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【智慧校园】高校智慧校园建设—北京邮电大学(下)

【原创作者】北京邮电大学 尹长川 安杰 吴建伟 裴小林 胡燕

【出版单位】清华大学出版社

【出版图书】《高等学校智慧校园应用案例集(第一辑)》

【推荐用书】中国高等教育学会教育信息化分会

三、虚拟仿真实验平台与教学融合

虚拟仿真实验平台包括以下四个子平台:以软件定义网络(SDN)技术为支撑的C-Lab实验子平台应用、云计算子平台应用、全程全网实验子平台应用和虚拟仪器子平台应用。

面对通信技术发展迅速所呈现的“多元化和网络融合化”趋势,秉承我校培养学生具备“大通信、大网络”全程全网通信视野与知识的教学传统,探索构建“虚拟化、网络化、开放化”的教学实验平台创新思路,以培养信息通信类专业学生的实践能力和创新能力为根本目标,打造“以人为本,激励创新,目标驱动,融合贯通”的实验教学平台,形成“系列化、层次化、规范化”的实验教学模式,拥有丰富的实验教学资源,造就一流的教学团队,培养一流的创新人才,获得一流的研究成果。

二、虚拟仿真实验平台功能及建设思路

3.1以SDN技术为支撑的C-Lab实验子平台

依托学校校园网络,建成了具有国内领先水平的虚拟网络实验平台——C-Lab。该子平台由分布在校园主楼、教3楼、新科研楼等多处地方的32个网络节点,35台高性能服务器联网组成,在真实的网络环境下通过软件控制构建多个虚拟网络进行独立的科研和教学实验。该实验子平台兼具实验教学和科研创新双重功能,并可以与其他实验教学子平台(如云计算、虚拟仪器、全程全网等)互联,该子平台的架构图如图3所示。

图3  基于虚拟化网络环境C-Lab的实验平台架构

在实际应用中,实现基于控制器对不同传统网络设备进行基于统一命令体系的配置和管理;通过Web浏览器实现对网络系统的远程配置;在不同平台(Windows,Linux)上实现对网络的灵活配置,主要应用在《计算机网络》课程上。学生在该平台所做的实验包括TCP三次握手实验、Mininet & Ryu实验、Mininet MAC地址学习实验、Mininet多个数据中心的拓扑网络实现、Open vSwitch流表应用实战、搭建基本网络实现通信以及阻断、ovs的vxlan隧道实验、环路风暴实验、用Pox控制器实现DDos攻击的检测以及防护。参加实验的学生人数占比:

2013-2014春季:2011级计算机网络课程设计:25/821

2014-2015春季:2012级计算机网络课程设计:95/803

2015-2016春季:2013级计算机网络课程设计:254/865

学生通过该子平台可以理解相关网络知识,尤其是未来网络和传统网络的融合,设计和完成一定拓扑的网络搭建,掌握对网络不同网络单元的配置方法和基本协议。通过对设备的操控增强学生的动手能力,巩固所学知识,增强学习兴趣,激发学生的创新意识,更好的促进教育教学。

3.2云计算子平台应用

虚拟仿真实验平台建设完成了由50台高性能服务器组成的云计算服务平台,该平台基于Hadoop分布式框架,内部中心交换机通过内部出口环境,与外部校园网互联,接口速率达千兆,内部网络与外部网络的分离,提高内部网络安全性,平台集群磁盘总容量达552TB,可实现虚拟仿真用的大数据存储,并完成TB级别的作业任务。依托该平台,可以开展各类大规模的通信与网络虚拟仿真实验,大数据分析处理,并支持大容量仿真课件存储和共享。图4示出了基于云平台的通信网络流量大数据分析实验。

图4  通信网络流量大数据分析实验

通过Web浏览器访问云计算平台的数据资源和执行数据分析功能,包括:分布式文件系统(HDFS, Hadoop Distributed File System)中的文件上传、下载及增删改;MapReduce作业的配置及执行;Pig分析脚本的编写及执行;Hive分析脚本的编写及执行;图形化分析界面设计及结果呈现。学生通过Web浏览器访问虚拟实验环境中的存储和计算资源,设计并编写流程和脚本,并通过界面呈现大数据分析的效果。学生可以掌握Hadoop大数据处理基本理论,熟悉HDFS文件系统功能,掌握使用MapReduce、Pig、Hive等语言进行大数据分析的能力。

超过50台高性能服务器存储了接近 600TB 数据,供学生学习大数据技术、原理和算法。每天有将近60名师生使用这个集群做各类实验,包括:多源数据采集、结构化与非结构化数据分析、用户行为研究、 Hadoop 原理与应用、Spark 原理与应用、基于 MapReduce 的编程与实践、Web 编程与实践、流式数据处理、数据预处理方法实践、分布式计算的优化、海量数据管理、分布式集群管理与优化。通过网络化的操作,进行云计算及大数据处理方面的实验。通过实验加强学生对相关技术的理解,通过分析流程设计和脚本编写,增强学生的数据分析能力。

