职教本科背景下基于虚拟仿真实验平台的计算机网络课程教学重构

摘要：本文针对职业本科教育培育具有较高理论素养的创造型技术技能人才的需求和传统计算机网络技术课程的教学无法满足人才培养要求之间的矛盾，提出要以虚拟仿真实验平台为主要教学载体，采用虚实结合的线上+线下混合式教学模式，对计算机网络技术课程的教学内容进行重构设计，并以“代理HTTPS流量分析”实验为例，介绍了该虚拟仿真实验平台的应用方法。实践表明，使用虚拟仿真实验平台进行教学，能够激发学生的学习兴趣，提升教学质量。

关键词：职业本科；虚拟仿真实验平台；计算机网络；教学重构；混合式

中图分类号：G434"文献标识码：A"论文编号：1674-2117（2025）01-0108-05

引言

《中华人民共和国职业教育法》（以下简称“新职教法”）强调“统筹推进职业教育与普通教育协调发展”。[1]和普通本科教育不一样，职业本科教育人才培养的逻辑起点是产业的具体需求，教育内容和职业岗位紧密相联，力求培养出更多具备实践能力和创新能力的高素质技能型人才。

高等职业教育人才培养的基本逻辑是以生产实践问题为先导，以解决生产中出现的工艺问题、操作问题为目标来组织理论知识的学习、操作技能的训练。[2]从企业技能大师的成长经历中能看出，学校和企业在培养复合型技能人才的过程中有着明确的育人分工：学校通过正规化的师资队伍、系统化的课程体系、科学化的教学安排为学生构筑职业能力的知识、技能和素质“大厦”；企业则通过真实的工作环境帮助学生建构对工作的完整认识。

教育部发布的《关于2017—2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》[3]和《关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知》[4]明确指出，国家虚拟仿真实验教学项目的教学理念是：注重以学生为中心，注重对学生社会责任感、创新精神、实践能力的综合培养，调动学生参与实验教学的积极性和主动性，激发学生的学习兴趣和潜能，增强学生创新创造能力。这一教学理念与职业本科教育人才培养的逻辑起点是一致的。

建设背景与现状

1.建设背景

实验实训教学是高等职业教学过程中不可或缺的重要环节。在职业本科的教学中，学生往往需要在掌握学科理论知识的基础上，通过一系列的项目实验实训操作，对理论知识进行理解和消化。同时通过实验实训操作，掌握对应岗位所必需的职业操作技能。

传统工科的实验教学在培养学生的知识素养和技能素养方面发挥着重要的作用，但也存在以下不足：

①由于部分学校或实验室受资金、场地等方面的限制，很多实验课程内容多年未变，与当前产业使用的核心技术脱节严重，高职学生无法从实验中获取关键专业技能，学生学习意愿降低，实验效果差。

②传统的实验教学以教师演示、学生重复操作为主，实验内容不具有可扩展性，无法调动学生的自主性和创新性。

③实验室的设备和仪器资源有限，无法同时满足上课学生的需求。部分学生只能观看而无法亲自动手操作，整体学习效果较差。

虚拟仿真实验教学是依托数字技术、VR技术、数据库和大数据技术等，构建与真实生产环境高度相似的实验环境进行教学，它可以为学生提供更加真实的实践体验，帮助学生提高实践操作能力，为未来的职业发展打下坚实基础。相对于传统的实验教学，它具有以下优点：

①虚拟仿真实验教学无需购买大量的实验耗材，有效地降低了实验室建设成本，并可以以实际产业需求为导向，结合当前先进生产实践中的问题来设计仿真的实验案例，激发学生的学习兴趣和潜能。[5]

②虚拟仿真实验教学可以根据学情分析设计一整套由浅入深的从基础型到综合型再到创新型的案例，满足所有学生的学习需求，并引导学生进行探索式和个性化学习。

③虚拟仿真实验平台借助虚拟化技术，将服务器的硬件资源进行共享，能够支持大量学生在任何时间、任何地点同时访问和学习，进而满足学校的网络教学需求。[6]

2.计算机网络技术教学现状

计算机网络技术基础是计算机专业的专业基础平台课程，主要讲授网络基础知识，包括网络的基本概念和术语、网络的组成、交换/路由技术、TCP/IP协议簇等内容，为学生理解基本网络打下基础。教师在授课过程中通常采用以下两种模式。

一是，通过购置服务器、路由器、交换机等网络设备搭建一个用于授课实训使用的小型网络实验室。学生在真实的网络设备上动手操作实验，了解路由器、交换机等设备的工作原理和性能特点，以便未来更好地适应职场环境。但传统实验室投资较大，学生的使用受到时间和空间的严格限制，而且随着新技术、新成果的不断涌现，传统实验室无法进行及时的更新和改造。

