虚拟仿真实验教学资源支撑平台建设与实践

张慰 张嘉鹭

摘   要：虚拟仿真实验教学资源的建设与共享是我国教育信息化建设的迫切要求和重要内容。江苏师范大学在推动学校虚拟仿真实验教学资源建设的过程中，注重统筹规划与顶层设计，针对当前建设过程中发现的主要问题，提出了基于全局视角的虚拟仿真实验教学资源支撑平台五层架构模型，并依据此架构开展了有益的探索和实践，取得了一定的成效。

关键词：虚拟仿真;实验教学;支撑平台

中图分类号：G642.423 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2020）13-0057-04

建设教育强国，是新时代我国教育事业改革发展的宏伟目标和努力方向。建设教育强国、办强的教育，关键是在新时代加快教育现代化。而教育信息化又是教育现代化的重要内容和主要标志，是实现教育现代化的必由之路。以教育信息化带动教育现代化是当今世界教育改革与发展的共同趋势[1]。

教育信息化内涵及外延及其丰富，其中虚拟仿真实验教学资源的建设与共享是我国教育信息化的迫切要求和重要内容[2]。《教育信息化十年发展规划（2011—2020年）》提出：要积极建设各级各类优质数字教育资源，遴选和开发500个学科工具、应用平台和1500套虚拟仿真实训实验系统并探索建立数字教育资源共建共享机制，同时还要大力推进职业教育虚拟仿真实训基地建设。为进一步推动虚拟仿真实验教学资源共建共享和集约应用，教育部又推出了《2017—2020年示范性虚拟仿真实验教学项目建设规划》，提出从2017年起，分年度认定1000项左右示范性项目。我国实验教学已进入具有自主知识产权的示范性虚拟仿真实验教学项目建设与大规模在线开放共享为主的深入发展阶段[3]。在这种背景下，各个学校涌现出一大批虚拟仿真实验教学项目，很大程度上提高了高等教育实验教学质量和实践育人水平。但是随着虚拟仿真实验教学资源数量不断增多，深度和广度不断拓展，高校虚拟仿真实验教学资源建设中的一系列问题也随之暴露出来，对高校虚拟仿真实验教学资源建设提出了新的要求。

一、当前虚拟仿真实验教学资源建设存在的问题

1.缺乏统筹规划和顶层设计

目前大多数高校虚拟仿真实验教学资源的建设模式，还是在实验室管理部门领导下，依靠各个学院力量，各自依据学院专业特色和实际情况规划设计并建设。实验室管理部门在促进学校虚拟仿真实验教学实践发展、推进学校虚拟仿真实验教学项目评比等方面发挥了重要作用，但鲜见全局站位的统筹规划和顶层设计，还是以项目为单位，各自为战。这种建设模式，直接导致各个项目之间，从运行环境、硬件、软件，到身份信息、教学内容、技术标准、数据资源、业务流程、功能模块、评价体系、数据服务等方面割裂，进而出现一系列“信息孤岛”，严重影响了虚拟仿真实验教学进一步发展。

2.投入成本高，效益低下

高校虚拟仿真实验教学资源建设存在“高耗资、低效益”问题[4]。主要体现在以下几个方面：

（1）由于多头投入、分散建设，导致服务器、计算机、网络、存储等基础设施重复建设，资金成本不断攀升。

（2）由于各个学院所购软硬件设备数量多、版本杂，使得整个虚拟仿真实验教学系统更新和维护工作量很大。一线教师无法同时兼顾教学科研与系统管理运维，导致“重投入，輕运维”现象的产生。虚拟仿真实验教学系统往往在出现问题时无人修复，勉强支撑一时间后，最终停止运行，极大浪费了原有投资。

（3）目前大多数高校虚拟仿真实验教学资源的技术架构方式是在实验室配备中高端性能的服务器，提供集中式计算服务。这种陈旧的技术架构无法快速增加、释放和共享资源，不能弹性满足实验需求，资源利用率低，闲置浪费严重，综合效益低下。

3.大规模开放共享支持不足

很多虚拟仿真实验教学资源质量不高[5]，新技术应用不充分，虚拟仿真实验教学平台对外共享程度处于较低水平。主要体现在基础支撑平台薄弱、系统稳定性难以保障身份信息无法互通、实验数据与资源封闭没有统一的技术标准和规范等方面。相当一部分虚拟仿真实验教学资源的共享范围仅限于校内，共享程度低下，导致平台无法被充分利用。

4.不能提供个性化服务与决策支持

虚拟仿真实验教学资源建设尚无统一的技术标准和规范体系，数字资源整合难度很大。各类虚拟仿真实验教学软硬件平台在系统架构、功能模块、业务流程、数据库技术等方面各不相同，相互对接存在障碍，业务难以融合。各实验室之前信息闭塞，缺乏有效共享，无法进行全局的数据统计分析与深层次挖掘，难以为学生提供个性化教育服务，为学校提供决策支持。