3.3 全程全网实验子平台应用

该子平台是以数字化校园网络为基础建立的开放信息平台,服务于全程全网教学和实验管理的各个环节。实现优秀教学资源共享和实验室资源远程分时使用,提高优秀教学的覆盖面和贵重精密仪器的利用率,充分提高教学效率。利用现代化的技术手段,多方位立体化展现“全程全网”知识体系。在知识体系上体现了全程全网教学理念与设计思想以及“全程全网”和“大通信”的整体概念,充分展示全程全网教学资源、教学方法及技术手段,为广大师生提供系统丰富的学习资源,提高教学质量。

该子平台是我校前期建设的“全程全网”硬件实验平台增加网络虚拟化升级改造后的新实验平台,是国家级精品课《现代通信技术》的实验支撑平台。该平台硬件设备包含有数字微波与光传输系统、卫星通信系统、移动通信系统、程控交换、无线局域网接入设备、多媒体实验设备等。通过虚实结合,可以开展各类大型通信仿真实验,例如:蜂窝网规划仿真、通信卫星轨道观测、微带电路仿真等。参加蜂窝网规划仿真实验的有18个班,540人参与;参加通信卫星轨道观测实验的有200人参与;参加微带电路仿真实验的每年20个班,600人参与。

“现代通信与全程全网”虚拟实验教学平台的投入使用,解决了学生学完理论知识后如何快速融入到实践教学的环节中的问题,充分提高实践教学效果和教学质量。对强化学生的实际动手能力、培养学生的自主学习和创新意识具有重要意义。

3.4虚拟仪器子平台应用

该子平台与美国国家仪器有限公司(NI)联合开发,是国内首个由NI公司捐助的通信教学虚拟实验平台。本平台采用国际先进的工程教学理念,通过LabVIEW图形化设计方法与虚拟仪器相结合,可以开展基于网络的远程虚拟通信实验,克服了实践教学受时间、空间、资源的限制,学生可以通过校园网远程参与虚拟实验,虚拟实验程序运行在服务器上,学生不需要在个人客户端安装昂贵的NI LabVIEW编程环境。此外,通过引入数据采集设备和虚拟仪器平台可以将真实信号虚拟化,将实验室虚拟仪器套件引入课堂,在虚拟仪器仪表上实时演示仿真信号辅助理论教学。

基于虚拟仪器开发平台LabVIEW自主开发的通信虚拟实验室通过网络进行发布,学生可以通过校园网在宿舍或教室进行远程访问,无需在客户端安装昂贵的LabVIEW软件环境。该平台已经支撑《通信原理》、《移动通信》等课程的实验教学以及高年级学生的创新实验教学投入使用。

虚拟仪器子平台的实验共七大项,11个内容:

1)模拟调制:幅度调制/频率调制

2)数字调制:振幅键控/频移键控/相移键控/正交振幅调制

3)信道复用:正交频分复用

4)信道噪声:高斯白噪

5)信道干扰:邻道干扰

6)载波同步: 无辅助导频的载波提取

7)频谱分析:信道带宽

该子平台每年支持的课内人数在100人左右。学生通过选择不同的数字通信模块,配置参数,构建通信链路并用虚拟仪表测量时域、频域、误码性能。自主开发的虚拟实验在虚拟仪器平台LabVIEW环境中进行网络远程发布,学生可以在校园网的任何位置参与实验。

3.5虚拟仿真教学支撑平台建设

虚拟仿真教学支撑平台是学生和教学管理人员与虚拟仿真实验各个子平台之间的接口。平台采用J2EE架构的B/S结构系统的解决方案,平台功能包括虚拟实验教学中心门户网站、实验的过程管理、实验的教学安排、实验的成绩管理,师生互动交流和系统管理等。依托上述实验教学平台和教学支撑平台,经过多年实践,开发建设了与通信与网络虚拟仿真实验教学相关的丰富的教学资源。

结合现代通信技术发展,为了让学生掌握通信与网络仿真的技巧和理论知识,给学生开设了四门通信与网络仿真专业课程,分别是《通信系统仿真与实现》、《信息与通信系统仿真》、《移动网络的仿真与规划》、《LabVIEW虚拟实验系统的设计》,开设仿真类语言课程《MATLAB语言》。

目前已投入教学实际应用的虚拟仿真类实验课程共7大类101项,包括虚拟仪器类59项,无线通信类8项,云计算与大数据类5项,光纤通信类5项,软件定义网络类11项,电磁场与微波类6项,多媒体类7项。

积极鼓励学生在上述虚拟仿真实验平台上开展各类创新设计实验。依托C-LAB虚拟实验平台获教育部全国高校软件定义网络应用创新开发大赛奖2项,依托虚拟仪器平台开展的创新实验获全球虚拟仪器设计大赛、全国虚拟仪器设计大赛等奖项共计11项。

