虛擬仿真實驗教學中心建設與實踐 (周世杰)課件

1、虛擬仿真實驗教學中心建設與實踐 周世杰 博士/教授/副院長電子科技大學計算機科學與工程學院EMAIL：sjzhouTEL：02861831566第七屆高等學校計算機實踐教學論壇報告（2015年-哈爾濱）虛實結合機遇尋發(fā)展業(yè)績?yōu)轵?qū)動奉獻奠基礎工作促成效如何讓別人重視（實踐）教學？內(nèi) 容B虛擬中心建設的目的和意義C如何建設：虛擬實驗中心平臺設計D如何建設：虛擬實驗資源設計E電子科技大學信息與網(wǎng)絡安全虛擬仿真中心簡介關于虛擬中心建設與實踐的幾點思考FA虛擬實驗教學產(chǎn)生的背景1.如何滿足新型教育手段對實驗的要求？自主學習開放課程大規(guī)模在線開放課堂（MOOC）2.真實實驗項目開設困難怎么辦？危險性破壞性

2、如：網(wǎng)絡安全的實驗環(huán)境在現(xiàn)實網(wǎng)絡中具有不可逆性，同時攻防實驗具有強烈的對抗性和破壞性，而且會產(chǎn)生一定的安全隱患和法律風險。一、虛擬實驗教學產(chǎn)生的背景A13.實驗成本如何控制？傳統(tǒng)實驗室搭建環(huán)境相對復雜，實驗成本高，實驗設備和環(huán)境需要持續(xù)的人力和經(jīng)費投入進行維護傳統(tǒng)實驗設備的老化對于實驗內(nèi)容的及時更新造成了瓶頸4.如何實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)資源共享？高校間實驗資源的擁有情況是不均衡的傳統(tǒng)實驗室受限于場地和時間的制約無法實現(xiàn)資源共享實驗資源共享不僅提高共享度和受益面，也節(jié)約教學成本A2一、虛擬實驗教學產(chǎn)生的背景二、建設的目的和意義B11.我們要建設的系統(tǒng)對于實驗教學來說意味著什么？僅僅依靠制作一些教學視頻，或者

3、建立一些課程網(wǎng)站供學生下載實驗資料是遠遠不夠的不僅要通過網(wǎng)絡讓學生可以在線接受教師的指導還要提供給學生一個可以參與其中進行操作的實驗環(huán)境僅僅提供儀器設備和文檔類資源的共享也是不夠的虛擬環(huán)境下的儀器設備，除了摸不著，別的功能應該和實物一樣學生可以根據(jù)需要對儀器設備進行參數(shù)配置，輸入輸出，從而進行數(shù)據(jù)分析二、建設的目的和意義B22.我們建設的虛擬實驗室應當具有哪些功能特點？實驗應當具有網(wǎng)絡化：在虛擬現(xiàn)實技術支持下，虛擬實驗室里的虛擬實驗與實際設備儀器功能和操作方法大致相同虛擬實驗系統(tǒng)應當具有開放性：遠程登錄控制技術和安全性保證實驗過程應該具有簡單性：學生不需要經(jīng)過復雜的培訓即可上手完成實驗3.虛擬

4、仿真教學模式對于實踐教學的影響為現(xiàn)代教育方法和手段提供了工程實踐支持：以網(wǎng)絡化、遠程操作的模式提供了線上工程實踐的機會實現(xiàn)了實踐環(huán)節(jié)整體網(wǎng)絡化：解決了優(yōu)質(zhì)實驗資源網(wǎng)絡化共享的問題提升了學生在實踐教學中的主導地位：學生可對難點進行反復操作，直到完全掌握為止。提高了實驗管理的效率：實驗內(nèi)容、實驗文檔和實驗管理電子化，節(jié)約人力物力資源二、建設的目的和意義B41.仿真中心平臺應該具備哪些功能？三、仿真中心的平臺設計C1教學管理平臺實驗管理平臺實驗項目管理子系統(tǒng)實驗教學計劃管理子系統(tǒng)實驗帳號管理子系統(tǒng)學生選課子系統(tǒng)整合管理實驗資源、實驗項目和文檔教師開課申請與審核管理教師和學生賬號管理本校學生及校外學生

