劉軍　施曉秋　金可仲

摘要：虛擬仿真實驗教學是信息技術(shù)促進實驗教學改革與創(chuàng)新的產(chǎn)物。從支撐人才培養(yǎng)目標達成和實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)實驗教學資源共享兩大主題出發(fā)，闡述了“學生發(fā)展為中心、工程應用為特色、能力培養(yǎng)為導向、多元協(xié)同為抓手、虛實互動增成效、開放共享促輻射”的建設(shè)思路，并給出了溫州大學網(wǎng)絡(luò)工程國家級虛擬仿真實驗教學中心的建設(shè)實例，可為地方院校工程教育類專業(yè)實施虛擬仿真實驗教學建設(shè)提供借鑒與參考。

關(guān)鍵詞：實驗教學；虛擬仿真；網(wǎng)絡(luò)工程；多元協(xié)同；虛實互動

實驗教學作為學生實踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要載體，需要有相應的實驗教學平臺作為支撐。傳統(tǒng)的實驗教學平臺采用實體形式，以物理空間中的實體設(shè)備、器件和材料為實驗對象或載體，具有真實、直觀、直接的優(yōu)點，但存在更新運維成本高、規(guī)模與復雜度受限、可擴展性差、開放共享難等不足。虛擬仿真實驗教學綜合運用信息與通信技術(shù)，在信息空間中構(gòu)建高度仿真的實驗操作環(huán)境和實驗對象，提供類似于實體實驗教學的體驗與效果，具有近似、抽象和間接的特點，并在可視性、交互性、安全性、可擴展性與可共享性等方面具備優(yōu)勢，是對實體實驗教學的有益補充與完善。

一、虛擬仿真實驗教學中心建設(shè)需要解決的關(guān)鍵問題

作為專業(yè)人才培養(yǎng)的重要教學保障和優(yōu)質(zhì)實驗教學資源共享的主要載體，虛擬仿真實驗教學中心建設(shè)不能簡單停留在對實體實驗教學項目的信息化再現(xiàn)或資源堆砌，必須思考并解決以下六方面的關(guān)鍵問題。

第一，建設(shè)理念。涉及虛擬仿真實驗教學中心的基本指導思想、建設(shè)目標、服務面向，以及在專業(yè)人才培養(yǎng)中所應承擔的角色或發(fā)揮的作用。

第二，建設(shè)內(nèi)涵。與指導思想、建設(shè)目標與服務面向相適應，涉及虛擬仿真實驗教學中心建設(shè)的教育教學品質(zhì)與特色，例如是以基礎(chǔ)研究與教學為特色，還是以工程研發(fā)或工程應用教學為特色。

第三，建設(shè)主線。涉及虛擬仿真實驗教學中心建設(shè)的核心線索或體系，需要系統(tǒng)而有效地組織有關(guān)的實驗教學資源，以滿足中心的服務功能與特色。

第四，建設(shè)方法與途徑。通過什么樣的方法與途徑實施虛擬仿真實驗教學中心建設(shè)，是院校單獨建設(shè)，還是校內(nèi)外協(xié)同；是自主開發(fā)，還是購買服務，抑或是多方面結(jié)合。

第五，使用模式。如何將虛擬仿真實驗教學中心資源運用于課內(nèi)外教學，其與實體實驗之間是什么關(guān)系，如何發(fā)揮各自的優(yōu)勢與長處，以提高實驗教學的實效。

第六，開放共享機制。虛擬仿真實驗教學中心如何實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)實驗教學服務的開放共享，包括服務的對象與范圍、策略與機制以及服務能力等。

二、面向工程應用型人才培養(yǎng)的虛擬仿真實驗教學中心建設(shè)思路

作為地方本科院校，溫州大學網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)以培養(yǎng)工程應用型人才為目標。為此，針對前述六大關(guān)鍵問題，我們提出了“學生發(fā)展為中心、工程應用為特色、能力培養(yǎng)為導向、多元協(xié)同為抓手、虛實互動增成效、開放共享促輻射”的基本建設(shè)思路。

