虚拟仿真实验教学中心建设与实践课件

虚拟仿真实验教学中心建设与实践虚拟仿真实验教学中心建设与实践/教授教授/EMAIL：TEL：2015年年-虚实结合虚实结合机机遇遇寻寻发发展展业业绩绩为为驱驱动动奉奉献献奠奠基基础础工工作作促促成成效效如何让别人重视（实践）教学？如何让别人重视（实践）教学？内内 容容B B虚拟中心建设的目的和意义虚拟中心建设的目的和意义C C如何建设：虚拟实验中心平台设计如何建设：虚拟实验中心平台设计D D如何建设：虚拟实验资源设计如何建设：虚拟实验资源设计E E电子科技大学电子科技大学信息与网络安全虚拟仿真中心简介信息与网络安全虚拟仿真中心简介关于虚拟中心建设与实践的几点思考关于虚拟中心建设与实践的几点思考F FA A虚拟实验教学产生的背景虚拟实验教学产生的背景1.1.如何满足如何满足新型教育手段新型教育手段对实验的要求？对实验的要求？n自主学习自主学习n开放课程开放课程n大规模在线开放课堂（大规模在线开放课堂（MOOCMOOC）2.2.真实实验项目真实实验项目开设困难怎么办？开设困难怎么办？n危险性危险性n破坏性破坏性如：如：网络安全的实验环境在现实网络中具有不可逆性，同时攻防实验具有强网络安全的实验环境在现实网络中具有不可逆性，同时攻防实验具有强烈的对抗性和破坏性，而且会产生一定的安全隐患和法律风险。烈的对抗性和破坏性，而且会产生一定的安全隐患和法律风险。一、虚拟实验教学产生的背景一、虚拟实验教学产生的背景A13.3.实验成本如何控制？实验成本如何控制？n传统实验室搭建环境相对复杂，实验成本高，传统实验室搭建环境相对复杂，实验成本高，n实验设备和环境需要持续的人力和经费投入进行维护实验设备和环境需要持续的人力和经费投入进行维护n传统实验设备的老化对于实验内容的及时更新造成了瓶颈传统实验设备的老化对于实验内容的及时更新造成了瓶颈4.4.如何实现优质资源共享？如何实现优质资源共享？n高校间实验资源的拥有情况是不均衡的高校间实验资源的拥有情况是不均衡的n传统实验室受限于场地和时间的制约无法实现资源共享传统实验室受限于场地和时间的制约无法实现资源共享n实验资源共享不仅提高共享度和受益面，也节约教学成本实验资源共享不仅提高共享度和受益面，也节约教学成本A2一、虚拟实验教学产生的背景一、虚拟实验教学产生的背景5.5.建设虚拟仿真实验中心的条件已经具备建设虚拟仿真实验中心的条件已经具备n资源资源条件足够好：实验室建设投入大幅度提高，具备了一批优质资条件足够好：实验室建设投入大幅度提高，具备了一批优质资源源n技术技术条件足够好：计算机（如多媒体）技术为实现网络化虚拟仿真条件足够好：计算机（如多媒体）技术为实现网络化虚拟仿真提供了条件提供了条件n网络网络通信通信条件足够好：带宽增加，成本降低，接入方面，方式多样条件足够好：带宽增加，成本降低，接入方面，方式多样n管理管理条件足够好：示范中心建设培养了一批专职实验师资队伍条件足够好：示范中心建设培养了一批专职实验师资队伍 以电子科技大学为例，近年在信息与网络安全实验室建设方面，累计投入以电子科技大学为例，近年在信息与网络安全实验室建设方面，累计投入约约400400万元，实验室硬件条件、网络通信条件和师资队伍均使得相关资源共万元，实验室硬件条件、网络通信条件和师资队伍均使得相关资源共享成为了可能。享成为了可能。A3一、虚拟实验教学产生的背景一、虚拟实验教学产生的背景二、建设的目的和意义二、建设的目的和意义B11.1.我们要建设的系统对于实验教学来说意味着什么？我们要建设的系统对于实验教学来说意味着什么？n仅仅依靠制作一些教学视频，或者建立一些课程网站供学生下载实仅仅依靠制作一些教学视频，或者建立一些课程网站供学生下载实验资料是远远不够的验资料是远远不够的n不仅要通过网络让学生可以在线接受教师的指导不仅要通过网络让学生可以在线接受教师的指导n还要提供给学生一个可以参与其中进行操作的实验环境还要提供给学生一个可以参与其中进行操作的实验环境n仅仅提供仪器设备和文档类资源的共享也是不够的仅仅提供仪器设备和文档类资源的共享也是不够的n虚拟环境下的仪器设备，除了摸不着，别的功能应该和实物一样虚拟环境下的仪器设备，除了摸不着，别的功能应该和实物一样n学生可以根据需要对仪器设备进行参数配置，输入输出，从而进行数据分析学生可以根据需要对仪器设备进行参数配置，输入输出，从而进行数据分析二、建设的目的和意义二、建设的目的和意义B22.2.