傳統(tǒng)實驗與虛擬實驗優(yōu)化整合的《計算機網(wǎng)絡(luò)》實驗教學(xué)設(shè)計

王崇霞

（長治學(xué)院計算機系，長治　046010）

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傳統(tǒng)實驗與虛擬實驗優(yōu)化整合的《計算機網(wǎng)絡(luò)》實驗教學(xué)設(shè)計

王崇霞

（長治學(xué)院計算機系，長治046010）

摘要：針對地方本科院校計算機網(wǎng)絡(luò)課程傳統(tǒng)實驗教學(xué)存在的問題，以培養(yǎng)創(chuàng)新、應(yīng)用型復(fù)合人才為目標(biāo)，優(yōu)化組合計算機網(wǎng)絡(luò)課程的傳統(tǒng)實驗與虛擬實驗，加強實用性和針對性的實驗教學(xué)設(shè)計，構(gòu)建適用于學(xué)生需求的計算機網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)方案，對地方本科院校網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)學(xué)生的實踐、創(chuàng)新能力培養(yǎng)有很好的作用。

關(guān)鍵詞：計算機網(wǎng)絡(luò)；實驗教學(xué)；虛擬實驗；網(wǎng)絡(luò)工程

0　引言

計算機網(wǎng)絡(luò)是一門理論、實踐與應(yīng)用集于一體的學(xué)科，相對于理論教學(xué)，實驗教學(xué)不僅可以提高學(xué)生的實際操作能力，也有利于學(xué)生理解課程學(xué)習(xí)的理論知識，并把理論知識與實際環(huán)境聯(lián)系起來，使學(xué)生體會到學(xué)有所用，學(xué)為所用。而實驗教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容的選擇是計算機網(wǎng)絡(luò)課程的一個重要環(huán)節(jié)，也是地方本科院校網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的基礎(chǔ)。但地方本科院校在實際辦學(xué)過程中對實踐教學(xué)重視不夠，或者基于經(jīng)濟承受能力的限制，實驗、實訓(xùn)教學(xué)投入不足，人才培養(yǎng)方案也過分強調(diào)學(xué)術(shù)理論的講授[1]，很難滿足地方本科院校各學(xué)科應(yīng)用型人才培養(yǎng)的實驗教學(xué)需求。

虛擬實驗是虛擬技術(shù)應(yīng)用發(fā)展而產(chǎn)生一種實驗?zāi)Ｊ?，是利用計算機仿真軟件來建設(shè)實驗環(huán)境，學(xué)生通過計算機的相應(yīng)操作模擬實驗過程來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的真實實驗，虛擬實驗室包括實驗環(huán)境、實驗設(shè)備、實驗對象和實驗信息資源，是虛擬構(gòu)想的實驗室[2]。虛擬實驗可以充分利用現(xiàn)有實驗資源，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和實踐自覺性。文章從計算機網(wǎng)絡(luò)課程實驗教學(xué)的角度，對地方本科院校計算機網(wǎng)絡(luò)課程的實驗教學(xué)模式進行分析，優(yōu)化整合計算機網(wǎng)絡(luò)課程的傳統(tǒng)實驗與虛擬實驗，從培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用實踐能力的角度，構(gòu)建適用于學(xué)生需求的計算機網(wǎng)絡(luò)課程實驗教學(xué)方案。

1　計算機網(wǎng)絡(luò)傳統(tǒng)實驗教學(xué)存在的問題

計算機網(wǎng)絡(luò)課程是長治學(xué)院網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)網(wǎng)絡(luò)方向的開門課程，通過學(xué)習(xí)使學(xué)生了解計算機網(wǎng)絡(luò)的主要理論和協(xié)議結(jié)構(gòu)，學(xué)習(xí)計算機網(wǎng)絡(luò)中常見設(shè)備的操作和管理，設(shè)計、構(gòu)建簡單計算機網(wǎng)絡(luò)，了解當(dāng)前計算機網(wǎng)絡(luò)的新技術(shù)。綜合分析長治學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)課程實驗教學(xué)，主要存在如下問題[3]：

（1）學(xué)習(xí)難度高，實驗主動性差

計算機網(wǎng)絡(luò)課程是一門緊跟當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)發(fā)展技術(shù)的前沿學(xué)科，它是計算機技術(shù)和通信技術(shù)的交叉融合，在課程教學(xué)過程中，學(xué)生明顯感覺前期基礎(chǔ)知識不足，以長治學(xué)院為例，計算機網(wǎng)絡(luò)課程開設(shè)前，學(xué)生只學(xué)習(xí)了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、C語言等課程，而操作系統(tǒng)、組成原理、軟件工程等課程還沒有開設(shè)，學(xué)生學(xué)習(xí)時明顯感覺概念抽象，原理多，協(xié)議多，理解不了。在某種程度上加大了授課難度，也降低了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，實驗課的主動性就更差。

