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虚拟仿真实验教学中心建设与实践
作者：周世杰 吉家成 王 华
来源：《计算机教育》2015年第09期
摘要：利用虚拟实验室开展实验教学能有效降低实验成本、扩大受益面、解决优质实验资源共享等问题。文章从分析建设虚拟仿真实验教学中心的背景和意义入手，阐释建设虚拟仿真实验教学中心的目标、平台、内容等；结合电子科技大学信息与网络安全虚拟仿真实验教学中心的建设经验，对目前虚拟仿真实验教学中心网络架构、系统功能、建设中存在的相关问题进行探讨。
关键词：虚拟仿真；实践教学；虚拟仿真实验教学中心；信息与网络安全 0 引 言
实验教学一直是高校本科人才培养工作中不可或缺的重要组成部分，关系着培养人才的工程实践能力和工程创新能力。在传统的实验教学模式下，受限于各种条件的约束，学生只能在限定的时间和地点，利用限定的实验设备，完成特定的实验内容。因此，传统实验是完成具有“代表性”和“普适性”的“规定动作”，极大地制约了对学生动手能力及工程创新能力的培养。此外，传统实验室的建设经费投入不可小觑，不论是实验仪器设备的购置与维护，还是实验场地的建设与管理，都需要花费大量的人力、物力和财力。因此，在传统实验教学模式下，“投入产出比”往往受到质疑。为此，改革传统实践教学模式，探索适应新时代发展的实践教学新模式，是摆在高校实验教学改革面前的重要课题。
自1989年虚拟仿真实验的概念被首次提出以后，国内外若干高校都陆续开始建设虚拟环境下的实验平台。究其本质而言，虚拟仿真实验是借助于计算机、通信、多媒体、虚拟现实等现代技术于段，实现对传统实验资源的远程访问和高效共享。随着教育技术的进步，尤其是近年来大规模开放在线课程（MOOC）的出现，远程开放式虚拟仿真实践教学模式越来越得到关注和重视，而建设虚拟仿真实验教学中心为解决上述若干问题提供了统一的平台和方法，为实践教学改革提供了新思路。
1 虚拟仿真实验教学中心产生的背景
1.1 如何满足新型教育手段对实验教学的要求？
首先，从现代教育的发展趋势来看，新型的实践教学手段应该能引导学生自主学习。学生可以根据个人的学习情况和学习习惯自丰选择实践项目内容及其难度。通过学生自主实验，在教师的辅导下做到理论与实践相结合，从而在实验教学领域达到因材施教的教学目的。
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其次，新型实践教学手段应该支持将专业培养计划里的理论课程和实验课程面向不同专业背景的学生开放。通过实验开放，学生可以跨学科、跨专业自由选择感兴趣的课程及其棚心的实践项目，进行工程实践实训，从而有利于促进学生知识面的拓展和知识应用能力的提高。 最后，新型的实践教学手段应该与MOOC平台相结合，理论教学与实践教学双管齐下，使学生不受地域和时间的限制，不受设备和平台的限制，理解和掌握所学知识，并通过实践进行印证、应用、设计和创新。
为此，从满足新型教育手段的需求来看，必须开展虚拟仿真实验教学中心的建设工作，确保在新的教育手段下学生的工程实践能力和工程创新能力得到培养和提高。 1.2 真实实验项目开设困难怎么办？
真实环境下，受专业方向的影响，一些实验项目具有一定的危险性和破坏性。搭建这类课程的实验环境难度大且成本高。为此，很多学校和专业放弃了此类实验项目的建设，这不仅影响学生学习和吸收理论知识，也严重影响对其专业实践能力和实用技能的培养。以信息安全专业为例，网络安全的实验环境在现实网络中具有不可逆性，同时攻防实验具有强烈的对抗性和破坏性，还会产生一定的安全隐患和法律风险。如果因此而放弃此类实验教学，该专业学生就不能真正掌握现实世界里的安全防范控制技术，不利于培养该专业的实用型人才，而在虚拟实验环境下，上述问题都能迎刃而解。 1.3 实验成本如何控制？
