-6］。對于項目建設者而言，項目群的建設可以減輕教師的工作量，加快項目建設速度，節約項目開發資金，同時也提高了項目運行的安全性；對于學校管理者而言，項目群的建設助力了職能部門的管理，可以便捷地梳理每個項目的應用情況，項目間的互通性又易于新項目的快速孵化和交叉學科項目的建設；對于項目使用者而言，項目群的建設提供了一個簡潔便利的實驗通道，用戶可以輕松自如地參與共享、長期使用并對產生的實驗數據進行管理，這些都體現了項目群的優越性。

3 虛擬仿真實驗教學項目群建設的內容

項目群的實踐過程中對內容定義、運行模式、數據管理等方面進行了探索，以提高管理效率，同時擴大資源輻射共享，為兄弟院校和社會做好服務［7-9］。

3.1 規范項目部署要求

項目群建立了校企聯合、上下貫通的技術指標體系，與業界主流網絡技術及其應用無縫對接［10］。平臺的內容服務器環境的系統為Linux Server 的CentOS_7.3，數據庫為Oracle 11 g，Web服務采用Apache；虛擬仿真項目運行服務器環境的系統為Windows Server的Windows 2012 Server，數據庫為MS SQL Server 2012，Web服務采用IIS。

每個虛擬仿真實驗教學項目的URL 路由地址唯一，各展示項目須提供以下資料：

（1）項目基本內容。項目大類、專業分類、項目名稱、學院名稱、負責教師姓名、實驗目的、實驗原理、實驗步驟等可編輯內容信息。

（2）項目部署內容。項目源代碼、項目部署說明和Unity3D正版化授權的發布文件等技術相關內容，其中Unity3D開發版本為2018.4.3f1，發布Web 端程序要求使用WebGL，不支持Webplayer。

3.2 優化項目數據管理方式

項目群是“國家虛擬仿真實驗教學項目共享平臺（實驗空間）”與學校各院系虛擬仿真實驗教學項目的對接管理平臺，相關數據傳輸管理方式如圖1 所示。

圖1 虛擬仿真實驗教學項目群數據傳輸管理方式

各院系的項目在“實驗空間”審核通過后須按照其接口數據傳輸要求向項目群平臺提供相應的數據，項目群平臺負責將用戶信息、實驗操作狀態和產生的實驗結果數據一并通過回傳數據接口同步至“實驗空間”，支撐各項目的實驗數據監測和統計。

3.3 建設項目共享平臺

我校虛擬仿真實驗教學中心開發與維護了“南開大學虛擬仿真實驗教學項目共享平臺”，作為學校虛擬仿真實驗教學項目群的管理與服務平臺，由學校信息管理部門進行安全監管與運行保障。共享平臺的主要功能如下：

（1）項目管理功能。支持項目的添加和管理、項目的分類和搜索，同時提供項目學習和統計評價功能，通知公告和新聞資訊模塊方便管理者發布相關內容。每個項目都會呈現完整的宣傳片、詳盡的項目說明和無縫對接的實驗跳轉。各學院可根據自身特色提出需求，以定制、選配展示界面或模板，進行個性化設計［11］，不搞“一刀切”，為虛擬仿真實驗教學項目的培育提供服務。

（2）用戶權限管理。典型的角色分為項目負責人、使用用戶和平臺管理員［12］。各虛擬仿真實驗教學項目負責人可通過共享平臺管理頁面添加自己的項目內容并維護項目信息。使用用戶又分為校內人員、校外人員和評審專家3 類，校內人員可以使用學校統一身份認證登錄，校外人員可注冊使用，評審專家無需注冊，滿足項目使用、課程教學和參與評審等多種需求。

共享平臺（https：／ ／ilab-x.nankai.edu.cn）框架如圖2 所示，目前已啟動現有虛擬仿真實驗教學資源向共享平臺的整合工作，并同步上線符合技術規范的新項目，對于前期已建設并不符合現有規范的項目逐一進行技術對接實現接入。目前，上線項目已達20 項，包括2018 年已認定國家虛擬仿真實驗教學項目1 項，2019 年已申報國家虛擬仿真實驗教學項目7 項，2020年及2021 年準備申報國家虛擬仿真實驗教學項目12項，同時服務了多門實驗課程的教學。

圖2 南開大學虛擬仿真實驗教學項目共享平臺框架

3.4 專門團隊管理模式

我校虛擬仿真實驗教學中心為項目群配備了專門的技術團隊和管理團隊。技術團隊由多學科、多專業優秀教師組成［13］，組織并指導虛擬仿真實驗教學平臺建設和項目合作；管理人員負責對項目及相關信息的審核，定期更新頁面內容、查看項目列表、項目評價、登錄日志等與項目相關的各類信息，并進行權限分配。

團隊積極建立健全管理規范，明確服務內容和工作流程［14］，工作落實到具體責任人，以豐富的經驗指導項目建設，以服務虛擬仿真實驗教學項目的建設和長期穩定運行為目標，動態監控項目運行使用情況。同時開展多職能部門協同工作，積極發揮團隊優勢，使項目群建設的寶貴經驗不斷沉淀，體現出該管理模式的先進性和適應性。

4 網絡支持與網絡安全

虛擬仿真實驗教學項目需要長期穩定在線運行，網絡支持和網絡安全至關重要。項目群基于學校免費的云服務支持進行搭建，采用華為FusionCloud彈性云服務器，根據項目需求分配彈性可擴展的CPU、內存、鏡像和云硬盤，目前創建了2 個內容服務器和1 個運行服務器，滿足項目群的計算、存儲、備份、優化等功能。校園網互聯網出口帶寬達10 GB，可滿足多個項目同時使用。共享平臺使用統一的技術架構，規范使用人行為，避免實施項目時因缺乏安全意識導致的安全問題，建立了安全管理體系［15］，具有較高的安全性。

（1）共享平臺的安全要求。共享平臺自身的安全是基礎，平臺部署在云服務器上，避免了因本地物理主機斷電老化等問題造成的系統癱瘓，隨著實驗項目的不斷加入，提升服務器資源配置，保證平臺的訪問速度，確保能夠提供不中斷服務。同時使用反向代理服務器隱藏服務器主機IP，并采取加密傳輸方式，加強平臺安全性。平臺整體依照《信息安全技術網絡安全等級保護定級指南》要求做網絡安全二級等級保護，保證校園內網和互聯網的訪問。

（2）虛擬仿真實驗教學項目的安全要求。虛擬仿真實驗教學項目的建設要符合項目群規定的對接技術規范，杜絕SQL注入、數據泄露等問題，保護師生個人信息和內部數據，不能為了便于維護項目留后門。

（3）應急預案。積極參加網絡安全相關培訓，配置防火墻，平時做好數據備份，記錄使用情況，定期對平臺進行漏洞掃描，開展自糾自查自救［16］，發現潛在的風險立即限制外網訪問并進行漏洞修復。同時做好應急響應預案，一旦項目群平臺出現安全問題，能夠第一時間處置，及時啟用備用方案，有效避免網絡入侵活動，保證用戶的使用體驗。

5 結語

虛擬仿真實驗教學項目群的實踐為綜合性高校多學科多類型實驗項目全面建設提供了校級平臺的高效管理功能，節約了人力資源和技術資源，為項目實施和持續服務本科實驗教學提供了更好的技術和網絡安全保障。隨著上線項目的持續增多，不斷積累建設經驗，完善項目群功能，為建設虛擬仿真“金課”提供理論指導和技術支撐，逐步形成有優勢有特色的實驗教學模式。