整合資源構(gòu)建“虛實結(jié)合”的計算機網(wǎng)絡課程實驗室

【摘要】實驗教學作為計算機網(wǎng)絡課程的重要組成部分，是學生掌握網(wǎng)絡技術(shù)的主要途徑。隨著虛擬硬件技術(shù)的發(fā)展和普及，許多院校開始使用虛擬實驗室進行實驗教學。虛擬實驗室既可節(jié)省資源又可突破傳統(tǒng)實驗環(huán)境在時間、空間上的限制，并能利用E-learning的優(yōu)點。然而虛擬實驗室并不能完全替代傳統(tǒng)實驗室，各院校專業(yè)應整合可利用潛在資源，建立高性價比、虛實結(jié)合互補的實驗室。

【關(guān)鍵詞】計算機網(wǎng)絡;虛擬實驗室;虛實結(jié)合;整合資源

【中圖分類號】G420 【文獻標識碼】B 【論文編號】1009—8097(2010)09—0143—03

引言

高校的許多非計算機專業(yè)的培養(yǎng)方案中要求開設計算機網(wǎng)絡課程，如信息管理管理與信息系統(tǒng)、電子商務、圖書情報學等專業(yè)，一些高校還開設了計算機網(wǎng)絡公共選修課[1]。計算機網(wǎng)絡是一門既重理論更重實踐的課程，實驗教學是幫助學生理解原理、加深認識而達到學以致用的必要環(huán)節(jié)。然而眾所周知的是網(wǎng)絡設備、服務器一般是比較昂貴的，且更新較快，因此建立完備的計算機網(wǎng)絡實驗環(huán)境是比較困難的。一些高校尤其是文科類院校，開設計算機網(wǎng)絡課程的專業(yè)少，出資建設網(wǎng)絡實驗室顯然是投資回報率非常低的。所幸近些年來，隨著虛擬硬件的軟件(部分免費)有了顯著的發(fā)展并普及，越來越多的高校利用這一契機建立了虛擬實驗室，部分還開發(fā)了配套的實驗課程設計。虛擬實驗室既節(jié)省了資金，又可突破傳統(tǒng)實驗室在時間、空間上的限制，同時還能激發(fā)學生的主觀能動性，并可融合E-learning的優(yōu)點[2]。然而虛擬環(huán)境畢竟不能代替真實環(huán)境，部分實驗內(nèi)容必須有真實的設備為輔方可順利進行。為避免出現(xiàn)學生只會操作軟件、一旦碰到實際問題卻無從下手的情況，必須在利用虛擬實驗室的優(yōu)點的同時配備符合一定要求的真實實驗環(huán)境。

本文首先分析了計算機網(wǎng)絡課程實驗教學的內(nèi)容和要求，總結(jié)了三類實驗室的特點，提出可整合校內(nèi)外資源、網(wǎng)絡資源，揚長避短建立以虛為主、以實為輔、“虛實結(jié)合”的計算機網(wǎng)絡實驗室及課程教學設計。

一 計算機網(wǎng)絡課程實驗教學的內(nèi)容及特點

計算機網(wǎng)絡課程講授內(nèi)容的范圍及深度主要包含以下7點:(1)從總體上了解計算機網(wǎng)絡的概念、發(fā)展史、應用領域、功能和特點、掌握計算機網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)，了解OSI與TCP/IP體系結(jié)構(gòu);(2)掌握數(shù)據(jù)通信的基礎知識，弱化通信技術(shù)理論;(3)掌握局域網(wǎng)絡、廣域網(wǎng)絡的基礎知識及基本原理，強化簡單的局域網(wǎng)組網(wǎng)方法;(4)掌握網(wǎng)絡互連技術(shù)的基本知識及網(wǎng)絡互聯(lián)設備的使用，強化交換和路由的概念;(5)掌握TCP/IP協(xié)議各層協(xié)議及其基本工作原理，立足端到端通信;(6)了解網(wǎng)絡管理技術(shù)的基本知識;(7)了解網(wǎng)絡安全技術(shù)的基本知識，掌握簡單的保護網(wǎng)絡安全方法。

計算機網(wǎng)絡的應用繁多、知識面廣連貫性弱，實驗操作能夠幫助學生加深對網(wǎng)絡原理的理解，提高應用能力，促進創(chuàng)新性思維。可將計算機網(wǎng)絡實驗分為3種類型:原理驗證型實驗、綜合應用型實驗和探索研究型實驗。(1)原理驗證型實驗借助PC機、網(wǎng)絡基本設備、協(xié)議分析儀和流量發(fā)生器等軟件幫助理解復雜的計算機網(wǎng)絡工作原理。實驗可以在基本網(wǎng)絡環(huán)境中進行，也可以在仿真實驗環(huán)境下進行。目的是幫助學生提高計算機網(wǎng)絡應用和維護的技能，為服務社會做好準備，同時有助于深入理解網(wǎng)絡原理。(2)綜合應用型實驗應在真實網(wǎng)絡環(huán)境下由學生實際操作完成，如設計并安裝局域網(wǎng)，配置交換機和路由器等網(wǎng)絡設備，配置、應用和維護各種應用服務器，如DNS服務器、web服務器、電子郵件服務器、媒體服務器等，這類實驗需要有網(wǎng)絡設備和服務器的硬件基礎。(3)探索研究型實驗主要用于發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡新知識、驗證協(xié)議或某種猜想等，這是專家或研究生要從事的工作[3]。