（1）學生發(fā)展為中心，解決建設(shè)理念問題。服務于網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)工程應用型人才培養(yǎng)目標，作為該專業(yè)實踐教學平臺的重要組成部分，虛擬仿真實驗教學中心立足學生創(chuàng)新精神、綜合素質(zhì)與實踐能力的協(xié)調(diào)發(fā)展，支撐問題分析、問題研究、解決方案設(shè)計以及現(xiàn)代工具使用等相關(guān)畢業(yè)要求與培養(yǎng)標準的達成，并促進學生的自主性學習與個性化學習。

（2）工程應用為特色，解決建設(shè)內(nèi)涵問題。虛擬仿真實驗教學中心建設(shè)內(nèi)涵與品質(zhì)必須和網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)工程應用型人才的培養(yǎng)目標與特色相契合，并著重在三個層面上予以把握：一是教學內(nèi)容有效覆蓋網(wǎng)絡(luò)工程生命周期的主要應用環(huán)節(jié)，包括規(guī)劃與設(shè)計、部署與開發(fā)、運行與維護等；二是實驗平臺完全支持當前主流的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廠商及其產(chǎn)品，與業(yè)界主流網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其應用無縫對接；三是綜合性、設(shè)計性和創(chuàng)新性虛擬仿真實驗教學項目都來源于網(wǎng)絡(luò)工程實際問題或相關(guān)項目案例。

（3）能力培養(yǎng)為導向，解決建設(shè)主線問題。改變傳統(tǒng)的以課程為核心的教學組織框架，體現(xiàn)以能力為導向，圍繞工程實踐能力、工程設(shè)計能力與工程創(chuàng)新能力培養(yǎng)，針對遞進性的分級能力培養(yǎng)目標，對虛擬仿真實驗教學資源在實現(xiàn)技術(shù)、方式和手段等方面進行系統(tǒng)而精細地設(shè)計與開發(fā)。

（4）多元協(xié)同為抓手，解決建設(shè)方法與途徑問題。為了落實能力培養(yǎng)核心與工程應用特色，依托高校與企業(yè)、教學與科研、教學研究與教學實踐的多元協(xié)同，建立由教師、研究人員與工程師組成的專業(yè)化團隊，融合虛擬仿真實驗教學相關(guān)的教育、科技與工程優(yōu)質(zhì)資源，深度協(xié)作致力于虛擬仿真中心的開發(fā)與建設(shè)。

（5）虛實互動增成效，解決使用模式問題。充分發(fā)揮虛擬仿真實驗教學與實體實驗教學各自的優(yōu)勢，改革單純基于實體實驗教學資源的傳統(tǒng)模式，結(jié)合分級能力培養(yǎng)目標，構(gòu)建與實施虛擬實體高度互補、線上線下有機互動的新型實驗教學模式，貫穿課內(nèi)課外的各項教學活動，全面提高實驗教學效果。

（6）開放共享促輻射，解決推廣機制問題。建立管理服務與技術(shù)服務的“雙輪驅(qū)動”機制，促進虛擬仿真中心的開放共享。在管理服務方面，面向兄弟院校、業(yè)界企業(yè)的團體與個人用戶提供“Lab as a Service”形態(tài)的虛擬仿真實驗教學云計算服務，為兄弟院校提供以全面降低使用門檻在技術(shù)服務方面，利用先進的虛擬數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提供安全、穩(wěn)健、靈活的虛擬仿真實驗教學服務，充分保障虛擬仿真實驗教學服務的品質(zhì)。

三、網(wǎng)絡(luò)工程國家級虛擬仿真實驗教學中心建設(shè)實踐

依據(jù)上述基本建設(shè)思路，溫州大學網(wǎng)絡(luò)工程國家級虛擬仿真實驗教學中心主要進行了以下建設(shè)實踐。

1.能力培養(yǎng)為導向的虛擬仿真實驗教學體系

以“專業(yè)基本技能一綜合實踐能力一工程實踐能力一工程設(shè)計/創(chuàng)新能力”的遞進式模型為主線，圍繞綜合分析和解決復雜網(wǎng)絡(luò)工程問題的能力進行了虛擬仿真實驗教學體系建設(shè)，如下表所示。

