高永强，何沂沛
（内蒙古大学计算机学院，内蒙古自治区呼和浩特 010000）
如今，国家正在稳步推动信息化与高等学校实践课程的深入融合，加大高等院校实验教学中优秀教学资源的建设力度。虚拟仿真实验作为信息技术与专业融合的新产品，为实验教学的变革和创新发展提供了全新的动能，在国家高等教育信息化研究与实验教学示范中心建设发展过程中起到了重要作用［1-4］。
在中国众多大学中，计算机科学与技术、人工智能、计算机网络建设、软件、网络安全等专业的学生数量非常庞大。因为涉及到大量学生及专业，大部分高校现有实验室里的设备仪器远远不能满足教学实验要求，主要表现在以下几个方面：
（1）设备利用率低。针对计算机网络、网络安全等实验项目而言，所要求的实验仪器设备售价昂贵，且仪器设备数量较少，但对实践操作能力的要求较高，使得学员们很难在限定的实验课时内学习并运用上述实验仪器设备。
（2）资金短缺。对计算机网络与安全课程而言，若想完成真正的计算机网络攻防实验，则必须购置价值高达百万元的实验装置仪器设备［5］。学员们只有通过不断地扫描、入侵和“摧毁”服务器及有关设施，并持续地开展攻防演练，才能进一步提高自身的技术水平。所以，如果使用实际的实验装置，显然不能满足需要。
（3）课时少。因为课堂时间的局限，学生们很难充分理解并消化实验课中的内容，同时因为参与实验的学生数量较多，很难在实验室内重复进行实验。因此，当学生们在复习或撰写实验报告遇到问题时，只能去回忆实验情景，可能造成实验结果不准确，并在以后的实验中导致出错或设备故障。
（4）课前准备不充分。实验课之前的准备工作要求学生事先学习实验课和实验仪器原理及相关理论，但部分理论需要学生操作实验仪器才可以理解。由于实验室中的仪器设备数量无法满足学生们的实验预习要求，又缺乏仿真模拟实验，所以在预习阶段学生们只能简单地了解课本的理论知识，对实验环境和实验设备缺乏直观认识，课前准备不充分。
虚拟仿真实验平台相较于普通的实验教学具有以下几个明显优势：
（1）可为教师和学生提供一个无限制的实验环境，包括实验资金、实验时间、实验场所、实验设备等，使学生能够利用平台的开放性自主进行实验。
（2）可有效提升计算机实践课程学生们的学习兴趣，增加学习动机。
（3）能够很好地训练学生构建计算机仿真建模体系的能力，也有助于巩固学生的专业知识基础，提升学生的实际创新能力。
（4）是学校开展计算机实验教学的必由之路，有助于推动普通高等学校教师由单一型人才培养者到复合型人才培养者的职责转换［6-7］。
（5）有助于训练教师的开放性教学能力，以适应平台课程内容的随机性、创新性和开放性特点。
以实验教学资源建设为重点，以共享开放环境为根本目标，搭建计算机虚拟仿真实验教学平台，以培养学习者的技术应用能力与创新意识［8-10］。
3.1 平台体系结构
该平台依托于大学校园网，分为服务器和实验终端两部分。服务器模块内配置了虚拟实验与教学管理系统，支持实验终端的登录申请，并存储实验结果、实验报告及其他数据。实验终端模块为使用者搭建一个虚拟现实系统的仿真实验平台，学生们可直接输入学号进行注册，并且能够随时完成实验。教师们可共享实验资料，教学人员和实验室管理人员可发布课程与管理仪器设备，实现实验教学的网络化、数字化和智能化。虚拟仿真实验平台结构拓扑图如图1所示。
Fig.1 Topology diagram of virtual simulation experiment platform图1 虚拟仿真实验平台结构拓扑图
3.2 平台功能
计算机虚拟仿真实验教学平台的使用者包括学生、教师、实验室工作人员、系统管理员等。该平台主要用于实验教学管理，主要功能如图2所示。
Fig.2 Function of computer virtual simulation experiment teaching platform图2 计算机虚拟仿真实验教学平台功能
为更好地为广大学员服务，本文还创建了一个用于动态发表与处理信息的计算机虚拟仿真实验教学网站，访问者可直接通过中心网页进入开放的网络虚拟仿真实验教学平台参与教学活动，并交流学习理论和实践经验。
3.2.1 综合管理模块
