虚实结合建设高水平虚拟仿真实验教学中心

2017-12-15蔡茂国朱安民

实验室研究与探索 2017年11期

关键词：网络工程实验室计算机

明仲，蔡茂国，朱安民

(深圳大学计算机与软件学院，广东深圳 518060)

虚实结合建设高水平虚拟仿真实验教学中心

明仲，蔡茂国，朱安民

(深圳大学计算机与软件学院，广东深圳 518060)

如何建设符合企业人才需求的高校计算机教育实验室，是全国高校计算机专业面临的重要课题。分析了我国高等教育实验室建设方面的现状，在国家级“计算机实验教学示范中心”的基础上，以“虚实结合、能实不虚”为导向，提出以“实验项目驱动为主导、以做中学为学习方式”的教学理念，建设高水平的“网络工程虚拟仿真实验教学中心”，希望能够为同类高校计算机专业的实验教学及人才培养提供思路。

实验教学示范中心；虚拟仿真；网络工程；虚实结合

0 引言

实验室是高校进行教学、研究、培养高素质人才的重要场所。实践动手能力的培养在高等教育和创新人才培养中占有非常重要的地位[1-2]。为了加强学生实践能力和创新能力的培养，加快实验教学改革和实验室建设，提升办学水平和教育质量，教育部非常重视高校实验室的建设，于2005年启动评审建立一批国家级实验教学示范中心[3]，并且每年严格评审并建立一批[4-6]。随着信息技术的发展，作为传统实验教学的一种有效补充，虚拟仿真实验教学已经成为加强实践教学、提高教学质量的重要手段，它不仅可以在一定程度上代替传统的实验教学，而且可以克服传统实验的各种制约和弊端，从而有效地解决目前实验教学中存在的诸多问题。因此，教育部又在建设国家级实验教学示范中心加强实验教学的基础上，于2013年提出了国家级虚拟仿真实验中心的建设工作[7]。全国高校在此背景下进行了实验教学中心建设的探讨[8-12]。如何领会教育部的精神，建设好符合企业人才需求的高校计算机教育实验室，这是全国高校计算机专业面临的重要课题。

1 计算机实验教学理念

实验教学是高校课程教学的重要组成部分。近年来，深圳大学计算机实验教学示范中心以培养“高素质、强能力、会创新、能创业”的工程应用型计算机高级专门人才为目标，在实验教学理念(见图1)和实验教学改革等方面进行了持续的探索和实践，建立了系统的、独具特色的计算机实验创新人才培养体系[13-15]。

图1 实验教学理念示意图

以学生为中心，重视学生实践能力的培养，以实验项目驱动为主导，倡导“做中学”的实验学习方式，培养学生自主学习能力，同时重视学生基本能力的培养，强调理论和实践相结合；重视科研成果向实验项目有效转化，强化创新、研究意识，注重创新、创业意识的引导，促进科学研究能力培养，突出个性能力发挥，促进学生知识、能力、素质协调发展；重视校企业合作，为学生创建贴近实际的模拟、虚拟、仿真实验环境，全面培养学生的科学作风、实验技能以及综合分析、发现和解决问题的能力，使学生具有创新、创业精神和实践能力。

2 改革实验教学方法与手段

计算机实验教学中心、网络工程虚拟仿真实验教学中心，承担全校的实验教学任务比较繁重和复杂，涵盖了80个专业的大学公共计算机基础课程实验教学，全校计算机相关专业的课程实验教学，以及计算机与软件学院计算机科学与技术、软件工程、网络工程、高性能计算等软、硬件的实验教学。计算机实验中心还积极应对计算机技术软、硬件不断发展的趋势，实验技术和实验教学方法，需要不断学习、不断更新。为此，根据中心建立的“课程实验+开放实验”双轨交叉的实验教学体系，遵循既注重实验教学的规范性、统一性、系统性，又兼顾创新型人才、复合型人才的“因材施教”“兴趣培育”“重点培养”的原则，采用了以下5种实验教学方法。

