物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗教學中心平臺建設

唐海濤,　張立明，　張仲明，　呂　巍，　蔣一川，　李昊天

(1. 吉林大學 計算機科學與技術學院; 物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗教學中心， 長春 130012; 2. 吉林育信科技有限公司， 長春 130012)

0　引　言

國家級虛擬仿真實驗教學中心建設是實驗教學示范中心建設和實驗教學改革在現(xiàn)代化多媒體虛擬信息化技術下深度發(fā)展的產(chǎn)物[1-2]。《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要2010-2020》指出[3]:“信息技術對教育發(fā)展具有革命行動影響，必須予以高度重視”。國家級虛擬仿真實驗教學中心建設是實驗教學示范中心建設工作的延伸，也是高等教育信息化建設工作的重中之重。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驗教學中心建設工作， 有力地推動了實驗教學示范中心建設。截至2015年9月， 全國已建設近200個國家級虛擬仿真實驗教學中心， 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驗教學中心。

1　物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗教學中心建設

我校物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗教學中心依托于計算機科學與技術學院，是2014年被批準的100所國家級虛擬仿真實驗教學中心之一。虛擬仿真實驗[7-8]是利用虛擬現(xiàn)實、 多媒體、 人機交互等信息化技術，在物聯(lián)網(wǎng)已有的實驗課程基礎上，構建高度仿真的實驗環(huán)境，進而使學生可以在虛擬仿真的實驗環(huán)境中學習[9-10]。

物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗教學中心利用已有實驗設備和資源[11]，搭建了虛擬仿真實驗平臺。在該實驗平臺上開設了12門虛擬仿真實驗課程:無線傳感器網(wǎng)絡仿真、RFID標簽設計與應用場景虛擬仿真、物聯(lián)網(wǎng)綜合應用虛擬、計算機組網(wǎng)模擬工程、網(wǎng)絡故障分析模擬仿真、網(wǎng)絡協(xié)議分析仿真、無線網(wǎng)絡組網(wǎng)技術、計算機系統(tǒng)安全虛擬實驗、網(wǎng)絡安全虛擬實驗、網(wǎng)絡取證技術虛擬實驗、云計算技術實驗和分布交互仿真實驗課程。

物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗教學平臺結合云計算技術，將教學資源、網(wǎng)絡資源和實驗教學環(huán)境有機地結合在一起，增強實驗教學的互動性，實現(xiàn)虛擬仿真教學和實驗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校網(wǎng)絡資源，進一步推廣虛擬仿真實驗教學，進而在東北區(qū)域起到了示范推廣作用。此外，還提高了實驗教學的質量和水平，為優(yōu)秀人才的培養(yǎng)提供平臺，為物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗教學中心建設成為高水平的實踐教學基地奠定了堅實基礎。

2　平臺主要建設內容

虛擬仿真云平臺是計算機學院和吉林育信科技有限公司共同研發(fā)的基于云計算技術的虛擬仿真實驗平臺。虛擬仿真云平臺實驗教學環(huán)境的構建，可快速部署實驗教學內容，有利于共享和個性化的實驗課程教學，不受時間和空間的限制，滿足教師和學生隨時隨地在線學習的需求。云平臺下的硬件資源可以復用，可以分時段滿足實驗課程和科研項目資源需求，進一步提高資源利用率。此外，還能夠高效整合多媒體實驗教學資源，有利于學生的實踐能力和創(chuàng)新能力的提高，同時也降低了傳統(tǒng)實驗教學的安裝維護工作量。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)架構如圖1所示。

圖1　虛擬仿真云平臺主系統(tǒng)結構圖

虛擬仿真云平臺的教學系統(tǒng)主要包括教學資源管理系統(tǒng)、實驗課程管理系統(tǒng)、實驗預知平臺和實驗演練平臺等4個主要教學、實驗和其相關的輔助功能。

2.1　教學資源管理系統(tǒng)

教學資源管理系統(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，為學校和學院教務和管理人員提供對課程安排，教學資源分配、以及對教師用戶數(shù)據(jù)的管理和實驗數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計等功能。

課程安排管理功能中，教務人員可以設置學期開始時間、學期結束時間；設置實驗課程的名稱、實驗類型、實驗課的班級學生等信息；設置實驗課的上課時間，可以是1周中的1天或多天；設置實驗課的開始時間和結束時間，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置突出顯示。在資源設置功能中，可以設置申請資源時云平臺分配的自定義時長、設置在瀏覽器關閉時是否自動釋放所申請資源等功能。

2.2　實驗課程管理系統(tǒng)

實驗課程管理系統(tǒng)功能主要包括學生用戶信息管理、實驗分班、實驗環(huán)境設置、實驗報告管理、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驗課的班級進行學生用戶管理和成績管理的功能，還支持對實驗課的個性化設置，如根據(jù)實驗課程培養(yǎng)需求和目標定制實驗課的分組人數(shù)，實驗課程的實驗環(huán)境等信息。