二是，利用PacketTracer或eNSP等开源仿真软件辅助教学。学生在开源软件设置的虚拟环境下搭建网络，观察网络的运行情况，并进行网络环境配置。此外，开源仿真软件提供了实验指导、网络模板和示例拓扑等教育资源，帮助学生更好地学习和应用网络知识。然而，在开源软件中很难实现对学生的管理、对实验报告的批阅及管理，以及对学生学习效果的评价，且开源仿真软件和实际生产环境之间存在很多的不同。

3.建设必要性

根据以上背景及现状，针对新职教法中职业本科教育培育具有较高理论素养的创新型技术技能人才的需求和传统计算机网络技术基础课程的教学无法满足人才培养要求之间的矛盾，笔者所在学校以现代信息技术学院与某企业联合建设的虚拟仿真实验平台为主要教学载体，秉持开放式教学、数字技术引领、教学资源共享的原则，支持学生自主学习、泛在式学习，支持教师开展虚拟仿真教学探索，鼓励不同学科之间加强资源合作共享，在很大程度上助推了高校实验教学改革，对培养高质量的技能型人才起到了推动作用。[7]

虚拟仿真实验平台的设计与建设

1.虚拟仿真实验平台功能

虚拟仿真实验平台采用软硬一体化设备，软件采用了B/S架构，实现了教学管理、虚拟仿真、项目实训、技能评测等功能，以知识点为核心通过知识脉络对基础教学内容、项目实训、技能测评等多个方面实现关联，从而为教师提供一体化的教学解决方案。[8]

2.平台整体架构

该虚拟仿真实验平台由平台基础层、服务支撑层和功能层构成，整体架构如下页图1所示。

基础层承载了所有的虚拟主机，复用计算资源，包含了实体物理设备和虚拟化设备。实体物理设备包含串口服务器、SDN交换机、存储服务器和磁盘阵列等，而虚拟化设备则包括了OpenStack、自研探针应用、虚拟路由器、虚拟交换机等常见网络及安全设备。[9]

服务支撑层为实验平台提供了必要的系统功能和支持服务，其中包括用户管理、权限控制、教学资源更新、远程指导和数据分析等功能。

功能层提供了从教学方案到能力评估的全流程教学管理、课程管理、考试管理等支持，并基于云支撑、硬件虚拟和软件仿真构建虚拟仿真实验平台，实验课程完成场景化设计，满足实验过程性验证和虚拟化行为的精准匹配分析。

除上述功能以外，虚拟仿真实验平台还具备以下功能：支持管理员、教师和学生等不同用户角色的自定义权限设置；针对不同行业和岗位可订制专业的课程学习指导路线；业务应用具有高扩展性，可以根据实际的需求进行功能扩展和升级。

3.系统功能分类

虚拟仿真实验平台在功能上由用户与权限管理、课程资源管理、实验设计与管理、数据分析与评估、师生互动管理等五个子系统组成，平台的功能框架如图2所示。

用户与权限管理子系统负责管理教师和学生的账号和权限，确保平台的安全性和合规性。教师账户可以设置课程表内容并能够快速排课，学生账户则拥有查看课程表、学习课程内容和提交作业等的权限。

课程资源管理子系统可以管理整个平台的课程资源，包括课程库、习题库、虚拟仿真元件库等。用户可以通过该子系统方便地查找和使用资源，进行在线学习测试。

实验设计与管理子系统可以对用户的整个实验过程进行监控和管理，确保实验过程安全和顺利进行。同时，它也记录用户实验时调取和释放虚拟机资源的整个过程。

数据分析与评估子系统对学生的实验数据进行分析和评估，生成实验报告和统计结果。教师可以通过该子系统了解实验效果和学习成果，为后续课程教学提供学情分析参考。

师生互动管理子系统可以让学生在任何时间和地点都能向教师提出学习中的疑问，教师可以通过线上答疑、系统留言、远程操作等方式为学生解答疑问。

课程教学示例

1.教学总体规划

基于虚拟仿真实验平台的混合式教学设计总体框架如图3所示。

2.教学内容重构

以计算机网络技术基础课程中的“HTTP代理下HTTPS流量分析”实验为例，本节实训课围绕虚拟仿真实验平台展开，笔者对教学内容进行了重构设计。[10]

本实验的教学目的是了解HTTP代理服务器的原理，了解HTTP服务器下访问HTTPS站点流量的特点，掌握使用Wireshark工具解析HTTPS流量的方法。虚拟仿真实验平台可以提供一键式的环境搭建服务，让学生避开烦琐的网络环境搭建环节（包括tinyproxy的安装配置和Wireshark的抓包配置等），迅速进入实验状态，将精力主要集中在分析网络数据包和理解HTTPS的流量特点上。同时，学生可以在实验过程中随时更改配置命令、调整实验参数、观看实验结果，实现和虚拟仿真实验平台的实时交互。具体教学如下：

