計算機虛擬仿真實驗平臺建設(shè)與實踐

王戰(zhàn)偉 王香寧 王麗麗

摘要：首先分析了計算機實驗教學(xué)中存在的問題，結(jié)合計算機專業(yè)近年來的教學(xué)改革成果，給出了計算機虛擬仿真實驗中心的設(shè)計方案，介紹了實驗平臺的總體構(gòu)架和具體功能?？偨Y(jié)了計算機虛擬仿真實驗平臺的特性和創(chuàng)新點，豐富了實驗結(jié)構(gòu)體系，提升了學(xué)生的動手能力和學(xué)習(xí)興趣，建立遠程開放、資源共享的實驗平臺，“虛”與“實”結(jié)合，打破傳統(tǒng)實驗受時間、空間、設(shè)備的限制，完善實驗教學(xué)方式及教學(xué)手段，解決了以往緊張的實驗教學(xué)資源分配的難題。

關(guān)鍵詞：計算機實驗教學(xué);虛擬仿真實驗平臺

中圖分類號：TP311? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）17-0085-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

實驗教學(xué)示范中心建設(shè)和高等教育信息化建設(shè)的重要內(nèi)容之一是虛擬仿真實驗教學(xué)，虛擬仿真實驗教學(xué)是信息技術(shù)與學(xué)科專業(yè)兩者深度融合的結(jié)果。根據(jù)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020年）》文件精神和《教育部關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見》（教高〔2012〕4號）文件精神，國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)是2013年教育部決定開展工作的。其中建設(shè)的重要內(nèi)容之一即虛擬仿真實驗教學(xué)的共享管理平臺

在培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的國家戰(zhàn)略方針指導(dǎo)下，以“能實不虛、虛實結(jié)合、互為補充”為原則，以學(xué)生的創(chuàng)新能力、工程實踐為培訓(xùn)目的，使用先進網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和現(xiàn)代數(shù)據(jù)共享技術(shù)包括：人機交互、數(shù)據(jù)庫使用、流媒體處理、新型虛擬化技術(shù)等，建立計算機虛擬仿真實驗平臺[1]。平臺通過整合校內(nèi)和企業(yè)的優(yōu)質(zhì)虛擬實驗教學(xué)資源，以及構(gòu)建虛擬實驗教學(xué)保障機制和教學(xué)效果考核、評價、反饋機制，實現(xiàn)了實驗教學(xué)體系的改革與創(chuàng)新，有效保障了人才培養(yǎng)質(zhì)量的持續(xù)提升。

1 計算機虛擬仿真平臺建設(shè)的必要性

在很多高校，計算機學(xué)科是學(xué)生人數(shù)最多的，專業(yè)包括計算機科學(xué)與技術(shù)、軟件工程、物聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)安全等。 由于學(xué)生人數(shù)眾多，涉及專業(yè)也多，現(xiàn)在日常運行的實驗室配套儀器、設(shè)備、規(guī)模遠遠不能滿足學(xué)生日益增長的平時教學(xué)實驗的要求，主要體現(xiàn)在以下幾個方面.

1.1 設(shè)備不足

對于計算機網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)安全和網(wǎng)絡(luò)實用技術(shù)等課程實驗，所需實驗儀器價格昂貴，對實驗操作要求高，因此實驗設(shè)備數(shù)量少，使得學(xué)生很難在有限的實驗時間內(nèi)熟練掌握設(shè)備的使用。

1.2 經(jīng)費不足

對于計算機網(wǎng)絡(luò)及信息安全類課程，進行真實的網(wǎng)絡(luò)攻防實驗，需要購買幾百萬的實驗設(shè)備，由于學(xué)生只有通過不斷的攻防演練和學(xué)習(xí)，不斷地對服務(wù)器及相關(guān)設(shè)備進行掃描、攻擊和“破壞”，才能夠提高水平、掌握技術(shù)。因而利用真實的實驗設(shè)備，顯然無法滿足需求。

1.3 學(xué)時不足

由于時間限制，學(xué)生在實驗課上并不能完全消化實驗教學(xué)的內(nèi)容;另一方面，由于人數(shù)多，學(xué)生很難有機會再進入實驗室重復(fù)原來的實驗。因而，在復(fù)習(xí)和撰寫實驗報告時如遇疑難，只能靠“回憶”，這樣就導(dǎo)致學(xué)生對所學(xué)實驗無很好的掌握，后續(xù)實驗容易出現(xiàn)錯誤和設(shè)備故障。

1.4 預(yù)習(xí)準備不足

實驗課程的預(yù)習(xí)準備要求學(xué)生做到：提前弄清楚實驗課程和儀器的原理、理論知識，而這些是需要學(xué)生動手操作一遍才可以理解的。由于缺乏仿真實驗，而真實實驗室的儀器和設(shè)備不能滿足每一位學(xué)生的實驗預(yù)習(xí)要求，所以學(xué)生在完成預(yù)習(xí)準備工作的時候只是簡單了解了課本的理論知識，簡單提交了預(yù)習(xí)報告。沒有對真實的實驗環(huán)境和設(shè)備等建立直觀認知，課前對預(yù)習(xí)工作準備不充分。

