虚拟仿真实验教学中心建设与实践

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。

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

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基于仪器设备的虚拟仿真实验功能。远程实验区通过网络与实验室服务器群相联结，远程用户通过浏览器登录实验室服务器，可以进行相关虚拟仿真实验

在接人方式方面，远程实验区通过VPN、远程桌面和直接访问3种方式实现远程虚拟仿真实验。在VPN方式中，互联网上的远程用户通过VPN接入到局域网，从而突破实验设备只能在局域网内访问的限制，直接访问实验资源。在远程桌面方式中，用户利用远程桌面开展虚拟仿真实验，解决了由于物理条件的局限性而只能访问本地实验资源的问题。在直接访问方式中，用户使用浏览器访问实验室门户网站，通过WEB服务器接入虚拟实验服务器，进而访问实验资源。

3.2 实验系统功能

实验系统功能包括实验教学功能和教学管理功能。以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为例，其主要功能包括：

（1）虚拟实验。提供虚拟实验的人口，按类型列出虚拟实验项目，同时提供课程与实验项目关联表。实验分为自选和必修两类，必修实验在规定时限内必须进行一次，自选实验没有时间和次数限制。

（2）实验资源。按多媒体课件、应用软件、仿真案例等进行分类，提供信息资源的浏览、下载、上传等功能。上传的信息资源须经系统管理员审核后列入相关栏目。

（3）实验管理。主要包括实验计划安排、实验过程管理、实验成绩评定等内容。由教师实现网络化的实验计划安排、系统化的自动批阅、集中化的成绩管理等功能。

（4）学生中心。主要包括个人信息、个人实验安排及其完成日志以及实验交流等内容。

（5）系统管理。主要包括学生管理、教师管理、信息发布、资源管理、实验统计等内容。

3.3 实验资源远程共享的方式

根据实验内容和实验仪器设备的不同要求，虚拟仿真实验教学系统应当向用户提供远程控制、远程操作和实验预约3类实验资源共享方式。远程控制方式是通过互联网向实验室的物理设备发送控制命令，观察、统计和分析该设备的输出。远程操作是通过互联网远程使用实验资源，观察、统计和分析该设备的输出。实验预约是通过互联网提交实验需求，等待实验资源提供方返回实验结果。

4 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

4.1 中心简介

建于2009年的电子科技大学信息与网络安全虚拟仿真实验教学中心（以下简称“中心”），依托信息与通信工程、计算机科学与技术、控制科学与工程3个一级学科以及计算机国家级实验教学示范中心的教学资源，服务于信息安全、信息对抗、计算机科学与技术、软件工程、网络工程、通信工程、探测制导与控制技术等10个专业，年均受益人数约为4500人。

通过多年的建设，中心形成了“攻防兼备、以攻促防、应用牵引、资源共享”的建设理念，以“基础验证、工程实践和创新研究”以及“信息加密、系统安全加固、网络互联安全、网络攻防到安全应用”为主线，建成了信息安全基础、系统安全加固、网络互联安全、网络攻防实战、移动智能终端安全、云信息安全、空天信息安全等7个虚拟仿真实验平台，建设并开设了27个实验项目，涵盖了从信息、系统和网络的安全，到移动智能终端、云计算等新型应用安全，以及空天信息等高端军事应用安全等内容。

中心自主开发了信息与网络安全虚拟仿真实验管理系统。该系统不仅具有支持动态更新实验项目库和教师按需自主创建实验课程的特点，而且实现了实验过程和实验报告等文档管理的电子化，解决了信息与网络安全实验破坏性强和搭建实验环境复杂且成本高的问题，突破传统实验在时空上的限制，有力地支撑了教师“按需开课”的实验开课机制和“学生随时随地实验”的实验课程学习机制。

4.2 建设必要性及目标

1）必要性。

因网络信息安全与攻防技术本身所具有的破坏性，为教学而设置网络安全漏洞会产生巨大风险。在真实的网络环境中开展网络攻击、病毒注入等实验，将酿成灾难性后果。实验性计算机病毒流向公共网络在计算机发展史上不乏其例，如世界上第一例病毒就是从实验室流出到公共网络，这些使得该类实验教学必须依赖于虚拟仿真技术和手段。为此，中心通过虚拟手段仿真上述实验的过程，学生远程登录，参与整个实验工程项目，在达到相同教学效果的前提下，大大降低了开展真实实验的破坏性。

网络信息安全与攻防实验对环境要求具有特殊性，如网络攻防实战实验涉及网络搭建、环境配置、攻击日标定制、数据处理、防护及综合渗透测试等过程，对实验环境的搭建技术和维护成本要求都很高。

总之，虚拟仿真实验解决了开展真实实验项目破坏性大、搭建实验环境复杂、实验成本高等问题，同时也为进一步实现跨校的高水平实验远程共享打下良好的基础。

2）建设理念及目标。

中心依托电子科技大学国家级计算机实验教学示范中心的教学资源，以学校的人才培养目标和创新能力教育为宗旨，以全面提高学生的创新精神和综合实践能力为目标，坚持“攻防兼备、以攻促防、应用牵引、资源共享”的建设理念，利用现代信息和虚拟仿真技术丰富实验教学手段，全面提高本科生的创新能力和综合实践能力。

中心旨在建成国内一流、具有国际影响力的信息与网络安全领域的虚拟仿真教学实践平台。

4.3 虚拟仿真实验教学体系

中心构建了以“3层次5模块7平台”为内容的信息与网络安全虚拟仿真实验体系。根据信息与网络安全领域的特点，在信息安全基础等7个虚拟仿真实验教学平台上，建立了以“信息加密一系统安全加固一网络互联安全一攻防实战→安全应用”5个模块构成的实验项目，覆盖了信息与网络安全领域各环节的实验教学内容，从“基础验证层→工程实践层→创新研究层”3个小川层次对学生进行综合训练，增强了学生对知识的理解，提高了学生的实践技能和创新能力中心实验教学体系如图2所示。

