基于虛擬仿真軟件的實驗教學探索—以網(wǎng)絡工程實訓課程為例

◆張新艷

(興義民族師范學院 貴州 562400)

1 引言

如今，計算機技術(shù)在迅速發(fā)展進步，而網(wǎng)絡一直處于重要的地位。不管是做軟件的開發(fā)、數(shù)據(jù)庫的設(shè)計、代碼編寫等都需要具備基本的網(wǎng)絡知識，比如IP地址的分配，網(wǎng)絡基本的布線，網(wǎng)絡故障、網(wǎng)絡規(guī)劃是計算機行業(yè)人士應該具有的職業(yè)素養(yǎng)?！毒W(wǎng)絡工程實訓》是地方院校計算機科學與技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)工程、網(wǎng)絡工程等專業(yè)的必修課程，是一門以培養(yǎng)學生網(wǎng)絡技能為主的課程，也是理論與實踐緊密聯(lián)系的課程。通過本課程的學習，學生須掌握交換機、路由器在網(wǎng)絡建設(shè)中的作用以及如何通過交換機、路由器來保證網(wǎng)絡的正常運行。因此該課程是學生獲取網(wǎng)絡基本知識和技能的必備環(huán)節(jié)，由于設(shè)備的缺乏、線纜陳舊等都會影響到實驗項目的效果，因此考慮采用使用模擬軟件進行仿真虛擬教學。

Cisco Packet Tracer（簡稱PT）是由Cisco公司發(fā)布，為學習思科網(wǎng)絡課程的初學者去設(shè)計、配置、排除網(wǎng)絡故障提供了網(wǎng)絡模擬環(huán)境。軟件包括相應的實驗儀器設(shè)備、實驗線纜以及實驗工具等。學者可以在軟件的圖形用戶界面上直接使用拖曳方法建立網(wǎng)絡拓撲，觀察數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡中的實時傳輸情況，非常方便學生理解網(wǎng)絡相關(guān)協(xié)議和技術(shù)概念。

2 當今地方高校實驗教學存在的問題

（1）實驗設(shè)備設(shè)施建設(shè)不均勻、更新慢

近些年來，很多地方高校的實驗教學條件有了相當大的改善，然而仍然存在實驗設(shè)備不足，設(shè)備陳舊、老化、線纜經(jīng)常接觸不良等現(xiàn)象。還有的設(shè)備則利用率不高，多數(shù)時間被閑置。而利用率過高的設(shè)備，損耗高，更新的成本比較高，更新速度慢。

（2）理論教學與實驗教學脫節(jié)

以網(wǎng)絡工程專業(yè)學生為例，學生在學習了計算機網(wǎng)絡課程之后，基本掌握計算機網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡系統(tǒng)組成及工作原理、網(wǎng)絡設(shè)備組成及工作原理、網(wǎng)絡應用以及網(wǎng)絡管理和網(wǎng)絡安全知識。但讓學生去構(gòu)建一個簡單的網(wǎng)絡，分析數(shù)據(jù)包的傳輸過程，分析協(xié)議報文，學生卻無從下手。因此學生對網(wǎng)絡整體結(jié)構(gòu)和功能實現(xiàn)缺乏透徹理解，缺少實踐操作。

（3）實驗教學模式缺乏創(chuàng)新

實踐技能是學生上崗的基礎(chǔ)，是就業(yè)的“敲門磚”。一些地方高校實驗教學過程中理論講授實驗原理占較長時間，往往是先由教師講解、演示，然后學生練習。開設(shè)的實驗也主要為演示型、驗證性實驗，設(shè)計性、研究性、綜合性的實驗較少。學生對于實驗缺乏學習積極性，實驗教學的創(chuàng)新動力不足。

3 虛擬仿真軟件在實驗課程教學中的優(yōu)勢

（1）降低“教”與“學”的成本

網(wǎng)絡工程實訓課要求學生模擬中小型企業(yè)局域網(wǎng)的組網(wǎng)，對其核心設(shè)備：交換機和路由器進行配置與管理。課程教學中，需要專門的計算機網(wǎng)絡實驗室，假設(shè)有班級有45人，需要學生電腦和教師電腦46臺，路由器和交換機設(shè)備45臺左右，需要安放實驗設(shè)備的機柜6臺左右，布線設(shè)備若干。日常網(wǎng)絡設(shè)備的維護也需要代價，因此實驗室造價也是比較高的。而且學生如果想做實驗，也必須要到實驗室，不利于學生課下對知識的鞏固復習。

