劉莞玲 ，謝伙生 ，葉福玲 ，陸澤萍 ，林 晶

（1.福州大學 數學與計算機科學學院，福建 福州 350116；2.福州大學 網絡信息安全與計算機技術國家實驗教學示范中心，福建 福州 350116）

0 引 言

隨著信息化時代的迅速發(fā)展，多媒體技術、云技術、虛擬現實技術、人機交互等技術不斷影響著人們的學習和工作。虛擬仿真實驗教學作為傳統(tǒng)實驗教學的有效補充，可以改進傳統(tǒng)實驗教學的各種弊端[1]，成為加強實踐教學和提高教學質量的重要手段。平臺的構建可以提高硬件設備的利用率，降低建設和管理成本，方便系統(tǒng)及資源統(tǒng)一部署，提高系統(tǒng)安全性，促進實驗資源的共享，為學生提供個性化實驗資源[2]，從而更好地服務于創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)，提升高校本科教學質量，為雙一流建設提供保障。

1 實體實驗教學存在的問題

隨著實驗教學改革的不斷深入，為了加強創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)，需要根據教學大綱及學生個性化要求，不斷擴大實驗的數量和內容。然而，傳統(tǒng)的網絡安全與計算機技術專業(yè)實驗課程，從形式到內容再到效率和效果都存在影響實驗教學質量的缺陷，因此，有必要利用虛擬仿真技術補充和拓展傳統(tǒng)的實驗教學。目前，實體實驗室存在的主要問題包括如下幾方面。

1）網絡安全實驗很難在實際網絡中實現。

在實體實驗室做網絡安全類實驗時，由于實驗室網絡線路與校園網絡直接相連，可能造成病毒等不良數據泄漏導致校園網崩潰等嚴重的后果；同時，現有的實體實驗室僅支持對安全配置要求較低的小型實驗，無法進行信息安全原理型和創(chuàng)新設計類實驗。因此，網絡安全實驗在實際網絡中存在安全風險和局限性，最好用虛擬仿真來實現。

2）計算機原理類的實驗可見性差。

傳統(tǒng)基于實物的電路類實驗和計算機網絡設計實驗都會因實物數量和種類的限制，影響實驗的規(guī)模和效果。實體網絡設備的狀態(tài)燈指示連接方式有限，在超級終端上也只能以命令行進行配置操作和顯示配置結果。在實驗中，學生無法看到網絡協議之間的運行原理，如數據分組、路由的選擇、數據幀的快速交換等，這類實驗只能局限于原理驗證，因此學生無法很好地理解實驗的運行原理。

3）實驗室的建設和管理成本高，資源共享有限。

采用防火墻、入侵檢測、VPN等設備搭建網絡安全實體實驗平臺，多個設備僅支持單個用戶的操作，一個實驗室需要配置多套相同的設備，建設成本高。由于設備數目及種類的限制，大型的綜合性實驗無法組建，學生受益面窄，實驗地點時間受限；同時，設備不更新換代無法滿足技術進步的需要，頻繁更新換代又會造成資源的浪費，加上傳統(tǒng)實驗環(huán)境部署繁雜、靈活性差，缺乏實驗環(huán)境的統(tǒng)一管理，給實驗室的管理帶來巨大的難度和壓力。實體網絡設備場地和時間固定、內容固定，這些都極大地限制了實驗室的使用效率、效果和資源的開放共享。

2 虛擬仿真實驗教學概述

隨著教育教學改革不斷深化，在一流高校、一流學科和新工科建設的背景下，探索虛擬仿真實驗平臺的建設，實現實驗教學的信息化、共享化和個性化具有重要意義[3]。

虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化建設和實驗教學改革的重要組成部分。自2013年以來，教育部正式啟動建設國家虛擬仿真實驗教學中心。2017年，教育部提議建立示范虛擬仿真實驗教學項目，計劃從2017年到2020年確定大約1 000個示范性虛擬仿真實驗教學項目[4]。2018年5月，教育部決定認定105個項目為首批國家虛擬仿真實驗教學項目。2019年1月教育部高等教育司發(fā)布了《關于2018年度國家虛擬仿真實驗教學項目名單的公示》，共有298個項目入選第二批國家虛擬仿真實驗教學項目。

3 虛擬仿真實驗教學平臺設計

網絡安全和計算機技術虛擬仿真實驗教學平臺的構建主要為了提高學生的實踐技能和創(chuàng)新意識。以實驗教學資源信息化為建設的重點，把共享和開放優(yōu)質的資源作為目標[5]。建設過程堅持“虛實結合、能實不虛”的原則，結合個性化、多元化、信息化的教學模式；綜合應用多媒體技術、虛擬仿真技術、云計算、人機交互等技術構建實驗教學平臺。

3.1 以學生為本，聚焦創(chuàng)新人才培養(yǎng)

