童宇　趙薇

摘 要 在研究分析當(dāng)前我院實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式的基礎(chǔ)上，依托學(xué)院網(wǎng)絡(luò)資源平臺(tái)，通過(guò)虛擬仿真技術(shù)設(shè)計(jì)了一個(gè)易操作的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，為學(xué)生提供了一個(gè)高技術(shù)含量的網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)驗(yàn)和測(cè)試平臺(tái)，引進(jìn)了先進(jìn)的教學(xué)手段，提高了學(xué)校網(wǎng)絡(luò)工程科研和教學(xué)應(yīng)用水平。

關(guān)鍵詞 虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng) 虛擬仿真技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

我院正處于專(zhuān)科向本科轉(zhuǎn)型的重要時(shí)期，本科教育對(duì)實(shí)驗(yàn)室的要求大幅提高，大規(guī)模添置新的設(shè)備、軟件的經(jīng)費(fèi)投入和實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本都不容小覷，尤其是計(jì)算機(jī)學(xué)科的網(wǎng)絡(luò)工程類(lèi)課程，實(shí)驗(yàn)室建設(shè)都是以硬件設(shè)備為支撐，但是隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不斷的推陳革新，實(shí)驗(yàn)教學(xué)要跟上理論發(fā)展的速度，就必須不斷地更新硬件設(shè)備，這將是一筆很大的投入。這些問(wèn)題嚴(yán)重制約了本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)的順利開(kāi)展。

針對(duì)本學(xué)院現(xiàn)階段的教學(xué)需求，本文前期以《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》課程實(shí)踐教學(xué)為實(shí)驗(yàn)藍(lán)本，采用虛擬仿真技術(shù)，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于WEB的網(wǎng)絡(luò)工程虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。

1虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

將網(wǎng)絡(luò)工程類(lèi)的實(shí)驗(yàn)按內(nèi)容分成三大類(lèi)：①網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析類(lèi)：主要是面向計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理、TCP/IP協(xié)議、通信協(xié)議分析等課程；②網(wǎng)絡(luò)組建管理類(lèi)：主要是面向組網(wǎng)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)管理與維護(hù)、網(wǎng)站建設(shè)等課程；③網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化處理類(lèi)：主要是面向網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與優(yōu)化、互聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)等課程。

系統(tǒng)的前期設(shè)計(jì)主要針對(duì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析類(lèi)虛擬實(shí)驗(yàn)，選用《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》這門(mén)課程為藍(lán)本。因?yàn)榇碎T(mén)課程概念多，協(xié)議多，會(huì)涉及到TCP/IP協(xié)議族從網(wǎng)絡(luò)層到應(yīng)用層的眾多協(xié)議。協(xié)議既復(fù)雜，又抽象，如何講解使學(xué)生學(xué)懂協(xié)議，是該課程講授中面臨的一個(gè)重要課題。傳統(tǒng)的講授方法主要使用課件講解協(xié)議的封裝格式以及實(shí)體之間的通信過(guò)程，使用動(dòng)畫(huà)演示協(xié)議實(shí)體之間的交互過(guò)程，雖然這樣做，形象出了協(xié)議交互過(guò)程，但學(xué)生還是感覺(jué)比較抽象，他們心里也有疑問(wèn)，實(shí)際的協(xié)議是不是這樣運(yùn)動(dòng)的？有的學(xué)生因此失去了學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的興趣。在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的講授中，把抽象的協(xié)議具體化、形象化是非常必要的。虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)應(yīng)以應(yīng)用、分析計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)主流協(xié)議為主體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，使同學(xué)們可以熟悉網(wǎng)絡(luò)基本協(xié)議、學(xué)習(xí)組網(wǎng)設(shè)計(jì)、模擬各類(lèi)實(shí)際環(huán)境、排除網(wǎng)絡(luò)故障、通過(guò)多種工具軟件對(duì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行分析等，同時(shí)親身體驗(yàn)所設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)的高速連通性、高可靠冗余等特性，完成從認(rèn)識(shí)、熟悉到設(shè)計(jì)、排錯(cuò)等多種實(shí)驗(yàn)，熟練掌握網(wǎng)絡(luò)實(shí)用技術(shù)。

系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：（1）將抽象的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)知識(shí)“形象化”；（2）對(duì)枯燥的理論內(nèi)容教學(xué)實(shí)現(xiàn)“互動(dòng)化”；（3）將分散的技能點(diǎn)“集中化”交付；（4）教、學(xué)易管理。

1.2系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

本文提及的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)采用的是由學(xué)生機(jī)瀏覽器、WEB服務(wù)器、教學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器組成的基于WEB的三層體系結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1：虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

該實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)目前支持36臺(tái)學(xué)生機(jī)同時(shí)上機(jī)實(shí)驗(yàn)，并可自由擴(kuò)充；通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分組切換器可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)成員的自由分組，同一組最多允許6臺(tái)學(xué)生機(jī)參與；系統(tǒng)提供5種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，學(xué)生可根據(jù)當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和分組情況自主選擇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，不需要改變物理網(wǎng)絡(luò)連接。

學(xué)生通過(guò)WEB登錄虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)后，首先根據(jù)當(dāng)前實(shí)驗(yàn)的需要選取虛擬主機(jī)和路由器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，通過(guò)軟件自行設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，配置IP地址；然后將這些信息提交到WEB服務(wù)器，WEB服務(wù)器接收到學(xué)生的請(qǐng)求之后，通過(guò)分析網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D定制當(dāng)前實(shí)驗(yàn)所需的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)環(huán)境（包括虛擬主機(jī)、虛擬網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備的建立，網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的配置等）；最后學(xué)生再通過(guò)WEB的方式登錄這些分配的虛擬機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)。