我们建设的虚拟实验室应当具有哪些功能特点？我们建设的虚拟实验室应当具有哪些功能特点？n实验应当具有实验应当具有网络化网络化：在虚拟现实技术支持下，虚拟实验室里的虚拟：在虚拟现实技术支持下，虚拟实验室里的虚拟实验实验与实际设备仪器功能和操作方法与实际设备仪器功能和操作方法大致相同大致相同n虚拟实验系统应当具有虚拟实验系统应当具有开放性开放性：远：远程登录控制技术和安全性保证程登录控制技术和安全性保证n实验过程应该具有实验过程应该具有简单性简单性：学生不需要经过复杂的培训即可上手完成：学生不需要经过复杂的培训即可上手完成实验实验二、建设的目的和意义二、建设的目的和意义B3硬盘开盘与修复实验硬盘开盘与修复实验3.3.虚拟仿真教学模式对于实践教学的影响虚拟仿真教学模式对于实践教学的影响n为为现代教育方法和手段现代教育方法和手段提供了工程实践支持：以网络化、远程操作的提供了工程实践支持：以网络化、远程操作的模式提供了线上工程实践的机会模式提供了线上工程实践的机会n实现了实现了实践环节实践环节整体网络化：解决了优质实验资源网络化共享的问题整体网络化：解决了优质实验资源网络化共享的问题n提升了学生在实践教学中的提升了学生在实践教学中的主导地位主导地位：学生可对难点进行反复操作，：学生可对难点进行反复操作，直到完全掌握为止。直到完全掌握为止。n提高了实验管理的提高了实验管理的效率效率：实验内容、实验文档和实验管理电子化，节：实验内容、实验文档和实验管理电子化，节约人力物力资源约人力物力资源二、建设的目的和意义二、建设的目的和意义B41.1.仿真中心平台应该具备哪些功能？仿真中心平台应该具备哪些功能？三、仿真中心的平台设计三、仿真中心的平台设计C1教学管教学管理平台理平台实验管实验管理平台理平台实验项目管理子系统实验项目管理子系统实验教学计划管理子系统实验教学计划管理子系统实验帐号管理子系统实验帐号管理子系统学生选课子系统学生选课子系统整合管理实验资源、实验项目和文档整合管理实验资源、实验项目和文档教师开课申请与审核教师开课申请与审核管理教师和学生账号管理教师和学生账号管理本校学生及校外学生选课管理本校学生及校外学生选课后台管理子系统后台管理子系统实验课程管理及评价子系统实验课程管理及评价子系统学生实验管理子系统学生实验管理子系统实验平台后台数据维护实验平台后台数据维护实验课程指导资料管理，实验课程指导资料管理，下载及评阅实验报告下载及评阅实验报告学生登录课程、提交实验报告学生登录课程、提交实验报告2.2.根据功能划分根据功能划分 分为实验资源管理系统和实验教学管理系统。分为实验资源管理系统和实验教学管理系统。n实验资源管理系统：实验资源管理系统：是可以远程共享的虚拟实验仿真系统，学生可以根是可以远程共享的虚拟实验仿真系统，学生可以根据所选的课程实验自由设计实验电路和实验内容，完成实验要求。据所选的课程实验自由设计实验电路和实验内容，完成实验要求。n实验教学管理系统：实验教学管理系统：是针对教师和管理员而言的，主要完成对实验课程是针对教师和管理员而言的，主要完成对实验课程的组课、排课、学生实验进程监控、学生实验报告处理以及实验资源整的组课、排课、学生实验进程监控、学生实验报告处理以及实验资源整合和实验数据处理等内容。合和实验数据处理等内容。三、仿真中心的平台设计三、仿真中心的平台设计C2三、仿真中心的平台设计三、仿真中心的平台设计C33.3.根据使用对象划分根据使用对象划分 分为教师端、学生端以及后台处理系统。分为教师端、学生端以及后台处理系统。教师端：教师端：提供给教师上传下载实验资料、评阅实验报告、监控学生提供给教师上传下载实验资料、评阅实验报告、监控学生实验进程等应用。实验进程等应用。学生端：学生端：提供了学生下载实验资料、自由选择实验项目、提交实验提供了学生下载实验资料、自由选择实验项目、提交实验报告等应用。