圖2　實驗課程管理平臺

在實驗分班功能中，教師可以添加實驗班級、刪除實驗班級和對實驗班級的學生用戶信息進行管理。實驗分班中班級學生用戶數(shù)據(jù)支持批量的通過數(shù)據(jù)導入和導出的功能進行數(shù)據(jù)維護，也支持單個學生用戶信息的維護，實驗分班的設置為后續(xù)的實驗課程的實驗報告管理、實驗過程記錄和考評等功能提供了基礎。

實驗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、分數(shù)統(tǒng)計等5個功能模塊。實驗報告發(fā)布功能可以對實驗內容模板進行維護，可以添加、刪除和編輯實驗模板。在考評策略功能中，教師可以依據(jù)實驗課程培養(yǎng)需求和特點分別設置實驗報告和實驗過程記錄等實驗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驗課程發(fā)布成績。在發(fā)布成績時，如有未提交或未評分的學生實驗課程信息，教師可以選擇是否通知此學生，此學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生，則需等到所有學生提交實驗驗后才能夠發(fā)布成績。在發(fā)布成績后，會統(tǒng)計出實驗班學生的分數(shù)統(tǒng)計信息。在分數(shù)統(tǒng)計功能中可以查看每個學生的實驗報告和實驗過程記錄的成績，還可以查看實驗報告中題目的提交學生數(shù)、正確率等統(tǒng)計信息。

2.3　實驗預知平臺

實驗預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，學生用戶通過對文字和圖片等表現(xiàn)形式的實驗內容進行預習、對多媒體和交互問題的學習和回答實現(xiàn)對實驗內容預習，進而為演練平臺打下堅實的理論基礎，實驗預知平臺如圖3所示。

圖3　虛擬仿真預知實驗平臺

實驗預知平臺中每門實驗課程以樹形結構顯示教學知識點，鼠標單擊選中某個知識點后，右側界面會顯示該實驗知識點的相關教學資源以及相關的考評問題。學生在預習完實驗課程相關內容后，可以在預知平臺中回答實驗課程相關課后習題，預知平臺支持學生查看預知平臺上的實驗課程學習記錄和實驗課程習題成績等信息。在預知平臺功能模塊中，教師可以對實驗課程內容進行添加、刪除和編輯等維護管理，可以維護和瀏覽實驗課程介紹、預知學習人數(shù)信息、實驗課程已學習章節(jié)信息及實驗課程受關注等信息。教師還可以查看學生預知平臺和演練平臺的上的學習記錄、實驗記錄和成績等信息。

2.4　實驗演練平臺

實驗演練平臺為教師和學生提供實驗演練資源，通過實驗分組或單個用戶申請來分配虛擬實驗課程資源，并在屏幕上分屏顯示實驗步驟和虛擬操作環(huán)境，進而學生用戶在個人電腦上通過訪問云平臺上的虛擬實驗課程資源來完成實驗內容的學習，演練平臺見圖4。

每個實驗課程都配置獨有的虛擬實驗演練平臺，根據(jù)不同的實驗教學目標和實驗環(huán)境需求，云平臺會提供不同的實驗教學資源和虛擬演練平臺環(huán)境，來輔助和指導學生完成實驗。實驗步驟等相關功能在屏幕左側顯示，可依據(jù)實驗步驟中的引導信息，回答實驗課程習題答案；可根據(jù)實驗準備、過程導讀、案例描述和實驗原理等實驗引導材料自主完成實驗。學生用戶在做完實驗后，云平臺會自動對實驗過程和正確性進行測評。在屏幕右側虛擬機上的虛擬實驗環(huán)境操作區(qū)，可以通過點擊上方的虛擬機功能按鈕來控制虛擬機窗口最大化，正常化和注銷等功能。根據(jù)不同實驗的要求，對于需要分小組來完成的實驗，學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，此虛擬仿真實驗平臺支持1人飾多角色，即可以在同一主機上打開多個虛擬仿真環(huán)境來完成實驗。

圖4　虛擬仿真演練云平臺

3　結　語

在物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗中心的建設中， 不斷將實驗教學的新成果、 新技術引入虛擬實驗教學，做好虛擬仿真實驗教學的建設，規(guī)范虛擬仿真實驗教學資源相關的管理規(guī)定。進一步整合仿真資源與現(xiàn)有實驗設備， 構建資源優(yōu)化、開放共享、 使用高效的虛擬仿真實驗教學平臺[12-14]。探索將已有的虛擬仿真實驗資源在其他高校推廣使用，進而構建東北區(qū)域物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真資源共享平臺[15-16]、進一步提高虛擬資源利用率，有利于推動復合型、 創(chuàng)新型出色人才的培養(yǎng)。

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