计算机虚拟仿真实验平台建设与实践

王战伟 王香宁 王丽丽

摘要：首先分析了计算机实验教学中存在的问题，结合计算机专业近年来的教学改革成果，给出了计算机虚拟仿真实验中心的设计方案，介绍了实验平台的总体构架和具体功能。总结了计算机虚拟仿真实验平台的特性和创新点，丰富了实验结构体系，提升了学生的动手能力和学习兴趣，建立远程开放、资源共享的实验平台，“虚”与“实”结合，打破传统实验受时间、空间、设备的限制，完善实验教学方式及教学手段，解决了以往紧张的实验教学资源分配的难题。

关键词：计算机实验教学;虚拟仿真实验平台

中图分类号：TP311       文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）17-0085-02

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

实验教学示范中心建设和高等教育信息化建设的重要内容之一是虚拟仿真实验教学，虚拟仿真实验教学是信息技术与学科专业两者深度融合的结果。根据《教育信息化十年发展规划（2011-2020年）》文件精神和《教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见》（教高〔2012〕4号）文件精神，国家级虚拟仿真实验教学中心的建设是2013年教育部决定开展工作的。其中建设的重要内容之一即虚拟仿真实验教学的共享管理平台

在培养创新型人才的国家战略方针指导下，以“能实不虚、虚实结合、互为补充”为原则，以学生的创新能力、工程实践为培训目的，使用先进网络技术和现代数据共享技术包括：人机交互、数据库使用、流媒体处理、新型虚拟化技术等，建立计算机虚拟仿真实验平台[1]。平台通过整合校内和企业的优质虚拟实验教学资源，以及构建虚拟实验教学保障机制和教学效果考核、评价、反馈机制，实现了实验教学体系的改革与创新，有效保障了人才培养质量的持续提升。

1 计算机虚拟仿真平台建设的必要性

在很多高校，计算机学科是学生人数最多的，专业包括计算机科学与技术、软件工程、物联网、网络安全等。 由于学生人数众多，涉及专业也多，现在日常运行的实验室配套仪器、设备、规模远远不能满足学生日益增长的平时教学实验的要求，主要体现在以下几个方面.

1.1 设备不足

对于计算机网络、网络安全和网络实用技术等课程实验，所需实验仪器价格昂贵，对实验操作要求高，因此实验设备数量少，使得学生很难在有限的实验时间内熟练掌握设备的使用。

1.2 经费不足

对于计算机网络及信息安全类课程，进行真实的网络攻防实验，需要购买几百万的实验设备，由于学生只有通过不断的攻防演练和学习，不断地对服务器及相关设备进行扫描、攻击和“破坏”，才能够提高水平、掌握技术。因而利用真实的实验设备，显然无法满足需求。

1.3 学时不足

由于时间限制，学生在实验课上并不能完全消化实验教学的内容;另一方面，由于人数多，学生很难有机会再进入实验室重复原来的实验。因而，在复习和撰写实验报告时如遇疑难，只能靠“回忆”，这样就导致学生对所学实验无很好的掌握，后续实验容易出现错误和设备故障。

1.4 预习准备不足

实验课程的预习准备要求学生做到：提前弄清楚实验课程和仪器的原理、理论知识，而这些是需要学生动手操作一遍才可以理解的。由于缺乏仿真实验，而真实实验室的仪器和设备不能满足每一位学生的实验预习要求，所以学生在完成预习准备工作的时候只是简单了解了课本的理论知识，简单提交了预习报告。没有对真实的实验环境和设备等建立直观认知，课前对预习工作准备不充分。

2 计算机虚拟仿真实验平台的教学资源

主要包含三个模块：计算机网络模块、网络实用技术模块和网络安全模块[2]。

2.1 计算机网络虚拟仿真实验模块

计算机网络虚拟仿真实验模块主要完成的实验课程包括：计算机网络技术、计算机网络原理与技术和网络协议分析等。该模块的主要作用是帮助学生了解教师的课程安排、实验公告等。

2.2 网络实用技术虚拟仿真实验模块

网络实用技术虚拟仿真实验模块主要完成网络实用技术、路由与交换等课程的实验。该模块中，学生可以在模拟的真实网络环境中进行网络拓扑的建立，模拟软件的图形用户界面非常灵活方便。

2.3 网络安全虚拟仿真实验模块

网络安全虛拟仿真实验模块则完成网络安全基本原理、密码学、计算机网络安全技术和安全协议分析与设计等课程的实验教学。该模块主要面向计算机科学与技术、通信工程、软件工程、物联网、信息安全等专业网络安全相关的课程。

3 建设和实践计算机虚拟仿真实验教学平台

该平台是和企业联手开发的“开放式网上虚拟实验室”。借助广泛的校园网[3]，通过网络信息技术与虚拟试验技术相结合，增强实验教学效果。

3.1 该平台的体系架构

计算机虚拟仿真实验平台系统使用B/S架构，兼容性和扩展性强。使用基于Linux操作系统的服务器，稳定性和安全性高。数据库和中间件使用开源技术，采用正版软件，保证安装部署成本低，是国家科技部推荐的教育信息系统解决方案[4]。系统包括了日常教务管理和智能指导实验、自动批改实验结果、电子化管理实验报告、教学过程监督、教学效果评价和档案管理等功能。