报告等应用。后台处理系统：则提供了统一整合实验资源、保存实验档案、实验后台处理系统：则提供了统一整合实验资源、保存实验档案、实验报告查重等应用。报告查重等应用。以“信息与网络安全虚拟实验室”为例，我们自主研发的实验教学管理平台主要有三个子系统：1）实验报告防抄袭“防火墙”系统三、仿真中心的平台设计三、仿真中心的平台设计C42）开放式实验教学网络信息化服务系统三、仿真中心的平台设计三、仿真中心的平台设计C53）信息化实验教学管理平台三、仿真中心的平台设计三、仿真中心的平台设计C64.4.建设中的关键问题建设中的关键问题1 1）实验资源如何共享：）实验资源如何共享：n实验资源在实验室内，将实验资源实验资源在实验室内，将实验资源提供给互联网上的远程用户提供给互联网上的远程用户，是，是需要解决的需要解决的首要问题首要问题。n实验资源远程共享的方法：实验资源远程共享的方法：n远程控制：远程控制：通过互联网向实验室的物理设备发送控制命令，并通过互联网向实验室的物理设备发送控制命令，并观察、统计和分析该设备的输出观察、统计和分析该设备的输出n远程操作：远程操作：通过互联网远程使用实验资源，并观察、统计和分通过互联网远程使用实验资源，并观察、统计和分析该设备的输出析该设备的输出n实验预约：通过互联网提交实验需求，等待实验资源提供方返实验预约：通过互联网提交实验需求，等待实验资源提供方返回实验结果回实验结果三、仿真中心的平台设计三、仿真中心的平台设计C72 2）如何实现实验资源远程访问？）如何实现实验资源远程访问？n远程用户通过互联网远程用户通过互联网访问到访问到实验资源是需要解决的实验资源是需要解决的重要问题重要问题n远程访问实验资源的方法：远程访问实验资源的方法：n通用访问法：通用访问法：利用通用软件（如浏览器）来访问远程实验资源利用通用软件（如浏览器）来访问远程实验资源n专用访问法：专用访问法：利用专门的实验客户端软件来访问远程实验资源利用专门的实验客户端软件来访问远程实验资源n其他方法：通过某种方式提交实验预约资源其他方法：通过某种方式提交实验预约资源三、仿真中心的平台设三、仿真中心的平台设计计C83 3）远程访问实验）远程访问实验的关键技术手段：的关键技术手段：n通过通过VPNVPN接入：解决实验资源由于受安全限制，而接入：解决实验资源由于受安全限制，而只能本地访问的问题只能本地访问的问题n通过使用远程桌面技术：解决实验资源由于受自生通过使用远程桌面技术：解决实验资源由于受自生局限性，而只能本地访问的问题局限性，而只能本地访问的问题三、仿真中心的平台设计三、仿真中心的平台设计C94 4）系统安全问题）系统安全问题n虚拟实验平台安全机制主要针对存在的虚拟实验平台安全机制主要针对存在的WEBWEB服务安服务安全问题全问题n应该从身份认证、授权访问、安全传输三个方面来应该从身份认证、授权访问、安全传输三个方面来考虑系统的安全问题考虑系统的安全问题三、仿真中心的平台设计三、仿真中心的平台设计C10实验资源设计是实验教学体系建设的实验资源设计是实验教学体系建设的主要内容，遵循的原则主要有：主要内容，遵循的原则主要有：n按照一定的专业方向进行资源整合：按照一定的专业方向进行资源整合：而不而不是死板地按照课程进行资源分类是死板地按照课程进行资源分类n建立动态实验项目库：建立动态实验项目库：按照实验难度进行按照实验难度进行分类整合分类整合n教师按需自由组建实验课程：教师按需自由组建实验课程：自由选择实自由选择实验项目、实验平台、实验工具等验项目、实验平台、实验工具等n学生按照培养方案自由选择实验课程：学生按照培养方案自由选择实验课程：课课程名、授课教师程名、授课教师四、四、仿真中心的实验资源设计仿真中心的实验资源设计D1以以“信息与网络安全虚拟实验室信息与网络安全虚拟实验室”为例，我们形成了为例，我们形成了3 3层次层次5 