多學科一體化虛擬仿真實驗平臺的建設與共享

鄭 娟 朱 哲 李亞林

（湘潭大學 湖南湘潭 411105）

虛擬仿真實驗室即以計算機仿真技術、多媒體技術和網絡技術為依托，建立虛擬仿真實驗技術、真實模擬大型實驗設備和實驗場景，使學生通過人機交互的方式在模擬的實驗設備、實驗場景和軟件中開展實驗，達到在虛擬現實環境中完成各種預定實驗項目的目的，它是虛擬仿真技術、計算機技術和專業理論知識多方面結合的結晶。多學科一體化虛擬仿真實驗平臺的建設和共享，可以充分利用學校的軟硬件資源，充分融合多種信息技術，同時對提高學生的實驗綜合技能和創新能力具有巨大的促進作用。

一、傳統實驗平臺所存在的問題

（一）實驗室建設費用昂貴，利用率不均

虛擬仿真實驗的進行往往依賴于專門做此類實驗的實驗室，且不同類型的實驗項目往往依賴不同類型的實驗室，導致某些實驗室利用率低，開展過程受時間、地點、人力、物力等限制問題，致使實驗教學無法有效開展，且資源非常受限。

（二）虛擬仿真實驗應用管理難，部署復雜，遭遇共享難題

實驗應用管理混亂，各種實驗教學應用軟件缺乏統一的集中管理。各種軟件的實現方式迥異，運行環境不同，部署安裝麻煩。特別是對于C/S 類系統，學生在同一時間只能一人使用，實驗資源不能開放與共享，最大化利用。

（三）缺乏整體可持續可擴展規劃，資源整合困難，形成“信息孤島”

未建統一認證機制，用戶身份不統一，每個實驗系統獨立維護自己的用戶數據庫，同一用戶在每個系統中都存儲獨立的身份信息。缺乏統一數據標準，實時數據交換困難。每個實驗系統都有自己的數據庫，缺乏權威數據源，數據庫標準不統一，無法進行綜合利用。

二、多學科一體化虛擬仿真實驗平臺建設意義

虛擬仿真實驗平臺在實踐過程當中可以進一步用于進行檢測和觀察學生的實驗實際操作情況，從而進一步幫助教師了解學生學習情況，幫助學生獲取實驗數據，完成教學理論吸收；另外計算機網絡虛擬仿真實驗平臺建設還可以用來收集和準備實驗材料，以支持實驗課程的準備及開發應用。由于計算機虛擬實驗仿真平臺是基于互聯網信息技術為基礎的，因此在建設應用過程當中具有大量的互聯網資源，能夠幫助學生鞏固所學知識，因此計算機網絡虛擬仿真實驗平臺能夠促進學生提高自身實踐技能，這也是計算機科學學科中的重要部分。進一步通過虛擬仿真實驗平臺，學生不僅可以對每個實驗仿真項目進行測試以及驗證，有效驗證自己的動手實踐能力以及理論知識結合能力，還可以利用仿真平臺進行重復操作，學習理論之外的知識[1]。好的虛擬仿真實驗平臺需要具備高階性、創新性和挑戰度（兩性一度），體現對學生知識能力態度的培養，鼓勵院校間互相協作，學科交叉融合，倡導自主式合作式探究式學習，以基本概念、基礎知識、基本技術為核心，以重要的科學問題和科學現象為引導，以學生的科研思維科學素養和科研能力培養為重點，從而建設出真正的虛擬仿真實驗平臺。多學科一體化虛擬仿真實驗平臺，使學生進入虛擬場景，根據實驗要求，自行設計并完成實驗。虛擬仿真實驗不僅能鍛煉學生的獨立構思和設計能力，而且能激發學習的興趣，這樣更有利于培養出具有創新精神和實踐能力的人才。同時，提高實驗效果、效率和效益。

