虚拟云实验平台在网络综合实训教学改革的应用

李鹏 曹洪武 邬欢欢 范振岐

摘   要：边疆建设急需网络信息化人才，当今网络设备与软件更新换代迅速，边疆高校实验环境与建设经费无法满足相关专业的教学需要。在教学实验改革中，文章通过在云实验平台中加入预设的虚拟机镜像系统，引导学生自主学习，完成“网络综合实训”等相关课程，提高了教学质量。

关键词：虚拟云试验平台;网络综合实训;教学改革

当前我国西部边疆经济发展迅速，网络信息化建设人才需求日益增多，但边疆普通高校的“计算机与网络通信”课程建设还存在短板和不足，在网络综合实训中面临师资短缺、课时不够、实验设备不足、实验环节难以充分实现等诸多问题，必须在教学中采取有效措施，提高教学质量，为兴疆固边服务。

1    网络综合实训 的教学实践性与复杂性

网络综合实训是计算机与网络工程专业学生在完成专业基础课学习与大部分专业课程学习之后，综合应用所学知识，选择贴近生产与科研实际的项目，完成计算机工程实践的重要课程，是对学生实践动手能力的综合锻炼。

网络综合实训中应用到的专业课程有“计算机网络”“综合布线技术”“Linux技术应用”“网际互联技术”等。

学生的选题涉及以下知识模块：传输控制协议/网际协议（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）的原理及应用，数据包的采集与分析，交换机路由器配置与路由维护，多种常用服务器的搭建，网络攻防平台中的靶机建立、攻击与防御过程，入侵检测系统与蜜罐系统的建立与维护。

网络综合实训涉及大量的特殊实验，比如交换机路由器需要多种的网络互联设备，这些设备参数复杂、配置时间长、模块昂贵。再如网络攻防实验具有一定的破坏性，对目标计算机的系统会造成种种危害。此外，还有大量验证性实验，例如对典型的“0day漏洞”进行攻击，理解操作系统的隐患所在位置与补丁修复后的效果。

部分实验操作复杂，需要学生用几小时甚至数天时间去攻击靶机，让部分学习不够细致的学生在综合实训的起始阶段就难以入门。教师在实验环境配置与修复上花费了大量的精力，在实验讲解上花费了大量的重复时间，却往往不能收到应有的效果。

计算机与网络设备更新换代的频率很快，通常5年就会更新，每次的软件硬件升级或更新都是巨大的资金支出，对于普遍建设资金紧张的边疆高校来讲是难以承担的负担，实际上，实验室部分网络设备建设完成后都用了8年以上。

综合实训课程的知识结构复杂，学习难度大，对教师教学与学生学习都是严峻的考验。用传统教学方式，费时费力，学生的学习效果也不够好，即使完成了课程实训，再来撰写实验报告也是很漫长的工作，各届学生都反映学习强度太大，部分学生难以按质按量完成教师所布置的任务。

2    虚拟云平台的基本结构

虚拟云平台的应用改变了以上弊端，对于实验中容易出错的操作，教师可以事先录制操作步骤，上传到云端，供学生点击学习。边学习边操作减轻了教师的教学压力，学生可以在课前预习实验内容，提高了教学效果。

虚拟机云平台采用浏览器/服务器模式（Browser/Server，B/S）结构，学生注册账户，经过任课教师审核通过后可进入平台，进行相关的综合实训，在实验课程中选择与教师讲授同步的课程，在课余时间可以自由选择感兴趣的题目进行学习。

虚拟云平台集成了VMware相关技术，将各门课程的实验题目整合，学生提交实验报告，教师在线批阅报告后给出评分。教师在批阅报告时，能通过后台系统查看此学生所操作的虚拟机状态，确认该生是否真正完成了实验操作。

由于实训题目中有部分是破坏性题目，为防止学生利用所学网络攻防知识攻击系统，平台设定了多重保护措施，做好数据备份。平台的操作日志写入网络中的其他备份计算机，确保数据与成绩的安全。云实验教学平台结构如图1所示。

3    实验平台的应用过程

教师进入系统后台，建立课程，从实验系统导入对应的实验单元，也可以增加自己设计的实验模块。教师在虚拟机上可以配置各种应用程序和实验环境，并且可以指定机型，自行设定硬件配置，生成虚拟机镜像文件并上传。

