虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)中的應(yīng)用

朱劍林 侯睿

摘要：本文研究計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程特點(diǎn)，探索將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)作為輔助教學(xué)手段引入到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的課程教學(xué)中。嘗試通過(guò)靈活運(yùn)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)等輔助手段，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的講授過(guò)程中將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的理論知識(shí)和理論應(yīng)用實(shí)踐融合起來(lái)，提高學(xué)生的理論水平和實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)；虛擬仿真實(shí)驗(yàn)；實(shí)踐能力

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）17-0224-02

一、引言

當(dāng)今社會(huì)，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)人們的生活產(chǎn)生了更為廣泛的影響。2015年3月份，李克強(qiáng)總理在第十二屆全國(guó)人民代表大會(huì)第三次會(huì)議上提出制定“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)計(jì)劃。李克強(qiáng)總理在政府工作報(bào)告中提出，“要制定‘互聯(lián)網(wǎng)+行動(dòng)計(jì)劃，推動(dòng)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等與現(xiàn)代制造業(yè)結(jié)合，促進(jìn)電子商務(wù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)金融健康發(fā)展，引導(dǎo)互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)拓展國(guó)際市場(chǎng)?！?/p>

隨著生產(chǎn)力的發(fā)展及科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)之間的融合成為必然趨勢(shì)?；ヂ?lián)網(wǎng)+的提出及蓬勃發(fā)展，使這種融合的必要性更加明顯。

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)作為互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)必修課程，內(nèi)容包括網(wǎng)絡(luò)基本概念、網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)模型、網(wǎng)絡(luò)各層主要協(xié)議分析等，是一門理論性與實(shí)踐性都很強(qiáng)的課程。針對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的特點(diǎn)，就如何提高該課程的教學(xué)質(zhì)量進(jìn)行了相關(guān)的研究和探索。

二、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程特點(diǎn)

（一）《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》課程特點(diǎn)[1-3]：

1.學(xué)科基礎(chǔ)涉及面廣。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)一門綜合性很強(qiáng)的交叉學(xué)科，涉及計(jì)算機(jī)、通信、電子、控制等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，理論性強(qiáng)，概念抽象。

2.學(xué)科應(yīng)用性強(qiáng)，因此該課程對(duì)學(xué)生的實(shí)踐能力提出了較高的要求。

3.前沿性強(qiáng)，知識(shí)更新快。教學(xué)內(nèi)容涉包含大量錯(cuò)綜復(fù)雜、彼此交織的概念與技術(shù)，尤其是通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展迅速，主流的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在不斷地更新。

（二）計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程傳授過(guò)程中面臨的困難

1.抽象的理論知識(shí)讓學(xué)生難以深入掌握理解相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。抽象的概念和復(fù)雜繁多的協(xié)議容易使學(xué)生們失去對(duì)這門課的興趣，如網(wǎng)絡(luò)各層主要協(xié)議的工作原理較為抽象，很難通過(guò)語(yǔ)言引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)體系模型，最終學(xué)生難以靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題。

2.由于硬件實(shí)驗(yàn)設(shè)備的封閉性，學(xué)生的實(shí)踐能力培養(yǎng)不足。實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量不能滿足教學(xué)需求，而且網(wǎng)絡(luò)設(shè)備更新?lián)Q代快，受經(jīng)費(fèi)的影響，學(xué)校也難跟隨網(wǎng)絡(luò)設(shè)備發(fā)展的步伐。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的不斷發(fā)展，導(dǎo)致實(shí)踐環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展差距在不斷拉大，不利于教師結(jié)合實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行課堂教學(xué)，這就在很大程度上抑制了學(xué)生創(chuàng)新能力的提高。

可以說(shuō)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是一門非常理論化、晦澀難懂卻又同時(shí)有著較強(qiáng)的應(yīng)用型的課程。學(xué)生在學(xué)習(xí)這門課之前已經(jīng)非常熟悉基于網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用程序，對(duì)網(wǎng)絡(luò)有一點(diǎn)了解，但是這個(gè)了解是集中在應(yīng)用層的使用上，他們并不理解原理。根據(jù)計(jì)算機(jī)課程的特點(diǎn)，只有保持計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳授內(nèi)容理論與實(shí)踐知識(shí)的先進(jìn)性，及時(shí)了解該學(xué)科最新研究發(fā)展動(dòng)態(tài)和前沿，才能培養(yǎng)出具有實(shí)踐和創(chuàng)新能力的高層次高素質(zhì)人才。

結(jié)合當(dāng)前的困難，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)被應(yīng)用到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程傳授中。

三、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的概念及模式

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是學(xué)科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物，是運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬實(shí)物實(shí)驗(yàn)的計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)軟件。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的主要特點(diǎn)：

1.直觀性。通過(guò)實(shí)例操作演示非常抽象的概念，將抽象的網(wǎng)絡(luò)概念具體化、形象化。

2.互動(dòng)性。對(duì)比傳統(tǒng)的單向的、垂直的教學(xué)模式，教與學(xué)雙向互動(dòng)，就關(guān)心的教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生和老師都可以表達(dá)自己的想法和建議?；?dòng)式交流提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。

3.激勵(lì)性。通過(guò)仿真實(shí)例的展示、學(xué)生的主動(dòng)實(shí)踐，可以激發(fā)學(xué)生的求知欲望，幫助學(xué)生充分吸收教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)他們的創(chuàng)造動(dòng)機(jī)和創(chuàng)造性思維。

