唐海濤,　張立明，　張仲明，　呂　巍，　蔣一川，　李昊天

(1. 吉林大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院; 物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心， 長春 130012; 2. 吉林育信科技有限公司， 長春 130012)

0　引　言

國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)是實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革在現(xiàn)代化多媒體虛擬信息化技術(shù)下深度發(fā)展的產(chǎn)物[1-2]?！秶抑虚L期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要2010-2020》指出[3]:“信息技術(shù)對教育發(fā)展具有革命行動影響，必須予以高度重視”。國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)是實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)工作的延伸，也是高等教育信息化建設(shè)工作的重中之重。根據(jù)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011-2020)》的安排， 教育部自2013年起[4-6]在全國啟動國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作， 有力地推動了實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)。截至2015年9月， 全國已建設(shè)近200個國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心， 分布在全國155所普通本科院校， 其中45所高校建有2個國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。

1　物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)

我校物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心依托于計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，是2014年被批準(zhǔn)的100所國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心之一。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)[7-8]是利用虛擬現(xiàn)實(shí)、 多媒體、 人機(jī)交互等信息化技術(shù)，在物聯(lián)網(wǎng)已有的實(shí)驗(yàn)課程基礎(chǔ)上，構(gòu)建高度仿真的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，進(jìn)而使學(xué)生可以在虛擬仿真的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中學(xué)習(xí)[9-10]。

物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心利用已有實(shí)驗(yàn)設(shè)備和資源[11]，搭建了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺。在該實(shí)驗(yàn)平臺上開設(shè)了12門虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程:無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真、RFID標(biāo)簽設(shè)計與應(yīng)用場景虛擬仿真、物聯(lián)網(wǎng)綜合應(yīng)用虛擬、計算機(jī)組網(wǎng)模擬工程、網(wǎng)絡(luò)故障分析模擬仿真、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析仿真、無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)、計算機(jī)系統(tǒng)安全虛擬實(shí)驗(yàn)、網(wǎng)絡(luò)安全虛擬實(shí)驗(yàn)、網(wǎng)絡(luò)取證技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)、云計算技術(shù)實(shí)驗(yàn)和分布交互仿真實(shí)驗(yàn)課程。

物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺結(jié)合云計算技術(shù)，將教學(xué)資源、網(wǎng)絡(luò)資源和實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境有機(jī)地結(jié)合在一起，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的互動性，實(shí)現(xiàn)虛擬仿真教學(xué)和實(shí)驗(yàn)課程資源更高程度的共享。同時，虛擬仿真平臺充分利用了學(xué)校網(wǎng)絡(luò)資源，進(jìn)一步推廣虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，進(jìn)而在東北區(qū)域起到了示范推廣作用。此外，還提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量和水平，為優(yōu)秀人才的培養(yǎng)提供平臺，為物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)成為高水平的實(shí)踐教學(xué)基地奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2　平臺主要建設(shè)內(nèi)容

虛擬仿真云平臺是計算機(jī)學(xué)院和吉林育信科技有限公司共同研發(fā)的基于云計算技術(shù)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺。虛擬仿真云平臺實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境的構(gòu)建，可快速部署實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，有利于共享和個性化的實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)，不受時間和空間的限制，滿足教師和學(xué)生隨時隨地在線學(xué)習(xí)的需求。云平臺下的硬件資源可以復(fù)用，可以分時段滿足實(shí)驗(yàn)課程和科研項(xiàng)目資源需求，進(jìn)一步提高資源利用率。此外，還能夠高效整合多媒體實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，有利于學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的提高，同時也降低了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的安裝維護(hù)工作量。虛擬仿真云平臺主要由硬件部分和軟件部分組成，其主要系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1　虛擬仿真云平臺主系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

虛擬仿真云平臺的教學(xué)系統(tǒng)主要包括教學(xué)資源管理系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)課程管理系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)預(yù)知平臺和實(shí)驗(yàn)演練平臺等4個主要教學(xué)、實(shí)驗(yàn)和其相關(guān)的輔助功能。

2.1　教學(xué)資源管理系統(tǒng)

教學(xué)資源管理系統(tǒng)主要包括課程安排、課程資源管理和教師用戶管理等功能，為學(xué)校和學(xué)院教務(wù)和管理人員提供對課程安排，教學(xué)資源分配、以及對教師用戶數(shù)據(jù)的管理和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計等功能。

課程安排管理功能中，教務(wù)人員可以設(shè)置學(xué)期開始時間、學(xué)期結(jié)束時間；設(shè)置實(shí)驗(yàn)課程的名稱、實(shí)驗(yàn)類型、實(shí)驗(yàn)課的班級學(xué)生等信息；設(shè)置實(shí)驗(yàn)課的上課時間，可以是1周中的1天或多天；設(shè)置實(shí)驗(yàn)課的開始時間和結(jié)束時間，對于不同時間段的上課安排可以使用不同的顏色等個性化設(shè)置突出顯示。在資源設(shè)置功能中，可以設(shè)置申請資源時云平臺分配的自定義時長、設(shè)置在瀏覽器關(guān)閉時是否自動釋放所申請資源等功能。