综合管理模块包含实验室信息管理、实验室队伍、实验室开放信息系统、仪器设备、教学资料、账号管理、信息系统互动和计算机终端信息管理几部分。其中，实验室信息管理包含实验室创建、实验室结果报告；
实验室队伍包含教职工信息管理、实验室管理人员信息管理［11-15］；
实验室开放信息系统包含室内开放设置和预约审批；
仪器设备包含仪器设备综合信息和仪器设备登记；
教学资料包含教学实验项目数据库、教学实验课程数据库、教师专业信息管理和教学课程管理；
账号管理包含教师、学员和校外使用者管理；
信息系统互动包含互动信息管理、网络硬盘和网络信息管理；
计算机终端信息管理包含磁卡端口、门禁安全、访问权限、电源设备以及录像监听与仪器授权，负责管理实验中所有的现场门禁系统和录像监控。
3.2.2 实验教学模块
实验教学模块则涉及与教学有关的管理过程：
（1）教学安排。教学安排包括预先准备好教学内容，为实验课制定教学任务目标，并预约实验时间。实验教学工作管理系统会根据学校各部门预先制定的教学计划，把各学科数据库和学员培养规划、学校信息以及实际教学安排信息等及时录入系统，以便于教师利用网络进行实验教学，也方便教师查询相关信息。
（2）教学流程。教学流程分为实验练习、实验考勤、实验步骤和实验研究等。按照学务部每学期预先安排的实验课程表进行了如下任务：维护典型的实验数据库、开展科学实验、检测学生实验进度、检验学生的实验成果、编辑实验报告、统计分析与发表学生的实验成果。
（3）教学评估。教学评估采用试题库管理系统、考试管理系统以及成绩管理系统。试题库管理系统可创建、输入、导入题库，考试管理系统可创建新试题和考卷、批改试题，成绩管理系统可查看考试结果。
（4）教学质量监测。教学质量监测包括信息查询模块与课程情景模块。信息查询模块通过信息查询系统查看课程工作量、授课时间、教师工作日志及实验室运行记录；
课程情境模块包含评估标准管理、评估规则管理、评估表、评分记录信息、网络讲座以及实时监测［16］。
（5）教学资源。教学资源包括课堂视频、教材及实验教学手册。教师可上传课堂录像、教案和实验教学本等资源让学生进行下载。
（6）教学管理参数。教学管理参数包括基本设置和系统信息设置。基本设置包括学校信息、教师信息、实验时间、院系、学科；
系统信息设置包括数据导入、角色管理、目录结构、口令修改和术语设置。
3.2.3 系统设置模块
系统设置模块的主要功能为集成参数管理，包括运行记录、权限管理、系统初始化和基本数据等功能。该管理系统将通过各种措施，保证学生在开放环境中的安全性。系统管理员的职责主要是针对小组管理的用户和实验班级进行开放的输入、导出、插入、撤销、查找、更改等管理服务，维护学生参与实验教学中的角色以及进行相关的安全管理，针对学生的不同角色提供对应的管理权限功能，并且能够查看用户在线人数、访问历史记录及用户注册情况［17］。
3.3 教学资源建设
计算机虚拟仿真实验的工作重点包括两部分：基础类实验和综合性实验。基础类实验主要由几个常规课题的实验构成，每门课程的实验数量为7～13 个，每次实验计划的时间为2 学时。综合性教学实验一般为虚拟现实模型仿真的综合实训建设项目，计划的时间为2～9 学时。已完成的实验项目功能模块见表1。
Table 1 Functional modules of virtual simulation experiment projects表1 虚拟仿真实验项目功能模块
（1）基础型实验部分。基础型实验主要是针对计算机专业的基础课程，包括计算机组成原理、计算机操作系统等的虚拟仿真实验。该部分将本该在实验室进行的实验教学放到虚拟仿真实验平台上进行，虚拟仿真实验平台可实现对实验目的与要求进行介绍、实验操作指导、提供实验报告模板等功能。
（2）综合型实验部分。综合型实验涉及物联网、移动应用开发等课程知识，为综合设计性实验，该部分实验主要由学生的项目实践及教师的科研项目组成。每个实验都包含实验研究目的、实验要求、实验研究方式、综合设计等内容，以考察学生对专业知识的综合应用能力，同时可提高学生的创新能力。
3.4 实验案例