3.2 计算机虚拟仿真实验平台的功能结构

计算机虚拟仿真实验教学平台用户角色包括学生、教师、教务员、实验室管理员、领导、系统管理员等角色。平台主要服务于实验课程的相关管理[5]。平台功能结构如下图所示。

为了更好地服务广大学生，建立了信息内容可动态发布和管理的计算机虚拟仿真实验教学中心网站。访客通过中心主页，可直接进入开放式网上虚拟仿真实验教学平台，开展教学活动，交流学习和实验心得。

3.3 综合管理模块

综合管理模块包括了实验室相关管理、教学信息、账户管理、信息交互和终端管理子模块。

实验室管理包括实验室建制、实验成果和实验室用房。实验室队伍包括教师管理和工作人员统计，教师管理工作日志和专职实验人员。实验室的开放包括房间开放设置和预约审批。仪器设备包括设备综合信息和仪器设备登记。教学信息包括实验项目库、实验课程库、专业管理和教材管理。账户管理包括教师、学生和校外用户的管理。

信息交互包括交互管理、网络硬盘和网站控制。终端管理子模块包括刷卡端、门禁布控、门禁授权、电源设备、视频监控、仪器授权。管理整个实验中心所有实验室门禁系统和视频监控，师生注册绑定校园卡，经过授权后使用校园卡刷卡进入实验室或者进行实验考勤。

3.4 实验教学模块

实验教学部分包括了教学相关的管理过程。

1）教学安排

教学安排的主要内容有提前准备教学任务、给实验课程提前排课、预约实验管理和实验进程课表。

实验教务管理是按照各部门提前制定的教学计划，将课程库和学生培养计划、学期信息还有排课信息提前录入系统，方便老师和学生使用网络网进行实验教学，给老师和学生查找丰富多彩的实验教学活动信息提供了便利。

2）教学过程

教学过程包括实验预习、实验考勤、实验过程、实验报告和实验成绩子模块。

教师根据每学期教务处提前安排的开课计划进行以下相关工作，包括：维护典型实验库、安排实验、提前查看学生的实验进展情况、及时查看学生的实验结果和批改实验报告、统计和发布学生的实验成绩。

3）教学考核

教学考核包括题库管理、试卷管理、考试管理和成绩管理。通过题库管理可以创建、录入、导入题库，试卷管理预习试卷和考试试卷，考试管理可以安排考试、批阅试卷，成绩管理可以查询考试成绩。

4）教学体系

教學体系包括实验课程库、试验项目库、教学大纲、实验教材、行政班级和选修班级。实验课程库和试验项目库可以通过系统导入、导出和创建。教学大纲模块可以制定、审核和查询教学大纲。录入实验教材，创建和导出行政班级，创建、导入和导出选修班级。

5）教学质量

教学质量包括信息查询和教学整体情况。信息查询可以查询教学工作量、教学人时数、教师工作日志和实验室运行记录。教学整体情况有评价标准管理、评价规则管理、我的评价列表、评价记录查询、在线听课和实时监控。

6）教学资源

教学资源包括教学视频、教学课件和实验指导书。教师可以上传教学视频、课件和实验室指导书等资料，学生可以下载。

7）教学管理参数

教学管理参数包括基本设置和系统信息配置。基本设置可以设置学生信息、教师信息、节次、实验室、部门、专业和课程权限。系统信息配置可以进行数据导入、角色管理、目录结构、修改密码和学期设置。

3.5 系统设置模块

系统设置模块的功能是综合参数管理，主要包括运行记录、权限管理、初始化设置和基础数据功能。系统采用了一系列的安全措施以便保障在开放环境下大规模学生的使用安全。系统管理员的工作主要包括分组管理系统用户账号和实验学生班级，开通导入、导出、增加、删除、查找、修改等服务，并且维护参加实验教学的角色和相应权限，按照角色的不同，给予相应管理权限功能，同时还能够查看在线的用户人数，查看用户功能访问和用户登录的记录情况。

4 结束语

在大力培养创新型人才的国家战略方针指导下，坚持培养学生的创新能力、工程实践能力，以“能实不虚、虚实结合、互为补充”为原则，使用现代虚拟化技术、流媒体处理、数据库管理、人机交互等现代技术，建立了计算机虚拟仿真实验教学平台[6]。平台通过整合校内和企业的优质虚拟实验教学资源，以及构建虚拟实验教学保障机制和教学效果考核、评价、反馈机制，实现了实验教学体系的改革与创新，有效保障了人才培养质量的持续提升。

参考文献：

[1] 杨健.“计算机网络” 课程虚拟仿真实验平台的建立[J].现代科学仪器，2019（1）：132-136.

[2] 魏丹，于林林.关于计算机网络虚拟仿真实验平台的探索与研究[J].科学与信息化，2020（7）：57，62.

[3] 孙界平，琚生根，陈黎，等.计算机网络虚拟仿真实验平台的建设实践[J].实验技术与管理，2017，34（8）：115-117，128.

[4] 谷冰.基于计算机虚拟仿真实验平台研究[J].无线互联科技，2020，17（3）：123-124.

[5] 林景升.计算机技术虚拟仿真实验教学平台研究[J].计算机产品与流通，2020（6）：256.

[6] 屈泳，阮小军，王三华.计算机硬件虚拟仿真实验平台的建设与设计[J].实验室研究与探索，2018，37（12）：116-119.

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