多學(xué)科一體化虛擬仿真實驗平臺的建設(shè)與共享

鄭 娟 朱 哲 李亞林

（湘潭大學(xué) 湖南湘潭 411105）

虛擬仿真實驗室即以計算機仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為依托，建立虛擬仿真實驗技術(shù)、真實模擬大型實驗設(shè)備和實驗場景，使學(xué)生通過人機交互的方式在模擬的實驗設(shè)備、實驗場景和軟件中開展實驗，達到在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中完成各種預(yù)定實驗項目的目的，它是虛擬仿真技術(shù)、計算機技術(shù)和專業(yè)理論知識多方面結(jié)合的結(jié)晶。多學(xué)科一體化虛擬仿真實驗平臺的建設(shè)和共享，可以充分利用學(xué)校的軟硬件資源，充分融合多種信息技術(shù)，同時對提高學(xué)生的實驗綜合技能和創(chuàng)新能力具有巨大的促進作用。

一、傳統(tǒng)實驗平臺所存在的問題

（一）實驗室建設(shè)費用昂貴，利用率不均

虛擬仿真實驗的進行往往依賴于專門做此類實驗的實驗室，且不同類型的實驗項目往往依賴不同類型的實驗室，導(dǎo)致某些實驗室利用率低，開展過程受時間、地點、人力、物力等限制問題，致使實驗教學(xué)無法有效開展，且資源非常受限。

（二）虛擬仿真實驗應(yīng)用管理難，部署復(fù)雜，遭遇共享難題

實驗應(yīng)用管理混亂，各種實驗教學(xué)應(yīng)用軟件缺乏統(tǒng)一的集中管理。各種軟件的實現(xiàn)方式迥異，運行環(huán)境不同，部署安裝麻煩。特別是對于C/S 類系統(tǒng)，學(xué)生在同一時間只能一人使用，實驗資源不能開放與共享，最大化利用。

（三）缺乏整體可持續(xù)可擴展規(guī)劃，資源整合困難，形成“信息孤島”

未建統(tǒng)一認(rèn)證機制，用戶身份不統(tǒng)一，每個實驗系統(tǒng)獨立維護自己的用戶數(shù)據(jù)庫，同一用戶在每個系統(tǒng)中都存儲獨立的身份信息。缺乏統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，實時數(shù)據(jù)交換困難。每個實驗系統(tǒng)都有自己的數(shù)據(jù)庫，缺乏權(quán)威數(shù)據(jù)源，數(shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，無法進行綜合利用。

二、多學(xué)科一體化虛擬仿真實驗平臺建設(shè)意義

虛擬仿真實驗平臺在實踐過程當(dāng)中可以進一步用于進行檢測和觀察學(xué)生的實驗實際操作情況，從而進一步幫助教師了解學(xué)生學(xué)習(xí)情況，幫助學(xué)生獲取實驗數(shù)據(jù)，完成教學(xué)理論吸收；另外計算機網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實驗平臺建設(shè)還可以用來收集和準(zhǔn)備實驗材料，以支持實驗課程的準(zhǔn)備及開發(fā)應(yīng)用。由于計算機虛擬實驗仿真平臺是基于互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)為基礎(chǔ)的，因此在建設(shè)應(yīng)用過程當(dāng)中具有大量的互聯(lián)網(wǎng)資源，能夠幫助學(xué)生鞏固所學(xué)知識，因此計算機網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實驗平臺能夠促進學(xué)生提高自身實踐技能，這也是計算機科學(xué)學(xué)科中的重要部分。進一步通過虛擬仿真實驗平臺，學(xué)生不僅可以對每個實驗仿真項目進行測試以及驗證，有效驗證自己的動手實踐能力以及理論知識結(jié)合能力，還可以利用仿真平臺進行重復(fù)操作，學(xué)習(xí)理論之外的知識[1]。好的虛擬仿真實驗平臺需要具備高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度（兩性一度），體現(xiàn)對學(xué)生知識能力態(tài)度的培養(yǎng)，鼓勵院校間互相協(xié)作，學(xué)科交叉融合，倡導(dǎo)自主式合作式探究式學(xué)習(xí)，以基本概念、基礎(chǔ)知識、基本技術(shù)為核心，以重要的科學(xué)問題和科學(xué)現(xiàn)象為引導(dǎo)，以學(xué)生的科研思維科學(xué)素養(yǎng)和科研能力培養(yǎng)為重點，從而建設(shè)出真正的虛擬仿真實驗平臺。多學(xué)科一體化虛擬仿真實驗平臺，使學(xué)生進入虛擬場景，根據(jù)實驗要求，自行設(shè)計并完成實驗。虛擬仿真實驗不僅能鍛煉學(xué)生的獨立構(gòu)思和設(shè)計能力，而且能激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣，這樣更有利于培養(yǎng)出具有創(chuàng)新精神和實踐能力的人才。同時，提高實驗效果、效率和效益。

