基于虛擬實驗與真實實驗整合的計算機網絡實驗教學改革

1、華南師范大學南海校區計算機工程系 廣東佛山 528225 2、 華南師范大學教育信息技術學院 廣東廣州510631

【摘要】本文針對目前網絡實驗教學普遍面臨的問題，介紹了虛擬實驗平臺的優勢，提出在網絡實驗教學中把虛擬實驗與真實實驗有機地整合起來，發揮各自的優勢；并以一個網絡實驗為例，說明在實際實驗教學中以綜合性實驗和設計性實驗為重點，進行實驗教學設計，通過虛擬實驗與真實實驗的整合來促進實驗教學的改革，培養學生的綜合實踐能力和創新思維。

【關鍵詞】虛擬實驗平臺，教學改革，整合，教學設計

【中圖分類號】G434 【文獻標識碼】B【論文編號】1009—8097（2007）07—0099—04

計算機網絡實驗教學是計算機網絡教學的重要組成部分，計算機網絡實驗室也是學校培養學生網絡操作和運用能力的重要基地。隨著網絡技術的快速發展，高校網絡實驗室的設備檔次、性能和可操作性的要求越來越高，但實驗室的更新改造往往很難及時跟上網絡技術的發展，再加經費等限制，實驗室大多還只停留在演示性實驗和驗證性實驗上[1]，同時由于實驗課時和場地的限制，學生沒有更多的機會和自由進行綜合性、設計性實驗，加之考慮實驗室的安全，實驗室很難做到完全開放，讓學生自由地進行實驗設計與綜合實踐，因此網絡實驗教學難以適應培養實踐動手能力和創新能力強的專業人才的需要，如何為學生提供使用新的網絡設備的機會和進行綜合性、設計性實驗就成了進行實驗教學改革，提高實驗教學質量的一個重要問題。而虛擬實驗技術的發展為網絡實驗教學改革提供了新的思路。

一、虛擬網絡實驗平臺

隨著網絡虛擬技術的發展，虛擬實驗平臺和軟件系統的出現，為網絡實驗教學提供了新的實驗空間，為網絡實驗教學提供了改革的新思路。

虛擬網絡實驗平臺是通過建立網絡設備的原型來構建實驗系統，一般安裝在真實實驗平臺上，是可以完全開放的，它充分利用了計算機技術，完善了數據傳輸、交換、模式識別、語言處理、智能技術等性能，對實驗系統的運行進行仿真，學生可以從中靈活的組建網絡、學習和掌握實驗設計、操作知識，虛擬網絡實驗平臺還具有人機交互能力和可視化程度高等優勢。網絡虛擬實驗平臺的出現從根本上突破了傳統實驗教學實驗設備數量少、實驗時間緊張、實驗地點單一的弊端， 凸顯了實驗系統的開放性和實驗操作的交互性，提高了實驗教學效果。

虛擬實驗系統便于學生進行自主學習和探究學習，有利于創新思維的培養。學生可以在虛擬網絡實驗系統中專心運用己學知識和實際應用進行綜合性實驗和設計性實驗研究，不必擔心網絡設備的損壞和網絡的安全，極大地激發了學生的學習興趣和積極性。例如對于一些含編程的有關網管型交換機或路由器的配置的實驗，在真實的實驗環境中由于學生思維囿于自身的記憶力不足及形象性想象力的不夠精確，真實實驗的中間過程一般不會顯示或給一個抽象的數據顯示，實驗者也無從及時干預實驗過程，使得一些實驗很難在有限的課時內順利完成。虛擬系統卻能夠以逼真的畫面反映實驗對象及實驗全過程，并用強大的運算能力分析實驗操作過程和控制實驗結果直觀正確的輸出。

二、虛擬實驗與真實實驗的整合

但是虛擬實驗系統畢竟是一個虛擬的環境，它使實物虛擬化[1]，因此學生在虛擬環境中實驗會產生或多或少的不踏實的虛擬感，。我們生活在真實的環境中，更加依賴真實環境的可靠性。學生對重要的網絡設備的理解和掌握還需要在真實的網絡實驗室中進行，學生的實際操作能力還需要在真實網絡實驗環境中培養。真實實驗是學生利用實驗儀器及其上安裝的真實實驗系統進行實際操作的實踐活動。真實實驗能給學生實物感，可以消除學生在理論學習和虛擬實驗中模糊的感覺。對于演示性、驗證性的基礎實驗，由于操作過程簡單可以在實驗教學設計中可以真實實驗系統為主，甚至可以不用虛擬實驗系統，但是對于綜合性實驗和設計性實驗，由于用到的儀器設備較多，配置較復雜，這就需在實驗教學設計中把虛擬實驗和真實實驗合理整合以達到理想的實驗效果。網絡實驗教學的實踐表明，兩種實驗系統相輔相成的整合在一起使用時實驗效果會更好。學生在虛擬的實驗平臺都能親自搭建網絡，親手調試、配置網絡，從而讓學生更直觀、全方位了解各種網絡設備及其應用環境，真正加深對網絡從原理、協議、配置、應用的理解和掌握，對知識的學習產生一個從感性到理性的過渡。帶著這個過渡和虛擬的模糊感再到真實驗環境中進一步搭建網絡，并配置驗證，發現問題、解決問題后，學生才會真正從理論到實踐掌握所學的知識技能，提高實踐動手能力。