以下以计算机操作系统虚拟实验为例，介绍了虚拟仿真实验项目的具体教学安排、实验内容和实施过程。
针对计算机操作系统实验教学的特点，学校建立了分层设计的操作系统实践教学内容：①基础实验。设计操作系统的实践验证教学，内容涉及DOS 命令应用、Windows系统配置、Linux 操作系统安装、Linux 系统通用命令等，其目的是让学员掌握目前主流的多用户、多任务式操作系统，区分单通道和多通道运行，减少学习开始时对困难的恐惧，激发学生的学习兴趣；
②高级实验。设计关键原理和算法模拟实验，并选择操作系统中典型的功能或算法，如典型的进程调度算法［18-19］、庄家算法、磁盘调度算法等，一个实验程序的案例如图3 所示，以帮助学生更深入地掌握操作系统的重要原理和算法，有助于将操作系统课程与程序设计语言、数据结构、软件工程［20］等课程进行融会贯通，使学生更系统地理解计算机专业课程知识；
③扩展实验。设计操作系统应用的综合实验，以培养学生的应用能力。该实验力求让学习者掌握Windows、Linux 等操作系统调度API 的特点，并通过运行系统中的系统调度界面开发程式，掌握其调用方法，如进程控制、进程同步与通信、文件系统调用、虚拟内存在内存管理中的应用等。
Fig.3 Process scheduling algorithm experiment图3 进程调度算法实验
为检测本文所设计的计算机虚拟仿真实验教学平台的实用性和稳定性，选取内蒙古大学计算机学院的学生使用该平台，采用教学成绩对比及调查问卷两种方式分析教学改革实施效果。本学院的计算机专业包括网络工程、软件工程、大数据、计算机科学等，为了使成绩更具可比性，选取相同专业（软件工程）的学生，将采用传统教学与采用虚拟仿真环境教学两个学年的计算机操作系统课程成绩进行对比。两个学年使用相同教材，考试范围和难度相当，成绩对比结果如图4所示。
Fig.4 Comparison of grade distribution between traditional teaching and teaching based on virtual simulation platform图4 传统教学与基于虚拟仿真平台教学成绩分布对比
由图4 可知，采用基于虚拟仿真实验平台的教学方式，学生成绩优秀的比例明显较高，相比传统教学提高了40%，不及格比例相比传统教学降低了7.5%，且学生平均分相比传统教学提升了8.3 分，最低分也提高了不少。对学生进行教学改革问卷调查，从问卷结果可知，82.7%的学生认为使用虚拟仿真平台对理解课程内容有较大帮助，63.2%的学生能在课前完成平台安装并查阅相关资料，77%的学生能独立完成课程实验内容。然而，仍有部分学生虽能理解教师课堂演示的案例，但独立完成实验尚存在困难。因为部分实验是探究性的，没有固定答案，也不局限于书本中的知识内容，需要学生课后花费时间自行查阅资料。由实践结果可知，在大学计算机教学中引入虚拟仿真实验平台，对学生理解知识内容有较大帮助，课程成绩有所提高，但学生还需进一步转变学习观念，不局限于课本内容的学习，而应主动完成课前知识调研和课后扩展学习，以适应以学生为中心的教学方式。
根据计算机教学实验课程的特点，本文设计了一种采用B/S 架构的虚拟仿真实验教学平台。在计算机网络、数据通信原理、计算机组成原理、计算机操作系统、网络安全等课程教学中，通过运用教学实验平台，大大提高了学生的学习积极性，也提升了其实践能力和创新能力。以学生为中心的开放性教育理念反映在对实验平台资源的无限制利用上，即实验不受场所、时间、设施和装置等的约束，在任意场所、任何时间可进行，而且不增加任何经费，从而解决了计算机硬件实验室资金、师资、设备不足与培育学生创新精神及实验能力的教育宗旨之间的冲突问题［21-22］。
但由于计算机专业的课程较多，所以目前该仿真平台未能适用于所有课程。因此，未来的研究方向是为平台增加更全面的实验功能，以适用于更多实验课程，比如无线通信与网络、数据库原理与应用、数字逻辑、数据结构、计算机图形学等。
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