5、選課后臺管理子系統(tǒng)實驗課程管理及評價子系統(tǒng)學生實驗管理子系統(tǒng)實驗平臺后臺數(shù)據(jù)維護實驗課程指導資料管理，下載及評閱實驗報告學生登錄課程、提交實驗報告2.根據(jù)功能劃分 分為實驗資源管理系統(tǒng)和實驗教學管理系統(tǒng)。實驗資源管理系統(tǒng)：是可以遠程共享的虛擬實驗仿真系統(tǒng)，學生可以根據(jù)所選的課程實驗自由設計實驗電路和實驗內(nèi)容，完成實驗要求。實驗教學管理系統(tǒng)：是針對教師和管理員而言的，主要完成對實驗課程的組課、排課、學生實驗進程監(jiān)控、學生實驗報告處理以及實驗資源整合和實驗數(shù)據(jù)處理等內(nèi)容。三、仿真中心的平臺設計C2 以“信息與網(wǎng)絡安全虛擬實驗室”為例，我們自主研發(fā)的實驗教學管理平臺主要有三個子系統(tǒng)：1）實驗報告防抄

6、襲“防火墻”系統(tǒng)三、仿真中心的平臺設計C42）開放式實驗教學網(wǎng)絡信息化服務系統(tǒng)三、仿真中心的平臺設計C54.建設中的關鍵問題1）實驗資源如何共享：實驗資源在實驗室內(nèi)，將實驗資源提供給互聯(lián)網(wǎng)上的遠程用戶，是需要解決的首要問題。實驗資源遠程共享的方法：遠程控制：通過互聯(lián)網(wǎng)向?qū)嶒炇业奈锢碓O備發(fā)送控制命令，并觀察、統(tǒng)計和分析該設備的輸出遠程操作：通過互聯(lián)網(wǎng)遠程使用實驗資源，并觀察、統(tǒng)計和分析該設備的輸出實驗預約：通過互聯(lián)網(wǎng)提交實驗需求，等待實驗資源提供方返回實驗結果三、仿真中心的平臺設計C72）如何實現(xiàn)實驗資源遠程訪問？遠程用戶通過互聯(lián)網(wǎng)訪問到實驗資源是需要解決的重要問題遠程訪問實驗資源的方法：通用訪

7、問法：利用通用軟件（如瀏覽器）來訪問遠程實驗資源專用訪問法：利用專門的實驗客戶端軟件來訪問遠程實驗資源其他方法：通過某種方式提交實驗預約資源三、仿真中心的平臺設計C83）遠程訪問實驗的關鍵技術手段：通過VPN接入：解決實驗資源由于受安全限制，而只能本地訪問的問題通過使用遠程桌面技術：解決實驗資源由于受自生局限性，而只能本地訪問的問題三、仿真中心的平臺設計C94）系統(tǒng)安全問題虛擬實驗平臺安全機制主要針對存在的WEB服務安全問題應該從身份認證、授權訪問、安全傳輸三個方面來考慮系統(tǒng)的安全問題三、仿真中心的平臺設計C10實驗資源設計是實驗教學體系建設的主要內(nèi)容，遵循的原則主要有：按照一定的專業(yè)方向進行

8、資源整合：而不是死板地按照課程進行資源分類建立動態(tài)實驗項目庫：按照實驗難度進行分類整合教師按需自由組建實驗課程：自由選擇實驗項目、實驗平臺、實驗工具等學生按照培養(yǎng)方案自由選擇實驗課程：課程名、授課教師四、仿真中心的實驗資源設計D1以“信息與網(wǎng)絡安全虛擬實驗室”為例，我們形成了3層次5模塊的實驗教學體系四、仿真中心的實驗資源設計D2驗證演示型實驗基礎驗證層主要包括：密碼學基礎實驗和系統(tǒng)安全加固實驗項目實踐性實驗工程實踐層主要包括：網(wǎng)絡互聯(lián)安全實驗和網(wǎng)絡攻防實驗創(chuàng)新實驗、科技競賽創(chuàng)新研究層主要包括：移動智能終端系統(tǒng)、云計算、空天信息實驗1.中心建設發(fā)展歷史五、電子科技大學信息與網(wǎng)絡安全虛擬仿真中心

