高职计算机网络虚拟实验系统的探索与实践

任云晖　赵利民

摘要：该文介绍了一套按高职院校“教、学、做”一体化要求设计开发的计算机网络虚拟实验系统，总结了网络虚拟实验系统的开发方法，重点研究了系统中各功能模块的实现过程。

关键词：高职院校；网络虚拟实验；VRML；Java；EAI

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）01-0036-03

1 背景和现状

高职教育以培养面向生产、建设、管理、服务第一线需要的高素质技能型人才为目标。教育部要求高职院校“建立符合技术应用型人才培养目标要求的，基本实践能力、操作能力与综合技能有机结合的、相对独立的实践教学体系。”有鉴于此，我校开展了“教、学、做”一体化的教学改革。但是由于办学资金紧张，难以配备齐全的专业网络实验设备，为此我们充分利用现有资源，建立了一套计算机网络虚拟实验系统，解决了这一问题，取得了良好效果。

2 虚拟实验系统特点

与传统的实验教学相比，虚拟实验具有以下特点：（1）弥补实验条件不足。虚拟实验资金投入低，学生通过虚拟实验获得的感性认识与真实实验相差无几。（2） 降低实验教学成本。虚拟实验没有易耗品的消耗，也没有设备人为损坏的发生，更不会危及实验学生的人身安全；（3） 具有良好的开放性。使用者不受时间和空间的限制，可以自主地、灵活地、交互地创建实验环境。还可实现大型仪器设备的重复添置；（4）不受客观条件的影响。可避免硬件实验客观存在的无谓干扰，如接触不良、仪器故障等；（5）可实现实物实验无法实现的功能。如自主学习和预习功能、实验报告提交和评阅功能、考核和评价功能、实验资料检索功能等[1-2]。

2 系统内容与功能

2.1 系统规划

根据高职教育“理论够用、应用为主、注重实践”的教学目标，本系统从以下几点入手进行规划，第一，学生的实验目标不是进行深入研究，而是掌握基本知识及技能，所以系统主要包括网络组建、优化等方面的基础实验；第二，基于高职高专学生的自学能力，系统本着便于使用的原则进行开发，使初学者容易上手；第三，充分考虑学生接受能力的差异，系统中所有的实验从最简单最基本的开始，由浅入深，由易到难、循序渐进、逐步提升[3-4]。

所以，本网络虚拟实验系统规划的核心内容如图1所示。

2.2 主要功能模块

根据系统的主要内容可划分为以下几个功能模块，如图2所示。

主功能模块：即主界面模块，进入其它功能模块的通道；

认知模块：即认识设备模块，可以选择自己想要熟悉的设备，通过拖动、旋转等操作从多方位对设备进行立体展示；

组网模块：即使用网络设备组建网络模块，使用者可以在场景中选择组建网络所需要的材料和设备组建简单网络；

配置模块：即网络设备功能配置模块，利用网络设备的各种特性配置网络，以实现更多的功能，发挥最好的性能；

验证模块：即实验结果的正确性的检测模块，可以验证网络连接的可行性及设备配置的正确性；

信息查询、保存及读取模块：该模块可以将配置模块中的有用信息长期保留下来，并能实现查询、读取等功能；

帮助模块：可以帮助学习者快速学会使用该系统，也可以帮助学习者解决在实验过程中遇到的问题；

后台信息库模块：即数据仓储模块，使用数据库及相关文本对有用数据进行长期保存。

这些功能模块成为网络虚拟实验平台与实验者之间的桥梁，可以帮助学生通过网络，在没有真实实验场所的情况下完成实验任务。

3 虚拟实验系统功能模块实现方法

由于VRML不是一種编程语言， 对于协同实验环境下多用户之间的复杂交互、信息处理等需要程序语言的介入。在网络环境下， Java是最有效的语言[5]， 当前的主流VRML浏览器也都对Java编程提供了支持。Java的加入为VRML提供了强大的编程能力和网络访问功能， 使这种描述性语言对各种需求功能的扩充成为可能： VRML负责场景的描述和接口的定义， 复杂的交互和高级应用让Java来完成。所以在系统中采用了VRML和Java的结合， 使之成为创建基于网络的虚拟实验环境的理想平台[6-7]。

3.1 主界面实现方法

主界面使用Java语言与VRML结合实现，界面的主框架采用的是Java的Applet实现菜单和快捷按钮的显示及功能，编辑区采用VRML浏览器插件，利用EAI实现与Java Applet的通信。实现方法是将Java Applet与VRML置于同一Web页面， 在JavaApplet中建立browser对象以标志一个唯一的VRML场景， 并由此获得对VRML场景中已定义节点的引用， 然后通过直接指定引用节点的域值来达到动态效果。这样， Java Applet既可控制VRML场景， 又能进行与HTML等其他媒体的交互及网络控制， 从而实现复杂的虚拟环境系统。例如，在网页中要嵌入VRML场景，可以在HTML代码中加入。