網絡安全與計算機技術虛擬仿真實驗教學平臺的構建，堅持一切從學生的需求出發(fā)，綜合培養(yǎng)創(chuàng)新精神和實踐能力，以問題為導向，結合教學大綱和內容，重點解決真實實驗項目條件不具備或實際運行存在困難的實驗。堅持科學規(guī)劃，資源共享，突出重點，提高效率和可持續(xù)發(fā)展的指導思想；堅持“虛實結合、能實不虛”的原則，將虛擬仿真實驗教學資源整合到現有的教學系統(tǒng)中，為涉及網絡安全病毒泄露危害性大、計算機網絡通信原理可見性差或者實驗成本高的不可逆實驗（如交換機、服務器和CPU）等提供可靠、安全和經濟的實驗項目。

3.2 創(chuàng)新教學，構建實驗教學新模式

傳統(tǒng)教學模式主要是以教學大綱為主，往往忽視學生的自身認知水平和知識積累情況，無法真正做到個性化提供實驗資源。由于實體設備限制，大部分實驗是原理驗證型練習，為了獲得已知的唯一實驗結果，往往不允許學生出錯，這極大限制了學生的創(chuàng)造能力和創(chuàng)新意識，也無法真正提升他們探索未知的能力。虛擬技術的出現為實驗教學問題提供了新的視角和新的解決方案[6]，可以有效改變傳統(tǒng)的實驗教學模式，改變以教為主的教育現狀，提升學生自學和動手實踐的能力，實現理論與實踐教學的結合[7]；同時，在虛擬仿真網絡環(huán)境中，開展網絡安全攻防實驗和大型網絡綜合設計類實驗，不會出現病毒泄露等網絡安全隱患。虛擬仿真實驗能夠結合個性化、多樣化和信息化的實踐教學新體系，形成基礎型、應用型、綜合型和創(chuàng)新型實驗有效融合的實驗教學新模式。

3.3 技術融合，打造虛擬仿真實驗平臺

綜合應用多媒體技術、虛擬現實技術、云技術、網絡技術、人機交互技術等，構建網絡安全和計算機技術的虛擬仿真實驗教學平臺，平臺的結構拓撲圖如圖1所示。

平臺依托校園的網絡，包括服務器和實驗終端兩部分，服務器模塊默認安裝虛擬實驗教學系統(tǒng)，為實驗終端的訪問請求提供服務，并保存實驗結果、實驗報告等數據。實驗終端區(qū)將為用戶提供一個虛擬仿真實驗平臺，學生只需輸入賬號密碼，即可以登錄平臺，隨時隨地進行實驗操作；教師可以共享實驗資源，在線指導實驗，批改實驗報告等；教務和實驗室管理人員可以進行課程發(fā)布、儀器設備管理等，真正實現實驗教學網絡化、數字化和智能化。

圖1 虛擬仿真實驗平臺結構拓撲圖

4 虛擬仿真實驗平臺建設

基于真實的網絡安全設備，采用軟件仿真和硬件虛擬的方式，可以建立一套技術先進、覆蓋面廣和擴展性強的虛擬仿真實驗教學平臺。平臺包括虛擬仿真實驗課程體系和實驗教學系統(tǒng)兩個部分，采用多媒體形式講解理論知識，采用人機交互式進行實驗操作，用大數據智能化分析實驗結果。通過該平臺，學生可以獨立或分組合作進行學習和實驗操作。

4.1 虛擬仿真實驗課程體系

開放式虛擬仿真實驗教學平臺的課程體系是基于國家級實驗教學中心現有的實驗教學體系進行規(guī)劃和建設的，平臺上部署了9個虛擬仿真實驗教學資源，如圖2所示。

圖2 網絡安全與計算機技術虛擬仿真實驗教學資源

目前已經開發(fā)了345個虛擬仿真實驗，直接支持計算機網絡實踐、網絡信息安全、Internet技術與協議分析、數字邏輯等14門實驗課程。該平臺為網絡工程、信息安全、軟件工程、大數據和計算機科學與技術專業(yè)的學生提供服務，同時實驗資源也共享給全校其他專業(yè)的學生使用。網絡安全和計算機技術虛擬仿真實驗教學課程體系如圖3所示。

圖3 網絡安全與計算機技術的虛擬仿真實驗課程體系

4.2 虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)

虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)主要采用C/S架構，集成所有虛擬仿真實驗教學資源，實現在線學習、在線教學、在線操作、在線評估、在線管理等功能。網絡安全與計算機技術虛擬仿真實驗教學平臺的用戶角色主要有教師、學生、教務和管理員。平臺的功能如圖4所示，主要包括實驗前的預習、實驗的開課管理、典型實驗庫的維護、實驗教學安排、實驗過程的指導、實驗結果的批改、實驗成績統(tǒng)計查詢等功能。

實驗教學管理模塊可以有效地安排教學任務，對實驗教學環(huán)節(jié)進行流程化管控，改革傳統(tǒng)的教學模式，有效提高實驗教學質量。①該模塊可以自動生成實驗教學任務書，并能根據實際需要調整教學任務和教學計劃，可在線審核與調整實驗課程。②支持智能排課設計，以實驗項目為基礎，實現多類型混合排課，支持實驗教學改革的新型教學模式。③支持實驗分批、自主選課等方式，支持小組組隊的實驗模式。④對實驗室、課程、教師、學生等資源占用情況進行分析，提供智能的實驗資源沖突檢測。⑤按照實驗課程匯總成績，提供數據接口給教務處，可進行成績分析和統(tǒng)計。⑥可以上傳和發(fā)布多種多樣的實驗資源，并能對實驗資源進行統(tǒng)一管理。