三、多學科一體化虛擬仿真實驗平臺的建設

（一）硬件設施搭建

在虛擬仿真實驗室建設過程中，硬件設施主要包括了計算機中央主控平臺、主控設備以及智能電網設備等。另外在虛擬仿真實驗室建設過程當中，需要根據校企合作內容不同情況，與地方企業之間進行有效溝通合作，共同建設網絡協議下的模擬仿真系統，幫助校方更好地進行教學，為企業輸送高質量人才，形成校企合作的新模式，通過引入平臺搭建模擬網絡環境，建設虛擬仿真實驗室指揮中心、主控設備和智能電網設備等。由于高等教育機構辦學資金相對較為緊張，沒有相對足夠的資金開展辦學，因此企業方面可以主動在校園內建立虛擬模擬實驗室，將其另附作為學校以及企業之間的合作實踐培訓基地，為了能夠保證虛擬仿真體驗的質量，促進虛擬仿真實驗室能夠有效提供各種類型的仿真體驗服務。主中心平臺也可以進一步為模擬實驗課程提供相對應的DNS 和DHCP 服務，幫助學生理解模擬過程，同時也可以在一定程度上有效連接到互聯網終端上，從而促進形成網絡數據流量形式，為課程教學提供必要的實驗系統服務。同時，實驗平臺由主控設備端進行管理，智能電網設備主要是為虛擬實驗平臺提供相對應的自動化管理服務設備。在智能網絡設備的幫助下，虛擬仿真實驗室可以自動管理網絡拓撲，強化仿真效果，同時這也是構建硬件結構所必需的重點工作。在智能電網設備應用過程當中，學生可以放心地進行仿真實驗，而不必頻繁控制相關網絡開關，因此在很大程度上提高了實驗工作效率，同時進一步有效確保了實驗數據準確性。內置控件還可以在一定程度上均勻地打開和關閉所有設備的按鈕，主設備可以自由組合網絡結構。另外其還可以映射以及收集系統當中所生成的數據，并平衡相關網絡負載。在搭建虛擬仿真平臺時，主設備可以控制六個學生的實驗機，學生可以通過模塊的交流和共享獲得更真實的實驗體驗[2]。

（二）軟件建設

在構建實驗虛擬仿真平臺過程當中，軟件部分也是非常重要的環節，軟件部分主要由以下三部分所組成：協議仿真編輯器、模擬IP 協議族的數據包、協議分析器。在對這三個方面進行建設過程當中，需要及時捕捉教育模擬編輯中數據包。因此，在為虛擬仿真平臺構建軟件安裝時，必須根據高校相關計算機科學課程中的學生數量情況來調整好相關軟件。比如實驗班有40 個學生，那么軟件設備也必須和學生人數之間相匹配，促進40 個學生在參與實驗過程當中交流合作。實驗虛擬仿真平臺必須使用軟件工具來有效顯示圖紙或圖形。學生可以在使用軟件設備過程當中與其他學生或教師進行交流，這就在很大程度上提高了實驗教室互動機會，將其進一步用于課堂互動當中，利用虛擬仿真體驗平臺的長期學習不僅能夠在一定程度上顯著提高了學生的實踐技能，同時還提高了他們的溝通和創新能力，實現在線互動。所以在確立“統一性”和“多元化”并存思路的基礎上，構建虛擬仿真實驗教學平臺。“統一性”是指將現有實驗教學資源整合，進行統一管理、調度和維護，采用“計算機云技術”將硬件和軟件資源進行整合，將大大降低實驗室建設和管理成本。而“多元化”是虛擬仿真實驗中心的建設可以在整合現有實驗教學資源的基礎上針對不同學科進行虛擬仿真實驗教學平臺建設，每個平臺又可支持多個實驗教學系統或實驗教學模塊。