2.2　實(shí)驗(yàn)課程管理系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)課程管理系統(tǒng)功能主要包括學(xué)生用戶信息管理、實(shí)驗(yàn)分班、實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)置、實(shí)驗(yàn)報告管理、考評記錄和成績發(fā)布等功能，如圖2所示。為教師用戶提供對所有上實(shí)驗(yàn)課的班級進(jìn)行學(xué)生用戶管理和成績管理的功能，還支持對實(shí)驗(yàn)課的個性化設(shè)置，如根據(jù)實(shí)驗(yàn)課程培養(yǎng)需求和目標(biāo)定制實(shí)驗(yàn)課的分組人數(shù)，實(shí)驗(yàn)課程的實(shí)驗(yàn)環(huán)境等信息。

圖2　實(shí)驗(yàn)課程管理平臺

在實(shí)驗(yàn)分班功能中，教師可以添加實(shí)驗(yàn)班級、刪除實(shí)驗(yàn)班級和對實(shí)驗(yàn)班級的學(xué)生用戶信息進(jìn)行管理。實(shí)驗(yàn)分班中班級學(xué)生用戶數(shù)據(jù)支持批量的通過數(shù)據(jù)導(dǎo)入和導(dǎo)出的功能進(jìn)行數(shù)據(jù)維護(hù)，也支持單個學(xué)生用戶信息的維護(hù)，實(shí)驗(yàn)分班的設(shè)置為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)課程的實(shí)驗(yàn)報告管理、實(shí)驗(yàn)過程記錄和考評等功能提供了基礎(chǔ)。

實(shí)驗(yàn)報告管理功能主要包括了報告發(fā)布、考評策略、考評記錄、成績管理、分?jǐn)?shù)統(tǒng)計等5個功能模塊。實(shí)驗(yàn)報告發(fā)布功能可以對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容模板進(jìn)行維護(hù)，可以添加、刪除和編輯實(shí)驗(yàn)?zāi)０?。在考評策略功能中，教師可以依據(jù)實(shí)驗(yàn)課程培養(yǎng)需求和特點(diǎn)分別設(shè)置實(shí)驗(yàn)報告和實(shí)驗(yàn)過程記錄等實(shí)驗(yàn)部分的考評類型和評分策略。在成績管理功能中，可以選擇個別或所有實(shí)驗(yàn)課程發(fā)布成績。在發(fā)布成績時，如有未提交或未評分的學(xué)生實(shí)驗(yàn)課程信息，教師可以選擇是否通知此學(xué)生，此學(xué)生用戶同時可以在個人信息中心中接收到成績發(fā)布的通知信息。如果在發(fā)布成績前選擇通知未提交成績學(xué)生，則需等到所有學(xué)生提交實(shí)驗(yàn)驗(yàn)后才能夠發(fā)布成績。在發(fā)布成績后，會統(tǒng)計出實(shí)驗(yàn)班學(xué)生的分?jǐn)?shù)統(tǒng)計信息。在分?jǐn)?shù)統(tǒng)計功能中可以查看每個學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報告和實(shí)驗(yàn)過程記錄的成績，還可以查看實(shí)驗(yàn)報告中題目的提交學(xué)生數(shù)、正確率等統(tǒng)計信息。

2.3　實(shí)驗(yàn)預(yù)知平臺

實(shí)驗(yàn)預(yù)知平臺主要是基于微課化的文字、圖片及多媒體的表現(xiàn)形式，學(xué)生用戶通過對文字和圖片等表現(xiàn)形式的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行預(yù)習(xí)、對多媒體和交互問題的學(xué)習(xí)和回答實(shí)現(xiàn)對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容預(yù)習(xí)，進(jìn)而為演練平臺打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，實(shí)驗(yàn)預(yù)知平臺如圖3所示。

圖3　虛擬仿真預(yù)知實(shí)驗(yàn)平臺

實(shí)驗(yàn)預(yù)知平臺中每門實(shí)驗(yàn)課程以樹形結(jié)構(gòu)顯示教學(xué)知識點(diǎn)，鼠標(biāo)單擊選中某個知識點(diǎn)后，右側(cè)界面會顯示該實(shí)驗(yàn)知識點(diǎn)的相關(guān)教學(xué)資源以及相關(guān)的考評問題。學(xué)生在預(yù)習(xí)完實(shí)驗(yàn)課程相關(guān)內(nèi)容后，可以在預(yù)知平臺中回答實(shí)驗(yàn)課程相關(guān)課后習(xí)題，預(yù)知平臺支持學(xué)生查看預(yù)知平臺上的實(shí)驗(yàn)課程學(xué)習(xí)記錄和實(shí)驗(yàn)課程習(xí)題成績等信息。在預(yù)知平臺功能模塊中，教師可以對實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容進(jìn)行添加、刪除和編輯等維護(hù)管理，可以維護(hù)和瀏覽實(shí)驗(yàn)課程介紹、預(yù)知學(xué)習(xí)人數(shù)信息、實(shí)驗(yàn)課程已學(xué)習(xí)章節(jié)信息及實(shí)驗(yàn)課程受關(guān)注等信息。教師還可以查看學(xué)生預(yù)知平臺和演練平臺的上的學(xué)習(xí)記錄、實(shí)驗(yàn)記錄和成績等信息。

