童宇　趙薇

摘 要 在研究分析當(dāng)前我院實驗教學(xué)體系、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式的基礎(chǔ)上，依托學(xué)院網(wǎng)絡(luò)資源平臺，通過虛擬仿真技術(shù)設(shè)計了一個易操作的虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)，為學(xué)生提供了一個高技術(shù)含量的網(wǎng)絡(luò)工程實驗和測試平臺，引進了先進的教學(xué)手段，提高了學(xué)校網(wǎng)絡(luò)工程科研和教學(xué)應(yīng)用水平。

關(guān)鍵詞 虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng) 虛擬仿真技術(shù)

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A

0引言

我院正處于?？葡虮究妻D(zhuǎn)型的重要時期，本科教育對實驗室的要求大幅提高，大規(guī)模添置新的設(shè)備、軟件的經(jīng)費投入和實驗室的運營維護成本都不容小覷，尤其是計算機學(xué)科的網(wǎng)絡(luò)工程類課程，實驗室建設(shè)都是以硬件設(shè)備為支撐，但是隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不斷的推陳革新，實驗教學(xué)要跟上理論發(fā)展的速度，就必須不斷地更新硬件設(shè)備，這將是一筆很大的投入。這些問題嚴重制約了本科實驗教學(xué)任務(wù)的順利開展。

針對本學(xué)院現(xiàn)階段的教學(xué)需求，本文前期以《計算機網(wǎng)絡(luò)》課程實踐教學(xué)為實驗藍本，采用虛擬仿真技術(shù)，設(shè)計了一個基于WEB的網(wǎng)絡(luò)工程虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)。

1虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計

1.1系統(tǒng)設(shè)計目標

將網(wǎng)絡(luò)工程類的實驗按內(nèi)容分成三大類：①網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析類：主要是面向計算機網(wǎng)絡(luò)原理、TCP/IP協(xié)議、通信協(xié)議分析等課程；②網(wǎng)絡(luò)組建管理類：主要是面向組網(wǎng)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)管理與維護、網(wǎng)站建設(shè)等課程；③網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化處理類：主要是面向網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與優(yōu)化、互聯(lián)網(wǎng)設(shè)計與實現(xiàn)等課程。

系統(tǒng)的前期設(shè)計主要針對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析類虛擬實驗，選用《計算機網(wǎng)絡(luò)》這門課程為藍本。因為此門課程概念多，協(xié)議多，會涉及到TCP/IP協(xié)議族從網(wǎng)絡(luò)層到應(yīng)用層的眾多協(xié)議。協(xié)議既復(fù)雜，又抽象，如何講解使學(xué)生學(xué)懂協(xié)議，是該課程講授中面臨的一個重要課題。傳統(tǒng)的講授方法主要使用課件講解協(xié)議的封裝格式以及實體之間的通信過程，使用動畫演示協(xié)議實體之間的交互過程，雖然這樣做，形象出了協(xié)議交互過程，但學(xué)生還是感覺比較抽象，他們心里也有疑問，實際的協(xié)議是不是這樣運動的？有的學(xué)生因此失去了學(xué)習(xí)計算機網(wǎng)絡(luò)課程的興趣。在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的講授中，把抽象的協(xié)議具體化、形象化是非常必要的。虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)應(yīng)以應(yīng)用、分析計算機網(wǎng)絡(luò)主流協(xié)議為主體實驗內(nèi)容，使同學(xué)們可以熟悉網(wǎng)絡(luò)基本協(xié)議、學(xué)習(xí)組網(wǎng)設(shè)計、模擬各類實際環(huán)境、排除網(wǎng)絡(luò)故障、通過多種工具軟件對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進行分析等，同時親身體驗所設(shè)計網(wǎng)絡(luò)的高速連通性、高可靠冗余等特性，完成從認識、熟悉到設(shè)計、排錯等多種實驗，熟練掌握網(wǎng)絡(luò)實用技術(shù)。

系統(tǒng)將實現(xiàn)以下目標：（1）將抽象的計算機網(wǎng)絡(luò)知識“形象化”；（2）對枯燥的理論內(nèi)容教學(xué)實現(xiàn)“互動化”；（3）將分散的技能點“集中化”交付；（4）教、學(xué)易管理。

1.2系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

本文提及的虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)采用的是由學(xué)生機瀏覽器、WEB服務(wù)器、教學(xué)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和后臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器組成的基于WEB的三層體系結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1：虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

該實驗教學(xué)系統(tǒng)目前支持36臺學(xué)生機同時上機實驗，并可自由擴充；通過網(wǎng)絡(luò)分組切換器可以實現(xiàn)實驗成員的自由分組，同一組最多允許6臺學(xué)生機參與；系統(tǒng)提供5種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，學(xué)生可根據(jù)當(dāng)前的實驗內(nèi)容和分組情況自主選擇拓撲結(jié)構(gòu)，不需要改變物理網(wǎng)絡(luò)連接。

學(xué)生通過WEB登錄虛擬實驗系統(tǒng)后，首先根據(jù)當(dāng)前實驗的需要選取虛擬主機和路由器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，通過軟件自行設(shè)計網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，配置IP地址；然后將這些信息提交到WEB服務(wù)器，WEB服務(wù)器接收到學(xué)生的請求之后，通過分析網(wǎng)絡(luò)拓撲圖定制當(dāng)前實驗所需的網(wǎng)絡(luò)實驗環(huán)境（包括虛擬主機、虛擬網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備的建立，網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的配置等）；最后學(xué)生再通過WEB的方式登錄這些分配的虛擬機進行網(wǎng)絡(luò)實驗。

