基于虚拟仿真技术的计算机网络课程实验教学模式创新研究

田小东，曾 英，崔兴佳

（1.四川工业科技学院电子信息与计算机工程学院，四川 德阳 618500；2.四川工业科技学院教育学院，四川 德阳 618500）

0 引言

在信息化、网络化高速发展的时代背景下，各行各业都与互联网相结合，这也导致互联网产业需要更多掌握计算机网络技术的专门人才。随着网络在社会各领域运用的不断深入，掌握必备的计算机网络技术知识成为就业的基本技能，因此该课程的基础性和重要性越来越突出，成为越来越多专业的必修课程。计算机网络课程旨在培养学生运用计算机网络相关原理和技术解决现实网络通信出现的问题等能力。[1]高校如何提高计算机网络课程教学质量，让学生掌握计算机网络知识并能有效运用于实践，这成为高校计算机网络课程改革中一个重要的研究课题。实验课是计算机网络课程教学中非常重要的组成部分，其在很大程度上决定着课程教学质量。虚拟仿真实验台是基于VR虚拟现实技术和Web技术构建的网络化的虚拟实验教学系统[2]，借助它能够更加高效地开展教学实验。通过有效利用虚拟仿真技术来实现计算机网络课程实验平台的易用、高效和教学支撑的作用，是改革计算机网络课程实验教学模式的一个突破点，也能在较大程度上提升学生学习兴趣和课程教学质量。

1 计算机网络课程教学现状

1.1 课程理论体系难以理解和掌握

计算机网络课程涉及大量专业术语，包含计算机网络原理等知识，理论性和实践性较强。如果在课程教学中不结合与现实运用紧密相关的案例来讲解知识点和演示实验原理及相关运用，学生将难以理解和掌握课程涉及的理论知识和实验步骤，对课程所阐述的知识点感觉抽象，无法做到学以致用。在以教师讲授为主的传统教学模式下，当学完本课程后，不少学生可能会觉得收获不大，自身对计算机网络课程知识的理解仅停留在表面层次，所掌握的网络技术的运用技能依旧没有达到期望值，不能将所学知识用于解决现实网络通信问题。在教学环节中，教师需要考虑如何将空洞、难以理解的知识点通过生动形象的方式进行演示和阐述，促进学生更好地消化课程知识。同时，使用物理网络设备实验不能将数据封装、传输、收发、解析的全过程作可视化演示，这将导致学生对知识点没有直观认识，学生学习OSI模型的数据传输原理等知识显得很抽象和困难。[3]因此，本课程需要改变传统课堂中以教师理论讲解为主，学生动手操作不足的现状，要让学生在完成实验任务的过程中不断掌握计算机网络操作技能，强化各知识点的理解，以逐步掌握课程要求的专业技能。

1.2 实验室硬件难以满足教学需求

对大多数高校而言，搭建完全满足教学需要的真实计算机网络实验平台难度相对较大，但是本课程需要加强实验教学，因为没有实验案例支撑去理解计算机网络课程会让学生觉得知识空洞且不能理解透彻。同时，由于网络物理设备造价贵，路由器、交换机等硬件设备的连接和配置均需要按照规范进行，以防止误操作导致设备损坏，学生在操作中难以对自身想法进行大胆验证。计算机网络课程物理实验设备的数量由于资金和场地等限制因素难以满足每生一台，这就会导致学生实验课堂中的有效操作时间不足。如果仅靠物理设备开展实验教学，那将导致学生只能在课堂上参加实验，课后由于缺乏网络设备而不能进行实验，最终导致实验课教学质量难以提升，知识点不能及时消化，累积的问题越来越多，学习上遇到的困难也不断累加，最终可能导致学生丧失学习兴趣和信心。同时，通过物理网络设备进行实验，难以从宏观上显示出实验过程数据和最终效果，且对错误的纠正效率低下，难以激发学生学习兴趣。在网络综合布线、网络攻防和网络异常检测类实验中，真实实验场景难以支撑实验所需硬件环境要求，在实现网络攻防实验时还存在可能破坏数据等问题。因此，针对设备条件不足等问题，计算机网络技术课程实验需要改革基于硬件平台的教学模式，可借助虚拟仿真平台来实现实验教学。[4]