4.4 特色与创新

1）建成了内容涵盖从信息、系统和网络的安全，到移动智能终端、云计算等新型应用安令以及空天信息等高端军事应用安全的虚拟仿真实验体系。

中心依托信息与通信T程、计算机科学与技术、控制科学与工程3个一级学科和国家级计算机实验教学平台，建成了涵盖信息、系统、网络、移动智能终端、云计算、空天等领域的“3层次5模块7平台”的信息与网络安全虚拟仿真实验体系。

“3层次”模型为实验教学的规划提供了方法论的指导；“5模块”解决了如何建设实验项目的问题；“7平台”解决了数据恢复开盘、网络渗透攻击、虚拟路由器模拟、网络入侵检测、网络攻防、移动智能终端安全等27个虚拟仿真实验项目如何开设的问题。

2）开发了支持动态更新实验项日库及自主创建实验课程的信息与网络安全虚拟仿真实验管理系统。

借助于本系统，教师可以在实验教学中不断完善和改进实验项目，不断扩充和丰富实验项目库的内容。此外，系统还支持教师自主创建实验课程，按照课程需求从实验项目库中选出满足课程要求的实验项目，动态组建和开设实验课程，从而有助于形成教师“按需开课”的实验开课机制

对学生而言，信息与网络安全虚拟仿真实验管理系统具有实验过程网络化和虚拟化的特点借助于本系统，学生可以进行网上实验预约、实验选课、实验资料下载、实验数据管理与统计，网上提交实验报告等操作。此外，学生还可通过远程在线方式完成不同层次的实验项目，其过程犹如在“真实”实验室完成实验，有助于形成学生“随时随地实验”的实验课程学习机制。

3）借力国内外著名企业的先进技术，构建了科研与教学相融合的、校企合作的、虚实结合的高水平实验平台。

中心始终坚持科研与教学相融合的理念，从科研成果中提炼实验项目，依托“通信抗干扰技术国家级重点实验室”“网络与数据安全四川省重点实验室”等科研团队，在本科虚拟实验教学工作中按照“新技术引进一教学实验项目改造一本科生实验教学应用”的思路，不断将重点实验室科研成果向教学实验进行转化。近年来，中心将信息安全、数字媒体等科研成果转化为虚拟教学的实验项目，丰富了本科教学实验的内容，提升了虚拟实验教学的水平。

同时，中心主要实验平台先后与华为、Intel、中国西昌卫星发射中心以及多家国内外著名电子信息企业进行合作建设。通过企业捐赠或部分捐赠实验设施等手段，将企业主流产品应用到本科实验教学中来，结合课堂学习与实际工作，实现校企双赢。虚拟仿真实验教学建设，极大地拓展了信息与网络安全课程实验的内容，丰富了实验训练手段，进一步形成虚从实中来、虚为实服务、虚实互补的实验教学新机制。

5 关于虚拟仿真实验中心建设的几点思考

5.1 如何将虚拟实验平台与MOOC结合起来？

随着客户终端的多元化，接受在线教育的载体可以是电脑、手机、iPad等多种可以连接互联网的个人终端设备。这样，如何使虚拟实验系统在不同的终端上运行，并将其数据和分析结果与MOOC教学网站进行集合，是我们需要考虑的问题。一旦将二者结合起来，将提高MOOC教学的成效，实现理论与实践深度融合。针对这一问题，中心将结合以面向西南地区的“西南学府”MOOC平台开放中心实验项目，大力发展并完善已有的虚拟仿真实验平台。

5.2 如何实现实验资源的汇聚和整合？

随着实验资源和访问量的不断增大，如何对大量实验信息进行有效存储并分类管理，也是未来虚拟实验教学系统面临的问题。在实验资源的汇聚和整合方面，可借助云计算技术有效降低系统成本，确保系统的不断更新和发展。

此外，随着系统访问用户的不断增加，受网络带宽、访问方式等条件的制约，访问速度会受到不同程度的影响，如何最大化地降低影响，平衡符个环节之间的关系，是值得进一步研究的问题。

针对上述问题，中心将充分利用已有的及兄弟高校的优质实验教学资源，动态更新实验项目库。同时，积极促进校企合作，开发更多优质实验资源，更好地为兄弟院校和社会服务。通过与国家教育资源公共服务平台和高等学校实验教学示范中心网站连接，中心将不断完善实验资源库。

5.3 如何对外运营？

随着用户访问量和实验资源的增加，虚拟中心及实验系统的升级、运行和维护成本必然湿著上升，而高校受制度、人员和经费的制约，难以承担相应的运营和维护工作。此外，一大规模开展虚拟仿真实验，也需要相应的经费支持才能保证其稳定、可靠和持续运营。此外，随着埘外运营的开展，虚拟实验平台安全性保障也必将面临新的问题。因此，中心在未来如何开展大规模虚拟仿真实验教学的对外运营工作，也是值得深入探讨的一个问题。

6 结语

从实验教学最新发展趋势来看，开展虚拟仿真实验教学中心建设是新时期下高校本科人才培养中的一个重要任务，也是未来实验教学发展的必然趋势。在建设虚拟仿真实验教学的过程中，不仅需要明确其意义和目标，而且需要特别重视虚拟仿真实验管理系统和虚拟仿真实验内容的建设，以满足大规模虚拟仿真实验教学的需求。从目前的情况来看，虚拟仿真实验教学的研究与改革仍处于起步阶段，尚有大量工作需要开展。