①课前，教师根据前序课程作业批改和任务完成情况得到的学情分析，在平台上向不同层次的学生推送与HTTPS流量分析相关的线上视频教程，并以“组内有别，组间相似”为原则将学生分组，以小组为单位下发调查问卷和课前任务，学生在小组讨论后提交课前任务文件。

②课中，在教师对本堂课的重难点知识内容（浏览器代理的概念、Wireshark的使用和HTTPS流量的特点等）讲解后，学生使用虚拟仿真实验平台展开实验。在实验过程中，学生首先根据实验指导手册提供的拓扑结果完成虚拟的物理布线并申请虚拟环境（如图4）。然后，学生根据指导手册完成代理服务器参数配置、Wireshark抓包处理、HTTP流量过滤、HTTPS密钥设置等操作。最后，学生将捕获的报文截图和HTTP头部各个字段的内容分析结果作为实验报告提交。在完成基础仿真实验的前提下，教师也可以以小组为单位发布拓展实验任务，通过小组间PK的形式激发学生的学习兴趣。

③课后，教师通过平台发布课后作业，通过平台智能判题功能，辅助手工批改进行判分。学生完成课后在线知识与技能测试，借助在线课程资源、虚拟仿真实验平台进行知识和技能的强化。教师根据在实验平台上的学习轨迹和理论测验情况，关注教学全员全过程的信息采集，统计课中、课后理论和技能测试较课前的达成度。

教学实效

本虚拟仿真实验平台系统在完成建设和验收后正式投入教学使用，物联网工程专业2361班的“计算机网络技术基础”及后续的“局域网与无线网络”课程均围绕着该虚拟仿真实验平台展开。相比较之前的单机版仿真软件+课堂讲解模式，学生的学习兴趣大大增强，学习效果有了明显的提升。

课后问卷调查显示，在读期间已报名或有意愿参加CCNA思科认证网络支持工程师考试和计算机技术与软件专业技术资格考试（网络方向）的学生人数相较上一年度也有了明显的增加。毕业后愿意从事计算机网络安全、运维、集成方向的学生数量也有增多。

结语

围绕虚拟仿真实验平台展开课堂教学，不仅拓展了实验内容的广度和深度，全面保障了实验教学的安全性，将人才培养始终置于真实的职场环境中，满足了新时代高素质技能型人才培养的需要，还提升了课程的教学质量，降低了教学成本，培养了高职学生的创新能力和实践能力。

参考文献：

[1]郭丽君，代翔.新职教法背景下本科层次职业教育内涵式发展研究[J].教育与职业，2023，1029（05）：57-62.

[2]庄西真.“职教本科”就要有职教本科的样子——谈优质高职院校举办职业本科教育的必然性[J].职业技术教育，2022（12）：8-13.

[3]中华人民共和国教育部.教育部办公厅关于2017—2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201707/t20170721_309819.html.

[4]中华人民共和国教育部.教育部关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201806/t20180607_338713.html.

[5]李琰，张佳琳，饶星，等.基于数字化的高校虚拟仿真实验教学平台建设与实践[J].实验室研究与探索，2023，42（10）：233-238.

[6]熊宏齐.虚拟仿真实验教学助推理论教学与实验教学的融合改革与创新[J].实验技术与管理，2020，37（05）：1-4+16.

[7]熊宏齐.基于虚拟仿真的线上线下融合专业实验教学体系构建[J].实验技术与管理，2022，39（03）：5-10.

[8]孙界平，琚生根，陈黎，等.计算机网络虚拟仿真实验平台的建设实践[J].实验技术与管理，2017，34（08）：115-117+128.

[9]孙良旭，李林林.网络工程专业虚拟仿真实验平台研究[J].实验科学与技术，2023，21（02）：34-38.

[10]杨昌玉，王雪，房学谦.新工科背景下工程力学实验课程虚拟仿真实验平台建设[J].创新创业理论研究与实践，2023，6（03）：167-170.

第一作者简介：袁捷（1982—），男，浙江杭州人，高级工程师，硕士，现代信息技术学院实验实训教研室主任，主要研究方向为计算机网络技术、实验室建设与实验教学。

基金项目：浙江省高等教育学会2024年度高教研究课题（一般）“职教本科背景下的基于虚拟仿真实验平台教学项目建设与管理研究——以《计算机网络技术基础》为例”（KT2024212）；2024年度浙江省青少年和青少年工作研究课题“‘大思政课’背景下新时代大学生中医药文化认同及话语体系构建研究”（ZQ2024074）。