2 虚拟仿真技术在计算机网络课程运用的优势

2.1 便于学生理解抽象概念和理论

虚拟仿真技术有助于将抽象的理论转化为生动形象的动画，将计算机网络内部数据传输过程和交换原理进行系统展示，有助于学生更好理解课程的相关原理。比如对于计算机通信原理和计算机网络拓扑结构等，均可以采用虚拟仿真技术对这些知识点作动态演示，吸引学生学习兴趣，用生动的动画对知识点作详细阐述，让学生记忆更深刻，理解更容易。同时，结合实验中出现的问题，仿真软件可以进行具体原因的可视化演示和分析，有助于学生能够更好理解知识点，牢记注意事项，掌握正确的操作步骤和方法。

2.2 有效解决硬件设备造价昂贵的问题

虚拟仿真实验平台能够通过软件配置实验所需设备，实现每位同学都能使用和物理设备功能一致的虚拟网络设备，完成实验任务要求。真实网络设备造价高、更新快，物理实验室设备更新周期难以满足实际网络设备运用情况。在虚拟仿真实验平台进行设备的更新对硬件要求小，相比物理设备的升级更容易，有多种免费的计算机网络仿真软件可供实验教学使用，不同软件可以实现优势互补，升级维护容易，不会受限于实验室场地和教学资金等因素影响。

2.3 让学生充分利用课余时间完成实验

通过虚拟仿真学生可以在空余时间完成实验，而不局限于实验课时间来完成。由于虚拟仿真实验平台不受实验地点和时间限制，学生在集中实验课程后可以使用个人电脑来继续完成实验或巩固复习实验内容，也能够对实验作进一步探索创新，在这一过程中逐步提升自己动手能力。教师在课后作业布置中也能够适当增加实验任务占比，通过学生课后实验来强化知识点的掌握。

2.4 有利于培养学生解决问题和创新的能力

通过虚拟仿真软件来验证学生对问题解决的思路是否正确，学生通过虚拟仿真平台来进行验证性试验，从而掌握课程知识点。在完成了基础性试验的基础上，学生可以进一步完成探索性和综合性实验，在实验中将自己设计思路融入实验步骤，探索课程知识应用的领域，提升自我创新能力，对使用计算机网络技术解决新问题进行创新运用，验证自己设计的实验的可行性和有效性。

3 运用虚拟仿真技术创新计算机网络实验课程教学模式的途径

3.1 任务闯关模式提升学生学习兴趣

虚拟仿真系统可以设定任务闯关模式来开展计算机网络课程教学，通过将实验教学内容划分为验证型、探索型、综合型3个层次[5]，从初、中、高3个等级划分学生实验课程完成的层次，每天实时显示每一个实验中学生完成的时间和所取得的成绩，生成排行榜。借助这一模式来促进学生在实验课中的学习、交流和探讨，营造浓厚的学习兴趣和氛围。对于全体学生，要求其实验能力必须达到初级水平，能正确完成全部验证型实验，掌握课程基础知识和基本技能。

验证性实验要体现出课程实验的基础性和重点知识的基本运用，满足实验教学大纲要求。在达到初级水平的前提下，学有余力的学生可以进入探索型实验环节，将所学计算机网络知识用于解决一些更为复杂的实现问题，这些问题的设计要和实际运用紧密相关，所涉及的实验内容可与校企合作单位共同研究。这部分内容旨在强化学生创新能力，培养学生主动运用知识解决实际问题的技能。在综合型实验部分，实验教学内容可以将校企合作单位中目前正需要解决的一些网络问题融入实验教学内容中，要求考核学生综合运用计算机网络技能去解决实际问题的能力。这类问题具有一定难度，可以通过多人合作等模式进行实验。综合性实验也可在指导老师帮助下共同完成，甚至可以和校企合作单位技术人员协作完成。

这3个层次的实验内容的难度、工作量和可行性均需要结合学生具体学情作调整，不能设计得太难而让学生无法完成，也不能太简单而使学生觉得缺乏学习挑战和动力。任务闯关模式能够利用学生好奇心和上进心来促使学生主动运用所学知识完成实验任务，相邻任务形成前驱和后继关系。每天均可形成每位同学任务完成榜统计，激发学生向优秀看齐的意识。在3个层次的实验中，第1层次属于必修环节，第2、3层次属于选修环节，这样划分层次有助于分层次教学和因材施教，结合学生学情差异性来满足不同学生的学习需求。

