基于“两对应+两结合”的高职课程虚拟仿真资源设计与实践研究

陈小中

摘   要：传统计算机网络构建课程教学难以有效提高学生的园区网构建能力，文章以“园区网构建”项目任务为载体，基于虚拟仿真教学资源开发，研究“两对应+两结合”的专业实践课程教学方法，可强化学生计算机网络系统认知、提升网络构建与运维技能。

关键词：两对应;两结合;虚拟仿真;网络构建;项目化设计;资源开发

随着信息技术高速发展以及国家“互联网+”行动计划的实施[1]，计算机网络构建课程逐渐成为相关工科专业人才培养方案中的必修课程。常州工程职业技术学院是全国内部质量保障体系建设与实施项目试点院校，成功建设了一批项目化课程资源库。教学团队提出了虚拟仿真资源，实时与模拟结合以及训练与考核结合的“两对应+两结合”课程教学方法，开发虚拟仿真教学资源。实践表明，虚拟仿真资源在提升学生网络构建核心技能方面成效显著。

1    计算机网络构建特性

相比其他计算机类专业课程，计算机网络构建具有以下几点特性。

1.1  知识内容繁杂

该课程涉及大量通信和计算机领域概念、模型和术语，主要包含网络模型、协议层次、物理链路、交换技术、路由技术、IP地址、应用协议、路由协议、外网接入、服务器应用等知识单元。其中，交换技术、路由协议概念与原理以及服务器系统的部署与管理，是本课程的重点和难点内容。

1.2  课程集成性强

计算机网络系统建设目标是架设基于IP协议的数据交换路由信息平台及部署和管理典型应用服务，是大量软硬件资源有机集成的综合体。构建过程要综合运用专业技术，掌握和理解各环节间关联，才能实现所构建网络的高效性和可靠性。

1.3  实践操作性强

该课程中网络规划、物理连接、设备调试、服务架设等知识和技能的训练，都需以实践操作方式进行。为确保学生对全局网络的操控性，最理想的方式是为每个学生提供人手一套网络实训教学平台。

国内众多高校开设了“计算机网络基础”“网络互联技术”和“服务器配置”等相关课程，并配套建立了相关精品课程资源[2]。然而，国内外现有研究中，教学资源主要以单一或少量知识点的验证性实验为主要载体，基于项目化理念有机集成众多知识点于一体的综合典型项目课程资源还非常缺乏。

2    课程虚拟仿真资源设计思路

本着提升学生网络构建能力、以项目导向和任务驱动的设计思路，充分利用思科网络学院Packet Tracer仿真软件功能优势，重点关注园区网建设过程中的整个建设和运维环节。针对技能训练目标，采用虚拟仿真技术进行项目设计和资源重构，建设一套交互性好的项目化教学资源库，重点解决以下3点问题。

2.1  基础设施和逻辑拓扑对应

基础设施和逻辑拓扑对应是计算机网络构建中的重要内容。目前，单一网络实验和综合网络实训大都以逻辑拓扑方式进行，无法有效体现网络逻辑结构与基础设施间的对应关系。学生难以体会到网络建设中园区、楼宇、设备间、链路的物理设施层次关系。

2.2  实时网络与协议模拟结合

数据包传输过程和封装结构对学生理解数据转发、交换路由协议、故障诊断有着极重要的意义。采用sniffer等工具软件抓包已成为网络实际建设中数据包分析的主流方式，需较深的专业基础知识，初学者难度较大。现有虚拟仿真平台如HCL，GNS等，虽能支持数据包的分析，但需要耗费较多的PC硬件计算资源，且对于数据传输过程中可视化展示的支持不够理想。

2.3  网络集成实训条件保障

计算机网络系统包括大量软硬件子系统，为学生提供一套完整的网络硬件实训环境显然存在很大难度。基于虚拟仿真平台开发实训资源，师生可根据典型需求实现网络设备与应用系统的便捷创建和配置修改，有效弥补真实训练中设备不足和管理困难等缺陷。

3    课程内容甄选与项目资源设计

计算机网络教研团队通过企业、行业走访和网络调研方式，总结和归纳目标岗位所需知识和能力要求，甄选和整合传统知识和技能点，保留交换、路由、服务应用等核心内容，删节综合业务数字网、帧中继等过时技术，增加无线、以太网无源光网络等主流技术和基础设施建设环节等。整合优化该课程教学内容，设置基础建设、二层网络、三层网络、网络协议等内容，具体如表1所示。