2 計算機虛擬仿真實驗平臺的教學(xué)資源

主要包含三個模塊：計算機網(wǎng)絡(luò)模塊、網(wǎng)絡(luò)實用技術(shù)模塊和網(wǎng)絡(luò)安全模塊[2]。

2.1 計算機網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實驗?zāi)K

計算機網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實驗?zāi)K主要完成的實驗課程包括：計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)原理與技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析等。該模塊的主要作用是幫助學(xué)生了解教師的課程安排、實驗公告等。

2.2 網(wǎng)絡(luò)實用技術(shù)虛擬仿真實驗?zāi)K

網(wǎng)絡(luò)實用技術(shù)虛擬仿真實驗?zāi)K主要完成網(wǎng)絡(luò)實用技術(shù)、路由與交換等課程的實驗。該模塊中，學(xué)生可以在模擬的真實網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中進行網(wǎng)絡(luò)拓撲的建立，模擬軟件的圖形用戶界面非常靈活方便。

2.3 網(wǎng)絡(luò)安全虛擬仿真實驗?zāi)K

網(wǎng)絡(luò)安全虛擬仿真實驗?zāi)K則完成網(wǎng)絡(luò)安全基本原理、密碼學(xué)、計算機網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)和安全協(xié)議分析與設(shè)計等課程的實驗教學(xué)。該模塊主要面向計算機科學(xué)與技術(shù)、通信工程、軟件工程、物聯(lián)網(wǎng)、信息安全等專業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全相關(guān)的課程。

3 建設(shè)和實踐計算機虛擬仿真實驗教學(xué)平臺

該平臺是和企業(yè)聯(lián)手開發(fā)的“開放式網(wǎng)上虛擬實驗室”。借助廣泛的校園網(wǎng)[3]，通過網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)與虛擬試驗技術(shù)相結(jié)合，增強實驗教學(xué)效果。

3.1 該平臺的體系架構(gòu)

計算機虛擬仿真實驗平臺系統(tǒng)使用B/S架構(gòu)，兼容性和擴展性強。使用基于Linux操作系統(tǒng)的服務(wù)器，穩(wěn)定性和安全性高。數(shù)據(jù)庫和中間件使用開源技術(shù)，采用正版軟件，保證安裝部署成本低，是國家科技部推薦的教育信息系統(tǒng)解決方案[4]。系統(tǒng)包括了日常教務(wù)管理和智能指導(dǎo)實驗、自動批改實驗結(jié)果、電子化管理實驗報告、教學(xué)過程監(jiān)督、教學(xué)效果評價和檔案管理等功能。

3.2 計算機虛擬仿真實驗平臺的功能結(jié)構(gòu)

計算機虛擬仿真實驗教學(xué)平臺用戶角色包括學(xué)生、教師、教務(wù)員、實驗室管理員、領(lǐng)導(dǎo)、系統(tǒng)管理員等角色。平臺主要服務(wù)于實驗課程的相關(guān)管理[5]。平臺功能結(jié)構(gòu)如下圖所示。

為了更好地服務(wù)廣大學(xué)生，建立了信息內(nèi)容可動態(tài)發(fā)布和管理的計算機虛擬仿真實驗教學(xué)中心網(wǎng)站。訪客通過中心主頁，可直接進入開放式網(wǎng)上虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，開展教學(xué)活動，交流學(xué)習(xí)和實驗心得。

3.3 綜合管理模塊

綜合管理模塊包括了實驗室相關(guān)管理、教學(xué)信息、賬戶管理、信息交互和終端管理子模塊。

實驗室管理包括實驗室建制、實驗成果和實驗室用房。實驗室隊伍包括教師管理和工作人員統(tǒng)計，教師管理工作日志和專職實驗人員。實驗室的開放包括房間開放設(shè)置和預(yù)約審批。儀器設(shè)備包括設(shè)備綜合信息和儀器設(shè)備登記。教學(xué)信息包括實驗項目庫、實驗課程庫、專業(yè)管理和教材管理。賬戶管理包括教師、學(xué)生和校外用戶的管理。

信息交互包括交互管理、網(wǎng)絡(luò)硬盤和網(wǎng)站控制。終端管理子模塊包括刷卡端、門禁布控、門禁授權(quán)、電源設(shè)備、視頻監(jiān)控、儀器授權(quán)。管理整個實驗中心所有實驗室門禁系統(tǒng)和視頻監(jiān)控，師生注冊綁定校園卡，經(jīng)過授權(quán)后使用校園卡刷卡進入實驗室或者進行實驗考勤。

3.4 實驗教學(xué)模塊

實驗教學(xué)部分包括了教學(xué)相關(guān)的管理過程。

1）教學(xué)安排

教學(xué)安排的主要內(nèi)容有提前準備教學(xué)任務(wù)、給實驗課程提前排課、預(yù)約實驗管理和實驗進程課表。

實驗教務(wù)管理是按照各部門提前制定的教學(xué)計劃，將課程庫和學(xué)生培養(yǎng)計劃、學(xué)期信息還有排課信息提前錄入系統(tǒng)，方便老師和學(xué)生使用網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)進行實驗教學(xué)，給老師和學(xué)生查找豐富多彩的實驗教學(xué)活動信息提供了便利。