(1) 统一指导，独立完成实验教学方法。对于大学公共计算机基础实验(为全校非计算机类专业开设)以及计算机技术基础实验课程，如计算机基础(理工科、文科)、多媒体技术与应用、办公软件高级应用、C/C++程序设计；数据结构实验与课程设计、程序设计实验与课程设计、数字逻辑与数字系统等程序开发类为主要实验内容的实验，以及数字逻辑与数字系统等以硬件基本原理验证型实验，基本上属于应独立完成的简单实验，一般先由实验老师进行集中指导，然后由学生根据实验指导书独立完成。为了加强训练计算机类专业学生编程能力，实验中心对计算机重点语言类课程单独设立实验课，专门为程序设计与课程设计、数据结构与课程设计两门课程各安排了每周4 h(共计8 h/周)的实验，采用“全程紧张、机考评分”的全新实验教学方式，训练学生规范、熟练地掌握计算机编程能力，取得了良好的实验效果。

(2) 典范引导，独立完成实验教学方法。对于计算机应用基础实验课程，如操作系统，计算机网络、计算机组成原理、计算机体系结构、数据库系统、微型计算机技术等实验课程，具有中等难度，一般先由老师通过讲授与实验相结合的方式进行典型示范，然后由学生根据实验指导书独立完成。

(3) 自主设计、协同完成实验教学方法。对于综合设计性实验课程以及大部分计算机应用实验课程，如操作系统课程设计、动画与游戏设计等实验课程，以及各个实验课程(特别是计算机应用基础课程)中部分设计性实验项目，这些实验目标和要求明确，但实验内容和具体实现方案，必须由学生进行精心设计和安排。这类实验一般每组由2～4个学生组成，共同设计实验方案，规划实验步骤，老师在实验过程中，给予必要的指导，实验结果由实验小组协同完成。有的设计性实验还采用学生讲解、老师学生提问的答辩方式对实验结果进行评判。

(4) 个别指导，项目管理实验教学方法。对于高年级学生参加的毕业设计，以及实验室开放基金创新实验项目；各省级、市级重点实验室、科学研究所研究成果转化的研究型实验项目；学生参加国际/国内各种类型的计算机大赛而设计的创新性实验项目，皆采取老师个别指导，学生实验小组自主完成的教学方式。实验项目的目标由学生和指导老师共同商定，实验方案、实验步骤由学生实验小组自行制定，实验过程中，老师分阶段定期对学生进行指导，实验结果一律采用答辩的方式进行。

(5) 师徒教学、贴近实战实验教学方法。对于校企联合创新俱乐部开设的创业性实验项目，按照学生学习兴趣，将学生分成小组，进入校企联合创新俱乐部，采用师徒教学方式，由一个老师指导少量学生，按照企业对产品要求，设计实验项目，并进入相关企业，直接针对产品要求进行实验方案设计、规划实验步骤，实验过程在企业和学校共同进行。实验完成后由学校和企业共同组织答辩，企业承认实验结果，并发给相应能力认可证书，甚至毕业后直接进入企业就业。

3 建设网络工程虚拟仿真实验教学中心

本着“实验教学与科研成果转化有机结合、现场实验与虚拟仿真实验虚实结合、实验中心与企业紧密联合”的建设理念，以“虚实结合、能实不虚”为导向，在计算机实验教学示范中心的基础上，建立了网络工程虚拟仿真实验教学中心。

3.1 虚拟仿真实验教学中心组织架构

深圳大学网络工程虚拟仿真实验教学中心，依托计算机与软件学院计算机科学与技术(国家特色专业、省级名牌专业)、网络工程、物联网专业；广东省普及型高性能计算机重点实验室等省级重点实验室；深圳市移动互联网应用中间件技术工程重点实验室、深圳市嵌入式系统设计重点实验室和深圳市物联网专用集成电路设计工程实验室等3个市级重点实验室，以及网络与信息安全研究所建设。已建成9个与网络工程虚拟仿真实验相关的实验室(网络信息安全虚拟仿真、计算机网络技术、计算机网络集成、物联网室、嵌入式系统、云计算机智能服务中心I、II、计算机硬件技术实验室I、II)，见图2。