虛擬實驗與真實實驗整合的一般過程如圖一所示。首先要分析學生已有的網絡理論基礎和實驗技能，根據實驗教學的內容和目標，準備好真實實驗所需的實驗設備和軟件系統，選擇合適的虛擬實驗系統和相應的實驗內容，然后基于以上兩個實驗系統，設計實驗任務和實驗問題，學生在進行實驗中發現的問題可以在不同的系統中進行驗證、重新設計，再進行實驗，最后完成實驗報告。

三 、虛擬實驗和真實實驗整合的網絡實驗教學案例

下面結合實際計算機網絡實驗中的路由器實驗，來具體說明在教學實踐中如何進行虛擬實驗和真實實驗的整合。

1、實驗的教學設計是關鍵

在虛擬實驗和真實實驗整合的網絡實驗教學實踐中，關鍵的環節是進行實驗的教學優化設計。教學設計是進行實驗教學的藍圖，在教學設計中要充分考慮實驗的目的、內容、學生的已有知識水平和兩個實驗環境的特點，盡可能提供更大的實驗空間，充分調動學生的積極性，發揮學生的主體作用和教師的主導作用。

我們在交換機、路由器的配置實驗中選用的虛擬實驗系統是Boson netsim（圖2），它不僅可以模擬路由器，同時可以模擬交換機。所謂的模擬器，就是使用軟件來營造出一種虛擬現實的實驗環境，其中包含了網絡實驗所需要的若干型號的路由器、交換機，而且附帶了豐富的實驗教程，使實驗配置有了更充足的參考性、靈活性和擴展性，Boson netsim包括路由器基本實驗，其仿真的操作界面使學生感到就像在操作真實路由器[3]。在這樣的環境里學生可以根據實際應用，在Network Designer里，選擇自己需要的相應型號路由器、交換機和連接方式，設計出本次實驗的網絡拓撲，通過Remote Control任意跳轉配置、調試實驗，這與真實實驗環境相比具有無法比擬的優勢。

下面我們以計算機網絡中路由器的一個設計性實驗為例，來看在實際中如何把虛擬實驗系統和真實實驗系統進行整合。實驗安排課時為三個課時，實驗內容是了解路由器的路由原理；掌握其基本配置方式；熟悉路由器相關配置命令格式并掌握RIP協議和IGRP協議的基本配置。實驗目的是通過RIP協議和IGRP協議的基本配置使若干不同網段的網絡實現互相通信。

教師根據實驗的內容、目的和難度，進行如圖2所示的教學設計，以達到真實實驗系統和虛擬實驗系統二者優化整合的實驗目的。

首先，由于學生剛通過理論課上的學習，從感性上了解一些路由器的知識，但與實際應用仍有模糊感，所以先安排學生第一個課時在虛擬實驗系統進行實驗，學生通過課本、實驗指導書及因特網來熟悉實驗內容、命令格式、實驗原理，并在虛擬實驗系統中設計實驗的網絡拓樸、指定IP，配置并驗證實驗。這個過程有利于學生獨立思考問題、解決問題的能力，也有利于創新思維的培養。這時在學生的頭腦中對所學知識有了一個初步理性認識；然后安排學生分組在真實驗系統進行實驗：列出本實驗需要的命令、共同設計網絡拓樸、指定IP、分工配置路由器、服務器、工作站等，并進行驗證，把發現的問題和心得收獲分別記錄下來。這時學生對實驗內容已有一個整體的理性的認識。最后一個課時，安排各組學生把實驗中發現并收集的問題通過真實系統和虛擬系統先獨自進行解決，再分組對比各自的解決方案，并同其他組進行進一步的交流與討論，這個過程中拓展了學生的思維空間，學生對解決問題的方法有了多樣性和靈活性，實驗效果明顯提高，而且培養了學生的協作精神，激發了學生實驗學習的興趣和創新競爭的意識。最后要求學生課后完成實驗報告。

