面向地方院校工程教育类专业的虚拟仿真实验教学中心建设

刘军　施晓秋　金可仲

摘要：虚拟仿真实验教学是信息技术促进实验教学改革与创新的产物。从支撑人才培养目标达成和实现优质实验教学资源共享两大主题出发，阐述了“学生发展为中心、工程应用为特色、能力培养为导向、多元协同为抓手、虚实互动增成效、开放共享促辐射”的建设思路，并给出了温州大学网络工程国家级虚拟仿真实验教学中心的建设实例，可为地方院校工程教育类专业实施虚拟仿真实验教学建设提供借鉴与参考。

关键词：实验教学；虚拟仿真；网络工程；多元协同；虚实互动

实验教学作为学生实践能力和创新能力培养的重要载体，需要有相应的实验教学平台作为支撑。传统的实验教学平台采用实体形式，以物理空间中的实体设备、器件和材料为实验对象或载体，具有真实、直观、直接的优点，但存在更新运维成本高、规模与复杂度受限、可扩展性差、开放共享难等不足。虚拟仿真实验教学综合运用信息与通信技术，在信息空间中构建高度仿真的实验操作环境和实验对象，提供类似于实体实验教学的体验与效果，具有近似、抽象和间接的特点，并在可视性、交互性、安全性、可扩展性与可共享性等方面具备优势，是对实体实验教学的有益补充与完善。

一、虚拟仿真实验教学中心建设需要解决的关键问题

作为专业人才培养的重要教学保障和优质实验教学资源共享的主要载体，虚拟仿真实验教学中心建设不能简单停留在对实体实验教学项目的信息化再现或资源堆砌，必须思考并解决以下六方面的关键问题。

第一，建设理念。涉及虚拟仿真实验教学中心的基本指导思想、建设目标、服务面向，以及在专业人才培养中所应承担的角色或发挥的作用。

第二，建设内涵。与指导思想、建设目标与服务面向相适应，涉及虚拟仿真实验教学中心建设的教育教学品质与特色，例如是以基础研究与教学为特色，还是以工程研发或工程应用教学为特色。

第三，建设主线。涉及虚拟仿真实验教学中心建设的核心线索或体系，需要系统而有效地组织有关的实验教学资源，以满足中心的服务功能与特色。

第四，建设方法与途径。通过什么样的方法与途径实施虚拟仿真实验教学中心建设，是院校单独建设，还是校内外协同；是自主开发，还是购买服务，抑或是多方面结合。

第五，使用模式。如何将虚拟仿真实验教学中心资源运用于课内外教学，其与实体实验之间是什么关系，如何发挥各自的优势与长处，以提高实验教学的实效。

第六，开放共享机制。虚拟仿真实验教学中心如何实现优质实验教学服务的开放共享，包括服务的对象与范围、策略与机制以及服务能力等。

二、面向工程应用型人才培养的虚拟仿真实验教学中心建设思路

作为地方本科院校，温州大学网络工程专业以培养工程应用型人才为目标。为此，针对前述六大关键问题，我们提出了“学生发展为中心、工程应用为特色、能力培养为导向、多元协同为抓手、虚实互动增成效、开放共享促辐射”的基本建设思路。

（1）学生发展为中心，解决建设理念问题。服务于网络工程专业工程应用型人才培养目标，作为该专业实践教学平台的重要组成部分，虚拟仿真实验教学中心立足学生创新精神、综合素质与实践能力的协调发展，支撑问题分析、问题研究、解决方案设计以及现代工具使用等相关毕业要求与培养标准的达成，并促进学生的自主性学习与个性化学习。

（2）工程應用为特色，解决建设内涵问题。虚拟仿真实验教学中心建设内涵与品质必须和网络工程专业工程应用型人才的培养目标与特色相契合，并着重在三个层面上予以把握：一是教学内容有效覆盖网络工程生命周期的主要应用环节，包括规划与设计、部署与开发、运行与维护等；二是实验平台完全支持当前主流的网络设备厂商及其产品，与业界主流网络技术及其应用无缝对接；三是综合性、设计性和创新性虚拟仿真实验教学项目都来源于网络工程实际问题或相关项目案例。

