張慰 張嘉鷺

摘 ? 要：虛擬仿真實驗教學資源的建設(shè)與共享是我國教育信息化建設(shè)的迫切要求和重要內(nèi)容。江蘇師范大學在推動學校虛擬仿真實驗教學資源建設(shè)的過程中，注重統(tǒng)籌規(guī)劃與頂層設(shè)計，針對當前建設(shè)過程中發(fā)現(xiàn)的主要問題，提出了基于全局視角的虛擬仿真實驗教學資源支撐平臺五層架構(gòu)模型，并依據(jù)此架構(gòu)開展了有益的探索和實踐，取得了一定的成效。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真;實驗教學;支撐平臺

中圖分類號：G642.423 文獻標志碼：A 文章編號：1673-8454（2020）13-0057-04

建設(shè)教育強國，是新時代我國教育事業(yè)改革發(fā)展的宏偉目標和努力方向。建設(shè)教育強國、辦強的教育，關(guān)鍵是在新時代加快教育現(xiàn)代化。而教育信息化又是教育現(xiàn)代化的重要內(nèi)容和主要標志，是實現(xiàn)教育現(xiàn)代化的必由之路。以教育信息化帶動教育現(xiàn)代化是當今世界教育改革與發(fā)展的共同趨勢[1]。

教育信息化內(nèi)涵及外延及其豐富，其中虛擬仿真實驗教學資源的建設(shè)與共享是我國教育信息化的迫切要求和重要內(nèi)容[2]。《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》提出：要積極建設(shè)各級各類優(yōu)質(zhì)數(shù)字教育資源，遴選和開發(fā)500個學科工具、應用平臺和1500套虛擬仿真實訓實驗系統(tǒng)并探索建立數(shù)字教育資源共建共享機制，同時還要大力推進職業(yè)教育虛擬仿真實訓基地建設(shè)。為進一步推動虛擬仿真實驗教學資源共建共享和集約應用，教育部又推出了《2017—2020年示范性虛擬仿真實驗教學項目建設(shè)規(guī)劃》，提出從2017年起，分年度認定1000項左右示范性項目。我國實驗教學已進入具有自主知識產(chǎn)權(quán)的示范性虛擬仿真實驗教學項目建設(shè)與大規(guī)模在線開放共享為主的深入發(fā)展階段[3]。在這種背景下，各個學校涌現(xiàn)出一大批虛擬仿真實驗教學項目，很大程度上提高了高等教育實驗教學質(zhì)量和實踐育人水平。但是隨著虛擬仿真實驗教學資源數(shù)量不斷增多，深度和廣度不斷拓展，高校虛擬仿真實驗教學資源建設(shè)中的一系列問題也隨之暴露出來，對高校虛擬仿真實驗教學資源建設(shè)提出了新的要求。

一、當前虛擬仿真實驗教學資源建設(shè)存在的問題

1.缺乏統(tǒng)籌規(guī)劃和頂層設(shè)計

目前大多數(shù)高校虛擬仿真實驗教學資源的建設(shè)模式，還是在實驗室管理部門領(lǐng)導下，依靠各個學院力量，各自依據(jù)學院專業(yè)特色和實際情況規(guī)劃設(shè)計并建設(shè)。實驗室管理部門在促進學校虛擬仿真實驗教學實踐發(fā)展、推進學校虛擬仿真實驗教學項目評比等方面發(fā)揮了重要作用，但鮮見全局站位的統(tǒng)籌規(guī)劃和頂層設(shè)計，還是以項目為單位，各自為戰(zhàn)。這種建設(shè)模式，直接導致各個項目之間，從運行環(huán)境、硬件、軟件，到身份信息、教學內(nèi)容、技術(shù)標準、數(shù)據(jù)資源、業(yè)務流程、功能模塊、評價體系、數(shù)據(jù)服務等方面割裂，進而出現(xiàn)一系列“信息孤島”，嚴重影響了虛擬仿真實驗教學進一步發(fā)展。

2.投入成本高，效益低下

高校虛擬仿真實驗教學資源建設(shè)存在“高耗資、低效益”問題[4]。主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）由于多頭投入、分散建設(shè)，導致服務器、計算機、網(wǎng)絡、存儲等基礎(chǔ)設(shè)施重復建設(shè)，資金成本不斷攀升。

（2）由于各個學院所購軟硬件設(shè)備數(shù)量多、版本雜，使得整個虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)更新和維護工作量很大。一線教師無法同時兼顧教學科研與系統(tǒng)管理運維，導致“重投入，輕運維”現(xiàn)象的產(chǎn)生。虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)往往在出現(xiàn)問題時無人修復，勉強支撐一時間后，最終停止運行，極大浪費了原有投資。

