物联网虚拟仿真实验教学中心平台建设

唐海涛,　张立明，　张仲明，　吕　巍，　蒋一川，　李昊天

(1. 吉林大学 计算机科学与技术学院; 物联网虚拟仿真实验教学中心， 长春 130012; 2. 吉林育信科技有限公司， 长春 130012)

0　引　言

国家级虚拟仿真实验教学中心建设是实验教学示范中心建设和实验教学改革在现代化多媒体虚拟信息化技术下深度发展的产物[1-2]。《国家中长期教育改革和发展规划纲要2010-2020》指出[3]:“信息技术对教育发展具有革命行动影响，必须予以高度重视”。国家级虚拟仿真实验教学中心建设是实验教学示范中心建设工作的延伸，也是高等教育信息化建设工作的重中之重。根据《教育信息化十年发展规划(2011-2020)》的安排， 教育部自2013年起[4-6]在全国启动国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作， 有力地推动了实验教学示范中心建设。截至2015年9月， 全国已建设近200个国家级虚拟仿真实验教学中心， 分布在全国155所普通本科院校， 其中45所高校建有2个国家级虚拟仿真实验教学中心。

1　物联网虚拟仿真实验教学中心建设

我校物联网虚拟仿真实验教学中心依托于计算机科学与技术学院，是2014年被批准的100所国家级虚拟仿真实验教学中心之一。虚拟仿真实验[7-8]是利用虚拟现实、 多媒体、 人机交互等信息化技术，在物联网已有的实验课程基础上，构建高度仿真的实验环境，进而使学生可以在虚拟仿真的实验环境中学习[9-10]。

物联网虚拟仿真实验教学中心利用已有实验设备和资源[11]，搭建了虚拟仿真实验平台。在该实验平台上开设了12门虚拟仿真实验课程:无线传感器网络仿真、RFID标签设计与应用场景虚拟仿真、物联网综合应用虚拟、计算机组网模拟工程、网络故障分析模拟仿真、网络协议分析仿真、无线网络组网技术、计算机系统安全虚拟实验、网络安全虚拟实验、网络取证技术虚拟实验、云计算技术实验和分布交互仿真实验课程。

物联网虚拟仿真实验教学平台结合云计算技术，将教学资源、网络资源和实验教学环境有机地结合在一起，增强实验教学的互动性，实现虚拟仿真教学和实验课程资源更高程度的共享。同时，虚拟仿真平台充分利用了学校网络资源，进一步推广虚拟仿真实验教学，进而在东北区域起到了示范推广作用。此外，还提高了实验教学的质量和水平，为优秀人才的培养提供平台，为物联网虚拟仿真实验教学中心建设成为高水平的实践教学基地奠定了坚实基础。

2　平台主要建设内容

虚拟仿真云平台是计算机学院和吉林育信科技有限公司共同研发的基于云计算技术的虚拟仿真实验平台。虚拟仿真云平台实验教学环境的构建，可快速部署实验教学内容，有利于共享和个性化的实验课程教学，不受时间和空间的限制，满足教师和学生随时随地在线学习的需求。云平台下的硬件资源可以复用，可以分时段满足实验课程和科研项目资源需求，进一步提高资源利用率。此外，还能够高效整合多媒体实验教学资源，有利于学生的实践能力和创新能力的提高，同时也降低了传统实验教学的安装维护工作量。虚拟仿真云平台主要由硬件部分和软件部分组成，其主要系统架构如图1所示。

图1　虚拟仿真云平台主系统结构图

虚拟仿真云平台的教学系统主要包括教学资源管理系统、实验课程管理系统、实验预知平台和实验演练平台等4个主要教学、实验和其相关的辅助功能。

2.1　教学资源管理系统

教学资源管理系统主要包括课程安排、课程资源管理和教师用户管理等功能，为学校和学院教务和管理人员提供对课程安排，教学资源分配、以及对教师用户数据的管理和实验数据分析统计等功能。

课程安排管理功能中，教务人员可以设置学期开始时间、学期结束时间；设置实验课程的名称、实验类型、实验课的班级学生等信息；设置实验课的上课时间，可以是1周中的1天或多天；设置实验课的开始时间和结束时间，对于不同时间段的上课安排可以使用不同的颜色等个性化设置突出显示。在资源设置功能中，可以设置申请资源时云平台分配的自定义时长、设置在浏览器关闭时是否自动释放所申请资源等功能。

2.2　实验课程管理系统

实验课程管理系统功能主要包括学生用户信息管理、实验分班、实验环境设置、实验报告管理、考评记录和成绩发布等功能，如图2所示。为教师用户提供对所有上实验课的班级进行学生用户管理和成绩管理的功能，还支持对实验课的个性化设置，如根据实验课程培养需求和目标定制实验课的分组人数，实验课程的实验环境等信息。

图2　实验课程管理平台

在实验分班功能中，教师可以添加实验班级、删除实验班级和对实验班级的学生用户信息进行管理。实验分班中班级学生用户数据支持批量的通过数据导入和导出的功能进行数据维护，也支持单个学生用户信息的维护，实验分班的设置为后续的实验课程的实验报告管理、实验过程记录和考评等功能提供了基础。