（三）虛擬仿真教學資源庫搭建

通過有效建立一個教學模擬虛擬平臺時，在資源庫上不僅可以幫助學生獲得實踐數據，同時還可以獲得關于計算機網絡的完整信息。因此，在創建教學資源庫過程當中，必須首先參考基于計算機的網絡課程的教學方向和教學內容，通過定義網絡課程的教學方法來選擇資源庫資源的類型，并根據不同的學科來構建資源庫，保障資源庫當中的資源豐富，滿足學生的學習要求，還可以將經驗技術進行公開分享。同時，虛擬仿真平臺還可以利用云計算創建知識庫。通過基礎知識層次的有效建立、實際操作和升級優化，幫助人才進一步了解計算機基礎、硬件和軟件知識。整合實驗方法，模擬教學資源庫的建設必須遵循重實踐、夯實基礎的原則。首先詳細分析資源庫的總體框架，資源庫將優秀實驗教學資源劃分成各種素材，進行系統化、科學化的分類，并以多媒體化的電子信息形式存儲于數據庫中，構建成統一的教學資源庫。教學資源庫為學習者提供內容豐富的優秀教學資源，減輕教師建立大量教育資源的負擔，減少教育資源的重復開發，加強優質資源的共享使用。然后根據學生的基礎知識充實相關理論內容。進行實踐性知識操作，總結以及歸納學生在操作過程中遇到的各類問題，并將其進一步帶到優化以及提升的層面上[3]。

四、多學科一體化虛擬仿真實驗平臺的共享應用

在虛擬仿真體驗教學平臺建設過程當中，可以通過內部終端控制實現線上共享應用，主要包括計算機網絡管理信息系統的建設和計算機網絡體驗教學系統的建設。在在線信息管理系統中，教師可以使用在線信息管理系統實時發布實驗數據，共享相關實驗信息，與學生之間進行有效交流，或進一步討論實驗中遇到的各種問題或是困難，并將其進一步總結和深化探究，方便學生在以后的學習過程中體驗。同時，學生還可以通過虛擬仿真實驗信息管理系統發布實驗報告以及計劃，從而進一步實現實驗過程和結果的共享和交互，幫助學生小組之間更好地完成任務。在共同構建在線體驗教學系統時，教師可以通過使用它來組織和描述課程，讓學生能夠及時了解到各類教學內容，分析教學過程當中存在的重難點教育知識，有效深化相關理論知識。此外，使用該系統輔助工具的實驗也可以應用實驗教學平臺軟件設備獲得實驗指南，并根據相關指南進行系統行實驗。總的來說，基于計算機的虛擬仿真實驗教學共享平臺主要是為了能夠進一步幫助教師和學生建立互動交流、進行實驗以及進行協作探索的系統。虛擬仿真模擬體驗平臺發出的指令，在發出之前必須經過物理設備的分析。出于實際需要，虛擬計算機仿真體驗平臺必須進行遠程控制、預約等。只有滿足這些條件，計算機的虛擬實驗仿真平臺才能有效完成相對應的規定任務、功能。學生方面則可以進一步有效結合自己的專業技能，通過實驗計算機虛擬仿真平臺的應用，主動分組任務，循序漸進地進行開發應用，在學生小組之間實現共享，從而為學生的實驗操作創造良好的氛圍[4]。

結語

多學科一體化虛擬仿真實驗平臺通過對多個優勢學科的統籌規劃、資源整合，構建多學科交叉融合的虛擬仿真實驗平臺，對提高學生的實驗綜合技能和創新能力具有巨大的促進作用。本文設計構建了包含硬件、軟件以及教學資源庫的虛擬仿真實驗系統，在技術層面對網絡架構及框架設計展開了詳細說明。為使該系統更好地為實驗教學服務，后續將對所提方案進行進一步的論證和完善。

借助該系統的運行支撐體系及網絡架構對建設虛擬仿真實驗教學體系具有較好的可擴張性和通用性，該虛擬仿真實驗平臺的搭建對于其他專業的虛擬仿真實驗教學體系的建設也具有一定的參考價值。