5.网络安全问题突出

受到网络安全防范意识、保障能力、保障经费等因素制约，虚拟仿真实验教学资源网络安全状况堪忧。虚拟仿真实验教学资源大多数没有专门的网络安全防护设备，没有病毒防护软件，没有专门的网络安全管理制度与保障团队。对于要求面向互联网大规模开放的一些国家级虚拟仿真实验教学项目，甚至没有最基础的网络防护方案。在当前日益严峻的网络安全形势下，虚拟仿真实验教学资源，尤其需要考虑建立统一的、全面的网络安全防护体系。

二、虚拟仿真实验教学资源支撑平台建设实践

江苏师范大学在推动学校虚拟仿真实验教学资源建设过程中，注重统筹规划与顶层设计，以“统一管理、集约建设、开放共享、安全稳定、个性发展”为建设原则，针对实际过程中发现的问题，提出了基于全局视角的虚拟仿真实验教学资源支撑平台五层架构模型，并依据此模型开展了建设实践工作。

架构模型如图1所示，从下到上依次分为基础设施支撑层、数据支撑层、应用支撑层、应用层和应用终端共五个层次，辅以虚拟仿真实验教学技术标准与规范体系、运行维护与网络安全体系两个保障体系保障虚拟仿真实验教学资源规范建设与运行维护。

1.基于软件定义的基础设施支撑层建设

基础设施支撑层采用跨校区的双数据中心设计，在技术架构上采用软件定义（SDN、SDS、SDC）技术，对数据中心内的网络、计算、存储等资源进行灵活的定义、抽象、整合、集中和自动化管理。同时，以用户需求为导向，以云服务的方式面向各个学院及实验室提供资源。在数据保护方面，依托这种软件定义的异地双数据中心架构，形成远程备份、异地容灾、应急接管三种级别的数据保护方式。基础设施支撑层技术架构如图2所示。

这种架构方式解决了虚拟仿真实验教学的以下实际问题：

（1）弹性满足实验教学资源需求问题

可扩展性是虚拟仿真教学资源可持续发展的内涵和要求[6]。基于软件定义基础设施支撑层可根据实际需求分配和释放资源，在实验请求密集时分配更多的资源，在空闲时间释放多余的资源，供其它系统使用，从而弹性地满足动态变化的需求。

（2）快速申请，敏捷部署问题

资源可通过在线流程直接申请，资源的划分也是自动化完成。免去招标、采购、上架、部署、综合布线等过程，极大地缩减了部署和上线周期。

（3）系统稳定性、可靠性问题

异地容灾数据中心以及资源的虚拟化、集群化运行，充分保障了系统稳定性和可靠性。

（4）重投入、轻运维问题

依托数据中心，实现了全校实验教学系统的集中部署和集约建设，避免了重复建设导致的资源浪费。同时，通过信息化管理部门的技术力量统一运维，基础设施的运维由信息化管理部门统一完成，避免了系统大量投入后，无人运维的现象产生。

（5）网络安全防护问题。

原有分散建设方式中，各个建设部门很少会考虑网络安全防护方案，导致各种安全事件频发。江苏师范大学数据中心充分考虑网络安全防护措施，通过防火墙、IPS、WAF、日志系统、病毒防护平台、安全运维服务等具体措施，在数据中心南北向、东西向流量上进行纵深防护、主动防御，保障了虚拟仿真实验教学资源的网络安全。

2.基于大数据的数据支撑层建设

数据支撑层负责对收集到信息的全面集成、数据清洗和智能分析。江苏师范大学虚拟仿真实验教学资源数据支撑平台基于大数据架构建设。数据支撑层通过ETL采集各虚拟仿真实验教学系统积累的数据，以及智慧校园中沉淀的多源、海量的非结构化和结构化数据，所有数据通过Mysql、HDFS、HBase等以集群方式分类存储，并进行多数据类型综合关联分析和深入挖掘，数据分析和处理的结果存储在专用数据库中供用户和其它系统使用。大数据平台提供丰富的API接口，方便各个应用程序调用所需要的数据。

通过数据支撑平台，能够对海量用户数据进行挖掘分析，了解学习者学习能力、行为习惯和爱好，根据学习者能力、兴趣对学习内容、学习过程、评测项目等进行智能式调整，启发学生主动探索、自主实验实践，实现以学习者为中心，提供个性化学习路径，促使学习者自我建构知识体系、自我发展[3]。

另外，高校在虚拟仿真教学系统的建设过程中，要根据具体的教学情况进行评估和反思，对建设过程中不合理的部分进行调整，以实现建设效果的最优化。数据支撑层也为持续改进服务流程和提高服务质量提供了有利条件。