5模块的实验教学体系模块的实验教学体系四、四、仿真中心的实验资源设计仿真中心的实验资源设计D2验证演示型实验基础验证层主要包括：密码学主要包括：密码学基础实验和系统安基础实验和系统安全加固实验全加固实验项目实践性实验工程实践层主要包括：网络互联主要包括：网络互联安全实验和网络攻防安全实验和网络攻防实验实验创新实验、科技竞赛创新研究层主要包括：移动智能终主要包括：移动智能终端系统、云计算、空天端系统、云计算、空天信息实验信息实验四、四、仿真中心的实验资源设计仿真中心的实验资源设计D3信息加密信息加密系统安全加固系统安全加固网络互联安全网络互联安全攻防实战攻防实战安全系统应用安全系统应用移动智能终端安全等移动智能终端安全等2门实验课程门实验课程网络攻防技术等网络攻防技术等4门实验课程门实验课程网络与信息安全综合设计实验等网络与信息安全综合设计实验等3门实验课程门实验课程计算机病毒与防护等计算机病毒与防护等5门实验课程门实验课程信息安全导论实验等信息安全导论实验等3门实验课程门实验课程5 5模块的实验教学体系模块的实验教学体系1.1.中心建设发展历史中心建设发展历史五、五、电子科技大学信息与网络安全虚拟仿真中心简介电子科技大学信息与网络安全虚拟仿真中心简介E1200720072008200820092009201020102011201120122012“国家国家级计算机算机实验教教学示范中心学示范中心”“国家国家级通信与通信与信息系信息系统实验教教学示范中心学示范中心”网网络互互联安全安全虚虚拟仿真仿真实验平台平台空天信息安全虚空天信息安全虚拟仿真仿真实验平台平台移移动智能智能终端安全虚端安全虚拟仿真仿真实验平台、平台、信息安全基信息安全基础仿真仿真实验平台、云信息平台、云信息安全虚安全虚拟仿真仿真实验平台平台系系统安全加固安全加固 仿真仿真实验平台平台和网和网络攻防攻防实战虚虚拟仿真仿真实验平台平台2 2.中心实验环境建设中心实验环境建设 中心现有仪器设备1810台，仪器设备总值779.26万元，面积近2600平方米。中心以教育科研网西南地区节点为网络支撑基础，无线接入信号覆盖整个校园，充分保障了虚拟实验教学任务的顺利进行。五、五、电子科技大学信息与网络安全虚拟仿真中心简介电子科技大学信息与网络安全虚拟仿真中心简介E2五、五、电子科技大学信息与网络安全虚拟仿真中心简介电子科技大学信息与网络安全虚拟仿真中心简介3 3.中心实验项目建设中心实验项目建设序号序号虚拟仿真实验项目虚拟仿真实验项目学时学时适合开设的课程适合开设的课程对应的平台对应的平台1初等数论实验初等数论实验12信息安全导论、信息安信息安全导论、信息安全数学基础、密码学全数学基础、密码学信息安全基础信息安全基础仿真实验平台仿真实验平台2基于对称密钥算法的加解密工具的实现基于对称密钥算法的加解密工具的实现63基于非对称密钥算法的加解密工具的实现基于非对称密钥算法的加解密工具的实现44基于基于RC4算法的加解密工具实现算法的加解密工具实现65基于基于SHA-1算法的消息摘要工具的实现算法的消息摘要工具的实现46操作系统安全策略配置技术操作系统安全策略配置技术6计算机系统与网络安技计算机系统与网络安技术、网络防御技术、计术、网络防御技术、计算机病毒与防护、计算算机病毒与防护、计算机操作系统、系统与数机操作系统、系统与数据恢复据恢复系统安全加固系统安全加固仿真实验平台仿真实验平台7日志清除技术日志清除技术68缓冲区溢出技术缓冲区溢出技术69恶意代码及清除恶意代码及清除610逆向工程技术逆向工程技术811交换组网互联安全技术交换组网互联安全技术8计算机网络、网络工程、计算机网络、网络工程、安全协议综合设计实验安全协议综合设计实验网络互联安全网络互联安全虚拟仿真实验虚拟仿真实验平台平台12路由组网互联安全技术路由组网互联安全技术813综合组网安全工程综合组网安全工程1614网络扫描与嗅探技术网络扫描与嗅探技术4网络攻防技术、计算机网络攻防技术、计算机系统与网络安全技术、系统与网络安全技术、信息对抗技术、网络与信息对抗技术、网络与信息安全综合设计实验信息安全综合设计实验网络攻防实战网络攻防实战虚拟仿真实验虚拟仿真实验平台平台15密码破解技术密码破解技术416数据库攻击技术数据库攻击技术417网络欺骗技术网络欺骗技术418网络攻击实战网络攻击实战16E3五、五、电子科技大学信息与网络安全虚拟仿真中心简介电子科技大学信息与