（3）目前大多數(shù)高校虛擬仿真實驗教學資源的技術(shù)架構(gòu)方式是在實驗室配備中高端性能的服務器，提供集中式計算服務。這種陳舊的技術(shù)架構(gòu)無法快速增加、釋放和共享資源，不能彈性滿足實驗需求，資源利用率低，閑置浪費嚴重，綜合效益低下。

3.大規(guī)模開放共享支持不足

很多虛擬仿真實驗教學資源質(zhì)量不高[5]，新技術(shù)應用不充分，虛擬仿真實驗教學平臺對外共享程度處于較低水平。主要體現(xiàn)在基礎(chǔ)支撐平臺薄弱、系統(tǒng)穩(wěn)定性難以保障身份信息無法互通、實驗數(shù)據(jù)與資源封閉沒有統(tǒng)一的技術(shù)標準和規(guī)范等方面。相當一部分虛擬仿真實驗教學資源的共享范圍僅限于校內(nèi)，共享程度低下，導致平臺無法被充分利用。

4.不能提供個性化服務與決策支持

虛擬仿真實驗教學資源建設(shè)尚無統(tǒng)一的技術(shù)標準和規(guī)范體系，數(shù)字資源整合難度很大。各類虛擬仿真實驗教學軟硬件平臺在系統(tǒng)架構(gòu)、功能模塊、業(yè)務流程、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等方面各不相同，相互對接存在障礙，業(yè)務難以融合。各實驗室之前信息閉塞，缺乏有效共享，無法進行全局的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析與深層次挖掘，難以為學生提供個性化教育服務，為學校提供決策支持。

5.網(wǎng)絡安全問題突出

受到網(wǎng)絡安全防范意識、保障能力、保障經(jīng)費等因素制約，虛擬仿真實驗教學資源網(wǎng)絡安全狀況堪憂。虛擬仿真實驗教學資源大多數(shù)沒有專門的網(wǎng)絡安全防護設(shè)備，沒有病毒防護軟件，沒有專門的網(wǎng)絡安全管理制度與保障團隊。對于要求面向互聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模開放的一些國家級虛擬仿真實驗教學項目，甚至沒有最基礎(chǔ)的網(wǎng)絡防護方案。在當前日益嚴峻的網(wǎng)絡安全形勢下，虛擬仿真實驗教學資源，尤其需要考慮建立統(tǒng)一的、全面的網(wǎng)絡安全防護體系。

二、虛擬仿真實驗教學資源支撐平臺建設(shè)實踐

江蘇師范大學在推動學校虛擬仿真實驗教學資源建設(shè)過程中，注重統(tǒng)籌規(guī)劃與頂層設(shè)計，以“統(tǒng)一管理、集約建設(shè)、開放共享、安全穩(wěn)定、個性發(fā)展”為建設(shè)原則，針對實際過程中發(fā)現(xiàn)的問題，提出了基于全局視角的虛擬仿真實驗教學資源支撐平臺五層架構(gòu)模型，并依據(jù)此模型開展了建設(shè)實踐工作。

架構(gòu)模型如圖1所示，從下到上依次分為基礎(chǔ)設(shè)施支撐層、數(shù)據(jù)支撐層、應用支撐層、應用層和應用終端共五個層次，輔以虛擬仿真實驗教學技術(shù)標準與規(guī)范體系、運行維護與網(wǎng)絡安全體系兩個保障體系保障虛擬仿真實驗教學資源規(guī)范建設(shè)與運行維護。

1.基于軟件定義的基礎(chǔ)設(shè)施支撐層建設(shè)

基礎(chǔ)設(shè)施支撐層采用跨校區(qū)的雙數(shù)據(jù)中心設(shè)計，在技術(shù)架構(gòu)上采用軟件定義（SDN、SDS、SDC）技術(shù)，對數(shù)據(jù)中心內(nèi)的網(wǎng)絡、計算、存儲等資源進行靈活的定義、抽象、整合、集中和自動化管理。同時，以用戶需求為導向，以云服務的方式面向各個學院及實驗室提供資源。在數(shù)據(jù)保護方面，依托這種軟件定義的異地雙數(shù)據(jù)中心架構(gòu)，形成遠程備份、異地容災、應急接管三種級別的數(shù)據(jù)保護方式?；A(chǔ)設(shè)施支撐層技術(shù)架構(gòu)如圖2所示。