3.2 认知模块的实现

该模块可以为使用者提供多角度的三维设备展示，提高对网络的感性认识。由于VRML制作的三维物体及环境的功能没有3DMAX强，所以可以利用两者的结合制作出复杂的三维场景。是3DMAX可视化的三维建模工具，其创建三维对象快速而且视觉效果较好，但因文件大，不适于在网络上实现。对于构造较复杂的物体，将VRML和3Dmax结合作为建模工具是一种行之有效的方法，3Dmax有强大的建模和动画制作功能可以弥补VRML在这方面的不足，为了更好地、更有效地、更全面地支持VRML[8]，在3Dmax环境下可以很方便地建立三维设备及环境模型，其创作的文件可以导出成为VRML格式的wrl文件，较小的文件直接被VRML使用。

在这个模块中，使用3DMax建立网络设备模型，然后将模型转化为VRML格式并进行优化。对实验中设备的放大、缩小、旋转等动作建立VRML动画时，可通过EAI交互，利用Java Applet控制面板中的相关按钮对其进行控制。

3.3 组建网络模块的实现

交换机、路由器、防火墙、PC机、服务器、双绞线、同轴电缆、光缆等组网材料的选择可以通过菜单或者快捷图标进行选取，当点击所要选取的材料或设备的菜单或快捷图标时，设备被选入编辑区，并可根据组网需要移动其位置。例如，以交换机为例，实现该功能的VRML场景下的Java代码为：

import vrml . 3 ；

import vrml . field. 3 ；

import vrml . node. 3 ； // 加入与Java相互通信的类包

public class J ava TimeSensor extends Script{

private SFNode t ranslation ，time ；

……

private SFTime toPause ；

float f [ ] = {0f ，0f ，0f} ； // 申明设备运动的相关变量

public void initialize （） { // 取得VRML 程序中需要进行控制的字段的参考值

t ranslation = （SFNode） get Field （" set-translation" ） ；

// SFNode 型变量translation 从Script 节点的field 处获取指针

……}

public void processEvent （ Event e） {

if （e. getName （） . equals （" touchMe" ） = = t rue） {

// 如事件操纵类接收到从Script 节点传来“touchMe”

…… //设备的运动

Node node_tr ； // 申明一个Node 类的对象node_tr

Node_tr = （Node） （translation. getValue （） ） ；

// 返回SFNode 类型的对象，指向设备节点

Set_translation = （SFVec3f） （node_tr . get ExposedField （" translation" ） ） ；

…… // 获得指针指向设备节点的translation 字段

set_translation. setValue （f） ；

// 由setValue（）将float[ ]类型值写入translation 字段

}else{

……}}

3.4 设备配置模块的实现

与用户之间的交互是由Java完成，用户可以通过鼠标和键盘与Java Applet程序对话。例如通过鼠标按下处理函数public boolean mouseDown（Event evt，int x，int y）和鼠标松开处理函数public boolean mouseUp（Event evt，int x，int y）来连接设备配置界面，网络设备配置通过对简单的文本文件的操作来实现。在操作界面区域对设备进行的配置，通过保存当前设备配置信息文件来实现网络设备配置信息的保存，如果需要重新打开该设备的配置信息进行查询或修改时，可以直接读取服务器端的对应的设备配置文件，打开该文件即可以看到已经配置的交换机信息，这时可以继续操作或修改。

3.5 检测模块的实现

检测模块包括网络设备连接检测模块、 PC配置检测模块、网络设备配置检测模块、功能实现验证模块等，通过这些功能模块可以实现网络设备连接的正确与否，及网络功能正确与否的验证。由于篇幅有线，下面就以配置命令检测为例，画出流程图如图3所示：

图3 配置命令检测流程图 （下转第43页）

（上接第38页）

4 结论

本计算机网络虚拟实验系统主界面的主体框架部分采用JavaApplet来实现，编辑区部分采用了VRML来实现，两者之间的结合采用的是EAI技术。在具体实现过程中，将VRML和JavaApplet置于同一个网页中，以Java Applet作为控制面板，VRML场景作为三维展示平台，通过EAI交互构建虚拟场景。

本计算机网络虚拟实验系统基于高职高专人才培养要求，具有直观、灵活、方便、便宜的特点，可以满足计算机网络组建实验的教学任务和要求。但是还存在一些不成熟、不完善的地方，比如，还可以开发多人在线交互功能、实时会话功能等，进一步加强用户身临其境的感受。

参考文献：

[1] 單美贤.虚拟实验原理与教学应用[M].北京：教育科学出版社，2005.

[2] 黄荣怀.信息技术与教育[M].北京：北京师范大学出版社，2002.

[3] 任云晖.计算机网络技术.水利水电出版社，2010.

[4] Yunhui Ren， Research and Practice of ‘Teaching， learning， practice integration teaching model in Higher Vocational and Technical Education，2010 International Colloquium on Computing Communication Control and Management，2010.615.

[5] 王克宏.最新Java 2核心类库详解[M].北京：清华大学出版社，1999.

[6] 周勇，徐英卓.基于VRML-JAVA的网上协同虚拟实验系统研究[J].电化教育研究，2006（5）：52-55.

[7] 滕兰芝，何瑾，薄芙丽.虚拟现实技术在多媒体网络教学中的应用[J].电化教育研究，2002（7）：48-50.

[8] 吴玮，吴昌林，吴鹿鸣，吴立言. 结合AUTOCAD、3DMAX及VRML实现Web三维动画[J].机械设计与制造， 2002（4）：46-47.