以“园区网构建”项目为例，依据典型工程化流程，将整个项目分解为物理基础建设和逻辑网络部署两个子项目，并按照项目建设流程，详细设置各子项目中任务，并规划核心能力目标，开发配套实践教学项目资源，包含训练资源及其对应测试资源，具体如表2所示。

4    虚拟仿真资源应用

4.1  基础设施建设

基础设施建设是园区网构建的基础，园区网络拓扑如图1（a）所示，依据逻辑视图下预先设计的网络拓扑结构，在物理视图下依次创建园区楼宇结构分布、楼宇内部设备间，具体如图1（b）所示。通过“设备移动”方式，将交换机、服务器、PC等设备“搬运”至对应楼宇的设备间，并支持线缆的自动连接。该项资源设计能显著增强学生对物理网络布局的直观感受，进一步了解园区网络建设中楼宇和设备部署物理分布，加深对综合布线和网络基础设施建设的认知和理解。

4.2  数据包通信分析

利用虚拟软件平台中特有仿真功能特性，帮助学生分析網络数据传输中协议类型和数据通信过程至关重要。传统网络连通性测试中，学生只能通过ping命令包中的反馈信息分析通信结果，其传输过程抽象不直观，加大初学者对于网络原理理解的难度。

（a）园区网络拓扑

（b）園区楼宇结构

采用仿真资源对特定应用协议编辑和过滤，可帮助学生分析网络连通性和判断故障点的关键位置，数据包传输分析如图2（a）所示。直观可视化的数据包开放式系统互联（Open System Interconnection，OSI）封装模型和编址信息，数据包OSI模型结构如图2（b）所示，有效展示数据协议单元PDU中核心信息及重要参数，数据单元封装格式如图2（c）所示。仿真模式下数据包的通信过程与原理分析，能有效弥补逻辑网络学习中可视化的不足。建立直观的实践教学辅助资源，有助于对OSI模型和数据通信等抽象过程理解和分析的强化，更重要的是帮助分析ICMP，DNS，DHCP，WWW等典型协议包抓取以及故障诊断定位。

4.3  项目任务评估与分析

在开发项目训练资源的同时，开发配套测试资源，有利于提升学生课程学习效果。在项目测试资源中，可以将项目任务要求和项目逻辑资源有机结合，设置项目任务完成的步骤和时间要求，并自动进行实时评分，即完成项目的百分比。在检查功能项方面，可以设置两种功能：（1）开发检查项，让学生自行查看各个任务完成的情况并排查错误。（2）屏蔽检查项，要求高于前者，学生在无法查看检查项的基础上，自行排查未完成的、错误的任务，适用于课程综合考核与故障排查训练。

4.4  资源应用效果分析

项目组将所开发资源植入网络课程的阶段性学习，分别在常州工程职业技术学院4个班级中试点应用。结果表明，所有测试学生对于园区网中物理网络、通信协议、网络服务以及全网架构的实践能力，相比传统理实一体化的效果有明显提升，综合考试成绩显著提高。此外，采用个性化参数设置，提升学习主动性和自觉性。通过学生个人汇报和展示，有效减少学生实践学习中缺乏思考和抄袭作业的发生。

5    结语

基于“两对应+两结合”的高职课程虚拟仿真资源设计与实践研究，为授课教师设计“集成网络教学环境”，提供可行教学方法和有效实践教学资源。基于虚拟仿真技术开发课程实践资源是对物理实验环境的有效补充，挖掘虚拟仿真平台功能，需专业教学团队不断改革尝试。

[参考文献]

[1]国务院.中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要[N].人民日报，2016-03-18.

[2]曹毅，蒋丽华，杨莉.校企合作在精品课程建设中的应用与实践[J].中国职业技术教育，2007（16）：23-24.

Abstract：The teaching of traditional computer network construction course is difficult to improve students ability to construct campus network effectively. This paper is based on the project task of “campus network construction” and based on the development of virtual simulation teaching resources. The research on the teaching method of the professional practice course can strengthen the students cognition of the computer network system and improve the skills of network construction and operation and maintenance.

Key words：two correspondence; two combination; virtual simulation; network construction; project design; resource development