根據(jù)不同的教學層次，可將實驗內(nèi)容劃分為五大類別:

二 計算機網(wǎng)絡課程實驗室的分類

不同的院校及不同專業(yè)對計算機網(wǎng)絡課程的定位不同，造成了他們對課程實驗的要求不同。一些專業(yè)的學生可能今后大部分將直接從事計算機網(wǎng)絡相關(guān)工作，而一些專業(yè)可能更偏重于了解原理懂得操作但不會直接從事相應工作。課程要求不同將造成他們所使用的實驗設備也不同。根據(jù)課程所使用的實驗設備可將實驗室分成3類:

1 傳統(tǒng)實驗室

實驗設備就是各大廠商生產(chǎn)的設備，其中網(wǎng)絡設備包括主流的思科、華為、H3C、銳捷等產(chǎn)品，服務器則可以是IBM、HP、DELL等品牌的。一些高校是自行購置設備，而不少學校則是通過與設備廠商或者是外部培訓學校合作的方式建立實驗室，以達到節(jié)省資金并提高教學效果的目的。

真實的實驗環(huán)境是學生驗證知識、學習技能的絕佳環(huán)境，但是設備昂貴、種類眾多、維護困難，隨著學生不斷增多，要達到人手一套，無論是自行購置還是與外部合作都有較大困難。

2 虛擬實驗室

實驗設備為軟件虛擬而來。許多網(wǎng)絡設備公司為推廣其產(chǎn)品和技術(shù)，開發(fā)出免費的模擬硬件設備的軟件以供技術(shù)人員使用。流行的虛擬網(wǎng)絡設備有思科公司的Packet tracer和Dynamips、Boson公司的NetSim等，虛擬計算機硬件的主要有VMware公司的VMware workstation、微軟的Virtual PC等[4]。教育界逐漸將這類軟件引入到計算機網(wǎng)絡的實驗課程中，并有一些高校自行研發(fā)了具備系統(tǒng)教學功能的虛擬實驗平臺，如北京郵電大學研制了Linux操作系統(tǒng)和計算機網(wǎng)絡虛擬實驗系統(tǒng)，浙江大學計算機輔助設計與圖形學國家重點實驗室開發(fā)了虛擬環(huán)境行為仿真系統(tǒng)等[5]。

虛擬實驗室具有如下主要優(yōu)點:

#61548;軟件即設備，安裝方便，節(jié)省了購置和管理維護硬件的成本和時間。

#61548;哪里安裝哪里使用，突破了傳統(tǒng)實驗室在時間、空間上的限制。

#61548;操作簡便，無需擔心操作失誤、破壞設備，具有可再生的等能力。

#61548;實現(xiàn)E-learning，網(wǎng)絡上豐富的學習資源、技術(shù)支持，可充分發(fā)揮學生的自主學習能力，為今后的進一步學習打下基礎。

在前面列出的5類實驗中，除基礎實驗的識別設備和制作線纜外，虛擬設備幾乎可以滿足全部驗證性的實驗要求。但同時也應該認識到虛擬設備有其局限性，一般只能虛擬部分類型的設備，同時許多操作特性兩者不一致，軟件也可能出現(xiàn)小Bug。現(xiàn)實中的小問題也可能成為阻礙學生進步的絆腳石。

3 “虛實結(jié)合”的實驗室

即既配備真實設備，也有虛擬的實驗環(huán)境。“虛實結(jié)合”的實驗環(huán)境中，其中“實”的部分是一套或多套典型的目前流行的硬件設備，“虛”的部分包括即可以使用已有的虛擬軟件，也可以自行開發(fā)的虛擬平臺。“虛實結(jié)合”的實驗室需要教師在課程演示中即提供真實的操作又教會學生在軟件上的操作，使得學生更能體會虛擬軟件的優(yōu)點，達到實戰(zhàn)的效果。

三整合各種資源，構(gòu)建“虛實結(jié)合”的計算機網(wǎng)絡課程實驗室

將虛擬技術(shù)用于構(gòu)建計算機網(wǎng)絡課程實驗室既是方法和理念的創(chuàng)新，目前已有廣大院校專業(yè)建立了虛擬實驗室。然而這也引起了另一種做法的出現(xiàn)，即認為實驗室里使用虛擬硬件可以完全滿足實驗需求，無需再購置任何硬件資源[6]。事實上，通過上文對計算機網(wǎng)絡實驗教學內(nèi)容的分析以及對廣大網(wǎng)絡技術(shù)人員的實際經(jīng)驗的總結(jié)，可以知道虛擬和現(xiàn)實是存在差異的，虛擬設備可以用以驗證原理和練習部分操作命令，但是學生如果僅僅掌握軟件的使用很可能連基本的網(wǎng)線都不會制作。我們必須本著以“實”為目標、“虛”為手段，揚各自的長處，避他們的短處，建立以“虛”為主、以“實”為輔、“虛實結(jié)合”的實驗室[7]。