完成课程建设后，通知学生注册或选修本课程。批准学生选课后，学生即可选修已经开放的实验内容。

对于难以配置的计算机系统，教师可以在云端虚拟机中预设多个不同的实验状态，学生在某个步骤遇到阻力，或者操作出错时，既可以点击导入虚拟机的上一个状态，重新进行操作，也可以导入虚拟机的下一个镜像，跳过某步操作，先完成整个实验思路，再返回来重新学习避免因为一个步骤不熟悉，卡住了整个实验。

注册用户为学生，经教师批准后即可进入选课平台，多門课程实现了账户共享，学生只需要成功注册一次即可。

学生登录实训云平台，部分课程只能在指定实验室环境中使用，绝大部分基础实验可以在连入校园网的计算机中使用，在手机端也可用浏览器登入平台，但只能进行课程讨论，类似于BBS，实验虚拟机模块所需要的资源量太大，又需要相关平台插件，无法在手机中运行。

学生的作业提交—实验报告中附带截图，并上传用仿真软件绘制的拓扑图，教师可以查看学生的虚拟机状态，核实学生是否真的完成了实验。事后，将虚拟机关闭，释放内存空间，也可以设计为时间到点后，自动关闭本次课程的所有虚拟实验环境，还原所有修改，在下次使用时，初始化所有虚拟机。对于小型实验，可以将恢复时间设定为4 h，大型实验设定为8 h，综合实训则设定为两周，学生在两周内完成所有任务，撰写实验报告，将实验过程中的关键截图导入实验报告，提交给教师，两周后，所有更改清零，系统恢复初始状态，学生可以根据实验报告中的实验步骤再次练习实验。教师也可将优质的实验报告电子版导出，给下届学生作为参考资料。

4    云平台的应用效果探讨

云平台加上镜像虚拟机的配置简化了实验操作过程，降低了配置难度，把教师从繁重的系统配置与审核过程中解脱了出来，可以专心进行实验设计，并将关键实验操作步骤用录屏软件制作为微课产品，供学生自学，教师根据教学效果与学生反馈，不断更新教学内容，提高了教学质量。

经过一年的试运行，用平台授课的效果很好，教师可以统计学生的访问频率，通过查看统计可知学生的实验完成情况，也可以了解学生对高难度实验的掌握情况。

学生通过云实验平台，进入预先配置好的实验环境，在微课与设计指导书的指引下完成指定的实训任务，便于学生在宿舍事先预习实验内容，到实验室直接完成实验，难点可通过论坛和留言板快速讨论。

对于学生的报告可以更方便地撰写和批阅，教师进入系统管理，在教师后台管理中即可审阅，给出成绩后，学生可以实时看到。如果需要提示某些操作细节，也可在教师后台中通过短消息的形式发给学生，对于重要的操作，或者是多个学生都犯的错误，可以在课程讨论模块发布主题，平台的所有学生都能看到，也都能参与讨论。实现了自学—讨论—提高—深入学习的良性循环，简化了实训流程，能较快地完成实践项目。

从某种意义上来说，云平台的应用也存在缺点：

首先，减少了学生的学习机会，使得学生没有调试系统“百思不得其解的痛苦感”，也没有经历过繁琐的配置过程，而这在今后的工作中会经常遇到。

其次，在虚拟机上按照预定的配置去完成对应操作是很容易，但现实中的设备配置远比这些复杂，出错之后的调试过程也与虚拟机上的调试完全不同。

最后，实训中容易出现“重操作，轻理论”的现象，部分学生喜好动手操作，做出看得见摸得着的实训成果，而不习惯去钻研分析理论知识，导致理论基础欠缺，难以胜任耐心和细致的设备调试与系统维护工作。

5    结语

综上所述，应用云平台虚拟机可以引导学生较快完成实验任务，掌握基本操作。在此基础上，仍然需要让学生自行配置真实的服务器、布线系统、交换机路由器，以培养实践操作能力，两者同等重要。

[参考文献]

[1]黎加厚.走向教育技术“云”服务[J].远程教育杂志，2008（3）：79.

[2]唐红，徐光侠.云计算研究与发展综述[J].数字通信，2010（3）：23-28.

[3]韩燕波，王桂玲，劉晨，等.互联网计算的原理与实践[M].北京：科学出版社，2010.

[4]黎加厚.云计算辅助教学[M].上海：上海教育出版社，2010.

[5]柴亚辉，涂春萍，刘觉夫，等.基于云计算的计算机与软件实验资源管理[J].实验室研究与探索，2010（10）：254-256.

[6]李鹏，王玉丽，贾桂珍，等.微课技术在实验教学中的应用研究—以“兽医寄生虫学”课程为例[J].无线互联科技，2018（21）：161-162.