图2 网络工程虚拟仿真实验教学中心组织架构

3.2 加强虚拟仿真实验教学中心教学资源建设

中心已建成开放式网络工程虚拟仿真实验教学管理与共享平台，以及虚拟仿真实验教学系统(资源)7个，已建成虚拟仿真实验课程11门，虚拟仿真实验项目201项。

(1) 虚拟仿真实验教学管理与共享平台。该平台基于J2EE架构的B/S结构，将所有网络工程的虚拟仿真实验资源，全部整合到统一的平台上，进行高效管理和共享。可以促进学生学用结合，实验的安排更加灵活方便且不受时间、空间限制。只要有网络的地方就可以动手做实验，实现真正意义上的虚拟仿真开放实验室。通过该平台的建设，解决了计算机与软件学院计算机科学与技术、网络工程、物联网工程，以及其他学院的相关专业，包括电子、通信等专业的网络虚拟仿真实验教学问题，完善了现有实验教学体系。

(2) 专用集成电路(ASIC)芯片设计与物联网设备设计虚拟仿真实验教学系统。网络工程虚拟仿真实验教学中心，多年来率先开展专用集成电路(ASIC)芯片虚拟仿真实验，已建成专用集成电路(ASIC)芯片设计虚拟仿真实验教学系统，开展了多项具体与网络通信有关的芯片设计实验，包括：超低功耗高灵敏度无线接收芯片、无源数据和时钟同步精确恢复芯片等实验，将最新的网络技术，以芯片级的硬件加以实现，并将这些芯片设计的成果，直接应用在物联网等设备实现上，为学生们尽快掌握新的网络技术，并锻炼网络工程硬件设备的设计，起到了很好作用。

(3) 软件定义网络(SDN)虚拟仿真实验教学系统。网络工程虚拟仿真实验教学中心，率先开展软件定义网络(SDN)虚拟仿真实验，已建成软件定义网络(SDN)虚拟仿真实验教学系统，开展了多项具体软件定义网络(SDN)实验，包括：搭建软件定义网络实验环境、搭建软件定义网络实验拓扑、软件定义网络控制器基本编程、建立二层防火墙等网络虚拟化实现。

(4) 网络信息安全虚拟仿真实验室及教学系统。网络信息安全虚拟仿真实验室与教学系统分为服务区及客户操作区两部分。其中服务区存放实验教学系统相关的硬件设备，包括管理中心设备、数据服务设备、安全实验设备、交换设备和显示控制设备等，为实验系统提供完善的硬件支撑环境；客户操作区为实验室用户操作区，主要为学生用PC机、教师管理PC机。

(5) 计算机网络虚拟仿真实验教学系统。计算机网络虚拟仿真实验教学系统由课程实验仿真平台和虚拟实验教学管理系统两部分组成。仿真平台模拟真实实验中用到的器材和设备，提供与真实实验相似的实验环境；虚拟实验教学管理系统提供全方位的虚拟实验教学辅助功能。计算机网络虚拟仿真实验教学系统可开展大多数普通网络类的虚拟仿真实验。

(6) 大型综合性网络虚拟仿真实验教学系统。大型综合设计性网络实验系统，包括大型校园网络需求分析、方案设计与系统集成，企业网搭建与应用，园区网互联及网站建设等。大型综合设计性网络实验的难点在于实验设备种类多、数量大、拓扑结构复杂多样、设置和调试复杂困难。在虚拟仿真实验环境中，①将目前尽量多的主流的各种路由器、交换机的虚拟设备增加新系统中，并留下扩展空间；②还可根据教学需要，灵活添加新的实验设备及典型实验，提供个性化定制功能；或者在网络设备及技术进步后，再新增网络设备和功能。

(7) 移动通信原理虚拟仿真实验教学系统。移动通信原理虚拟仿真实验系统，包括信源、信号处理、信道、滤波器与信道编码、调制解调、计算分析与绘图等实验，支持“通信原理”“无线网络技术”“无线传感器网络”等课程的虚拟仿真实验教学。