3.基于微服务的应用支撑层建设

微服务是一种粒度更小、更轻量级、去中心化、服务间通讯采用轻量级通讯机制（通常是restful API）的SOA架構。各微服务都拥有自己的编程语言、数据库存储技术、开发维护团队，有独立的业务逻辑并通过标准的接口对外开放，同时实现轻量化的标准通信机制，且凭借自动化部署机制实现独立部署[7]。应用支撑层基于微服务的思想，由若干粒度化的共性平台组成，核心平台主要包括：统一身份认证平台、站群平台、流程平台、消息平台等组成。

基于微服务思想设计的应用支撑层平台实质上是一种能力平台，可以解决当前虚拟仿真实验教学资源原创性不足和大规模共享问题。当前，虚拟仿真实验教学资源的数量快速增长，但大多数资源通过市场购买实现，学校自主研发的虚拟仿真实验教学系统相对较少[4]。基于微服务的应用支撑层平台，在开发、部署、测试、发布等方面均采用标准流程，维护简单，为应用层系统提供了大量的共性平台能力，为虚拟仿真实验教学系统快速开发提供了有力的支撑。开发者只需集中精力关注实验情境开发，身份认证、业务流程、数据存储与分析、页面展示等方面只需要调用接口即可，在一定程度上解决了原创性不足问题。

同时，应用支撑平台充分利用微服务的特点支持分布式部署，满足高并发的需求，解决虚拟仿真实验教学资源大规模共享时性能不足的问题。

4.应用层

应用层位于应用支撑层之上，基于应用支撑层提供的共性平台能力开发或部署，与应用支撑层深度融合。应用层利用底层平台提供的能力及自身业务逻辑面向用户提供服务。

5.用户层

用户层面向虚拟仿真教学资源相关的所有人员，包括教师、校内外学生、管理者、运维人员等，同时要求系统界面全端打通，适用于各类终端设备与终端系统。

6.技术标准与规范体系

虚拟仿真实验教学技术标准与规范体系确定了信息采集、信息处理、信息交换等过程的标准和规范，规范了系统的数据结构、共享标准和交互规则，为数据融合和服务融合奠定了基础。

7.运行维护与网络安全体系

运行维护与安全体系是虚拟仿真实验教学支撑平台正常运行的重要保障。安全体系建设以“一个中心三重防护”为目标，针对安全管理中心和计算环境安全、区域边界安全、通信网络安全的安全保障进行方案设计，注重全方位主动防御、安全可信、动态感知和全面审计。建立以计算环境安全为基础，以区域边界安全、通信网络安全为保障，以安全管理中心为核心的网络安全保障体系。

三、建设成效

在虚拟仿真实验教学资源不断深入发展的背景下，江苏师范大学对建设过程中遇到的实际问题深入分析，从全局的视角针对性地提出虚拟仿真实验教学资源支撑平台的建设模型，并完成平台建设。

目前平台已经支撑了“动车组转向架系统检修”、“教师基本教学技能训练”、“轨道交通信息与控制”、“高铁列车一级检修”等十几个虚拟仿真实验教学资源的建设。其中“动车组转向架系统检修”已通过首批国家虚拟仿真实验教学项目评选[8-9]，实现了大范围的共享服务，平台建设成效显著。

四、结束语

江苏师范大学基于虚拟仿真实验教学资源支撑平台完成了全校虚拟仿真实验教学资源的统筹建设，解决了资源共建共享、弹性性能扩展、系统可靠运行与持续运维、统一安全保障、原创性不足等具体问题，实现了师生随时随地获取资源的目标，为持续提升虚拟仿真实验教学水平，促进学科创新型人才培养做出了有益的探索。

参考文献：

[1]南国农.教育信息化建设的几个理念和实际问题（上）[J].电化教育研究，2002（11）：3-6.

[2]祖强，魏永军，熊宏齐.江苏省高校虚拟仿真实验教学共享平台建设与实践[J].实验技术与管理，2019，36（5）：3-6.

[3]祖强，魏永军.国家级示范性虚拟仿真实验教学项目申报策略探讨[J].实验技术与管理，2018，35（9）：3-6.

[4]宋亮.高校信息化进行统筹集约共享建设的思考[J].电化教育研究，2018（2）：138-140.

[5]賀占魅，黄涛.虚拟仿真实验教学项目建设探索[J].实验室技术与管理，2018，35（2）：108-111.

[6]狄海廷，董喜斌，李耀翔等.高校虚拟仿真实验教学资源的可持续发展机制研究[J].实验室技术与管理，2018，35（5）：236-242.

[7]王磊，门海，张涛.一体化微服务平台：高校移动校园发展新探索[J].中国电化教育，2017（7）：119-124.

[8]教育部高等教育司.关于2017年度示范性虚拟仿真实验教学项目名单的公示[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/s78/A08/A08_gggs/s8468/201804/t20180419_ 333664.html.

[9]张嘉鹭，马军，邢邦圣.高速动车组虚拟仿真实验教学资源建设与共享研究[J].实验技术与管理，2019，36（2）：153-180.

（编辑：王晓明）