（2）實驗設(shè)施陳舊，實驗項目按部就班

隨著地方本科院校近年辦學(xué)規(guī)模擴大及辦學(xué)資金欠缺，致使實驗教學(xué)硬件設(shè)施很難滿足實驗需求，且實驗設(shè)備陳舊，設(shè)備性能及可操作性不能與先進的硬軟件技術(shù)相匹配。實驗項目按部就班，實驗條件、實驗內(nèi)容不能緊跟社會應(yīng)用需求和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展步伐。如交換機、路由器實驗，教師配置并演示給學(xué)生看，學(xué)生不能親自對其進行操作，更談不上實踐能力的培養(yǎng)，從而大大影響了實驗教學(xué)的質(zhì)量。

（3）實驗室不開放，學(xué)生沒有時間和自由設(shè)計、實現(xiàn)自己有興趣的《計算機網(wǎng)絡(luò)》課程實驗。

長治學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)課程安排了16課時的課內(nèi)實驗，實驗內(nèi)容采用傳統(tǒng)的演示性和驗證性的實驗項目，實驗依據(jù)教師講義按部就班完成，學(xué)生沒有自主性，不能調(diào)動學(xué)生的實踐積極性，也不利于學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)。改進計算機網(wǎng)絡(luò)課程實驗教學(xué)，提高實驗教學(xué)質(zhì)量，使實驗內(nèi)容具有設(shè)計創(chuàng)新性，是計算機網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)方向和目標(biāo)。

2　虛擬實驗

虛擬實驗是1989年美國弗吉尼亞大學(xué)威廉·沃爾夫教授提出的，他用計算機構(gòu)筑一個綜合不同工具和技術(shù)的信息化、虛擬化網(wǎng)絡(luò)集成實驗環(huán)境[4]。在虛擬實驗環(huán)境中，學(xué)生可以通過計算機的模擬操作代替?zhèn)鹘y(tǒng)實驗器材進行各種實驗。

國外不少大學(xué)和實驗室已經(jīng)建設(shè)虛擬實驗系統(tǒng)并投入使用，如采用VRML技術(shù)的仿真實驗、采用Active技術(shù)的虛擬實驗、采用交互式Flash的虛擬仿真實驗、采用Java語言的虛擬實驗平臺和采用QuickTime VR技術(shù)的虛擬實驗等[5-6]。虛擬實驗不僅可以打破時空限制，有效彌補實驗設(shè)備、場地、經(jīng)費等不足而無法開設(shè)實驗的弊端，還可以避免學(xué)生在真實實驗操作過程中的各種危害，實驗者可以在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中獲得與真實實驗同等的實驗認(rèn)知和體會。虛擬實驗仿真、開放、交互、安全的特點，可以有效地彌補了傳統(tǒng)實驗教學(xué)的不足，為實驗教學(xué)開辟新的方法和途徑。

3　計算機網(wǎng)絡(luò)課程傳統(tǒng)實驗與虛擬實驗的優(yōu)化整合

地方本科院校以培養(yǎng)適合區(qū)域發(fā)展需求的基礎(chǔ)應(yīng)用型人才為主，計算機網(wǎng)絡(luò)課程實驗以此為目標(biāo)定位組織實驗教學(xué)。

3.1計算機網(wǎng)絡(luò)傳統(tǒng)實驗教學(xué)方案

傳統(tǒng)實驗是常規(guī)計算機網(wǎng)絡(luò)課程設(shè)置的實驗項目，以網(wǎng)絡(luò)搭建為主，如網(wǎng)線制作、局域網(wǎng)建立、交換機及路由器的配置等。傳統(tǒng)實驗操作中，學(xué)生根據(jù)教師下發(fā)的實驗講義，操作實驗設(shè)備，完成實驗要求。長治學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)課程選擇的傳統(tǒng)實驗項目如表1所示。傳統(tǒng)實驗由于實驗設(shè)備昂貴，實驗時間有限，實驗室條件不能滿足每個學(xué)生都動手操作的實驗教學(xué)需求。

表1　計算機網(wǎng)絡(luò)傳統(tǒng)實驗項目

3.2計算機網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗教學(xué)方案

網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗是在模擬實驗環(huán)境完成實驗并獲得實驗結(jié)果的過程。虛擬實驗教學(xué)的優(yōu)勢在于實驗進行不受硬件設(shè)備限制，能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和實驗積極性，注重培養(yǎng)學(xué)生實踐創(chuàng)新意識、釋放探索潛能。計算機網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)中設(shè)計的虛擬實驗項目如表2所示。

