物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗教學(xué)中心平臺建設(shè)

唐海濤,　張立明，　張仲明，　呂　巍，　蔣一川，　李昊天

(1. 吉林大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院; 物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗教學(xué)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(xué)中心建設(shè)是實驗教學(xué)示范中心建設(shè)和實驗教學(xué)改革在現(xiàn)代化多媒體虛擬信息化技術(shù)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(shù)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(xué)中心建設(shè)是實驗教學(xué)示范中心建設(shè)工作的延伸，也是高等教育信息化建設(shè)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(xué)中心建設(shè)工作， 有力地推動了實驗教學(xué)示范中心建設(shè)。截至2015年9月， 全國已建設(shè)近200個國家級虛擬仿真實驗教學(xué)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(xué)中心。

1　物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)

我校物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗教學(xué)中心依托于計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，是2014年被批準(zhǔn)的100所國家級虛擬仿真實驗教學(xué)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(shù)，在物聯(lián)網(wǎng)已有的實驗課程基礎(chǔ)上，構(gòu)建高度仿真的實驗環(huán)境，進而使學(xué)生可以在虛擬仿真的實驗環(huán)境中學(xué)習(xí)[9-10]。

物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗教學(xué)中心利用已有實驗設(shè)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(shè)了12門虛擬仿真實驗課程:無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真、RFID標(biāo)簽設(shè)計與應(yīng)用場景虛擬仿真、物聯(lián)網(wǎng)綜合應(yīng)用虛擬、計算機組網(wǎng)模擬工程、網(wǎng)絡(luò)故障分析模擬仿真、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析仿真、無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)、計算機系統(tǒng)安全虛擬實驗、網(wǎng)絡(luò)安全虛擬實驗、網(wǎng)絡(luò)取證技術(shù)虛擬實驗、云計算技術(shù)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(xué)平臺結(jié)合云計算技術(shù)，將教學(xué)資源、網(wǎng)絡(luò)資源和實驗教學(xué)環(huán)境有機地結(jié)合在一起，增強實驗教學(xué)的互動性，實現(xiàn)虛擬仿真教學(xué)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(xué)校網(wǎng)絡(luò)資源，進一步推廣虛擬仿真實驗教學(xué)，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(xué)的質(zhì)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(xué)中心建設(shè)成為高水平的實踐教學(xué)基地奠定了堅實基礎(chǔ)。

2　平臺主要建設(shè)內(nèi)容

虛擬仿真云平臺是計算機學(xué)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(shù)的虛擬仿真實驗平臺。虛擬仿真云平臺實驗教學(xué)環(huán)境的構(gòu)建，可快速部署實驗教學(xué)內(nèi)容，有利于共享和個性化的實驗課程教學(xué)，不受時間和空間的限制，滿足教師和學(xué)生隨時隨地在線學(xué)習(xí)的需求。云平臺下的硬件資源可以復(fù)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(xué)資源，有利于學(xué)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(xué)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(gòu)如圖1所示。

圖1　虛擬仿真云平臺主系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

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

2.1　教學(xué)資源管理系統(tǒng)

教學(xué)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(xué)校和學(xué)院教務(wù)和管理人員提供對課程安排，教學(xué)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(wù)人員可以設(shè)置學(xué)期開始時間、學(xué)期結(jié)束時間；設(shè)置實驗課程的名稱、實驗類型、實驗課的班級學(xué)生等信息；設(shè)置實驗課的上課時間，可以是1周中的1天或多天；設(shè)置實驗課的開始時間和結(jié)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(shè)置突出顯示。在資源設(shè)置功能中，可以設(shè)置申請資源時云平臺分配的自定義時長、設(shè)置在瀏覽器關(guān)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(xué)生用戶信息管理、實驗分班、實驗環(huán)境設(shè)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(xué)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(shè)置，如根據(jù)實驗課程培養(yǎng)需求和目標(biāo)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(xué)生用戶信息進行管理。實驗分班中班級學(xué)生用戶數(shù)據(jù)支持批量的通過數(shù)據(jù)導(dǎo)入和導(dǎo)出的功能進行數(shù)據(jù)維護，也支持單個學(xué)生用戶信息的維護，實驗分班的設(shè)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(chǔ)。

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(nèi)容模板進行維護，可以添加、刪除和編輯實驗?zāi)０?。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(shè)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(xué)生實驗課程信息，教師可以選擇是否通知此學(xué)生，此學(xué)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(xué)生，則需等到所有學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)生數(shù)、正確率等統(tǒng)計信息。

2.3　實驗預(yù)知平臺

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

圖3　虛擬仿真預(yù)知實驗平臺

實驗預(yù)知平臺中每門實驗課程以樹形結(jié)構(gòu)顯示教學(xué)知識點，鼠標(biāo)單擊選中某個知識點后，右側(cè)界面會顯示該實驗知識點的相關(guān)教學(xué)資源以及相關(guān)的考評問題。學(xué)生在預(yù)習(xí)完實驗課程相關(guān)內(nèi)容后，可以在預(yù)知平臺中回答實驗課程相關(guān)課后習(xí)題，預(yù)知平臺支持學(xué)生查看預(yù)知平臺上的實驗課程學(xué)習(xí)記錄和實驗課程習(xí)題成績等信息。在預(yù)知平臺功能模塊中，教師可以對實驗課程內(nèi)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(yù)知學(xué)習(xí)人數(shù)信息、實驗課程已學(xué)習(xí)章節(jié)信息及實驗課程受關(guān)注等信息。教師還可以查看學(xué)生預(yù)知平臺和演練平臺的上的學(xué)習(xí)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(xué)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(xué)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(nèi)容的學(xué)習(xí)，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(xué)目標(biāo)和實驗環(huán)境需求，云平臺會提供不同的實驗教學(xué)資源和虛擬演練平臺環(huán)境，來輔助和指導(dǎo)學(xué)生完成實驗。實驗步驟等相關(guān)功能在屏幕左側(cè)顯示，可依據(jù)實驗步驟中的引導(dǎo)信息，回答實驗課程習(xí)題答案；可根據(jù)實驗準(zhǔn)備、過程導(dǎo)讀、案例描述和實驗原理等實驗引導(dǎo)材料自主完成實驗。學(xué)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(cè)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?；妥N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(xué)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(jié)　語

在物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗中心的建設(shè)中， 不斷將實驗教學(xué)的新成果、 新技術(shù)引入虛擬實驗教學(xué)，做好虛擬仿真實驗教學(xué)的建設(shè)，規(guī)范虛擬仿真實驗教學(xué)資源相關(guān)的管理規(guī)定。進一步整合仿真資源與現(xiàn)有實驗設(shè)備， 構(gòu)建資源優(yōu)化、開放共享、 使用高效的虛擬仿真實驗教學(xué)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(gòu)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(fù)合型、 創(chuàng)新型出色人才的培養(yǎng)。

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