四、虚拟仿真实验平台的应用效果与特色

4.1 虚拟仿真实验平台应用效果

我校通信和计算专业基础课和专业课普遍采用了虚拟仿真类实验,主要课程包括:《通信原理》、《通信系统仿真与实现》、《通信网理论基础》、《现代通信技术》、《移动通信》、《卫星通信》、《移动网络的仿真与规划》、《光通信系统》、《光网络技术》、《天线与电波传播》、《微波与光传输》、《信息与通信系统仿真》、《计算机网络》、《网络与交换技术》、《交换网络性能分析》、《网络管理与监控》、《网络流量监测》、《多媒体技术与应用》、《多媒体通信》、《移动多媒体》、《多媒体网络编程》、《计算机通信与网络》、《语音信号处理》、《数字图像处理》、《LabVIEW虚拟实验系统的设计》、《Linux操作系统》、《物联网与无线传感网络》,实践环节包括:《专业实习》、《认知实习》和《课程设计》。本中心覆盖通信与网络相关的各个教学环节,包括独立设置课号的实验课,理论课的随课实验、课程设计、小学期实习实训等学分内教学环节,也包括大学生创新项目、各类大学生科技竞赛以及其他课外科技活动。每年覆盖本科生超过3000人,学时数达到人学时/年。

目前,我校开设的虚拟仿真类实验项目已占到学生全部实验的50%以上。虚拟仿真实验使许多原来不可及的实验引入了实践教学,例如蜂窝网络、无线信道、LDPC编解码、路由协议、物理层通信的细节过程等等,使实验内容的覆盖与传统相比有了极大的扩展,有利促进了学生的教育质量。另外我校对虚拟仿真实验的开展不仅仅停留在远程登录服务器进行实验操作,更侧重于学生自主开发虚拟仿真内容,进而锻炼了学生的创新开发能力。通信信息类专业能力以及软件编程能力的提升使毕业生从事通信信息类专业工作的能力提升,研究生招生以及就业市场的表现充分地印证了这一点。

除了在校内本科教学中广泛应用之外,我校积极推进兄弟院校对经验、资源和平台进行共享。目前,通过北京邮电大学主导的北京市通信类专业共建项目,部分成果已经在北京市9所学校中得到共享,其中包括北方工业大学、北京信息科技大学、北京工业大学、北京化工大学、首都师范大学、北京印刷学院、北京工商大学、北京服装学院。

4.2 虚拟仿真实验平台的特色

整个平台除具备普通网站的浏览展示功能外,最大的特色与亮点就是拥有一个特点、两大特色平台、和四大知识模块。

1) 一个特点:系统全面

无论从通信知识的集成,还是从知识的展示方式及展示手段都全方位多渠道展开,为学生提供有多元化选择的学习环境,体现“我的选择” 、“我的方式”个性化学习方式。

2) 两大特色平台:虚拟实验平台和远程实验平台

这是软件平台的精华与亮点,利用虚拟实验平台,可以使学生快速熟悉实验环境,促进学生理论学习与实践学习之间的快速过渡;利用远程实验平台实现实验室资源分时使用,提高贵重精密仪器的利用率,在一定程度上缓解当前实验教学设备/器材、场地及经费相对学生数量不足的矛盾。更好的开展实验教学和学生实践能力的培养;作为对传统单一实验教学模式的一个突破和必要的补充,使实验教学不受时间和空间的束缚,使实验教学成为一种个性化的学习,真正实现“我的实验”、“我的学习”。

3) 四大知识模块

包括网上理论课程模块、全程全网认知模块、典型设备介绍模块、通信网信息传递过程动态展示模块。从全程全网教学体系出发,将现代通信技术或通信设备以网络课件、电子文本、图形动画等不同形式展示给学生,为学生提供丰富的文化资源和多元化的学习方法,有效提高教学效率和教学质量。

总之,虚拟仿真实验教学平台的投入使用,解决了学生学完理论知识后如何快速融入到实践教学的环节中的问题,充分提高实践教学效果和教学质量。对强化学生的实际动手能力、培养学生的自主学习和创新意识具有重要意义。

五、 总结

虚拟仿真实验平台利用信息技术,基于校园网为学校师生创造了一个先进灵活的实验教学环境,在智慧校园中实现简单有效的可支持远程使用的虚拟技术,增加了学生实验动手的机会,突破了学生的人数和所处的位置及仪器的多样性等限制。课堂教学不再局限于有形的实验室中,教学和手动操作实践的空间和时间可得到无形的扩展,通过校园网进行交互式远程教学,可提供移动的教学场所,使资源由一课独享变成多人共享。该系统的使用解决了学生学完理论知识后如何快速融入到实践教学的环节中的问题,充分提高实践教学效果和教学质量。对强化学生的实际动手能力、培养学生的自主学习和创新意识具有重要意义,是智慧学习的典型应用。

【案例征集】

简述案例的主要建设成果、应用效果、创新点与智慧性,下辑以应用集成、应用融合为主,体现“智慧+”引领,新颖,简介限600字,投递邮箱:

整理:朱思瑾

审核:樊铁成

发布日期:2019年2月2日

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