2）教學(xué)過程

教學(xué)過程包括實驗預(yù)習(xí)、實驗考勤、實驗過程、實驗報告和實驗成績子模塊。

教師根據(jù)每學(xué)期教務(wù)處提前安排的開課計劃進行以下相關(guān)工作，包括：維護典型實驗庫、安排實驗、提前查看學(xué)生的實驗進展情況、及時查看學(xué)生的實驗結(jié)果和批改實驗報告、統(tǒng)計和發(fā)布學(xué)生的實驗成績。

3）教學(xué)考核

教學(xué)考核包括題庫管理、試卷管理、考試管理和成績管理。通過題庫管理可以創(chuàng)建、錄入、導(dǎo)入題庫，試卷管理預(yù)習(xí)試卷和考試試卷，考試管理可以安排考試、批閱試卷，成績管理可以查詢考試成績。

4）教學(xué)體系

教學(xué)體系包括實驗課程庫、試驗項目庫、教學(xué)大綱、實驗教材、行政班級和選修班級。實驗課程庫和試驗項目庫可以通過系統(tǒng)導(dǎo)入、導(dǎo)出和創(chuàng)建。教學(xué)大綱模塊可以制定、審核和查詢教學(xué)大綱。錄入實驗教材，創(chuàng)建和導(dǎo)出行政班級，創(chuàng)建、導(dǎo)入和導(dǎo)出選修班級。

5）教學(xué)質(zhì)量

教學(xué)質(zhì)量包括信息查詢和教學(xué)整體情況。信息查詢可以查詢教學(xué)工作量、教學(xué)人時數(shù)、教師工作日志和實驗室運行記錄。教學(xué)整體情況有評價標(biāo)準管理、評價規(guī)則管理、我的評價列表、評價記錄查詢、在線聽課和實時監(jiān)控。

6）教學(xué)資源

教學(xué)資源包括教學(xué)視頻、教學(xué)課件和實驗指導(dǎo)書。教師可以上傳教學(xué)視頻、課件和實驗室指導(dǎo)書等資料，學(xué)生可以下載。

7）教學(xué)管理參數(shù)

教學(xué)管理參數(shù)包括基本設(shè)置和系統(tǒng)信息配置?；驹O(shè)置可以設(shè)置學(xué)生信息、教師信息、節(jié)次、實驗室、部門、專業(yè)和課程權(quán)限。系統(tǒng)信息配置可以進行數(shù)據(jù)導(dǎo)入、角色管理、目錄結(jié)構(gòu)、修改密碼和學(xué)期設(shè)置。

3.5 系統(tǒng)設(shè)置模塊

系統(tǒng)設(shè)置模塊的功能是綜合參數(shù)管理，主要包括運行記錄、權(quán)限管理、初始化設(shè)置和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)功能。系統(tǒng)采用了一系列的安全措施以便保障在開放環(huán)境下大規(guī)模學(xué)生的使用安全。系統(tǒng)管理員的工作主要包括分組管理系統(tǒng)用戶賬號和實驗學(xué)生班級，開通導(dǎo)入、導(dǎo)出、增加、刪除、查找、修改等服務(wù)，并且維護參加實驗教學(xué)的角色和相應(yīng)權(quán)限，按照角色的不同，給予相應(yīng)管理權(quán)限功能，同時還能夠查看在線的用戶人數(shù)，查看用戶功能訪問和用戶登錄的記錄情況。

4 結(jié)束語

在大力培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的國家戰(zhàn)略方針指導(dǎo)下，堅持培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、工程實踐能力，以“能實不虛、虛實結(jié)合、互為補充”為原則，使用現(xiàn)代虛擬化技術(shù)、流媒體處理、數(shù)據(jù)庫管理、人機交互等現(xiàn)代技術(shù)，建立了計算機虛擬仿真實驗教學(xué)平臺[6]。平臺通過整合校內(nèi)和企業(yè)的優(yōu)質(zhì)虛擬實驗教學(xué)資源，以及構(gòu)建虛擬實驗教學(xué)保障機制和教學(xué)效果考核、評價、反饋機制，實現(xiàn)了實驗教學(xué)體系的改革與創(chuàng)新，有效保障了人才培養(yǎng)質(zhì)量的持續(xù)提升。

參考文獻：

[1] 楊健.“計算機網(wǎng)絡(luò)” 課程虛擬仿真實驗平臺的建立[J].現(xiàn)代科學(xué)儀器，2019（1）：132-136.

[2] 魏丹，于林林.關(guān)于計算機網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實驗平臺的探索與研究[J].科學(xué)與信息化，2020（7）：57，62.

[3] 孫界平，琚生根，陳黎，等.計算機網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實驗平臺的建設(shè)實踐[J].實驗技術(shù)與管理，2017，34（8）：115-117，128.

[4] 谷冰.基于計算機虛擬仿真實驗平臺研究[J].無線互聯(lián)科技，2020，17（3）：123-124.

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