三、多學(xué)科一體化虛擬仿真實驗平臺的建設(shè)

（一）硬件設(shè)施搭建

在虛擬仿真實驗室建設(shè)過程中，硬件設(shè)施主要包括了計算機中央主控平臺、主控設(shè)備以及智能電網(wǎng)設(shè)備等。另外在虛擬仿真實驗室建設(shè)過程當(dāng)中，需要根據(jù)校企合作內(nèi)容不同情況，與地方企業(yè)之間進行有效溝通合作，共同建設(shè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議下的模擬仿真系統(tǒng)，幫助校方更好地進行教學(xué)，為企業(yè)輸送高質(zhì)量人才，形成校企合作的新模式，通過引入平臺搭建模擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，建設(shè)虛擬仿真實驗室指揮中心、主控設(shè)備和智能電網(wǎng)設(shè)備等。由于高等教育機構(gòu)辦學(xué)資金相對較為緊張，沒有相對足夠的資金開展辦學(xué)，因此企業(yè)方面可以主動在校園內(nèi)建立虛擬模擬實驗室，將其另附作為學(xué)校以及企業(yè)之間的合作實踐培訓(xùn)基地，為了能夠保證虛擬仿真體驗的質(zhì)量，促進虛擬仿真實驗室能夠有效提供各種類型的仿真體驗服務(wù)。主中心平臺也可以進一步為模擬實驗課程提供相對應(yīng)的DNS 和DHCP 服務(wù)，幫助學(xué)生理解模擬過程，同時也可以在一定程度上有效連接到互聯(lián)網(wǎng)終端上，從而促進形成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量形式，為課程教學(xué)提供必要的實驗系統(tǒng)服務(wù)。同時，實驗平臺由主控設(shè)備端進行管理，智能電網(wǎng)設(shè)備主要是為虛擬實驗平臺提供相對應(yīng)的自動化管理服務(wù)設(shè)備。在智能網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的幫助下，虛擬仿真實驗室可以自動管理網(wǎng)絡(luò)拓撲，強化仿真效果，同時這也是構(gòu)建硬件結(jié)構(gòu)所必需的重點工作。在智能電網(wǎng)設(shè)備應(yīng)用過程當(dāng)中，學(xué)生可以放心地進行仿真實驗，而不必頻繁控制相關(guān)網(wǎng)絡(luò)開關(guān)，因此在很大程度上提高了實驗工作效率，同時進一步有效確保了實驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。內(nèi)置控件還可以在一定程度上均勻地打開和關(guān)閉所有設(shè)備的按鈕，主設(shè)備可以自由組合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。另外其還可以映射以及收集系統(tǒng)當(dāng)中所生成的數(shù)據(jù)，并平衡相關(guān)網(wǎng)絡(luò)負載。在搭建虛擬仿真平臺時，主設(shè)備可以控制六個學(xué)生的實驗機，學(xué)生可以通過模塊的交流和共享獲得更真實的實驗體驗[2]。

（二）軟件建設(shè)