（3）能力培养为导向，解决建设主线问题。改变传统的以课程为核心的教学组织框架，体现以能力为导向，围绕工程实践能力、工程设计能力与工程创新能力培养，针对递进性的分级能力培养目标，对虚拟仿真实验教学资源在实现技术、方式和手段等方面进行系统而精细地设计与开发。

（4）多元协同为抓手，解决建设方法与途径问题。为了落实能力培养核心与工程应用特色，依托高校与企业、教学与科研、教学研究与教学实践的多元协同，建立由教师、研究人员与工程师组成的专业化团队，融合虚拟仿真实验教学相关的教育、科技与工程优质资源，深度协作致力于虚拟仿真中心的开发与建设。

（5）虚实互动增成效，解决使用模式问题。充分发挥虚拟仿真实验教学与实体实验教学各自的优势，改革单纯基于实体实验教学资源的传统模式，结合分级能力培养目标，构建与实施虚拟实体高度互补、线上线下有机互动的新型实验教学模式，贯穿课内课外的各项教学活动，全面提高实验教学效果。

（6）开放共享促辐射，解决推广机制问题。建立管理服务与技术服务的“双轮驱动”机制，促进虚拟仿真中心的开放共享。在管理服务方面，面向兄弟院校、业界企业的团体与个人用户提供“Lab as a Service”形态的虚拟仿真实验教学云计算服务，为兄弟院校提供以全面降低使用门槛在技术服务方面，利用先进的虚拟数据中心网络技术提供安全、稳健、灵活的虚拟仿真实验教学服务，充分保障虚拟仿真实验教学服务的品质。

三、网络工程国家级虚拟仿真实验教学中心建设实践

依据上述基本建设思路，温州大学网络工程国家级虚拟仿真实验教学中心主要进行了以下建设实践。

1.能力培养为导向的虚拟仿真实验教学体系

以“专业基本技能一综合实践能力一工程实践能力一工程设计/创新能力”的递进式模型为主线，围绕综合分析和解决复杂网络工程问题的能力进行了虚拟仿真实验教学体系建设，如下表所示。

其中，专业基本技能培养阶段的虚拟仿真实验以演示认知型、分析验证型以及基础操作型等形式为主，以对少量技能点的认知或理解为教学目标，以可视性、交互性表现突出的软件仿真技术为主要实现途径，网络工程问题复杂度低；综合实践能力培养阶段的虚拟仿真实验以综合训练型为主，以对数个领域的大量技能点的整体掌握为教学目标，以仿真程度高的硬件虚拟技术为主要实现途径，网络工程问题复杂度较高；工程实践能力培养阶段的虚拟仿真实验以工程演练型为主，以掌握真实网络工程项目的部署与实施、测试与验证为主要教学目标，以仿真程度高的硬件虚拟技术为主要实现途径，网络工程问题复杂度高；工程设计/创新能力培养阶段的虚拟仿真实验以创新设计型为主，以掌握真实网络工程项目的规划、设计与开发为主要教学目标，结合软件仿真技术与硬件虚拟技术实现，网络工程问题复杂度最高。

2.工程应用为特色的虚拟仿真实验教学项目库

在虚拟仿真实验教学项目库的建设中，主要通过以下三种途径实现工程应用内涵与特色。

（1）虚拟仿真实验教学项目的技术与产品覆盖面接轨当前网络工程行业的热点应用领域与主流产品。包括网络互连、网络安全、无线局域网、协作网络、数据中心网络、运营商网络等，支持对这些领域各主流厂商设备的软件仿真或硬件虚拟。

（2）虚拟仿真实验教学项目的能力点定位与设计源于网络工程应用的实际需要，根据当前网络工程生命周期各阶段对工程能力要求的分布，对实验教学内容进行细致的梳理与筛选。每门课程精选出若干能力点，并依据规划与设计、部署与开发、测试与验证、运行与维护等不同阶段内能力点之间的关联性，有针对性地设计虚拟仿真实验教学项目的能力点组合方案。