1.3系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)是對實驗室進行教學(xué)管理的平臺，包括用戶管理、實驗信息管理、教學(xué)資源管理、課后作業(yè)管理和學(xué)習(xí)交流五大功能模塊。

（1）在用戶管理模塊中設(shè)置了管理員、學(xué)生和教師三種角色，并對這三種角色的權(quán)限和功能進行了設(shè)置。如管理員具有最高的管理權(quán)限，可以對教師和學(xué)生的賬號進行分配和收回等；教師可以上傳教學(xué)資料、檢查學(xué)生實驗結(jié)果、在線指導(dǎo)等；學(xué)生可以申請實驗項目、提交實驗結(jié)果、自主設(shè)計實驗等。

（2）實驗信息管理模塊：支持36名學(xué)生同時進行實驗，可以實現(xiàn)自由分組和任務(wù)分配。通過該模塊，學(xué)生可以進行網(wǎng)絡(luò)工程實驗，可以閱讀實驗要求、實驗原理和實驗步驟；當(dāng)一個課時結(jié)束實驗卻未完成時可以保留當(dāng)前實驗環(huán)境，以便下次實驗時快速恢復(fù)上一次的實驗環(huán)境繼續(xù)該實驗；實驗結(jié)束后可提交實驗結(jié)果供老師批閱。

（3）教學(xué)資源管理模塊主要用來管理教師上傳的學(xué)習(xí)資料，并提供下載功能。

（4）課后作業(yè)管理模塊主要用來生成跟本堂課內(nèi)容相關(guān)的實驗項目，并提供實驗環(huán)境，保留實驗結(jié)果，教師可以在學(xué)生提交的課后作業(yè)里選擇查看和批注。

（5）學(xué)習(xí)交流模塊給學(xué)生提供了一個交流學(xué)習(xí)的平臺，學(xué)生之間可以相互交流實驗過程中遇到的問題和解決方法，老師也可以通過登錄該平臺給學(xué)生進行在線答疑。

2基于虛擬實驗的教學(xué)模式改革

2.1實驗教學(xué)內(nèi)容改革

系統(tǒng)的前期設(shè)計主要針對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析類虛擬實驗，以《計算機網(wǎng)絡(luò)》實踐教學(xué)為藍本，實驗內(nèi)容涵蓋了本科教學(xué)期間所有的計算機網(wǎng)絡(luò)的基本實驗，包括路由器配置基礎(chǔ)、PPP & MP實驗、路由協(xié)議基礎(chǔ)實驗、ACL和包過濾防火墻實驗、NAT地址轉(zhuǎn)換實驗等。

在原有實驗教材的基礎(chǔ)上，擴充了實驗教學(xué)項目和內(nèi)容，有針對性地設(shè)計了幾個實驗?zāi)K（如：網(wǎng)絡(luò)協(xié)議應(yīng)用與分析模塊、網(wǎng)絡(luò)故障診斷與排除模塊、路由與交換技術(shù)、WLAN無線通訊技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)模塊，詳情見表1所示），每個實驗?zāi)K包含若干實驗項目，特別增加了綜合性、設(shè)計性和研究創(chuàng)新型實驗項目。針對每一個虛擬實驗項目，詳細設(shè)計了實驗開設(shè)方案、實驗原理、實驗步驟和實驗結(jié)果分析，并編寫了實驗指導(dǎo)書。

2.2 實驗教學(xué)方法的改革

對原有傳統(tǒng)的實驗教學(xué)方法進行分析，針對虛擬實驗教學(xué)的特點改進實驗教學(xué)方法，將以“教師為中心”的教學(xué)模式改為以“學(xué)生為中心”的教學(xué)模式。學(xué)生可以自主地選擇實驗項目，根據(jù)不同項目的要求，在實驗指導(dǎo)書的指導(dǎo)下，以個人或小組為單位獨立完成實驗。實驗方式包括協(xié)議捕獲分析、協(xié)議編輯發(fā)送、協(xié)議會話觸發(fā)、無線協(xié)議分析、私有協(xié)議開發(fā)等多元方法。

3結(jié)語

以《計算機網(wǎng)絡(luò)》課程為藍本設(shè)計的虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)為用戶搭建了一個真實的網(wǎng)絡(luò)平臺，有很強的擴展性；學(xué)生通過虛擬實驗平臺遠程訪問網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以及服務(wù)器上的數(shù)據(jù)、圖像、視頻等信息，管理員通過WEB服務(wù)器提供服務(wù)。學(xué)生做的所有操作都是對Host主機上的某個虛擬機的操作，虛擬機的生命周期就是學(xué)生的使用系統(tǒng)的會話期，做完實驗虛擬機就被刪除，對系統(tǒng)不會造成任何影響，而在實驗室可能對PC和路由器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備造成各種損壞，以及一些不可逆的操作；可擴展性強，還可以為其他實驗提供平臺，只需要生成一個學(xué)生所需要的系統(tǒng)鏡像。

虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)有三個方面的特點：（1）硬件擺脫了物理上的限制；（2）進行實驗的人員擺脫了地理位置上的限制；（3）實現(xiàn)了異地數(shù)據(jù)、設(shè)備等資源的共享。通過為期兩個學(xué)期的教學(xué)實踐，取得了理想的教學(xué)效果。

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