3.2 综合运用虚拟仿真平台和线下实验平台相结合进行教学

虚拟技术在实现计算机网络实验中具有大量的优势，但是对于某些对实际动手操作规范有很强要求的基础性实验，教师可以先通过演示让学生理解和掌握实验原理、正确步骤和操作方法，然后要求学生结合实验步骤通过虚拟仿真完成实验。在通过虚拟仿真技术达到实验要求后，再到线下实验场地完成相应实验内容，从而验证学生实际操作技能掌握情况。比如在直通网线和交叉网线的RJ-45接头的制作等实验中[6]，为减少操作不规范造成RJ-45接头损坏的情况，学生可以先通过虚拟仿真平台来掌握制作原理和步骤，并通过虚拟仿真平台完成线上实验，达到实验要求。最后在线下实验场地进行真实RJ-45接头制作，让学生更加扎实地掌握实验原理和操作技巧。虚拟仿真平台在计算机网络实验教学中的运用并不意味着完全取代物理网络设备实验，而是结合两者各自优势，有效安排好实验内容，根据实验性质来决定完全使用虚拟仿真平台完成实验还是先通过虚拟仿真平台掌握实验步骤和理解实验原理，再使用物理网络设备进行实验。这一过程有助于强化学生掌握实验要求和规范，不断纠正实验中出现的各种错误，更好地完成实验任务要求。

3.3 精心设计实验教学内容

实验教学内容的设计既要突出重难点知识，又要和实际运用紧密结合，要突出知识前沿性和实用性。在实验内容上，可以采用任务驱动式来设计实验，采用设计不同项目的方式来安排实验内容，引导学生将计算机网络知识和实际问题结合，思考解决方案。实验内容的设计要体现出与时俱进，将最新的计算机网络技术和应用融入实验内容，让学生更加深刻感受到课程的实用性。在实验内容设计上，也要有机融入课程思政元素，积极培养学生运用知识回报社会的意识，激发学生创新意识，让学生通过实验提升自身技能，得到多方面发展。

3.4 综合运用多种虚拟仿真软件

不同虚拟仿真软件特点和优缺点各异，在实验教学中要综合考虑这些因素，从而发挥出各类计算机网络仿真软件的优势，达到最佳实验效果。比如eNSP等类软件适合作基础性实验，帮助学生在设备层面去理解计算机网络相关基础知识、掌握参数配置和使用抓包工具观察协议等；OPNET课进行高阶性实验，让学生从代码层面理解和掌握数据包传输和字段分析处理、协议工作流程等。[7]对于数据传输、路由与转发等涉及的基本概念和原理，可以通过动画演示开展教学。在实验教学动画方面，既可以使用已有仿真动画来演示理论的原理，也可由任课教师自行设计，将不直观的实验过程作形象化展示。对于实验教学要求高的学校，可采取同校企合作单位共同合作研发虚拟仿真实验平台来促进计算机网络课程教学质量的提升，提升虚拟仿真平台对于具体教学的针对性，让功能更符合教师教学和学生学习需求。比如在计算机网络实验教学中，使用云虚拟化技术实现将物理网络设备部署到网上，让学生不受时间和地点限制通过网络参与在线实验，同时能快速得到实验结果[8]，这有助于学生自学，提高学生学习积极性，对于学生创新能力也具有较好的促进作用。

4 结语

计算机网络实验采用虚拟仿真技术来开展教学将有效解决实验设备造价昂贵等问题，利于学生理解抽象而复杂的知识点，提高实验效率，提升学生学习兴趣和主动性，有利于培养学生探索能力和创新能力。同时，在教学中可以使用线上和线下相结合的方式，虚拟仿真平台和物理实验基地优势互补的模式，结合实验具体内容和不同性质，进行虚拟仿真软件的合理选择，更好地实现计算机网络实验教学质量的提升，从而提升学生计算机网络技能，达到人才培养质量的要求。