虚拟仿真实验在计算机网络课程教学中的应用

朱剑林 侯睿

摘要：本文研究计算机网络课程特点，探索将虚拟仿真实验作为辅助教学手段引入到计算机网络的课程教学中。尝试通过灵活运用虚拟仿真实验等辅助手段，在计算机网络课程的讲授过程中将计算机网络的理论知识和理论应用实践融合起来，提高学生的理论水平和实践能力。

关键词：计算机网络；虚拟仿真实验；实践能力

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）17-0224-02

一、引言

当今社会，互联网技术对人们的生活产生了更为广泛的影响。2015年3月份，李克强总理在第十二届全国人民代表大会第三次会议上提出制定“互联网+”行动计划。李克强总理在政府工作报告中提出，“要制定‘互联网+行动计划，推动移动互联网、云计算、大数据、物联网等与现代制造业结合，促进电子商务、工业互联网和互联网金融健康发展，引导互联网企业拓展国际市场。”

随着生产力的发展及科学技术的进步，通信技术、计算机技术和控制技术之间的融合成为必然趋势。互联网+的提出及蓬勃发展，使这种融合的必要性更加明显。

计算机网络作为互联网技术的基础必修课程，内容包括网络基本概念、网络体系结构模型、网络各层主要协议分析等，是一门理论性与实践性都很强的课程。针对计算机网络课程的特点，就如何提高该课程的教学质量进行了相关的研究和探索。

二、计算机网络课程特点

（一）《计算机网络》课程特点[1-3]：

1.学科基础涉及面广。计算机网络一门综合性很强的交叉学科，涉及计算机、通信、电子、控制等多个学科领域，理论性强，概念抽象。

2.学科应用性强，因此该课程对学生的实践能力提出了较高的要求。

3.前沿性强，知识更新快。教学内容涉包含大量错综复杂、彼此交织的概念与技术，尤其是通信与网络技术发展迅速，主流的网络技术和网络设备在不断地更新。

（二）计算机网络课程传授过程中面临的困难

1.抽象的理论知识让学生难以深入掌握理解相关知识点。抽象的概念和复杂繁多的协议容易使学生们失去对这门课的兴趣，如网络各层主要协议的工作原理较为抽象，很难通过语言引导学生构建网络体系模型，最终学生难以灵活运用所学知识解决实际问题。

2.由于硬件实验设备的封闭性，学生的实践能力培养不足。实验设备数量不能满足教学需求，而且网络设备更新换代快，受经费的影响，学校也难跟随网络设备发展的步伐。网络设备的不断发展，导致实践环境和网络技术的发展差距在不断拉大，不利于教师结合实际应用进行课堂教学，这就在很大程度上抑制了学生创新能力的提高。

可以说计算机网络是一门非常理论化、晦涩难懂却又同时有着较强的应用型的课程。学生在学习这门课之前已经非常熟悉基于网络的应用程序，对网络有一点了解，但是这个了解是集中在应用层的使用上，他们并不理解原理。根据计算机课程的特点，只有保持计算机网络传授内容理论与实践知识的先进性，及时了解该学科最新研究发展动态和前沿，才能培养出具有实践和创新能力的高层次高素质人才。

结合当前的困难，虚拟仿真实验被应用到计算机网络课程传授中。

三、虚拟仿真实验的概念及模式

虛拟仿真实验是学科专业与信息技术深度融合的产物，是运用虚拟现实技术模拟实物实验的计算机辅助教学软件。虚拟仿真实验的主要特点：

1.直观性。通过实例操作演示非常抽象的概念，将抽象的网络概念具体化、形象化。

2.互动性。对比传统的单向的、垂直的教学模式，教与学双向互动，就关心的教学内容，学生和老师都可以表达自己的想法和建议。互动式交流提高学生的学习热情和学习的主动性。

3.激励性。通过仿真实例的展示、学生的主动实践，可以激发学生的求知欲望，帮助学生充分吸收教学内容，激发他们的创造动机和创造性思维。

目前的国内外模拟仿真软件有多功能的电路模拟试验平台PSPICE[4]；用于模拟与数字电路的仿真分析和设计研究的Tina Pro[5]；用于电路描述与仿真的语言与仿真器软件CircuitMaker[6]；仿真单片机及外围器件的工具Proteus[7]；模拟Cisco路由器、交换机，可自定义网络拓扑结构及连接的Boson NetSim[8]；由北京邮电大学的国家级北邮电子信息虚拟仿真实验教学中心开发的“开放式虚拟仿真实验教学管理平台”[9，10]。北邮开发的虚拟仿真实验平台作为计算机网络课堂的辅助教学手段，该系统是仿真计算机网络的虚拟实验系统。系统提供计算机、路由器、集线器、交换机等器材模型，利用它们，用户可以搭建计算机网络，进行Windows操作系统的网络配置与命令操作以及路由器、交换机的配置。其中一个教学内容使用虚拟仿真平台部署和测试网络应用层协议FTP和HTTP，如图1所示。