目前的國(guó)內(nèi)外模擬仿真軟件有多功能的電路模擬試驗(yàn)平臺(tái)PSPICE[4]；用于模擬與數(shù)字電路的仿真分析和設(shè)計(jì)研究的Tina Pro[5]；用于電路描述與仿真的語(yǔ)言與仿真器軟件CircuitMaker[6]；仿真單片機(jī)及外圍器件的工具Proteus[7]；模擬Cisco路由器、交換機(jī)，可自定義網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及連接的Boson NetSim[8]；由北京郵電大學(xué)的國(guó)家級(jí)北郵電子信息虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心開(kāi)發(fā)的“開(kāi)放式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺(tái)”[9，10]。北郵開(kāi)發(fā)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)作為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課堂的輔助教學(xué)手段，該系統(tǒng)是仿真計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。系統(tǒng)提供計(jì)算機(jī)、路由器、集線器、交換機(jī)等器材模型，利用它們，用戶可以搭建計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行Windows操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)配置與命令操作以及路由器、交換機(jī)的配置。其中一個(gè)教學(xué)內(nèi)容使用虛擬仿真平臺(tái)部署和測(cè)試網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層協(xié)議FTP和HTTP，如圖1所示。

四、《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》教學(xué)心得與體會(huì)

1.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)模式總結(jié)如下：

（1）課前預(yù)習(xí)。提前將每次課堂的教學(xué)知識(shí)點(diǎn)及相關(guān)的輔助材料告訴學(xué)生，讓學(xué)生課前對(duì)授課內(nèi)容做好一定的準(zhǔn)備。

（2）課程中集中講授關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)的理論知識(shí)，同時(shí)使用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)作為教學(xué)輔助手段。圍繞不同的知識(shí)點(diǎn)，組合優(yōu)化教學(xué)方式和教學(xué)手段，如小組討論式教學(xué)法、動(dòng)畫模擬、虛擬仿真、微課等，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，提高學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，提高學(xué)生的上課注意力。

（3）課后實(shí)踐。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)解決硬件實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足和實(shí)驗(yàn)設(shè)備老化等問(wèn)題，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和動(dòng)手能力，進(jìn)一步加深對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解，最終提高學(xué)生運(yùn)用知識(shí)的能力。

2.將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)引入到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的課堂教學(xué)中，使得教學(xué)模式和方法多樣化、智能化、規(guī)范化、國(guó)際化，旨在提高學(xué)生靈活運(yùn)用專業(yè)知識(shí)能力；加強(qiáng)創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的培養(yǎng)；更生動(dòng)形象地傳達(dá)不易理解的知識(shí)。具體意義總結(jié)如下：

（1）通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將理論和實(shí)踐融合進(jìn)教學(xué)。在課堂教學(xué)過(guò)程中將動(dòng)畫模擬、虛擬仿真、遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)和實(shí)物實(shí)驗(yàn)優(yōu)化組合，探索各類案例的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，旨在調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，啟迪思維，激發(fā)潛能。

（2）通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，整合計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)資源，既保證了知識(shí)的積累和傳承，又避免了基礎(chǔ)工作重復(fù)，提供智能化的教學(xué)服務(wù)同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和動(dòng)手能力。

（3）通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生可以不受時(shí)間和地點(diǎn)限制，在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行設(shè)計(jì)型、創(chuàng)新型、不易實(shí)施的實(shí)驗(yàn)，既滿足了實(shí)驗(yàn)的靈活性和有效性的要求，又可減少實(shí)驗(yàn)成本和資源消耗。

同時(shí)很多開(kāi)設(shè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的高校的教學(xué)模式很有啟發(fā)，如Seminar教學(xué)模式[1]是專題研討課或小組討論教學(xué)法，由導(dǎo)師指導(dǎo)的、學(xué)生共同參加對(duì)某一論題進(jìn)行分析、研討的教學(xué)方法。其核心思想是討論學(xué)習(xí)，注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)造能力，從而達(dá)到教學(xué)與科研并重的目的。創(chuàng)客（Maker）[2]是指出于興趣愛(ài)好將各種創(chuàng)意轉(zhuǎn)變成現(xiàn)實(shí)的人，包括硬件發(fā)明、軟件發(fā)明、藝術(shù)家等。做中學(xué)（Learning by doing）的理論強(qiáng)調(diào)學(xué)生主動(dòng)思考、設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造的學(xué)習(xí)。微課應(yīng)用于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程[3]，微課是基于網(wǎng)絡(luò)多媒體技術(shù)及信息處理技術(shù)，將“課”微處理化形成了一段短小生動(dòng)展示并陳述、解決一個(gè)核心重點(diǎn)問(wèn)題的教學(xué)音視頻。

五、總結(jié)

研究《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》課程的特點(diǎn)，探索將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)用到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的課程教學(xué)過(guò)程中。通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中的豐富的設(shè)備器材庫(kù)和網(wǎng)絡(luò)部署應(yīng)用案例，優(yōu)化組合各類教學(xué)手段，更形象地展示抽象的網(wǎng)絡(luò)知識(shí)，將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的理論知識(shí)和實(shí)踐知識(shí)結(jié)合起來(lái)，提高學(xué)生的實(shí)踐和創(chuàng)新能力，重點(diǎn)提高綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)知識(shí)解決分析實(shí)際問(wèn)題的能力，為社會(huì)培養(yǎng)出高水平高素質(zhì)的復(fù)合型的網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)人才。

參考文獻(xiàn)：

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[4]Pspice，http：//www.cadence.com/.

[5]TINA，http：//www.tina.com/.

[6]CIRCUITMAKER，http：//www.circuitmaker.com/.

[7]Proteus，http：//www.labcenter.com/indexcfm.

[8]Boson NetSim，http：//www.boson.com/netsim-cisco-network-simulator.

[9]張瓊，舒鵬.北京郵電大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)研究中心——虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究與創(chuàng)新[J].海峽科技與產(chǎn)業(yè)，2014，（7）：78-80.

[10]北郵開(kāi)放式網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)室[OL].http：//www.owvlab.net