在構(gòu)建實驗虛擬仿真平臺過程當(dāng)中，軟件部分也是非常重要的環(huán)節(jié)，軟件部分主要由以下三部分所組成：協(xié)議仿真編輯器、模擬IP 協(xié)議族的數(shù)據(jù)包、協(xié)議分析器。在對這三個方面進行建設(shè)過程當(dāng)中，需要及時捕捉教育模擬編輯中數(shù)據(jù)包。因此，在為虛擬仿真平臺構(gòu)建軟件安裝時，必須根據(jù)高校相關(guān)計算機科學(xué)課程中的學(xué)生數(shù)量情況來調(diào)整好相關(guān)軟件。比如實驗班有40 個學(xué)生，那么軟件設(shè)備也必須和學(xué)生人數(shù)之間相匹配，促進40 個學(xué)生在參與實驗過程當(dāng)中交流合作。實驗虛擬仿真平臺必須使用軟件工具來有效顯示圖紙或圖形。學(xué)生可以在使用軟件設(shè)備過程當(dāng)中與其他學(xué)生或教師進行交流，這就在很大程度上提高了實驗教室互動機會，將其進一步用于課堂互動當(dāng)中，利用虛擬仿真體驗平臺的長期學(xué)習(xí)不僅能夠在一定程度上顯著提高了學(xué)生的實踐技能，同時還提高了他們的溝通和創(chuàng)新能力，實現(xiàn)在線互動。所以在確立“統(tǒng)一性”和“多元化”并存思路的基礎(chǔ)上，構(gòu)建虛擬仿真實驗教學(xué)平臺。“統(tǒng)一性”是指將現(xiàn)有實驗教學(xué)資源整合，進行統(tǒng)一管理、調(diào)度和維護，采用“計算機云技術(shù)”將硬件和軟件資源進行整合，將大大降低實驗室建設(shè)和管理成本。而“多元化”是虛擬仿真實驗中心的建設(shè)可以在整合現(xiàn)有實驗教學(xué)資源的基礎(chǔ)上針對不同學(xué)科進行虛擬仿真實驗教學(xué)平臺建設(shè)，每個平臺又可支持多個實驗教學(xué)系統(tǒng)或?qū)嶒灲虒W(xué)模塊。

（三）虛擬仿真教學(xué)資源庫搭建

通過有效建立一個教學(xué)模擬虛擬平臺時，在資源庫上不僅可以幫助學(xué)生獲得實踐數(shù)據(jù)，同時還可以獲得關(guān)于計算機網(wǎng)絡(luò)的完整信息。因此，在創(chuàng)建教學(xué)資源庫過程當(dāng)中，必須首先參考基于計算機的網(wǎng)絡(luò)課程的教學(xué)方向和教學(xué)內(nèi)容，通過定義網(wǎng)絡(luò)課程的教學(xué)方法來選擇資源庫資源的類型，并根據(jù)不同的學(xué)科來構(gòu)建資源庫，保障資源庫當(dāng)中的資源豐富，滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)要求，還可以將經(jīng)驗技術(shù)進行公開分享。同時，虛擬仿真平臺還可以利用云計算創(chuàng)建知識庫。通過基礎(chǔ)知識層次的有效建立、實際操作和升級優(yōu)化，幫助人才進一步了解計算機基礎(chǔ)、硬件和軟件知識。整合實驗方法，模擬教學(xué)資源庫的建設(shè)必須遵循重實踐、夯實基礎(chǔ)的原則。首先詳細分析資源庫的總體框架，資源庫將優(yōu)秀實驗教學(xué)資源劃分成各種素材，進行系統(tǒng)化、科學(xué)化的分類，并以多媒體化的電子信息形式存儲于數(shù)據(jù)庫中，構(gòu)建成統(tǒng)一的教學(xué)資源庫。教學(xué)資源庫為學(xué)習(xí)者提供內(nèi)容豐富的優(yōu)秀教學(xué)資源，減輕教師建立大量教育資源的負擔(dān)，減少教育資源的重復(fù)開發(fā)，加強優(yōu)質(zhì)資源的共享使用。然后根據(jù)學(xué)生的基礎(chǔ)知識充實相關(guān)理論內(nèi)容。進行實踐性知識操作，總結(jié)以及歸納學(xué)生在操作過程中遇到的各類問題，并將其進一步帶到優(yōu)化以及提升的層面上[3]。

