計算機虛擬仿真實驗平臺建設與實踐

王戰(zhàn)偉 王香寧 王麗麗

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

關鍵詞：計算機實驗教學;虛擬仿真實驗平臺

中圖分類號：TP311? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）17-0085-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

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

在培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的國家戰(zhàn)略方針指導下，以“能實不虛、虛實結合、互為補充”為原則，以學生的創(chuàng)新能力、工程實踐為培訓目的，使用先進網(wǎng)絡技術和現(xiàn)代數(shù)據(jù)共享技術包括：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)質虛擬實驗教學資源，以及構建虛擬實驗教學保障機制和教學效果考核、評價、反饋機制，實現(xiàn)了實驗教學體系的改革與創(chuàng)新，有效保障了人才培養(yǎng)質量的持續(xù)提升。

1 計算機虛擬仿真平臺建設的必要性

在很多高校，計算機學科是學生人數(shù)最多的，專業(yè)包括計算機科學與技術、軟件工程、物聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡安全等。 由于學生人數(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、設備、規(guī)模遠遠不能滿足學生日益增長的平時教學實驗的要求，主要體現(xiàn)在以下幾個方面.

1.1 設備不足

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

1.2 經(jīng)費不足

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

1.3 學時不足

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

1.4 預習準備不足

實驗課程的預習準備要求學生做到：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備不能滿足每一位學生的實驗預習要求，所以學生在完成預習準備工作的時候只是簡單了解了課本的理論知識，簡單提交了預習報告。沒有對真實的實驗環(huán)境和設備等建立直觀認知，課前對預習工作準備不充分。

2 計算機虛擬仿真實驗平臺的教學資源

主要包含三個模塊：計算機網(wǎng)絡模塊、網(wǎng)絡實用技術模塊和網(wǎng)絡安全模塊[2]。

2.1 計算機網(wǎng)絡虛擬仿真實驗模塊

計算機網(wǎng)絡虛擬仿真實驗模塊主要完成的實驗課程包括：計算機網(wǎng)絡技術、計算機網(wǎng)絡原理與技術和網(wǎng)絡協(xié)議分析等。該模塊的主要作用是幫助學生了解教師的課程安排、實驗公告等。

2.2 網(wǎng)絡實用技術虛擬仿真實驗模塊

網(wǎng)絡實用技術虛擬仿真實驗模塊主要完成網(wǎng)絡實用技術、路由與交換等課程的實驗。該模塊中，學生可以在模擬的真實網(wǎng)絡環(huán)境中進行網(wǎng)絡拓撲的建立，模擬軟件的圖形用戶界面非常靈活方便。

2.3 網(wǎng)絡安全虛擬仿真實驗模塊

網(wǎng)絡安全虛擬仿真實驗模塊則完成網(wǎng)絡安全基本原理、密碼學、計算機網(wǎng)絡安全技術和安全協(xié)議分析與設計等課程的實驗教學。該模塊主要面向計算機科學與技術、通信工程、軟件工程、物聯(lián)網(wǎng)、信息安全等專業(yè)網(wǎng)絡安全相關的課程。

3 建設和實踐計算機虛擬仿真實驗教學平臺

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)絡信息技術與虛擬試驗技術相結合，增強實驗教學效果。

3.1 該平臺的體系架構

計算機虛擬仿真實驗平臺系統(tǒng)使用B/S架構，兼容性和擴展性強。使用基于Linux操作系統(tǒng)的服務器，穩(wěn)定性和安全性高。數(shù)據(jù)庫和中間件使用開源技術，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)包括了日常教務管理和智能指導實驗、自動批改實驗結果、電子化管理實驗報告、教學過程監(jiān)督、教學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構

計算機虛擬仿真實驗教學平臺用戶角色包括學生、教師、教務員、實驗室管理員、領導、系統(tǒng)管理員等角色。平臺主要服務于實驗課程的相關管理[5]。平臺功能結構如下圖所示。

為了更好地服務廣大學生，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平臺，開展教學活動，交流學習和實驗心得。

3.3 綜合管理模塊

綜合管理模塊包括了實驗室相關管理、教學信息、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置和預約審批。儀器設備包括設備綜合信息和儀器設備登記。教學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、學生和校外用戶的管理。

信息交互包括交互管理、網(wǎng)絡硬盤和網(wǎng)站控制。終端管理子模塊包括刷卡端、門禁布控、門禁授權、電源設備、視頻監(jiān)控、儀器授權。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 實驗教學模塊

實驗教學部分包括了教學相關的管理過程。

1）教學安排

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

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

2）教學過程

教學過程包括實驗預習、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)每學期教務處提前安排的開課計劃進行以下相關工作，包括：維護典型實驗庫、安排實驗、提前查看學生的實驗進展情況、及時查看學生的實驗結果和批改實驗報告、統(tǒng)計和發(fā)布學生的實驗成績。

3）教學考核

教學考核包括題庫管理、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、導入題庫，試卷管理預習試卷和考試試卷，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）教學體系

教學體系包括實驗課程庫、試驗項目庫、教學大綱、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)導入、導出和創(chuàng)建。教學大綱模塊可以制定、審核和查詢教學大綱。錄入實驗教材，創(chuàng)建和導出行政班級，創(chuàng)建、導入和導出選修班級。

5）教學質量

教學質量包括信息查詢和教學整體情況。信息查詢可以查詢教學工作量、教學人時數(shù)、教師工作日志和實驗室運行記錄。教學整體情況有評價標準管理、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）教學資源

教學資源包括教學視頻、教學課件和實驗指導書。教師可以上傳教學視頻、課件和實驗室指導書等資料，學生可以下載。

7）教學管理參數(shù)

教學管理參數(shù)包括基本設置和系統(tǒng)信息配置。基本設置可以設置學生信息、教師信息、節(jié)次、實驗室、部門、專業(yè)和課程權限。系統(tǒng)信息配置可以進行數(shù)據(jù)導入、角色管理、目錄結構、修改密碼和學期設置。

3.5 系統(tǒng)設置模塊

系統(tǒng)設置模塊的功能是綜合參數(shù)管理，主要包括運行記錄、權限管理、初始化設置和基礎數(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)用戶賬號和實驗學生班級，開通導入、導出、增加、刪除、查找、修改等服務，并且維護參加實驗教學的角色和相應權限，按照角色的不同，給予相應管理權限功能，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 結束語

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

參考文獻：

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

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

[3] 孫界平，琚生根，陳黎，等.計算機網(wǎng)絡虛擬仿真實驗平臺的建設實踐[J].實驗技術與管理，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.

[5] 林景升.計算機技術虛擬仿真實驗教學平臺研究[J].計算機產(chǎn)品與流通，2020（6）：256.

[6] 屈泳，阮小軍，王三華.計算機硬件虛擬仿真實驗平臺的建設與設計[J].實驗室研究與探索，2018，37（12）：116-119.

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