這種架構(gòu)方式解決了虛擬仿真實驗教學的以下實際問題：

（1）彈性滿足實驗教學資源需求問題

可擴展性是虛擬仿真教學資源可持續(xù)發(fā)展的內(nèi)涵和要求[6]?；谲浖x基礎(chǔ)設(shè)施支撐層可根據(jù)實際需求分配和釋放資源，在實驗請求密集時分配更多的資源，在空閑時間釋放多余的資源，供其它系統(tǒng)使用，從而彈性地滿足動態(tài)變化的需求。

（2）快速申請，敏捷部署問題

資源可通過在線流程直接申請，資源的劃分也是自動化完成。免去招標、采購、上架、部署、綜合布線等過程，極大地縮減了部署和上線周期。

（3）系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性問題

異地容災數(shù)據(jù)中心以及資源的虛擬化、集群化運行，充分保障了系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。

（4）重投入、輕運維問題

依托數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)了全校實驗教學系統(tǒng)的集中部署和集約建設(shè)，避免了重復建設(shè)導致的資源浪費。同時，通過信息化管理部門的技術(shù)力量統(tǒng)一運維，基礎(chǔ)設(shè)施的運維由信息化管理部門統(tǒng)一完成，避免了系統(tǒng)大量投入后，無人運維的現(xiàn)象產(chǎn)生。

（5）網(wǎng)絡安全防護問題。

原有分散建設(shè)方式中，各個建設(shè)部門很少會考慮網(wǎng)絡安全防護方案，導致各種安全事件頻發(fā)。江蘇師范大學數(shù)據(jù)中心充分考慮網(wǎng)絡安全防護措施，通過防火墻、IPS、WAF、日志系統(tǒng)、病毒防護平臺、安全運維服務等具體措施，在數(shù)據(jù)中心南北向、東西向流量上進行縱深防護、主動防御，保障了虛擬仿真實驗教學資源的網(wǎng)絡安全。

2.基于大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)支撐層建設(shè)

數(shù)據(jù)支撐層負責對收集到信息的全面集成、數(shù)據(jù)清洗和智能分析。江蘇師范大學虛擬仿真實驗教學資源數(shù)據(jù)支撐平臺基于大數(shù)據(jù)架構(gòu)建設(shè)。數(shù)據(jù)支撐層通過ETL采集各虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)積累的數(shù)據(jù)，以及智慧校園中沉淀的多源、海量的非結(jié)構(gòu)化和結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)通過Mysql、HDFS、HBase等以集群方式分類存儲，并進行多數(shù)據(jù)類型綜合關(guān)聯(lián)分析和深入挖掘，數(shù)據(jù)分析和處理的結(jié)果存儲在專用數(shù)據(jù)庫中供用戶和其它系統(tǒng)使用。大數(shù)據(jù)平臺提供豐富的API接口，方便各個應用程序調(diào)用所需要的數(shù)據(jù)。

通過數(shù)據(jù)支撐平臺，能夠?qū)Ａ坑脩魯?shù)據(jù)進行挖掘分析，了解學習者學習能力、行為習慣和愛好，根據(jù)學習者能力、興趣對學習內(nèi)容、學習過程、評測項目等進行智能式調(diào)整，啟發(fā)學生主動探索、自主實驗實踐，實現(xiàn)以學習者為中心，提供個性化學習路徑，促使學習者自我建構(gòu)知識體系、自我發(fā)展[3]。

另外，高校在虛擬仿真教學系統(tǒng)的建設(shè)過程中，要根據(jù)具體的教學情況進行評估和反思，對建設(shè)過程中不合理的部分進行調(diào)整，以實現(xiàn)建設(shè)效果的最優(yōu)化。數(shù)據(jù)支撐層也為持續(xù)改進服務流程和提高服務質(zhì)量提供了有利條件。

3.基于微服務的應用支撐層建設(shè)

微服務是一種粒度更小、更輕量級、去中心化、服務間通訊采用輕量級通訊機制（通常是restful API）的SOA架構(gòu)。各微服務都擁有自己的編程語言、數(shù)據(jù)庫存儲技術(shù)、開發(fā)維護團隊，有獨立的業(yè)務邏輯并通過標準的接口對外開放，同時實現(xiàn)輕量化的標準通信機制，且憑借自動化部署機制實現(xiàn)獨立部署[7]。應用支撐層基于微服務的思想，由若干粒度化的共性平臺組成，核心平臺主要包括：統(tǒng)一身份認證平臺、站群平臺、流程平臺、消息平臺等組成。