（3）在虚拟仿真实验教学内容的组织与设计上，以能力点目标组合方案为出发点，以网络工程案例为背景素材，以实际需求和工程问题为导向，进行虚拟仿真实验教学项目的设计，保障其真实性、时效性以及针对性。网络工程案例主要来源于合作企业工程师参与或主持的工程项目，经过有丰富经验的工程师根据分级能力目标对复杂网络工程问题的分解、梳理与萃取。

当前，虚拟仿真中心建成的306个实验教学项目对应于分级能力培养目标的项目数量比例大致为4：4：1：1，其中直接来源于实际网络工程案例合计占总数的一半以上。

3.多元协同的虚拟仿真实验教学中心开发与建设方式

多元协同的开发与建设方式体现在三个方面，即高校与企业协同、教学与科研协同、教学研究与教学实践协同。

首先，通过与两家业界领军企业（思科系统与思博伦通信）的校企协同，在技术层面获得了网络功能虚拟化的授权，解决了对网络系统进行高度虚拟和仿真的核心技术难题，同时获得了工程师的加盟，增强了开发与建设队伍的整体技术实力；在资源层面得到了企业一线工程师队伍的宝贵经验，解决了虚拟仿真实验教学项目案例主要来源的关键问题；在管理层面借鉴了企业在线实验室开放与管理模式，解决了虚拟仿真实验教学服务的安全性和稳健性问题。

其次，充分利用高校教师队伍教学与科研并举的优势，依托教学与科研协同实现了科研反哺虚拟仿真实验教学。一是通过学生课外科技与创新活动等形式，将科研成果直接或间接转化成虚拟仿真实验教学项目，此类项目占总数近14%；二是在虚拟仿真中心的开发与建设中，转化了许多虚拟化与云计算领域的科研成果，到目前为止直接实施应用的发明专利共有6项，主题涉及网络服务质量、虚拟机资源配置以及云计算调度等。

最后，依托教学研究与教学实践的协同解决了虚拟仿真中心建设各个层面的多个关键理论问题。例如，针对虚拟仿真中心硬件平台的建设，先后依托两项浙江省提升地方高校办学水平专项资金项目开展了主题为“多租户虚拟数据中心网络建设”的研究；针对虚拟仿真中心软件平台的建设，依托浙江省高校实验室工作研究重点项目开展了主题为“‘实验教学即服务的云计算模式构建”的研究；针对虚拟仿真实验教学的应用，依托浙江省高等教育课堂教学改革项目开展了主题为“依托虚拟仿真实验教学平台的混合式实践教学模式探索”的课题研究；针对校企合作开发与建设虚拟仿真中心的机制，依托浙江省高等教育教学改革项目开展了主题为“基于企业生态系统的分布式工程实践教育中心建设模式探索与实践”的课题研究。

4.虚实互动的实验教学资源使用模式

相对于传统的网络工程实体实验教学，网络工程虚拟仿真实验教学在以下方面具有明显的优势，对实体实验教学起到补足与增强作用。

首先，弥补了实体实验教学在开放时间、地点和方式上的不足，实现在任意安装有浏览器的终端设备上随时随地访问虚拟仿真实验教学资源以及实体实验教学资源进行练习，为自主性学习和个性化提供充分的保障。

其次，克服实体实验教学可见性与交互性差的弱点，实现对网络协议和网络系统工作原理的交互式可视化呈现，促进对基本技能点的認知、理解与掌握。

再次，克服实体实验教学在拓扑规模、网络特性以及管理便捷性等方面的局限，以低成本构建特性更丰富、结构更复杂的虚拟仿真实验教学环境，进而实现简捷高效的连接与配置管理，提高综合性实践教学的品质。

最后，克服实体实验教学由于成本因素而明显滞后于工程应用发展水平的局限，支持跨厂商、多系列高端网络设备，支持对复杂网络系统连接与配置的多视角可视化交互管理，用于在专业实习或毕业设计环节中对实际复杂网络工程项目进行快速概念验证。