实验报告管理功能主要包括了报告发布、考评策略、考评记录、成绩管理、分数统计等5个功能模块。实验报告发布功能可以对实验内容模板进行维护，可以添加、删除和编辑实验模板。在考评策略功能中，教师可以依据实验课程培养需求和特点分别设置实验报告和实验过程记录等实验部分的考评类型和评分策略。在成绩管理功能中，可以选择个别或所有实验课程发布成绩。在发布成绩时，如有未提交或未评分的学生实验课程信息，教师可以选择是否通知此学生，此学生用户同时可以在个人信息中心中接收到成绩发布的通知信息。如果在发布成绩前选择通知未提交成绩学生，则需等到所有学生提交实验验后才能够发布成绩。在发布成绩后，会统计出实验班学生的分数统计信息。在分数统计功能中可以查看每个学生的实验报告和实验过程记录的成绩，还可以查看实验报告中题目的提交学生数、正确率等统计信息。

2.3　实验预知平台

实验预知平台主要是基于微课化的文字、图片及多媒体的表现形式，学生用户通过对文字和图片等表现形式的实验内容进行预习、对多媒体和交互问题的学习和回答实现对实验内容预习，进而为演练平台打下坚实的理论基础，实验预知平台如图3所示。

图3　虚拟仿真预知实验平台

实验预知平台中每门实验课程以树形结构显示教学知识点，鼠标单击选中某个知识点后，右侧界面会显示该实验知识点的相关教学资源以及相关的考评问题。学生在预习完实验课程相关内容后，可以在预知平台中回答实验课程相关课后习题，预知平台支持学生查看预知平台上的实验课程学习记录和实验课程习题成绩等信息。在预知平台功能模块中，教师可以对实验课程内容进行添加、删除和编辑等维护管理，可以维护和浏览实验课程介绍、预知学习人数信息、实验课程已学习章节信息及实验课程受关注等信息。教师还可以查看学生预知平台和演练平台的上的学习记录、实验记录和成绩等信息。

2.4　实验演练平台

实验演练平台为教师和学生提供实验演练资源，通过实验分组或单个用户申请来分配虚拟实验课程资源，并在屏幕上分屏显示实验步骤和虚拟操作环境，进而学生用户在个人电脑上通过访问云平台上的虚拟实验课程资源来完成实验内容的学习，演练平台见图4。

每个实验课程都配置独有的虚拟实验演练平台，根据不同的实验教学目标和实验环境需求，云平台会提供不同的实验教学资源和虚拟演练平台环境，来辅助和指导学生完成实验。实验步骤等相关功能在屏幕左侧显示，可依据实验步骤中的引导信息，回答实验课程习题答案；可根据实验准备、过程导读、案例描述和实验原理等实验引导材料自主完成实验。学生用户在做完实验后，云平台会自动对实验过程和正确性进行测评。在屏幕右侧虚拟机上的虚拟实验环境操作区，可以通过点击上方的虚拟机功能按钮来控制虚拟机窗口最大化，正常化和注销等功能。根据不同实验的要求，对于需要分小组来完成的实验，学生用户可以通过虚拟环境平台中的角色功能来分组和选择角色，此虚拟仿真实验平台支持1人饰多角色，即可以在同一主机上打开多个虚拟仿真环境来完成实验。

图4　虚拟仿真演练云平台

3　结　语

在物联网虚拟仿真实验中心的建设中， 不断将实验教学的新成果、 新技术引入虚拟实验教学，做好虚拟仿真实验教学的建设，规范虚拟仿真实验教学资源相关的管理规定。进一步整合仿真资源与现有实验设备， 构建资源优化、开放共享、 使用高效的虚拟仿真实验教学平台[12-14]。探索将已有的虚拟仿真实验资源在其他高校推广使用，进而构建东北区域物联网虚拟仿真资源共享平台[15-16]、进一步提高虚拟资源利用率，有利于推动复合型、 创新型出色人才的培养。

参考文献(References)：

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[2]徐进. 2013年国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作小结及2014年申报建议[J]. 实验室研究与探索, 2014, 33(8):1-5.

[3]中华人民共和国教育部．教育信息化十年发展规划(2011-2020年)(教技[2012]5号)[Z].2012.3．

[4]教育部高等教育司.关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知[EB/OL].(2013-08-13)[2015-04-09].

[5]中华人民共和国教育部．关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知(教高司函(2014)30号)[Z]．2014.

[6]中华人民共和国教育部．教育部办公厅关于批准清华大学数字化制造系统虚拟仿真实验教学中心等100 个国家级虚拟仿真实验教学中心的通知(教高厅函[2015]3号)[Z]．2015．

[7]李秀芝, 韩亮, 孙琦,等. 虚拟实验室场景人机交互系统实验设计[J]. 实验技术与管理, 2011(3):292-295.

[8]祖强,魏永军.国家级虚拟仿真实验教学中心建设现状探析[J].实验技术与管理,2015(11):156-158.

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[12]李山山，陈永强，刘敬晗，等．MOOC时代下的计算机实验教学探讨[J]. 计算机教育， 2014(13):103-106.

[13]朱三元，魏文才，陈建新，等． 实验教学示范中心教学资源平台建设研究 [J]. 实验科学与技术，2013,11(1):118-120.

[14]国家中长期教育改革和发展规划纲要工作小组办公室． 国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020年)[Z]．2010．

[15]中华人民共和国教育部．教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见[Z]．2012．

[16]国务院．国务院关于印发“中国制造2025”的通知(国发(2015)28号)[Z]．2015．