虚拟仿真网络实验教学云平台建设研究

席奇 张翔 江西省景德镇学院信工系

1 前言

传统实验课程都是以实物为基础的操作实践，存在设备数量有限、实验成本高、消耗大及无法遇知存在危险性的环境里是无法满足实验课堂需求。但是通过虚拟仿真实验这种新的实验教学模式来克服真实环境中的诸多限制，从而为学生创造了更便利的学习条件，有效提高学生自主学习的效率和积极性。

这种虚拟仿真实验平台就是基于云计算技术实现的计算机实验室。首先通过云平台接入设备采用服务器实现，负责管理多个设备单元并运行服务器软件，实现学生客户端登录管理、动态分配硬件设备、程序提交与下载、记录学生操作记录等。并将客户端的请求和操作以指令的形式发送到硬件设备单元。首先用户进行登录验证，为学生动态分配FPGA 硬件实验设备，再将学生提交的FPGA 程序传送到对应硬件单元，然后将用户的操作命令转发到对应的板块进行处理，通过FPGA 的端口及寄存器状态并返回给用户。最后实现数据库管理，将用户登录信息、操作记录都记录到数据库中，同时提供教师机后台管理与数据查看功能。FPGA 云资源设备上硬件设备单元采用板卡的形式，通过USB 接口连接到远程实验接入设备的服务器上。设备单元采用ARM+FPGA 的核心硬件方案，其中ARM 解析服务器软件下发的命令，并负责下载FPGA 程序，设置FPGA 管脚输入状态以及采样输出管脚状态。教学管理系统模块提供了登录、学生信息监控、学生操作记录监控、实验管理、FPGA 板卡连接状态监控、学生实时操作信息监控等功能。学生机软件提供了学生账号注册、登录、设备连接、实验程序上传、实验界面、实验输入设置、输出监控等功能。

2 开展虚拟仿真实验平台建设的意义

虚拟仿真实验最突出的优点是使学生能够在虚拟环境中模拟各种网络场景和网络设备配置，充分了解实验过程，观察实验现象，培养学习兴趣，实现教学互惠。目前，计算机网络课程的虚拟仿真实验教学大多采用现有的开源软件。学生可以在虚拟环境中构建网络，观察网络的运行，配置网络环境。然而，在开源软件中，学生的管理、实验报告的审批和管理等一系列与实验相关的工作都比较困难。实验如果受限于有限的实验室建设资金、网络环境、实验时间条件等，就不能满足教学的需要。然而，对于一些学校来说，资金短缺和设备的快速更新是目前的主要问题，一次购买更先进、更昂贵的网络设备是不可能的。在高等教育中，不仅要求学生对理论知识有深刻的理解，而且要求学生培养理论与实践相结合、在实践中发现问题、解决问题的能力。

3 虚拟仿真实验平台建设规划

网络课程实验教学中存在一些问题。理论教学与实验教学的内容不能有效结合。大部分学生对实验感到不满意，主要是因为他们不太了解网络课程的抽象理论，无法在课后通过实验平台进行很好的实践。随着理论知识的不断深入，概念变得越来越模糊。在很长一段时间内，它将不可避免地导致学生学习兴趣的下降。如何让学生在任何时间、任何地点都能参与到实践教学的过程中，并将理论课程结合起来，是值得思考的问题。实验教学是培养学生学习兴趣的出发点，也是实验教学的瓶颈。当学生做预习报告时，他们经常面对一套书。对课文的枯燥描述导致学生对困难的恐惧。大部分学生在做预习报告的时候，都很长时间的抄写实验教学说明中的单词。他们没有仔细阅读和体验实验原理、设备和过程。这种缺乏生动感性认识的应对工作严重限制了学生的思维空间。现有的实验类型和尺度难以同步学生知识的扩张和升级课程需求,并现场指导资源的缺乏不利于个性化的要求实验课程的网络课程的教学特点,这常常使实验教学流于形式。加强信息技术与物理实验课程的整合，激发学生对实验的兴趣，有利于应用型人才的培养。虚拟实验提供了强大的计算机交互功能和友好的虚拟软件人机界面。它集视听功能、视觉形象和丰富的图文于一体。[1]它能有效激发学生对物理实验的兴趣，充分调动学生参与的积极性，从而体现学生在实验过程中的认知作用和主体作用。同时，它集计算机图形学、图像处理与模式识别、智能技术、传感器技术、语言处理与音频技术、网络技术等科学于一体。因此，虚拟实验有助于培养学生运用计算机控制仪器、收集数据、分析数据、控制大量数据和生成实验报告的能力，全面提高学生的综合评价能力。结合计算机应用能力，提高学生的社会适应能力和工程实践能力。

4 教学案例

在整个设计过程中，虚拟仿真实验平台实现了主要的实验目标。模拟真实的实验环境来激发学生对学习的兴趣。虚拟仿真实验平台不仅可以模拟真实实验设备、实验环境和实验操作，还可以让学生在虚拟环境中了解网络设备的连接、配置及工作过程，并在虚拟环境中记录计算机网络知识的实验过程，并了解学生实验过程中存在的问题。因为大部分的计算机网络实验，无论是虚拟的实验还是真正的物理实验，都很难理解实验过程中学生的具体步骤。这些信息的缺乏对教师进一步了解学生的详细学习过程是非常不利的。因此，计算机网络虚拟仿真实验平台应该能够记录学生的实验操作，如物理连接、系统配置操作等，并能够客观地检测和评估学生。由于不同的教师有不同的教学方法，平台预设的实验不能完全满足教师的需求。因此，虚拟模拟实验平台的建设必须满足教师的需求，来独立设计虚拟模拟实验。

5 结语

从实验教学的最新发展趋势的角度来看,以虚拟仿真实验教学为中心的建设是新时期下高校本科人才培养中的一个重要任务，也是未来实验教学发展的必然趋势。在构建虚拟仿真实验教学的过程中，我们不仅需要明确其意义和目标，还需要特别关注虚拟仿真实验管理系统的构建和虚拟仿真实验内容的建设，以满足大规模虚拟仿真实验教学的需要。从现状来看，虚拟仿真实验教学的研究和改革还处于起步阶段，还有很多工作要做。虚拟仿真实验将实验设备、教学内容、教师指导和学生操作有机地结合在一起。在实际教学中，要注意虚实互补，扬长避短。虚拟实验的设计和使用必须与具体的教学对象、学习需求和目标紧密结合。作为指导实验教师应在相关领域进行系统的比较研究。开发的虚拟实验系统不仅要灵活地使用，而且要作为虚拟实验进行一些技术开发和软件设计，作为虚拟实验系统的有益补充。