为充分发挥虚拟仿真实验教学在支撑实践能力培养目标的不同维度上的优势，结合能力分级目标的特点，依据两者之间的内在逻辑关系，可以将实验教学资源的组合使用模式分为四种：虚辅实主、虚实并举、虚主实辅以及纯虚拟仿真。

（1）虚辅实主模式。利用上述第一与第二项优势，适用于专业基本技能培养阶段。虚拟仿真实验教学项目是对实体实验教学项目的近似仿真，虚拟仿真实验平台用于课前预习以及课后练习，而在课堂中使用实体实验平台与虚拟仿真实验相互印证。

（2）虚实并举模式。利用上述第一与第三项优势，适用于综合实践能力培养阶段。虚拟仿真实验教学主要面向开放实验项目、学生科技创新项目、专业技能竞赛等课外教育活动，而实体实验教学面向日常课堂。

（3）虚主实辅模式。利用上述第一与第三项优势，适用于工程实践能力培养阶段。虚拟仿真实验平台用于前期耗时较长、不依赖于实体设备的建模与部署环节，实体实验平台用于后期耗时较短、依赖于实体设备的验证与测试环节。

（4）纯虚拟仿真模式。利用上述第一与第四项优势，适用于工程设计/创新能力培养阶段。学生在进入企业学习阶段后，用于大规模复杂网络工程解决方案的概念验证，包括规划与设计、建模与开发，用于新建网络解决方案的展示、客户网络割接方案的预演以及客户网络故障排错方案的验证等。

当前，虚拟仿真中心所有实验教学项目覆盖10门专业课程、5门综合实践课程、4大类课外教育活动以及专业实习与毕业设计，时间跨度从大二下到大四。从整体人才培养过程来看，随着专业教育阶段的逐步深入，实践能力培养目标逐步提升，所涉及的工程问题复杂度随之提升，对实验教学平台支持能力的要求越来越高。相应地，所依托的实验教学环境也由以实体中心为主逐渐演变为虚实结合，最终过渡到以虚拟仿真中心为主。

5.虚拟仿真实验教学开放共享的实现与推广

虚拟仿真中心对外开放共享提供虚拟仿真实验教学服务的内涵包括管理服务与技术服务两个方面。在管理服务方面，使用高级服务调度引擎将所有虚拟仿真实验教学资源整合起来，以“实验教学即服务”（Lab as a Service，LaaS）的形态统一对外提供开放共享。此外，对于兄弟院校与行业企业等团体用户，为其提供专有的管理门户，便于自我管理。在技术服务方面，构建了安全、健壮、高效、可扩展的技术平台架构。其中，软件仿真前端提供可视化的实验教学体验；而硬件虚拟后台创建虚拟仿真网络的运行实例并提供远程配置与管理手段，而云监控与管理、云备份与安全提供充分的服务质量保障。

在面向专业点的开放共享推广上，充分发挥作为国家专业综合改革试点专业、卓越工程师教育计划试点专业的影响力，通过举办或参加会议、兄弟院校来校考察、国家和省级精品资源共享课开放共享、网络工程专业建设指导方案的编制等为抓手，向兄弟院校进行宣传与推广。在面向行业企业与零散学员的开放共享推广上，积极发挥合作企业作为行业领头羊的影响力，与其市场、宣传以及技术部门合作，以合作伙伴聚会、用户交流大会以及技术培训班为抓手，向其渠道合作伙伴、学习合作伙伴以及最终用户进行宣传与推广。

经过四年的持续建设实践，温州大学网络工程虚拟仿真实验教学中心已取得了很好的教学成果。近三届毕业生调查表明，其在促进学生工程实践能力培养中的角色得到广泛认同，学生工程能力提升效果明显，中心的开放范围由兄弟院校扩展到了企业，2015年初成功入选国家级虚拟仿真实验教学中心。

[责任编辑：余大品]