其中，專業(yè)基本技能培養(yǎng)階段的虛擬仿真實驗以演示認知型、分析驗證型以及基礎(chǔ)操作型等形式為主，以對少量技能點的認知或理解為教學目標，以可視性、交互性表現(xiàn)突出的軟件仿真技術(shù)為主要實現(xiàn)途徑，網(wǎng)絡(luò)工程問題復雜度低；綜合實踐能力培養(yǎng)階段的虛擬仿真實驗以綜合訓練型為主，以對數(shù)個領(lǐng)域的大量技能點的整體掌握為教學目標，以仿真程度高的硬件虛擬技術(shù)為主要實現(xiàn)途徑，網(wǎng)絡(luò)工程問題復雜度較高；工程實踐能力培養(yǎng)階段的虛擬仿真實驗以工程演練型為主，以掌握真實網(wǎng)絡(luò)工程項目的部署與實施、測試與驗證為主要教學目標，以仿真程度高的硬件虛擬技術(shù)為主要實現(xiàn)途徑，網(wǎng)絡(luò)工程問題復雜度高；工程設(shè)計/創(chuàng)新能力培養(yǎng)階段的虛擬仿真實驗以創(chuàng)新設(shè)計型為主，以掌握真實網(wǎng)絡(luò)工程項目的規(guī)劃、設(shè)計與開發(fā)為主要教學目標，結(jié)合軟件仿真技術(shù)與硬件虛擬技術(shù)實現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)工程問題復雜度最高。

2.工程應用為特色的虛擬仿真實驗教學項目庫

在虛擬仿真實驗教學項目庫的建設(shè)中，主要通過以下三種途徑實現(xiàn)工程應用內(nèi)涵與特色。

（1）虛擬仿真實驗教學項目的技術(shù)與產(chǎn)品覆蓋面接軌當前網(wǎng)絡(luò)工程行業(yè)的熱點應用領(lǐng)域與主流產(chǎn)品。包括網(wǎng)絡(luò)互連、網(wǎng)絡(luò)安全、無線局域網(wǎng)、協(xié)作網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)、運營商網(wǎng)絡(luò)等，支持對這些領(lǐng)域各主流廠商設(shè)備的軟件仿真或硬件虛擬。

（2）虛擬仿真實驗教學項目的能力點定位與設(shè)計源于網(wǎng)絡(luò)工程應用的實際需要，根據(jù)當前網(wǎng)絡(luò)工程生命周期各階段對工程能力要求的分布，對實驗教學內(nèi)容進行細致的梳理與篩選。每門課程精選出若干能力點，并依據(jù)規(guī)劃與設(shè)計、部署與開發(fā)、測試與驗證、運行與維護等不同階段內(nèi)能力點之間的關(guān)聯(lián)性，有針對性地設(shè)計虛擬仿真實驗教學項目的能力點組合方案。

（3）在虛擬仿真實驗教學內(nèi)容的組織與設(shè)計上，以能力點目標組合方案為出發(fā)點，以網(wǎng)絡(luò)工程案例為背景素材，以實際需求和工程問題為導向，進行虛擬仿真實驗教學項目的設(shè)計，保障其真實性、時效性以及針對性。網(wǎng)絡(luò)工程案例主要來源于合作企業(yè)工程師參與或主持的工程項目，經(jīng)過有豐富經(jīng)驗的工程師根據(jù)分級能力目標對復雜網(wǎng)絡(luò)工程問題的分解、梳理與萃取。

當前，虛擬仿真中心建成的306個實驗教學項目對應于分級能力培養(yǎng)目標的項目數(shù)量比例大致為4：4：1：1，其中直接來源于實際網(wǎng)絡(luò)工程案例合計占總數(shù)的一半以上。

3.多元協(xié)同的虛擬仿真實驗教學中心開發(fā)與建設(shè)方式

多元協(xié)同的開發(fā)與建設(shè)方式體現(xiàn)在三個方面，即高校與企業(yè)協(xié)同、教學與科研協(xié)同、教學研究與教學實踐協(xié)同。

首先，通過與兩家業(yè)界領(lǐng)軍企業(yè)（思科系統(tǒng)與思博倫通信）的校企協(xié)同，在技術(shù)層面獲得了網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化的授權(quán)，解決了對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進行高度虛擬和仿真的核心技術(shù)難題，同時獲得了工程師的加盟，增強了開發(fā)與建設(shè)隊伍的整體技術(shù)實力；在資源層面得到了企業(yè)一線工程師隊伍的寶貴經(jīng)驗，解決了虛擬仿真實驗教學項目案例主要來源的關(guān)鍵問題；在管理層面借鑒了企業(yè)在線實驗室開放與管理模式，解決了虛擬仿真實驗教學服務的安全性和穩(wěn)健性問題。