9、簡介E1200720082009201020112012“國家級計算機實驗教學示范中心”“國家級通信與信息系統(tǒng)實驗教學示范中心”網(wǎng)絡互聯(lián)安全虛擬仿真實驗平臺空天信息安全虛擬仿真實驗平臺移動智能終端安全虛擬仿真實驗平臺、信息安全基礎仿真實驗平臺、云信息安全虛擬仿真實驗平臺系統(tǒng)安全加固 仿真實驗平臺和網(wǎng)絡攻防實戰(zhàn)虛擬仿真實驗平臺2.中心實驗環(huán)境建設 中心現(xiàn)有儀器設備1810臺，儀器設備總值779.26萬元，面積近2600平方米。中心以教育科研網(wǎng)西南地區(qū)節(jié)點為網(wǎng)絡支撐基礎，無線接入信號覆蓋整個校園，充分保障了虛擬實驗教學任務的順利進行。五、電子科技大學信息與網(wǎng)絡安全虛擬仿真中心簡介E2五、電子科技大

10、學信息與網(wǎng)絡安全虛擬仿真中心簡介19安全審計功能測試實驗12移動終端安全、Android開發(fā)技術基礎移動終端安全虛擬仿真實驗平臺20數(shù)據(jù)機密性測試實驗1221云計算虛擬分配網(wǎng)絡資源8云計算基礎、網(wǎng)絡與信息安全綜合設計實云信息安全虛擬仿真實驗平臺22云數(shù)據(jù)資源安全遷移和節(jié)點選擇1223空間電磁安全的模擬信號認知實驗4空間電磁信號監(jiān)測技術空天信息安全虛擬仿真實驗平臺24空間電磁安全的數(shù)字信號認知實驗425空間真實電磁信號的檢測和干擾實驗626空天精密設備性能與安全單元測試實驗8空天信息系統(tǒng)安全數(shù)據(jù)交換技術27空天精密設備性能與安全系統(tǒng)測試實驗12合計206E44. 教學成果獲國家教學成果二等獎3項

11、，獲四川省教學成果一等獎4項國家級特色專業(yè)建設點3個國家級教學團隊1個國家級視頻公開課1門國家級精品課程3門，教育部-Intel、教育部-IBM、教育部-微軟精品課程 9門，四川省精品課程12門四川省教學名師4人出版教材47本，國家“十一五”規(guī)劃教材11部、“十二五”規(guī)劃教材4部、省級“十二五”規(guī)劃教材5部五、電子科技大學信息與網(wǎng)絡安全虛擬仿真中心簡介E55.中心實驗項目示例1）網(wǎng)絡攻擊實戰(zhàn)實驗 “網(wǎng)絡攻防”實驗系統(tǒng)涉及“網(wǎng)絡掃描與嗅探”、“密碼破解”、“數(shù)據(jù)庫攻擊”、“網(wǎng)絡欺騙”、“網(wǎng)絡攻擊實戰(zhàn)”等內(nèi)容。五、電子科技大學信息與網(wǎng)絡安全虛擬仿真中心簡介E62）空天信息安全虛擬仿真實驗 涉及空間

12、電磁頻譜管理的信息獲取、傳輸、交換與處理，影響和制約戰(zhàn)場感知、指揮控制、武器裝備效能發(fā)揮及部隊的戰(zhàn)場生存。五、電子科技大學信息與網(wǎng)絡安全虛擬仿真中心簡介E73）移動智能終端安全虛擬仿真實驗 包括“安全審計功能測試”和“數(shù)據(jù)機密性測試”兩個部分。五、電子科技大學信息與網(wǎng)絡安全虛擬仿真中心簡介E81.幾點值得思考的問題1）如何將虛擬實驗平臺與MOOC結合起來（提高學生開展虛擬實驗的水平）？2）如何運用云計算技術將更多的實驗資源聚集和整合起來（增加可選擇的實現(xiàn)項目）？3）如何提高實驗報告管理的自動化（減輕教師的工作）？4）如何保障系統(tǒng)的高效性（提高系統(tǒng)的訪問能力）？5）如何保證系統(tǒng)的網(wǎng)絡安全（增強系統(tǒng)的安全性）？6）如何對外運營（保證系統(tǒng)的持續(xù)