四、多學(xué)科一體化虛擬仿真實驗平臺的共享應(yīng)用

在虛擬仿真體驗教學(xué)平臺建設(shè)過程當(dāng)中，可以通過內(nèi)部終端控制實現(xiàn)線上共享應(yīng)用，主要包括計算機網(wǎng)絡(luò)管理信息系統(tǒng)的建設(shè)和計算機網(wǎng)絡(luò)體驗教學(xué)系統(tǒng)的建設(shè)。在在線信息管理系統(tǒng)中，教師可以使用在線信息管理系統(tǒng)實時發(fā)布實驗數(shù)據(jù)，共享相關(guān)實驗信息，與學(xué)生之間進行有效交流，或進一步討論實驗中遇到的各種問題或是困難，并將其進一步總結(jié)和深化探究，方便學(xué)生在以后的學(xué)習(xí)過程中體驗。同時，學(xué)生還可以通過虛擬仿真實驗信息管理系統(tǒng)發(fā)布實驗報告以及計劃，從而進一步實現(xiàn)實驗過程和結(jié)果的共享和交互，幫助學(xué)生小組之間更好地完成任務(wù)。在共同構(gòu)建在線體驗教學(xué)系統(tǒng)時，教師可以通過使用它來組織和描述課程，讓學(xué)生能夠及時了解到各類教學(xué)內(nèi)容，分析教學(xué)過程當(dāng)中存在的重難點教育知識，有效深化相關(guān)理論知識。此外，使用該系統(tǒng)輔助工具的實驗也可以應(yīng)用實驗教學(xué)平臺軟件設(shè)備獲得實驗指南，并根據(jù)相關(guān)指南進行系統(tǒng)行實驗。總的來說，基于計算機的虛擬仿真實驗教學(xué)共享平臺主要是為了能夠進一步幫助教師和學(xué)生建立互動交流、進行實驗以及進行協(xié)作探索的系統(tǒng)。虛擬仿真模擬體驗平臺發(fā)出的指令，在發(fā)出之前必須經(jīng)過物理設(shè)備的分析。出于實際需要，虛擬計算機仿真體驗平臺必須進行遠程控制、預(yù)約等。只有滿足這些條件，計算機的虛擬實驗仿真平臺才能有效完成相對應(yīng)的規(guī)定任務(wù)、功能。學(xué)生方面則可以進一步有效結(jié)合自己的專業(yè)技能，通過實驗計算機虛擬仿真平臺的應(yīng)用，主動分組任務(wù)，循序漸進地進行開發(fā)應(yīng)用，在學(xué)生小組之間實現(xiàn)共享，從而為學(xué)生的實驗操作創(chuàng)造良好的氛圍[4]。

結(jié)語

多學(xué)科一體化虛擬仿真實驗平臺通過對多個優(yōu)勢學(xué)科的統(tǒng)籌規(guī)劃、資源整合，構(gòu)建多學(xué)科交叉融合的虛擬仿真實驗平臺，對提高學(xué)生的實驗綜合技能和創(chuàng)新能力具有巨大的促進作用。本文設(shè)計構(gòu)建了包含硬件、軟件以及教學(xué)資源庫的虛擬仿真實驗系統(tǒng)，在技術(shù)層面對網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及框架設(shè)計展開了詳細說明。為使該系統(tǒng)更好地為實驗教學(xué)服務(wù)，后續(xù)將對所提方案進行進一步的論證和完善。

借助該系統(tǒng)的運行支撐體系及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)對建設(shè)虛擬仿真實驗教學(xué)體系具有較好的可擴張性和通用性，該虛擬仿真實驗平臺的搭建對于其他專業(yè)的虛擬仿真實驗教學(xué)體系的建設(shè)也具有一定的參考價值。