其次，充分利用高校教師隊伍教學與科研并舉的優(yōu)勢，依托教學與科研協(xié)同實現(xiàn)了科研反哺虛擬仿真實驗教學。一是通過學生課外科技與創(chuàng)新活動等形式，將科研成果直接或間接轉(zhuǎn)化成虛擬仿真實驗教學項目，此類項目占總數(shù)近14%；二是在虛擬仿真中心的開發(fā)與建設(shè)中，轉(zhuǎn)化了許多虛擬化與云計算領(lǐng)域的科研成果，到目前為止直接實施應用的發(fā)明專利共有6項，主題涉及網(wǎng)絡(luò)服務質(zhì)量、虛擬機資源配置以及云計算調(diào)度等。

最后，依托教學研究與教學實踐的協(xié)同解決了虛擬仿真中心建設(shè)各個層面的多個關(guān)鍵理論問題。例如，針對虛擬仿真中心硬件平臺的建設(shè)，先后依托兩項浙江省提升地方高校辦學水平專項資金項目開展了主題為“多租戶虛擬數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)建設(shè)”的研究；針對虛擬仿真中心軟件平臺的建設(shè)，依托浙江省高校實驗室工作研究重點項目開展了主題為“‘實驗教學即服務的云計算模式構(gòu)建”的研究；針對虛擬仿真實驗教學的應用，依托浙江省高等教育課堂教學改革項目開展了主題為“依托虛擬仿真實驗教學平臺的混合式實踐教學模式探索”的課題研究；針對校企合作開發(fā)與建設(shè)虛擬仿真中心的機制，依托浙江省高等教育教學改革項目開展了主題為“基于企業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的分布式工程實踐教育中心建設(shè)模式探索與實踐”的課題研究。

4.虛實互動的實驗教學資源使用模式

相對于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)工程實體實驗教學，網(wǎng)絡(luò)工程虛擬仿真實驗教學在以下方面具有明顯的優(yōu)勢，對實體實驗教學起到補足與增強作用。

首先，彌補了實體實驗教學在開放時間、地點和方式上的不足，實現(xiàn)在任意安裝有瀏覽器的終端設(shè)備上隨時隨地訪問虛擬仿真實驗教學資源以及實體實驗教學資源進行練習，為自主性學習和個性化提供充分的保障。

其次，克服實體實驗教學可見性與交互性差的弱點，實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)工作原理的交互式可視化呈現(xiàn)，促進對基本技能點的認知、理解與掌握。

再次，克服實體實驗教學在拓撲規(guī)模、網(wǎng)絡(luò)特性以及管理便捷性等方面的局限，以低成本構(gòu)建特性更豐富、結(jié)構(gòu)更復雜的虛擬仿真實驗教學環(huán)境，進而實現(xiàn)簡捷高效的連接與配置管理，提高綜合性實踐教學的品質(zhì)。

最后，克服實體實驗教學由于成本因素而明顯滯后于工程應用發(fā)展水平的局限，支持跨廠商、多系列高端網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，支持對復雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)連接與配置的多視角可視化交互管理，用于在專業(yè)實習或畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)中對實際復雜網(wǎng)絡(luò)工程項目進行快速概念驗證。

為充分發(fā)揮虛擬仿真實驗教學在支撐實踐能力培養(yǎng)目標的不同維度上的優(yōu)勢，結(jié)合能力分級目標的特點，依據(jù)兩者之間的內(nèi)在邏輯關(guān)系，可以將實驗教學資源的組合使用模式分為四種：虛輔實主、虛實并舉、虛主實輔以及純虛擬仿真。

（1）虛輔實主模式。利用上述第一與第二項優(yōu)勢，適用于專業(yè)基本技能培養(yǎng)階段。虛擬仿真實驗教學項目是對實體實驗教學項目的近似仿真，虛擬仿真實驗平臺用于課前預習以及課后練習，而在課堂中使用實體實驗平臺與虛擬仿真實驗相互印證。