网络安全虚拟仿真中心简介19安全审计功能测试实验安全审计功能测试实验12移移动动终终端端安安全全、Android开发技术基础开发技术基础移动终端安全虚移动终端安全虚拟仿真实验平台拟仿真实验平台20数据机密性测试实验数据机密性测试实验1221云计算虚拟分配网络资源云计算虚拟分配网络资源8云计算基础、网络与信息云计算基础、网络与信息安全综合设计实安全综合设计实云信息安全虚拟云信息安全虚拟仿真实验平台仿真实验平台22云数据资源安全迁移和节点选择云数据资源安全迁移和节点选择1223空间电磁安全的模拟信号认知实验空间电磁安全的模拟信号认知实验4空间电磁信号监测技术空间电磁信号监测技术空天信息安全虚空天信息安全虚拟仿真实验平台拟仿真实验平台24空间电磁安全的数字信号认知实验空间电磁安全的数字信号认知实验425空间真实电磁信号的检测和干扰实验空间真实电磁信号的检测和干扰实验626空天精密设备性能与安全单元测试实验空天精密设备性能与安全单元测试实验8空天信息系统安全数据交空天信息系统安全数据交换技术换技术27空天精密设备性能与安全系统测试实验空天精密设备性能与安全系统测试实验12合计合计206E44.教学成果获国家教学成果二等奖3项，获四川省教学成果一等奖4项国家级特色专业建设点3个国家级教学团队1个国家级视频公开课1门国家级精品课程3门，教育部-Intel、教育部-IBM、教育部-微软精品课程 9门，四川省精品课程12门四川省教学名师4人出版教材47本，国家“十一五”规划教材11部、“十二五”规划教材4部、省级“十二五”规划教材5部五、五、电子科技大学信息与网络安全虚拟仿真中心简介电子科技大学信息与网络安全虚拟仿真中心简介E55 5.中心实验项目示例中心实验项目示例1）网络攻击实战实验 “网络攻防”实验系统涉及“网络扫描与嗅探”、“密码破解”、“数据库攻击”、“网络欺骗”、“网络攻击实战”等内容。五、五、电子科技大学信息与网络安全虚拟仿真中心简介电子科技大学信息与网络安全虚拟仿真中心简介E62）空天信息安全虚拟仿真实验 涉及空间电磁频谱管理的信息获取、传输、交换与处理，影响和制约战场感知、指挥控制、武器装备效能发挥及部队的战场生存。五、五、电子科技大学信息与网络安全虚拟仿真中心简介电子科技大学信息与网络安全虚拟仿真中心简介E73）移动智能终端安全虚拟仿真实验 包括“安全审计功能测试”和“数据机密性测试”两个部分。五、五、电子科技大学信息与网络安全虚拟仿真中心简介电子科技大学信息与网络安全虚拟仿真中心简介E81.1.几点值得思考的问题几点值得思考的问题n1 1）如何将虚拟实验平台与）如何将虚拟实验平台与MOOCMOOC结合起来（结合起来（提高学生开展虚拟实验的提高学生开展虚拟实验的水平水平）？）？n2 2）如何运用云计算技术将更多的实验资源聚集和整合起来（）如何运用云计算技术将更多的实验资源聚集和整合起来（增加可增加可选择的实现项目选择的实现项目）？）？n3 3）如何提高实验报告管理的自动化（）如何提高实验报告管理的自动化（减轻教师的工作减轻教师的工作）？）？n4 4）如何保障系统的高效性（）如何保障系统的高效性（提高系统的访问能力提高系统的访问能力）？）？n5 5）如何保证系统的网络安全（）如何保证系统的网络安全（增强系统的安全性增强系统的安全性）？）？n6 6）如何对外运营（）如何对外运营（保证系统的持续性保证系统的持续性）？）？n7 7）。）。六、六、思考与规划思考与规划F1六、六、思考与规划思考与规划F22 2 2 2充分利用各高校优质实验教学资源，动态更新实验项目库3 3 3 3积极促进校企合作，更好地为高校和社会服务4 4 4 4与国家教育资源公共服务平台和高等学校实验教学示范中心网站相连接，不断完善实验资源库2.2.未来规划未来规划1 1 1 1结合以电子科技大学牵头构建的“西南学府”MOOC平台开放中心实验项目()谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！来年再见来年再见马马踏踏寒寒意意冰冰城城喜喜迎迎四四方方宾宾客客羊羊逢逢春春风风齐齐声声恭恭祝祝百百年年安安康康