四、《计算机网络》教学心得与体会

1.计算机网络课程教学模式总结如下：

（1）课前预习。提前将每次课堂的教学知识点及相关的辅助材料告诉学生，让学生课前对授课内容做好一定的准备。

（2）课程中集中讲授关键知识点的理论知识，同时使用虚拟仿真实验平台作为教学辅助手段。围绕不同的知识点，组合优化教学方式和教学手段，如小组讨论式教学法、动画模拟、虚拟仿真、微课等，激发学生学习热情，提高学习的主动性，提高学生的上课注意力。

（3）课后实践。通过仿真实验解决硬件实验设备不足和实验设备老化等问题，增强学生的创新能力和动手能力，进一步加深对知识点的理解，最终提高学生运用知识的能力。

2.将虚拟仿真实验引入到计算机网络的课堂教学中，使得教学模式和方法多样化、智能化、规范化、国际化，旨在提高学生灵活运用专业知识能力；加强创新精神和实践能力的培养；更生动形象地传达不易理解的知识。具体意义总结如下：

（1）通过虚拟仿真实验平台，将理论和实践融合进教学。在课堂教学过程中将动画模拟、虚拟仿真、远程实验和实物实验优化组合，探索各类案例的优势互补，旨在调动学生学习积极性，启迪思维，激发潜能。

（2）通过虚拟仿真实验平台，整合计算机网络的相关资源，既保证了知识的积累和传承，又避免了基础工作重复，提供智能化的教学服务同时，培养学生的创新能力和动手能力。

（3）通过虚拟仿真实验平台，学生可以不受时间和地点限制，在一定的范围内进行设计型、创新型、不易实施的实验，既满足了实验的灵活性和有效性的要求，又可减少实验成本和资源消耗。

同时很多开设计算机网络课程的高校的教学模式很有启发，如Seminar教学模式[1]是专题研讨课或小组讨论教学法，由导师指导的、学生共同参加对某一论题进行分析、研讨的教学方法。其核心思想是讨论学习，注重培养学生的创新思维和创造能力，从而达到教学与科研并重的目的。创客（Maker）[2]是指出于兴趣爱好将各种创意转变成现实的人，包括硬件发明、软件发明、艺术家等。做中学（Learning by doing）的理论强调学生主动思考、设计，实现创造的学习。微课应用于计算机网络课程[3]，微课是基于网络多媒体技术及信息处理技术，将“课”微处理化形成了一段短小生动展示并陈述、解决一个核心重点问题的教学音视频。

五、总结

研究《计算机网络》课程的特点，探索将虚拟仿真实验应用到计算机网络的课程教学过程中。通过虚拟仿真实验中的丰富的设备器材库和网络部署应用案例，优化组合各类教学手段，更形象地展示抽象的网络知识，将计算机网络的理论知识和实践知识结合起来，提高学生的实践和创新能力，重点提高综合运用计算机网络知识解决分析实际问题的能力，为社会培养出高水平高素质的复合型的网络工程专业人才。

参考文献：

[1]江兵，杨海波，杨娟.Seminar教学模式在研究生《计算机网络》课程中的实践[J].计算机工程与科学，2014，36（A1）：143-146.

[2]赵广元，王文庆，蔡秀梅.创客教育视野下“计算机网络”课程实验设计[J].现代教育技术，2015，25（9）：116-121.

[3]李桂萍.着眼实践能力提升的《计算机网络》微课教学设计研究[J].教育教学论坛，2015，（19）：185-186.

[4]Pspice，http：//www.cadence.com/.

[5]TINA，http：//www.tina.com/.

[6]CIRCUITMAKER，http：//www.circuitmaker.com/.

[7]Proteus，http：//www.labcenter.com/indexcfm.

[8]Boson NetSim，http：//www.boson.com/netsim-cisco-network-simulator.

[9]張琼，舒鹏.北京邮电大学网络教学系统研究中心——虚拟仿真实验教学的研究与创新[J].海峡科技与产业，2014，（7）：78-80.

[10]北邮开放式网上虚拟实验室[OL].http：//www.owvlab.net