传统实验室建设需要大量的人力物力，从设备的购置、维护到升级，以及实验室环境的建设和管理，都会受到成本预算的制约，不论哪个环节滞后或缺失，都将造成学生理论学习与实践操作的严重脱节。因此，在现代实验教学中，必须解决如何控制实验成本问题，提高实验教学的投入产出比。显然，借助虚拟仿真教学可以减少经费投入，有效控制实验成本。 1.4 如何实现优质资源共享？
实验资源是指实验室的仪器设备、软件平台、各类教学文档等。在传统的实验室模式下，这些资源都归属特定的物理场地、实验室设备或内部网络，学生受限于使用时间和场地，资源利用率不高，共享受益面不大。同时，受专业划分的影响，不同课程的实验教学资源分散隔离，不利于学生进行综合实验的设计。虚拟仿真教学中心打破了局域网的限制，重新整合了实验资源，使得学生在校外和校内一样，随时随地访问自己感兴趣的实验课程和实验内容，极大地提高了优质实验资源的利用率，扩大了受益面。 2 虚拟仿真实验教学中心建设目标 2.1 实验系统应当具有仿真性
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虚拟仿真实验教学中心的建设目标之一就是要确保实验系统具有高度仿真性。所谓仿真性，就是在计算机、多媒体、虚拟现实技术等支持下，虚拟实验室里的虚拟实验与实际设备仪器功能和操作方法大致相同（甚至达到“逼真”的程度）。例如，为了向学生开设“硬盘开盘实验”虚拟仿真实验，首先我们采用动画的形式向学生介绍开盘需要的主要工具；其次，借助于Flash等技术，以高逼真的三维立体模型，完整、真实地呈现硬盘的组成和结构；最后，当学生需要完成所要求的开盘实验任务时，借助于可视化工具，可以像在真实物理实验室中一样对硬盘“实时进行”拆卸操作。 2.2 实验系统应当具有开放性
借助于计算机、通信、网络等现代技术手段，虚拟仿真实验系统应该提供用户跨网访问功能。跨网访问将原来环境受限的实验室拓展到了“无限”的网络空间中，从而允许用户在不同的物理地点都可以方便使用实验资源。此外，虚拟仿真实验还需要满足不同教师对实验教学安排的需求，允许教师借助于开放的实验系统按照本校培养方案和自己的授课特色开设实验课程。当然，为了确保实验资源的安全访问，需要借助于远程登录等控制技术和安全性保证方法。 2.3 实验过程应具有易操作性
在虚拟仿真条件下，参与实验的学生在学科、专业、基础和能力方面均有较大差异，因此实验过程必须具有易操作的特点，从而保证不论学生专业背景和能力如何，均不需要经过复杂的培训即可上手完成实验，这要求实验系统应具有友好的操作界面和简洁的操作流程。 3 虚拟仿真实验系统设计
为了便于开展虚拟仿真实验教学，虚拟仿真实验系统不仅要能确保学生通过互联网在线接受教师的指导，还要提供给学生一个可以进行实验操作的实验环境。同时，仅仅提供仪器设备和文档类资源的共享是不够的，虚拟环境下的仪器设备除了摸不着，别的功能应该和实物一样。学生可以根据需要对仪器设备进行参数配置、输入/输出和数据分析。这就要求提供一个架构合理、功能全面的虚拟仿真实验系统。 3.1 实验系统架构
良好的实验系统架构不仅可以确保实验系统的可靠性和稳定性，而且在将来需要对系统进行升级时具有良好的可扩展性。图1是电子科技大学信息与网络安全虚拟仿真实验教学中心实验系统的架构，整个架构包括实验室网络和远程实验区。
其中，实验室网络包括安全验证服务器、远程实验服务区、学生实验区以及其他服务器等实验室网络由虚拟中心服务器、实验教学支撑系统等组成，具有实验教学资源管理、实验室虚拟仿真实验和实验教学演示等功能，是实验教学平台的核心组成部分。学生实验区是虚拟仿真中心的本地实验支撑平台，由实验室终端及相关仪器设备组成，主要提供本地虚拟仿真实验和
虚拟仿真实验教学中心建设与实践