2.4　實(shí)驗(yàn)演練平臺

實(shí)驗(yàn)演練平臺為教師和學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)演練資源，通過實(shí)驗(yàn)分組或單個用戶申請來分配虛擬實(shí)驗(yàn)課程資源，并在屏幕上分屏顯示實(shí)驗(yàn)步驟和虛擬操作環(huán)境，進(jìn)而學(xué)生用戶在個人電腦上通過訪問云平臺上的虛擬實(shí)驗(yàn)課程資源來完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，演練平臺見圖4。

每個實(shí)驗(yàn)課程都配置獨(dú)有的虛擬實(shí)驗(yàn)演練平臺，根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)和實(shí)驗(yàn)環(huán)境需求，云平臺會提供不同的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源和虛擬演練平臺環(huán)境，來輔助和指導(dǎo)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)步驟等相關(guān)功能在屏幕左側(cè)顯示，可依據(jù)實(shí)驗(yàn)步驟中的引導(dǎo)信息，回答實(shí)驗(yàn)課程習(xí)題答案；可根據(jù)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、過程導(dǎo)讀、案例描述和實(shí)驗(yàn)原理等實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)材料自主完成實(shí)驗(yàn)。學(xué)生用戶在做完實(shí)驗(yàn)后，云平臺會自動對實(shí)驗(yàn)過程和正確性進(jìn)行測評。在屏幕右側(cè)虛擬機(jī)上的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境操作區(qū)，可以通過點(diǎn)擊上方的虛擬機(jī)功能按鈕來控制虛擬機(jī)窗口最大化，正常化和注銷等功能。根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)的要求，對于需要分小組來完成的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生用戶可以通過虛擬環(huán)境平臺中的角色功能來分組和選擇角色，此虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺支持1人飾多角色，即可以在同一主機(jī)上打開多個虛擬仿真環(huán)境來完成實(shí)驗(yàn)。

圖4　虛擬仿真演練云平臺

3　結(jié)　語

在物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心的建設(shè)中， 不斷將實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新成果、 新技術(shù)引入虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)，做好虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的建設(shè)，規(guī)范虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源相關(guān)的管理規(guī)定。進(jìn)一步整合仿真資源與現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備， 構(gòu)建資源優(yōu)化、開放共享、 使用高效的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺[12-14]。探索將已有的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源在其他高校推廣使用，進(jìn)而構(gòu)建東北區(qū)域物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真資源共享平臺[15-16]、進(jìn)一步提高虛擬資源利用率，有利于推動復(fù)合型、 創(chuàng)新型出色人才的培養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)(References)：

[1]李平, 毛昌杰, 徐進(jìn). 開展國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)提高高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化水平[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2013, 32(11):5-8.

[2]徐進(jìn). 2013年國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作小結(jié)及2014年申報建議[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2014, 33(8):1-5.

[3]中華人民共和國教育部．教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011-2020年)(教技[2012]5號)[Z].2012.3．

[4]教育部高等教育司.關(guān)于開展國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知[EB/OL].(2013-08-13)[2015-04-09].

[5]中華人民共和國教育部．關(guān)于開展國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知(教高司函(2014)30號)[Z]．2014.

[6]中華人民共和國教育部．教育部辦公廳關(guān)于批準(zhǔn)清華大學(xué)數(shù)字化制造系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心等100 個國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的通知(教高廳函[2015]3號)[Z]．2015．

[7]李秀芝, 韓亮, 孫琦,等. 虛擬實(shí)驗(yàn)室場景人機(jī)交互系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理, 2011(3):292-295.

[8]祖強(qiáng),魏永軍.國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)現(xiàn)狀探析[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2015(11):156-158.

[9]王森,李平.2014年國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心分析[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2016,35(4):82-86.

[10]王衛(wèi)國．虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)思考與建議[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013,32(12):5-8.

[11]唐海濤,孟繁二,孫聰,等.網(wǎng)絡(luò)與信息安全實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的構(gòu)建[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2010,27(9):118-120.

[12]李山山，陳永強(qiáng)，劉敬晗，等．MOOC時代下的計算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)探討[J]. 計算機(jī)教育， 2014(13):103-106.

[13]朱三元，魏文才，陳建新，等． 實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心教學(xué)資源平臺建設(shè)研究 [J]. 實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2013,11(1):118-120.

[14]國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要工作小組辦公室． 國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010-2020年)[Z]．2010．

[15]中華人民共和國教育部．教育部關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見[Z]．2012．

[16]國務(wù)院．國務(wù)院關(guān)于印發(fā)“中國制造2025”的通知(國發(fā)(2015)28號)[Z]．2015．