圖4 網絡安全與計算機技術虛擬仿真實驗教學平臺的功能

系統(tǒng)還提供實驗管理、實驗工具等多種擴展接口，方便教師添加新實驗，并在校企合作模式下進行實驗內容的共享開發(fā)。教師可以根據自己的需求進行全新操作系統(tǒng)的安裝、定制課件和共享課件，也可以采用產品中自帶的虛擬機母本進行復用，重新配置。系統(tǒng)提供編程接口，可開展有深度的實驗和實驗項目開發(fā)，可開展有廣度又有深度的實驗。平臺還提供多媒體的交互式練習、測試、在線答疑等功能，并支持人工組卷和智能組卷兩種出卷模式。

學生在實驗過程中，平臺支持斷點續(xù)存，能自動保存當前學習進度，方便學生隨時隨地開展實驗；系統(tǒng)中的實驗環(huán)境以虛擬機形式存在，能夠讓實驗環(huán)境在短時間內啟動，使實驗操作更加便捷、高效。同時，平臺還能對學習行為分析，為提升教學效率提供決策參考；學生提交實驗結果后，系統(tǒng)可以設置手動校正或自動校正實驗報告。批改完作業(yè)后，平臺將評價結果反饋給師生，同時會把成績等信息匯總到成績管理模塊，進行數據處理和分析，為實驗教學調整提供決策依據。

系統(tǒng)管理模塊可以管理和設置系統(tǒng)用戶的權限。考勤管理模塊主要負責值班人員考勤登記和學生上課考勤的智能化管理，智能統(tǒng)計和生成每門課程上課情況的報表。開放預約管理模塊，讓學生可根據興趣和需求，預約實驗資源，進行個性化實驗設計。整個平臺的數據分析模塊可以為實驗室調配資源提供依據，對實驗教學環(huán)節(jié)產生的真實數據進行匯總統(tǒng)計分析，為實驗教學改革和中心建設提供數據支持。

5 平臺應用效果

在構建虛擬仿真實驗教學平臺的過程中，福州大學網絡信息安全與計算機技術國家實驗教學示范中心構建了多層次的校企合作實踐教學體系。學校主要負責實驗內容規(guī)劃，提供智力支持；合作企業(yè)根據學校實驗教學需求提供個性化的技術支持和服務。平臺具有很強的可編程和配置性，系統(tǒng)開放內容、開發(fā)接口。教師可根據需要定制課件和實驗資源；學生可以隨時隨地開展實驗，根據自身知識水平和能力選擇實驗內容，也可以自己設計實驗進行探索。實驗教學管理模塊能對課程實驗資源進行有效管理，數據分析模塊能針對學生的學習行為進行分析，為實驗教學改革提供智能化決策。

平臺主要面向計算機科學與技術、網絡工程、軟件工程、信息安全、大數據等專業(yè)的學生開放資源。從2016年建設以來，截止2018年12月，網絡安全與計算機技術虛擬仿真實驗教學平臺累計使用情況見表1。

表1 2016—2018年虛擬仿真實驗資源累計使用人次

平臺每年實驗學生人數約1 300余人，為實驗教學及科研提供了一個完整的、一體化的實驗教學環(huán)境。該虛擬仿真實驗平臺能將抽象的教學內容“變”形象，將復雜的教學內容“變”簡單，將簡單驗證型實驗“變”為綜合設計型實驗，對于學生理解實驗原理、提升實踐能力、提高創(chuàng)新意識有很好的促進作用。目前，現有的虛擬仿真實驗資源主要通過中心門戶（http：//cmcs.fzu.edu.cn/isct/jsj/）和福州大學在線實驗吧（http：//fzu.shiyanbar.com/）面向全國開放和共享，力求實現校內共享、校企共享和校外共享[8-10]。兩年多的實驗教學成果表明，該平臺運行效率高，學生受益面廣，資源共享程度高，已成為實驗室建設新的亮點和教學質量提升的助推器。

6 結 語

網絡安全與計算機技術虛擬仿真實驗教學平臺的建設，加速了實驗教學的信息化改革和優(yōu)質資源的共享。該平臺能實現高危的網絡攻防實驗、不可見的原理型實驗、大型的綜合實驗等，提高設備的使用效率，降低成本，提升系統(tǒng)及資源部署的靈活性、管理的復雜度，提高實驗的安全性和穩(wěn)定性。平臺能使學生更靈活、更自主地控制學習時間和學習進度，進行個性化實驗教學，有利于促進實驗教學質量的提升，綜合培養(yǎng)學生解決實際問題的能力和創(chuàng)新意識。未來，相關的研究人員計劃在現有的平臺上繼續(xù)拓展，開發(fā)更豐富的實驗教學項目，也進一步探索可持續(xù)化的資源共享形式。