（2）創(chuàng)新了實驗教學模式

采用虛擬仿真軟件，一方面可以減少網(wǎng)絡設(shè)備的損耗，節(jié)約開支。學生能在 Windows 系列的所有操作系統(tǒng)下安裝PT，軟件對機器的硬件環(huán)境的要求并不高，虛擬的實操環(huán)境打破了時間和地域的限制，方便了學生的課后學習。另一方面教師在講解完一些基本內(nèi)容和實踐性較強的內(nèi)容如各層協(xié)議的功能、特性、組成、報文格式、協(xié)議工作過程以及實現(xiàn)該層功能的主要技術(shù)后。學生利用PT軟件模擬模式，可以通過生動的Flash動畫來觀察數(shù)據(jù)包的傳輸過程，能很清楚地看到數(shù)據(jù)包的傳輸路線，查看數(shù)據(jù)包的每一層協(xié)議封裝的內(nèi)容。學生可以手動控制數(shù)據(jù)包的每一跳，每一個動作，清楚地看到數(shù)據(jù)包的詳細格式，包括源地址，目的地址等內(nèi)容。這就加深了學生對理論知識的理解，這是實際網(wǎng)絡環(huán)境所不具備的。

（3）避免了實際網(wǎng)絡環(huán)境的風險

在虛擬仿真軟件PT中能方便快捷地進行網(wǎng)絡拓撲搭建，還可以通過設(shè)備端口指示燈的顏色驗證連線是否正確，而在實際設(shè)備中，網(wǎng)絡環(huán)境的構(gòu)建可能因為各種各樣原因都會導致實驗失敗，而且排查故障的難度也比較大。PT虛擬仿真環(huán)境中，教師們無須擔心設(shè)備損壞費用及學生的操作不當帶來的各種問題，同時又可以使學生學習到組網(wǎng)的知識并身臨其境地進行操作。

4 PT軟件在網(wǎng)絡工程實訓課程中的應用

通過 Packet Tracer，可以監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸，幫助初學者觀察實施網(wǎng)絡的運行情況，從而幫助初學者全面了解計算機網(wǎng)絡通信的具體操作。

如圖1，在模擬軟件工作區(qū)拖入交換機2950-24一臺，兩臺PC機，分別配置，PC1的IP地址為192.168.1.1；PC2的IP地址為192.168.1.2。

圖1 PT軟件搭建網(wǎng)絡拓撲

在實時模式下，類似于在實際網(wǎng)絡環(huán)境中，使用ping命令測試網(wǎng)絡的連通性，我們可以看到的結(jié)果如下圖2所示。

圖2 實時模式下測試連通性示例

這里我們只能看到響應報文的信息。如果想更直觀觀察數(shù)據(jù)傳輸過程，我們可以首先切換到simulation模式。然后在PC1的cmd界面，輸入ping命令?？吹絇C1右下角出現(xiàn)了信封標志，代表數(shù)據(jù)包。右側(cè)會有事件列表對話框。

接著，我們點擊Auto Capture可以自動捕獲數(shù)據(jù)傳輸過程中的ICMP報文。如下圖4所示。

這時，雙擊信封圖標，可以看到具體的數(shù)據(jù)包信息。源地址，目的地址，哪一層的報文等。如圖5所示。

圖3 模擬模式下事件列表示例

圖4 數(shù)據(jù)傳輸中捕獲ICMP報文

圖5 數(shù)據(jù)包具體信息

5 總結(jié)

現(xiàn)在很多高校已經(jīng)普遍應用虛擬仿真軟件，一些中小學也正在建設(shè)自己的虛擬仿真實驗教學中心。虛擬仿真實驗教學已成為老師重要的教學方式。虛擬仿真實驗教學可以增加課堂活躍性，借助多媒體技術(shù)，模擬動畫等形式讓抽象的實驗過程形象逼真演示出來，有助于激發(fā)學生的自主實驗興趣，吸引學生的注意力，提升教學效果。虛擬仿真教學軟件的出現(xiàn)，突破了實驗教學對客觀條件的依賴性，順應了當前網(wǎng)絡教學等趨勢，成為教師教學和學生學習的得力工具。

當然，虛擬仿真實驗教學雖然有優(yōu)勢，但是要達到最好的實驗教學效果，還是需要和真實實驗環(huán)境相結(jié)合。畢竟，高校畢業(yè)生，最終要走向各個企業(yè)，面向的是實際的網(wǎng)絡設(shè)備，所以學生需要能在真實網(wǎng)絡環(huán)境中進行計算機操作維護，計算機局域網(wǎng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試。因此，虛擬仿真實驗教學和實際網(wǎng)絡環(huán)境相結(jié)合是一些地方性院校實驗教學比較合適的方式。