可見合理的實驗課堂設計在實驗教學中起著至關重要的作用，也真正充分體現出了以學生為主導和以教師為引導的作用。

2、進行設計性和綜合性實驗是整合的主要目的

虛擬實驗和真實實驗整合的主要目的就是為學生進行設計性實驗和綜合性實驗提供開放、靈活的空間，培養他們獨立思考能力，激發實驗興趣，激勵創新意識，培養協作精神，全面培養網絡技術人才。

綜合性實驗是指實驗內容涉及到本課本的綜全知識或與課本相關的課程知識的實驗；設計性實驗是指給定實驗的目的、要求和條件，讓學生自行設計實驗方案并加以實現的實驗[2]。教師針對不同的綜合性、設計性實驗的特點、要求與難度，進行有效的實驗教學設計，使在整個實驗中學生都處于主動的學習狀態，學習目的明確，自覺獨立思維，尤其是在整個實驗過程中學生的創造性思維比較活躍。在上面的路由器實驗中，在學生掌握了基本的路由器協議配置后，為提高學生的綜合實踐能力，安排一個綜合性實驗。該實驗要求學生利用四臺路由器一臺交換機和四臺主機組建一個網絡。實驗中需要學生綜合利用所學的網絡中有關服務器、工作站、交換機和路由器的配置等方面的知識和技能，根據實驗的特點，學生在兩種實驗環境下進行設計、實驗，整個實驗過程中集中體現了虛擬實驗系統與真實系統的之間的優勢互補，達到了設計性實驗和綜合性實驗的目的。

3、實驗的監控指導和及時反饋是保證

在虛擬實驗和真實實驗整合的教學實踐中，教師的指導不僅僅限于課堂實驗教學，同時要跟蹤學生在虛擬實驗平臺上的學習，通過網上交流工具，及時解答學生的問題，指導學生的實驗。在基本實驗知識和技能掌握后，提出和實踐緊密結合的問題，讓學生在虛擬平臺上再進行新的實驗設計，并適時對實驗設計方案提供啟發和引導，跟蹤實驗過程，記錄實驗問題解決方法，采納優秀的實驗方案并通過共同修改編入實驗指導書，使學生有成就感。教師的指導要使學生對實驗的熱情能長久保持下去，教師的鼓勵能培養學生對科學試驗的探索精神。在路由器實驗中，教師在真實實驗環境下指導學生的實驗設計和調試，發現問題及時給予幫助；對于學生在虛擬實驗環境下的實驗，學生制作成PowerPoint 演示文稿，在實驗課上把他的或者小組的方案介紹給其他同學，與同學互相交流、互相學習，并得到同學的批判性的建議。在網絡上通過e-mail和在實時聊天工具中建立的實驗班級群來共享實驗設計方案，解決在虛擬實驗中出現的問題。由于學生能通過網絡與教師能及時得到反饋，調動了學生的積極性，同時也保證了真實實驗和虛擬實驗的有機結合。

總之，利用虛擬實驗技術，根據實驗的特點和要求，把真實實驗和虛擬實驗有機地整合起來，能極大地延伸課堂實驗教學，拓寬學生進行實驗的空間，為進行綜合性、設計性實驗提供了可能，有利于實現培養學生綜合實踐和探索創新能力。

參考文獻

[1]馬秀香.虛擬與傳統技術在實驗教學中的整合與應用[J].紹興文理學院學報實驗科學與技術， 2005，(4):70

[2]曹中一.“ 三性”實驗的內涵與特征[J]. 實驗室研究與探索， 2003，(4):11

[3][美]Mark McGregor 著. 鐘向群譯. 實用Cisco路由器技術教程[M]. 北京：清華大學出版社， 2000:145-147

Instructional reform based on integration of virtual experiment and real experiment

Ding-Meirong1Chai-Shaoming2

1. Computer engineering department of Nanhai campus， South China Normal University， Foshan Guangdong， 528225

2. Educational information technology college， South China Normal University， Guangzhou Guangdong， 510631

Abstract: This paper， based on the common problem in computer network experiment teaching， introduces the advantage of virtual experiment system. It is proposed that virtual experiment and real experiment should be integrated in the experiment teaching to bring into full play their own advantages. With the example， the author illustrates the instruction design of such integrated experiment teaching， place emphasis on complex and design experiment to promote the reform and develop the students’ comprehensive ability and innovative thought.

Keywords: Virtual Experimental Platform， Instructional Reform， Integration， Instructional Design