虛擬仿真實驗在計算機網絡課程教學中的應用

朱劍林 侯睿

摘要：本文研究計算機網絡課程特點，探索將虛擬仿真實驗作為輔助教學手段引入到計算機網絡的課程教學中。嘗試通過靈活運用虛擬仿真實驗等輔助手段，在計算機網絡課程的講授過程中將計算機網絡的理論知識和理論應用實踐融合起來，提高學生的理論水平和實踐能力。

關鍵詞：計算機網絡；虛擬仿真實驗；實踐能力

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）17-0224-02

一、引言

當今社會，互聯網技術對人們的生活產生了更為廣泛的影響。2015年3月份，李克強總理在第十二屆全國人民代表大會第三次會議上提出制定“互聯網+”行動計劃。李克強總理在政府工作報告中提出，“要制定‘互聯網+行動計劃，推動移動互聯網、云計算、大數據、物聯網等與現代制造業結合，促進電子商務、工業互聯網和互聯網金融健康發展，引導互聯網企業拓展國際市場。”

隨著生產力的發展及科學技術的進步，通信技術、計算機技術和控制技術之間的融合成為必然趨勢。互聯網+的提出及蓬勃發展，使這種融合的必要性更加明顯。

計算機網絡作為互聯網技術的基礎必修課程，內容包括網絡基本概念、網絡體系結構模型、網絡各層主要協議分析等，是一門理論性與實踐性都很強的課程。針對計算機網絡課程的特點，就如何提高該課程的教學質量進行了相關的研究和探索。

二、計算機網絡課程特點

（一）《計算機網絡》課程特點[1-3]：

1.學科基礎涉及面廣。計算機網絡一門綜合性很強的交叉學科，涉及計算機、通信、電子、控制等多個學科領域，理論性強，概念抽象。

2.學科應用性強，因此該課程對學生的實踐能力提出了較高的要求。

3.前沿性強，知識更新快。教學內容涉包含大量錯綜復雜、彼此交織的概念與技術，尤其是通信與網絡技術發展迅速，主流的網絡技術和網絡設備在不斷地更新。

（二）計算機網絡課程傳授過程中面臨的困難

1.抽象的理論知識讓學生難以深入掌握理解相關知識點。抽象的概念和復雜繁多的協議容易使學生們失去對這門課的興趣，如網絡各層主要協議的工作原理較為抽象，很難通過語言引導學生構建網絡體系模型，最終學生難以靈活運用所學知識解決實際問題。

2.由于硬件實驗設備的封閉性，學生的實踐能力培養不足。實驗設備數量不能滿足教學需求，而且網絡設備更新換代快，受經費的影響，學校也難跟隨網絡設備發展的步伐。網絡設備的不斷發展，導致實踐環境和網絡技術的發展差距在不斷拉大，不利于教師結合實際應用進行課堂教學，這就在很大程度上抑制了學生創新能力的提高。

可以說計算機網絡是一門非常理論化、晦澀難懂卻又同時有著較強的應用型的課程。學生在學習這門課之前已經非常熟悉基于網絡的應用程序，對網絡有一點了解，但是這個了解是集中在應用層的使用上，他們并不理解原理。根據計算機課程的特點，只有保持計算機網絡傳授內容理論與實踐知識的先進性，及時了解該學科最新研究發展動態和前沿，才能培養出具有實踐和創新能力的高層次高素質人才。

結合當前的困難，虛擬仿真實驗被應用到計算機網絡課程傳授中。

三、虛擬仿真實驗的概念及模式

虛擬仿真實驗是學科專業與信息技術深度融合的產物，是運用虛擬現實技術模擬實物實驗的計算機輔助教學軟件。虛擬仿真實驗的主要特點：

1.直觀性。通過實例操作演示非常抽象的概念，將抽象的網絡概念具體化、形象化。

2.互動性。對比傳統的單向的、垂直的教學模式，教與學雙向互動，就關心的教學內容，學生和老師都可以表達自己的想法和建議。互動式交流提高學生的學習熱情和學習的主動性。