（2）虛實并舉模式。利用上述第一與第三項優(yōu)勢，適用于綜合實踐能力培養(yǎng)階段。虛擬仿真實驗教學主要面向開放實驗項目、學生科技創(chuàng)新項目、專業(yè)技能競賽等課外教育活動，而實體實驗教學面向日常課堂。

（3）虛主實輔模式。利用上述第一與第三項優(yōu)勢，適用于工程實踐能力培養(yǎng)階段。虛擬仿真實驗平臺用于前期耗時較長、不依賴于實體設(shè)備的建模與部署環(huán)節(jié)，實體實驗平臺用于后期耗時較短、依賴于實體設(shè)備的驗證與測試環(huán)節(jié)。

（4）純虛擬仿真模式。利用上述第一與第四項優(yōu)勢，適用于工程設(shè)計/創(chuàng)新能力培養(yǎng)階段。學生在進入企業(yè)學習階段后，用于大規(guī)模復雜網(wǎng)絡(luò)工程解決方案的概念驗證，包括規(guī)劃與設(shè)計、建模與開發(fā)，用于新建網(wǎng)絡(luò)解決方案的展示、客戶網(wǎng)絡(luò)割接方案的預演以及客戶網(wǎng)絡(luò)故障排錯方案的驗證等。

當前，虛擬仿真中心所有實驗教學項目覆蓋10門專業(yè)課程、5門綜合實踐課程、4大類課外教育活動以及專業(yè)實習與畢業(yè)設(shè)計，時間跨度從大二下到大四。從整體人才培養(yǎng)過程來看，隨著專業(yè)教育階段的逐步深入，實踐能力培養(yǎng)目標逐步提升，所涉及的工程問題復雜度隨之提升，對實驗教學平臺支持能力的要求越來越高。相應地，所依托的實驗教學環(huán)境也由以實體中心為主逐漸演變?yōu)樘搶嵔Y(jié)合，最終過渡到以虛擬仿真中心為主。

5.虛擬仿真實驗教學開放共享的實現(xiàn)與推廣

虛擬仿真中心對外開放共享提供虛擬仿真實驗教學服務的內(nèi)涵包括管理服務與技術(shù)服務兩個方面。在管理服務方面，使用高級服務調(diào)度引擎將所有虛擬仿真實驗教學資源整合起來，以“實驗教學即服務”（Lab as a Service，LaaS）的形態(tài)統(tǒng)一對外提供開放共享。此外，對于兄弟院校與行業(yè)企業(yè)等團體用戶，為其提供專有的管理門戶，便于自我管理。在技術(shù)服務方面，構(gòu)建了安全、健壯、高效、可擴展的技術(shù)平臺架構(gòu)。其中，軟件仿真前端提供可視化的實驗教學體驗；而硬件虛擬后臺創(chuàng)建虛擬仿真網(wǎng)絡(luò)的運行實例并提供遠程配置與管理手段，而云監(jiān)控與管理、云備份與安全提供充分的服務質(zhì)量保障。

在面向?qū)I(yè)點的開放共享推廣上，充分發(fā)揮作為國家專業(yè)綜合改革試點專業(yè)、卓越工程師教育計劃試點專業(yè)的影響力，通過舉辦或參加會議、兄弟院校來?？疾?、國家和省級精品資源共享課開放共享、網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)建設(shè)指導方案的編制等為抓手，向兄弟院校進行宣傳與推廣。在面向行業(yè)企業(yè)與零散學員的開放共享推廣上，積極發(fā)揮合作企業(yè)作為行業(yè)領(lǐng)頭羊的影響力，與其市場、宣傳以及技術(shù)部門合作，以合作伙伴聚會、用戶交流大會以及技術(shù)培訓班為抓手，向其渠道合作伙伴、學習合作伙伴以及最終用戶進行宣傳與推廣。

經(jīng)過四年的持續(xù)建設(shè)實踐，溫州大學網(wǎng)絡(luò)工程虛擬仿真實驗教學中心已取得了很好的教學成果。近三屆畢業(yè)生調(diào)查表明，其在促進學生工程實踐能力培養(yǎng)中的角色得到廣泛認同，學生工程能力提升效果明顯，中心的開放范圍由兄弟院校擴展到了企業(yè)，2015年初成功入選國家級虛擬仿真實驗教學中心。

[責任編輯：余大品]