(8) 网络设备基础虚拟仿真实验教学系统。网络类的设备(路由器、交换机等)，本质上是一种专用计算机，具有计算机硬件的所有共性，因此，对计算机硬件系统、对网络设备的学习和理解有非常大的帮助。为此，中心专门建设了计算机系统虚拟仿真实验教学系统，通过虚拟仿真实验，使学生掌握LC-3小型计算机系统的设计和工作原理，初步掌握机器语言, 汇编语言和高级语言的编程方法, 让学生对计算机系统软件和硬件有一个整体理解，从整体上为理解网络设备(路由器、交换机等)的原理打下坚实的基础。

中心教学资源统计资源如表1所示，表2列出了其中的10项典型的实验项目。

表1 中心虚拟仿真实验教学资源统计表

表2 典型实验项目及所属教学系统一览表

3.3 虚拟仿真实验教学中心特色

网络工程虚拟仿真实验教学中心在“实验统一规划、人员统一调配、资源统一使用”的管理体制下，以“实验教学体系和教学手段现代化，科研成果向实验教学内容转化常态化，创新创业实验企业化，中心实验规模化，实验教学资源全方位共享化”为鲜明特色，实现了计算机实验教学的示范作用。

(1) 倡导“做中学”实验学习方式。创新了“重基础、重实践、重创新、重实战”的人才培养模式；重视学生实践能力的培养，以实验项目驱动为主导，倡导“做中学”的实验学习方式，培养学生自主学习能力。开创了层次化开放式的“课程实验+开放实验”双轨交叉的计算机实验教学体系；整体实验项目覆盖计算机学科的各个方面的实验，不仅基础实验项目全，而且着力发展综合型、设计型和创新型(包括课外创新性软、硬件比赛)等开放性实验，实验教学内容全面、系统、高新。项目遵循既注重实验教学的规范性、统一性、系统性，又兼顾创新型人才、复合型人才“因材施教”“兴趣培育”“重点培养”的原则，根据不同的实验项目，采用不同的实验教学指导方法(统一指导、典范引导、独立完成，自主设计、协同完成，个别指导、项目管理；师徒教学、贴近实战等5种实验教学方法)。

(2) 教学科研有机结合。项目依托省级科研重点实验室、3个市级科研重点实验室以及科学研究所，积极将各重点实验室(或研究所)的科研成果，转化为学生(特别是本科生)的实验项目(共计77项)，供学生(特别是本科生)在课堂实验中使用；部分研究性实验项目，以开放实验项目的形式，提供给学生课外创新实验中使用。科研成果向实验教学内容的有效转化，使学生了解了科技最新发展和学术前沿动态，激发了科研兴趣，启迪了科研思维，更好地掌握了科研方法，培养了科研道德，提升了学生科学研究和科技创新的能力。

(3) 实行校企“协同创新”培养模式。项目通过与企业联合成立的3个校企联合实验室、9个校企创新俱乐部以及6个校企联合实习基地，为学生创建贴近实际的模拟、虚拟、仿真实验环境，提供了大量贴近实战的与企业产品相关的实验项目。中心还特别鼓励并提供条件，将学生的实习、实践(如毕业设计等)搬到高新企业中进行，使学生实验教学与工程实际应用更好地结合。一方面调动了学生的学习积极性，另一方面培养了学生的综合和创新能力，使学生更早、更好地接受到企业的专业训练和就业培训，更有利于学生日后工作能力和适应能力的提高。

(4) 创新虚拟实验中虚实结合能实不虚教学模式。项目积极探索在线虚拟仿真实验课程和实验项目的建设，结合深圳大学倡导发起的UOOC(全国地方高校MOOC联盟)平台建设和推广，在在线虚拟仿真实验、协作式虚拟实验、自组织虚拟实验教学等方面进行大量的研究和探索。实现了网络芯片设计到网络设备实现的虚拟仿真化，实现了软件定义网络(SDN)虚拟仿真，开发出只有在虚拟仿真环境下，才能实现的大型网络组网实验。已建成11门在线仿真实验课程，设立了在线仿真实验项目201项，可供UOOC联盟中的所有学生以及社会上的专业人才通过网络在线做实验。