基于微服務思想設(shè)計的應用支撐層平臺實質(zhì)上是一種能力平臺，可以解決當前虛擬仿真實驗教學資源原創(chuàng)性不足和大規(guī)模共享問題。當前，虛擬仿真實驗教學資源的數(shù)量快速增長，但大多數(shù)資源通過市場購買實現(xiàn)，學校自主研發(fā)的虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)相對較少[4]。基于微服務的應用支撐層平臺，在開發(fā)、部署、測試、發(fā)布等方面均采用標準流程，維護簡單，為應用層系統(tǒng)提供了大量的共性平臺能力，為虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)快速開發(fā)提供了有力的支撐。開發(fā)者只需集中精力關(guān)注實驗情境開發(fā)，身份認證、業(yè)務流程、數(shù)據(jù)存儲與分析、頁面展示等方面只需要調(diào)用接口即可，在一定程度上解決了原創(chuàng)性不足問題。

同時，應用支撐平臺充分利用微服務的特點支持分布式部署，滿足高并發(fā)的需求，解決虛擬仿真實驗教學資源大規(guī)模共享時性能不足的問題。

4.應用層

應用層位于應用支撐層之上，基于應用支撐層提供的共性平臺能力開發(fā)或部署，與應用支撐層深度融合。應用層利用底層平臺提供的能力及自身業(yè)務邏輯面向用戶提供服務。

5.用戶層

用戶層面向虛擬仿真教學資源相關(guān)的所有人員，包括教師、校內(nèi)外學生、管理者、運維人員等，同時要求系統(tǒng)界面全端打通，適用于各類終端設(shè)備與終端系統(tǒng)。

6.技術(shù)標準與規(guī)范體系

虛擬仿真實驗教學技術(shù)標準與規(guī)范體系確定了信息采集、信息處理、信息交換等過程的標準和規(guī)范，規(guī)范了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、共享標準和交互規(guī)則，為數(shù)據(jù)融合和服務融合奠定了基礎(chǔ)。

7.運行維護與網(wǎng)絡安全體系

運行維護與安全體系是虛擬仿真實驗教學支撐平臺正常運行的重要保障。安全體系建設(shè)以“一個中心三重防護”為目標，針對安全管理中心和計算環(huán)境安全、區(qū)域邊界安全、通信網(wǎng)絡安全的安全保障進行方案設(shè)計，注重全方位主動防御、安全可信、動態(tài)感知和全面審計。建立以計算環(huán)境安全為基礎(chǔ)，以區(qū)域邊界安全、通信網(wǎng)絡安全為保障，以安全管理中心為核心的網(wǎng)絡安全保障體系。

三、建設(shè)成效

在虛擬仿真實驗教學資源不斷深入發(fā)展的背景下，江蘇師范大學對建設(shè)過程中遇到的實際問題深入分析，從全局的視角針對性地提出虛擬仿真實驗教學資源支撐平臺的建設(shè)模型，并完成平臺建設(shè)。

目前平臺已經(jīng)支撐了“動車組轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)檢修”、“教師基本教學技能訓練”、“軌道交通信息與控制”、“高鐵列車一級檢修”等十幾個虛擬仿真實驗教學資源的建設(shè)。其中“動車組轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)檢修”已通過首批國家虛擬仿真實驗教學項目評選[8-9]，實現(xiàn)了大范圍的共享服務，平臺建設(shè)成效顯著。

四、結(jié)束語

江蘇師范大學基于虛擬仿真實驗教學資源支撐平臺完成了全校虛擬仿真實驗教學資源的統(tǒng)籌建設(shè)，解決了資源共建共享、彈性性能擴展、系統(tǒng)可靠運行與持續(xù)運維、統(tǒng)一安全保障、原創(chuàng)性不足等具體問題，實現(xiàn)了師生隨時隨地獲取資源的目標，為持續(xù)提升虛擬仿真實驗教學水平，促進學科創(chuàng)新型人才培養(yǎng)做出了有益的探索。

參考文獻：

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[3]祖強，魏永軍.國家級示范性虛擬仿真實驗教學項目申報策略探討[J].實驗技術(shù)與管理，2018，35（9）：3-6.

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[6]狄海廷，董喜斌，李耀翔等.高校虛擬仿真實驗教學資源的可持續(xù)發(fā)展機制研究[J].實驗室技術(shù)與管理，2018，35（5）：236-242.

[7]王磊，門海，張濤.一體化微服務平臺：高校移動校園發(fā)展新探索[J].中國電化教育，2017（7）：119-124.

[8]教育部高等教育司.關(guān)于2017年度示范性虛擬仿真實驗教學項目名單的公示[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/s78/A08/A08_gggs/s8468/201804/t20180419_ 333664.html.

[9]張嘉鷺，馬軍，邢邦圣.高速動車組虛擬仿真實驗教學資源建設(shè)與共享研究[J].實驗技術(shù)與管理，2019，36（2）：153-180.

（編輯：王曉明）