3.激勵性。通過仿真實例的展示、學生的主動實踐，可以激發學生的求知欲望，幫助學生充分吸收教學內容，激發他們的創造動機和創造性思維。

目前的國內外模擬仿真軟件有多功能的電路模擬試驗平臺PSPICE[4]；用于模擬與數字電路的仿真分析和設計研究的Tina Pro[5]；用于電路描述與仿真的語言與仿真器軟件CircuitMaker[6]；仿真單片機及外圍器件的工具Proteus[7]；模擬Cisco路由器、交換機，可自定義網絡拓撲結構及連接的Boson NetSim[8]；由北京郵電大學的國家級北郵電子信息虛擬仿真實驗教學中心開發的“開放式虛擬仿真實驗教學管理平臺”[9，10]。北郵開發的虛擬仿真實驗平臺作為計算機網絡課堂的輔助教學手段，該系統是仿真計算機網絡的虛擬實驗系統。系統提供計算機、路由器、集線器、交換機等器材模型，利用它們，用戶可以搭建計算機網絡，進行Windows操作系統的網絡配置與命令操作以及路由器、交換機的配置。其中一個教學內容使用虛擬仿真平臺部署和測試網絡應用層協議FTP和HTTP，如圖1所示。

四、《計算機網絡》教學心得與體會

1.計算機網絡課程教學模式總結如下：

（1）課前預習。提前將每次課堂的教學知識點及相關的輔助材料告訴學生，讓學生課前對授課內容做好一定的準備。

（2）課程中集中講授關鍵知識點的理論知識，同時使用虛擬仿真實驗平臺作為教學輔助手段。圍繞不同的知識點，組合優化教學方式和教學手段，如小組討論式教學法、動畫模擬、虛擬仿真、微課等，激發學生學習熱情，提高學習的主動性，提高學生的上課注意力。

（3）課后實踐。通過仿真實驗解決硬件實驗設備不足和實驗設備老化等問題，增強學生的創新能力和動手能力，進一步加深對知識點的理解，最終提高學生運用知識的能力。

2.將虛擬仿真實驗引入到計算機網絡的課堂教學中，使得教學模式和方法多樣化、智能化、規范化、國際化，旨在提高學生靈活運用專業知識能力；加強創新精神和實踐能力的培養；更生動形象地傳達不易理解的知識。具體意義總結如下：

（1）通過虛擬仿真實驗平臺，將理論和實踐融合進教學。在課堂教學過程中將動畫模擬、虛擬仿真、遠程實驗和實物實驗優化組合，探索各類案例的優勢互補，旨在調動學生學習積極性，啟迪思維，激發潛能。

（2）通過虛擬仿真實驗平臺，整合計算機網絡的相關資源，既保證了知識的積累和傳承，又避免了基礎工作重復，提供智能化的教學服務同時，培養學生的創新能力和動手能力。

（3）通過虛擬仿真實驗平臺，學生可以不受時間和地點限制，在一定的范圍內進行設計型、創新型、不易實施的實驗，既滿足了實驗的靈活性和有效性的要求，又可減少實驗成本和資源消耗。

同時很多開設計算機網絡課程的高校的教學模式很有啟發，如Seminar教學模式[1]是專題研討課或小組討論教學法，由導師指導的、學生共同參加對某一論題進行分析、研討的教學方法。其核心思想是討論學習，注重培養學生的創新思維和創造能力，從而達到教學與科研并重的目的。創客（Maker）[2]是指出于興趣愛好將各種創意轉變成現實的人，包括硬件發明、軟件發明、藝術家等。做中學（Learning by doing）的理論強調學生主動思考、設計，實現創造的學習。微課應用于計算機網絡課程[3]，微課是基于網絡多媒體技術及信息處理技術，將“課”微處理化形成了一段短小生動展示并陳述、解決一個核心重點問題的教學音視頻。

五、總結

研究《計算機網絡》課程的特點，探索將虛擬仿真實驗應用到計算機網絡的課程教學過程中。通過虛擬仿真實驗中的豐富的設備器材庫和網絡部署應用案例，優化組合各類教學手段，更形象地展示抽象的網絡知識，將計算機網絡的理論知識和實踐知識結合起來，提高學生的實踐和創新能力，重點提高綜合運用計算機網絡知識解決分析實際問題的能力，為社會培養出高水平高素質的復合型的網絡工程專業人才。

參考文獻：

[1]江兵，楊海波，楊娟.Seminar教學模式在研究生《計算機網絡》課程中的實踐[J].計算機工程與科學，2014，36（A1）：143-146.

[2]趙廣元，王文慶，蔡秀梅.創客教育視野下“計算機網絡”課程實驗設計[J].現代教育技術，2015，25（9）：116-121.

[3]李桂萍.著眼實踐能力提升的《計算機網絡》微課教學設計研究[J].教育教學論壇，2015，（19）：185-186.

[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.北京郵電大學網絡教學系統研究中心——虛擬仿真實驗教學的研究與創新[J].海峽科技與產業，2014，（7）：78-80.

[10]北郵開放式網上虛擬實驗室[OL].http：//www.owvlab.net