3.4 强化虚拟仿真实验教学中心运行的管理

完善计算机实验教学中心、网络工程虚拟仿真实验教学中心的管理体制。

(1) 中心建制相对独立，实行校、院两级管理。

(2) 中心实验主任负责制。在运行机制上，主任作为中心的第一责任人，在课程设置、教学改革、人员聘用、实验室管理和经费管理等方面具有较大的自主权，从而保证了教学资源的充分合理利用，形成了功能明确和管理有序的实验教学中心。

(3) 中心实行按需设岗，按岗聘任实验教师。中心的16个本科实验教学实验室皆有专职实验技术人员负责管理，实验室主任由教学经验丰富，教学能力强的教师担任(教授6人，副教授8人，高级工程师、高级实验师8人，讲师、实验师2人)。实验教师不但具备扎实的理论知识、较全面的实验技能、严谨的科学态度与作风，而且是一个掌握多学科知识与技术的多面手。

(4) 全面提高实验技术队伍素质。通过竞争上岗，学历提升，职务晋升，优化实验技术人员队伍。在现有7名专职实验技术人员中，具有硕士学位的有4人，另外2人正在攻读工程硕士学位；通过学习、培训、学历提升和技术职务晋升等措施，提高实验技术人员的业务能力，以适应教学、科研工作的需要。

(5) 中心仪器设备、实验人员、实验用房均由中心统一管理，实现了资源共享，实验室根据功能和学科特点进行重组和建设，减少重复投资，对实验室仪器设备进行实时动态管理，即从仪器设备的使用信息到仪器设备的使用状态有明确的“账目”；实验中心每年对实验仪器进行清查，做到帐物相符，提高了实验仪器设备使用效率。

(6) 通过几年努力，中心已实现“实验统一规划、人员统一调配、资源统一使用”，提高了中心实验室和实验设备的利用效率和实验课程的实验效果。

为了确保计算机实验教学中心、网络工程虚拟仿真实验教学中心设备的全天候安全运行和高效率使用，制定了学校层面的14个计算机及其相关实验管理制度和16个设备管理办法，针对计算机实验教学的具体情况，中心还进一步制定了6项切合计算机实验教学实际的规章制度。

近3年来，深圳市政府已为中心投入约1 000余万元经费，全部用于实验教学设备的购置和维护。计算机设备更新率达50%，设备利用率达98%，设备完好率达98%。学校每年向中心投入运行经费近100万元，包括学生实验易耗品，实验工具购置，仪器储备维修与保养，学生创新实验材料的购置，以及实验课程改革经费等，从而确保了教学实验系统的正常运行。

4 结语

在国家级计算机实验教学示范中心的基础上，建立的国家级网络工程虚拟仿真实验教学中心。实现了教学资源的全方位共享，大型实验仪器设备社会共享的突破；有效整合了学校计算机类优质实验教学资源，实现了科研成果向实验教学有效转化；创新了虚拟实验教学模式，开创了“全程紧张、机考评分”的全新计算机编程实验教学新模式；加强了校企合作，实行了“协同创新”培养模式，创建了贴近企业实际的模拟、虚拟、仿真实验环境；开创了层次化开放式的“课程实验+开放实验”双轨交叉的计算机实验教学体系和“重基础、重实践、重创新、重实战”、“做中学”的人才培养模式。

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EstablishmentofHigh-levelVirtualSimulationExperimentalCenterBasedonCombinationofRealityandVirtualization

MINGZhong,CAIMaoguo,ZHUAnmin

(College of Computer Science and Software Engineering, Shenzhen University, Shenzhen, 518060, Guangdong, China)

How to construct a computer laboratory in colleges which meets the requirements of enterprises is an important project faced by the educators majoring in computer science. This paper analyzed the status of the laboratory establishment in Chinese college education area. Based on the national Computer Experimental Demonstration Center, we premised the "combination of virtualization and reality, novirtualization if reality beingpossible", proposed a teaching philosophy named as "project driven and learn by doing", constructed a high-level network engineering virtual simulation experimental teaching center.This paperhopes to provide experiment teaching and student training ideas for computer specialty ofsimilar colleges and universities.

experimental teaching demonstration center; virtual simulation; network engineering; combination of virtualization and reality