構(gòu)建“虛實結(jié)合”的實驗室必須要避免“實”的部分的缺點。通過分析可知，與傳統(tǒng)實驗室的“實”不同的是，“虛實結(jié)合”的實驗室只需要少數(shù)幾套硬件網(wǎng)絡設備即可，主要用于幫助學生區(qū)別“虛”和“實”的差別。各院校專業(yè)可充分利用校內(nèi)、外及網(wǎng)絡上的各種資源以建立高性價比的“虛實結(jié)合”的實驗室。一般情況下，這些潛在的資源包括:

四 “虛實結(jié)合”實驗室的應用

1 “虛實結(jié)合”的實驗教學設計

各院校專業(yè)可根據(jù)開課的教學層次、要求，開發(fā)配套的實驗教學設計和考核方式。

一種可行的教學設計將實驗內(nèi)容分為三個部分:課前基本實驗、課堂實驗和課后發(fā)散實驗。

課前實驗是指在教師在講授完相關(guān)知識點后，進行課堂實驗前，先布置一個簡單的實驗供學生理解原理。實驗提供詳細的實驗步驟、操作命令及網(wǎng)絡拓撲圖等。

課堂實驗是指在計算機房，教師當場布置一個與課前實驗類似當難度相對較大的實驗，要求學生在課堂即完成，可提交實驗結(jié)果文件或當場要求學生操作相關(guān)命令，以檢驗學生理解原理、掌握命令的程度。課堂實驗可作為學生實驗課程評分主要部分。如果沒有緊迫感和時間限制很多學生將不會完成課前實驗，課堂實驗效果也不會理想。這樣方式可以提高學生的實驗積極性和成就感，避免學生因為無監(jiān)督而恍然學過本課程。

發(fā)散實驗有兩方面的內(nèi)容，一是指在實物設備上進行操作，而是指創(chuàng)新性實驗。完成虛擬實驗訓練以后，教師設計具體現(xiàn)實問題，組織學生再進行實際實驗操作。由于有了前面虛擬實驗的基礎，學員進行實物實驗時不能和虛擬實驗完全一樣，所以實物實驗要加大難度，可以事先由教師人為設置實驗故障，教學中適時啟發(fā)學生的思維、巡視檢查學生的排查故障情況、及時發(fā)現(xiàn)并糾正學出現(xiàn)的錯誤，最后進行實驗總結(jié)。創(chuàng)新性實驗可以是綜合性實驗的全部或者部分。它是在前面三個部分基礎上的又一次的提升，教師提出創(chuàng)新實驗課題，讓學員充分運用各種資源，進行網(wǎng)上討論和實驗設計，利用課外時間成立實驗小組來開展創(chuàng)新實驗。

2 “虛實結(jié)合”的考核方式

不同院校專業(yè)根據(jù)各自的教學目的和教學要求決定考核方式。“虛實結(jié)合”的實驗課程考試要求檢驗學生在虛擬環(huán)境和現(xiàn)實環(huán)境中解決問題的能力，因此考試要求包括虛、實兩部分內(nèi)容，均要求學生在課堂上規(guī)定的時間內(nèi)完成。

五 結(jié)語

“虛實結(jié)合”的實驗環(huán)境及課程設計有利于提高實驗教學質(zhì)量有利于激發(fā)學生的興趣和積極性，可節(jié)省投入，對培養(yǎng)學生的自主學習能力和創(chuàng)新能力有較大的幫助。各院校可根據(jù)掌握的資源條件建立最高性價比的實驗室，并設計配套的教學方案和考試方式。同時院校間可加強合作、共享資源，不斷吸收企業(yè)、培訓機構(gòu)的先進技術(shù)和教學經(jīng)驗，推進“虛實結(jié)合”的實驗室建設及教學模式的發(fā)展。

參考文獻

[1][3] 田青，邵美科.信息管理與信息系統(tǒng)專業(yè)“計算機網(wǎng)絡”課程教學的思考與實踐[J].計算機教育，2009，(4):87-89.

[2] 李冠群，丁友斌.E-learning與《計算機網(wǎng)絡》課程教學的整合[J].安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學院學報，2009，9(4):81-83.

[4] 吳俊強.構(gòu)建虛實結(jié)合的計算機網(wǎng)絡實訓室[J].實驗室研究與探索，2009，28(11):245-247.

[5] 孫燕蓮，文福安.虛擬實驗教學的探索與實踐[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2009，19(4):131-132.

[6] 王元娟.基于高校虛擬實驗室發(fā)展若干問題的建議[J].科技信息，2009，(7):130.

[7] 蘭水華，丁麗麗等.“虛實結(jié)合”實驗教學模式的研究與實踐[J].實驗室科學，2006，(3):14-16.