3.3傳統(tǒng)實驗與虛擬實驗的優(yōu)化組合

傳統(tǒng)實驗教學(xué)使學(xué)生與實驗面對面，在實驗過程中有真實的實驗體驗和感知，能提高學(xué)生的動手能力，但傳統(tǒng)實驗操作學(xué)生沒有自主性，不能充分調(diào)動學(xué)生的積極性和探究性。虛擬實驗畢竟在虛擬實驗環(huán)境中完成，學(xué)生在完成實驗時會有不真實感。實際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中學(xué)生操作的是傳統(tǒng)實驗，對于探究性的設(shè)計類實驗，由于實驗設(shè)備多，配置復(fù)雜，學(xué)校不能滿足讓每個學(xué)生都能動手操作實驗過程。這就要求傳統(tǒng)實驗與虛擬實驗優(yōu)化整合，相輔相成，達到良好的實驗效果。

表2　計算機網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗項目

如長治學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)課程交換機的配置實驗，在傳統(tǒng)交換機實驗中，教師將交換機連接到網(wǎng)絡(luò)并配置演示給學(xué)生看，如果學(xué)校硬件條件允許，學(xué)生依據(jù)老師的實驗講義，分組完成實驗過程并感受實驗結(jié)果。由于課時及交換機數(shù)量的限制，長治學(xué)院交換機實驗不能按要求讓每個學(xué)生都有動手操作的機會。而虛擬實驗平臺，學(xué)生可以在虛擬平臺上模擬交換機配置過程，并通過建立的虛擬局域網(wǎng)，測試交換機的連通性。長治學(xué)院虛擬交換機實驗采用YS-RouteSim模擬軟件，主要完成如下2種配置方案：一、一臺虛擬交換機上連接兩臺虛擬計算機，配置并測試兩臺計算機的連通性。二、兩臺虛擬交換機與四臺虛擬計算機組建虛擬網(wǎng)絡(luò)，并測試計算機的連通性，實驗?zāi)Ｐ腿鐖D1所示。

在交換機配置實驗中，通過教師演示和分組操作，使學(xué)生了解交換機的工作原理和個體認(rèn)識；通過虛擬實驗，學(xué)生加深對交換機的理解和操作過程的感知，如果有興趣，學(xué)生還可以在虛擬網(wǎng)絡(luò)平臺建立更復(fù)雜的交換機實驗，學(xué)生在實驗操作中有自主性，可以調(diào)動學(xué)生實驗積極性，培養(yǎng)獨立思考能力。傳統(tǒng)實驗使學(xué)生對實驗操作過程有直觀的感受，虛擬實驗為學(xué)生提供探究、設(shè)計的實驗平臺。傳統(tǒng)實驗和虛擬實驗的優(yōu)化組合可以提供更好的實驗體會。

圖1　虛擬交換機配置實驗圖例

4　結(jié)語

文章以計算機網(wǎng)絡(luò)課程為例，討論了計算機網(wǎng)絡(luò)課程傳統(tǒng)實驗與虛擬實驗教學(xué)模式、教學(xué)方法、教學(xué)手段的不同，指出傳統(tǒng)實驗和虛擬實驗各有利弊，為使計算機網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)適應(yīng)時代需求，為地方本科院校培養(yǎng)實踐、創(chuàng)新型人才需求服務(wù)，在計算機網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)中，優(yōu)化組合虛擬實驗與傳統(tǒng)實驗，延伸實驗教學(xué)，拓寬實驗空間，促進了研究性、設(shè)計性實驗的開展，對提高了學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力有很好的幫助。

參考文獻：

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Optimal Integration Experimental Teaching of Computer Network on Traditional Experimental and Virtual Experiments

WANG Chong-xia
（The Computer Department of Changzhi University, Changzhi 046010）

Abstract：Aiming to the problems in traditional experiment teaching of Computer Network in local colleges, to cultivate practical and integrated application talents as the goal, optimal Integration traditional experimental and virtual experiments of Computer Network, strengthen practical and targeted experiments instructional design, construct experimental teaching program of Computer Network suitable for student, that have a good help to improve students' practice innovation ability in local colleges.

Keywords：Computer Network; Experiment Teaching; Virtual Experiment; Network Engineering

收稿日期：2016-02-01修稿日期：2016-03-18

作者簡介：王崇霞，女，副教授，研究方向為密碼學(xué)與網(wǎng)絡(luò)安全、云計算、計算機教育

文章編號：1007-1423（2016）10-0056-04

DOI：10.3969/j.issn.1007-1423.2016.10.013

基金項目：山西省教研項目（No. J2014113）、長治學(xué)院教研課題（No. JY201505）