虛擬仿真網絡實驗教學云平臺建設研究

席奇 張翔 江西省景德鎮學院信工系

1 前言

傳統實驗課程都是以實物為基礎的操作實踐，存在設備數量有限、實驗成本高、消耗大及無法遇知存在危險性的環境里是無法滿足實驗課堂需求。但是通過虛擬仿真實驗這種新的實驗教學模式來克服真實環境中的諸多限制，從而為學生創造了更便利的學習條件，有效提高學生自主學習的效率和積極性。

這種虛擬仿真實驗平臺就是基于云計算技術實現的計算機實驗室。首先通過云平臺接入設備采用服務器實現，負責管理多個設備單元并運行服務器軟件，實現學生客戶端登錄管理、動態分配硬件設備、程序提交與下載、記錄學生操作記錄等。并將客戶端的請求和操作以指令的形式發送到硬件設備單元。首先用戶進行登錄驗證，為學生動態分配FPGA 硬件實驗設備，再將學生提交的FPGA 程序傳送到對應硬件單元，然后將用戶的操作命令轉發到對應的板塊進行處理，通過FPGA 的端口及寄存器狀態并返回給用戶。最后實現數據庫管理，將用戶登錄信息、操作記錄都記錄到數據庫中，同時提供教師機后臺管理與數據查看功能。FPGA 云資源設備上硬件設備單元采用板卡的形式，通過USB 接口連接到遠程實驗接入設備的服務器上。設備單元采用ARM+FPGA 的核心硬件方案，其中ARM 解析服務器軟件下發的命令，并負責下載FPGA 程序，設置FPGA 管腳輸入狀態以及采樣輸出管腳狀態。教學管理系統模塊提供了登錄、學生信息監控、學生操作記錄監控、實驗管理、FPGA 板卡連接狀態監控、學生實時操作信息監控等功能。學生機軟件提供了學生賬號注冊、登錄、設備連接、實驗程序上傳、實驗界面、實驗輸入設置、輸出監控等功能。

2 開展虛擬仿真實驗平臺建設的意義

虛擬仿真實驗最突出的優點是使學生能夠在虛擬環境中模擬各種網絡場景和網絡設備配置，充分了解實驗過程，觀察實驗現象，培養學習興趣，實現教學互惠。目前，計算機網絡課程的虛擬仿真實驗教學大多采用現有的開源軟件。學生可以在虛擬環境中構建網絡，觀察網絡的運行，配置網絡環境。然而，在開源軟件中，學生的管理、實驗報告的審批和管理等一系列與實驗相關的工作都比較困難。實驗如果受限于有限的實驗室建設資金、網絡環境、實驗時間條件等，就不能滿足教學的需要。然而，對于一些學校來說，資金短缺和設備的快速更新是目前的主要問題，一次購買更先進、更昂貴的網絡設備是不可能的。在高等教育中，不僅要求學生對理論知識有深刻的理解，而且要求學生培養理論與實踐相結合、在實踐中發現問題、解決問題的能力。

3 虛擬仿真實驗平臺建設規劃

網絡課程實驗教學中存在一些問題。理論教學與實驗教學的內容不能有效結合。大部分學生對實驗感到不滿意，主要是因為他們不太了解網絡課程的抽象理論，無法在課后通過實驗平臺進行很好的實踐。隨著理論知識的不斷深入，概念變得越來越模糊。在很長一段時間內，它將不可避免地導致學生學習興趣的下降。如何讓學生在任何時間、任何地點都能參與到實踐教學的過程中，并將理論課程結合起來，是值得思考的問題。實驗教學是培養學生學習興趣的出發點，也是實驗教學的瓶頸。當學生做預習報告時，他們經常面對一套書。對課文的枯燥描述導致學生對困難的恐懼。大部分學生在做預習報告的時候，都很長時間的抄寫實驗教學說明中的單詞。他們沒有仔細閱讀和體驗實驗原理、設備和過程。這種缺乏生動感性認識的應對工作嚴重限制了學生的思維空間。現有的實驗類型和尺度難以同步學生知識的擴張和升級課程需求,并現場指導資源的缺乏不利于個性化的要求實驗課程的網絡課程的教學特點,這常常使實驗教學流于形式。加強信息技術與物理實驗課程的整合，激發學生對實驗的興趣，有利于應用型人才的培養。虛擬實驗提供了強大的計算機交互功能和友好的虛擬軟件人機界面。它集視聽功能、視覺形象和豐富的圖文于一體。[1]它能有效激發學生對物理實驗的興趣，充分調動學生參與的積極性，從而體現學生在實驗過程中的認知作用和主體作用。同時，它集計算機圖形學、圖像處理與模式識別、智能技術、傳感器技術、語言處理與音頻技術、網絡技術等科學于一體。因此，虛擬實驗有助于培養學生運用計算機控制儀器、收集數據、分析數據、控制大量數據和生成實驗報告的能力，全面提高學生的綜合評價能力。結合計算機應用能力，提高學生的社會適應能力和工程實踐能力。

4 教學案例

在整個設計過程中，虛擬仿真實驗平臺實現了主要的實驗目標。模擬真實的實驗環境來激發學生對學習的興趣。虛擬仿真實驗平臺不僅可以模擬真實實驗設備、實驗環境和實驗操作，還可以讓學生在虛擬環境中了解網絡設備的連接、配置及工作過程，并在虛擬環境中記錄計算機網絡知識的實驗過程，并了解學生實驗過程中存在的問題。因為大部分的計算機網絡實驗，無論是虛擬的實驗還是真正的物理實驗，都很難理解實驗過程中學生的具體步驟。這些信息的缺乏對教師進一步了解學生的詳細學習過程是非常不利的。因此，計算機網絡虛擬仿真實驗平臺應該能夠記錄學生的實驗操作，如物理連接、系統配置操作等，并能夠客觀地檢測和評估學生。由于不同的教師有不同的教學方法，平臺預設的實驗不能完全滿足教師的需求。因此，虛擬模擬實驗平臺的建設必須滿足教師的需求，來獨立設計虛擬模擬實驗。

5 結語

從實驗教學的最新發展趨勢的角度來看,以虛擬仿真實驗教學為中心的建設是新時期下高校本科人才培養中的一個重要任務，也是未來實驗教學發展的必然趨勢。在構建虛擬仿真實驗教學的過程中，我們不僅需要明確其意義和目標，還需要特別關注虛擬仿真實驗管理系統的構建和虛擬仿真實驗內容的建設，以滿足大規模虛擬仿真實驗教學的需要。從現狀來看，虛擬仿真實驗教學的研究和改革還處于起步階段，還有很多工作要做。虛擬仿真實驗將實驗設備、教學內容、教師指導和學生操作有機地結合在一起。在實際教學中，要注意虛實互補，揚長避短。虛擬實驗的設計和使用必須與具體的教學對象、學習需求和目標緊密結合。作為指導實驗教師應在相關領域進行系統的比較研究。開發的虛擬實驗系統不僅要靈活地使用，而且要作為虛擬實驗進行一些技術開發和軟件設計，作為虛擬實驗系統的有益補充。