1.3系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)是對(duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行教學(xué)管理的平臺(tái)，包括用戶(hù)管理、實(shí)驗(yàn)信息管理、教學(xué)資源管理、課后作業(yè)管理和學(xué)習(xí)交流五大功能模塊。

（1）在用戶(hù)管理模塊中設(shè)置了管理員、學(xué)生和教師三種角色，并對(duì)這三種角色的權(quán)限和功能進(jìn)行了設(shè)置。如管理員具有最高的管理權(quán)限，可以對(duì)教師和學(xué)生的賬號(hào)進(jìn)行分配和收回等；教師可以上傳教學(xué)資料、檢查學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)果、在線(xiàn)指導(dǎo)等；學(xué)生可以申請(qǐng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、提交實(shí)驗(yàn)結(jié)果、自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)等。

（2）實(shí)驗(yàn)信息管理模塊：支持36名學(xué)生同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以實(shí)現(xiàn)自由分組和任務(wù)分配。通過(guò)該模塊，學(xué)生可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)驗(yàn)，可以閱讀實(shí)驗(yàn)要求、實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)步驟；當(dāng)一個(gè)課時(shí)結(jié)束實(shí)驗(yàn)卻未完成時(shí)可以保留當(dāng)前實(shí)驗(yàn)環(huán)境，以便下次實(shí)驗(yàn)時(shí)快速恢復(fù)上一次的實(shí)驗(yàn)環(huán)境繼續(xù)該實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)結(jié)束后可提交實(shí)驗(yàn)結(jié)果供老師批閱。

（3）教學(xué)資源管理模塊主要用來(lái)管理教師上傳的學(xué)習(xí)資料，并提供下載功能。

（4）課后作業(yè)管理模塊主要用來(lái)生成跟本堂課內(nèi)容相關(guān)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并提供實(shí)驗(yàn)環(huán)境，保留實(shí)驗(yàn)結(jié)果，教師可以在學(xué)生提交的課后作業(yè)里選擇查看和批注。

（5）學(xué)習(xí)交流模塊給學(xué)生提供了一個(gè)交流學(xué)習(xí)的平臺(tái)，學(xué)生之間可以相互交流實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到的問(wèn)題和解決方法，老師也可以通過(guò)登錄該平臺(tái)給學(xué)生進(jìn)行在線(xiàn)答疑。

2基于虛擬實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式改革

2.1實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容改革

系統(tǒng)的前期設(shè)計(jì)主要針對(duì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析類(lèi)虛擬實(shí)驗(yàn)，以《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》實(shí)踐教學(xué)為藍(lán)本，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涵蓋了本科教學(xué)期間所有的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的基本實(shí)驗(yàn)，包括路由器配置基礎(chǔ)、PPP & MP實(shí)驗(yàn)、路由協(xié)議基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、ACL和包過(guò)濾防火墻實(shí)驗(yàn)、NAT地址轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)等。

在原有實(shí)驗(yàn)教材的基礎(chǔ)上，擴(kuò)充了實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目和內(nèi)容，有針對(duì)性地設(shè)計(jì)了幾個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K（如：網(wǎng)絡(luò)協(xié)議應(yīng)用與分析模塊、網(wǎng)絡(luò)故障診斷與排除模塊、路由與交換技術(shù)、WLAN無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)模塊，詳情見(jiàn)表1所示），每個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K包含若干實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，特別增加了綜合性、設(shè)計(jì)性和研究創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。針對(duì)每一個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，詳細(xì)設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)開(kāi)設(shè)方案、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，并編寫(xiě)了實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)。

2.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的改革

對(duì)原有傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法進(jìn)行分析，針對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，將以“教師為中心”的教學(xué)模式改為以“學(xué)生為中心”的教學(xué)模式。學(xué)生可以自主地選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，根據(jù)不同項(xiàng)目的要求，在實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)的指導(dǎo)下，以個(gè)人或小組為單位獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)方式包括協(xié)議捕獲分析、協(xié)議編輯發(fā)送、協(xié)議會(huì)話(huà)觸發(fā)、無(wú)線(xiàn)協(xié)議分析、私有協(xié)議開(kāi)發(fā)等多元方法。

3結(jié)語(yǔ)

以《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》課程為藍(lán)本設(shè)計(jì)的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)為用戶(hù)搭建了一個(gè)真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，有很強(qiáng)的擴(kuò)展性；學(xué)生通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)遠(yuǎn)程訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以及服務(wù)器上的數(shù)據(jù)、圖像、視頻等信息，管理員通過(guò)WEB服務(wù)器提供服務(wù)。學(xué)生做的所有操作都是對(duì)Host主機(jī)上的某個(gè)虛擬機(jī)的操作，虛擬機(jī)的生命周期就是學(xué)生的使用系統(tǒng)的會(huì)話(huà)期，做完實(shí)驗(yàn)虛擬機(jī)就被刪除，對(duì)系統(tǒng)不會(huì)造成任何影響，而在實(shí)驗(yàn)室可能對(duì)PC和路由器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備造成各種損壞，以及一些不可逆的操作；可擴(kuò)展性強(qiáng)，還可以為其他實(shí)驗(yàn)提供平臺(tái)，只需要生成一個(gè)學(xué)生所需要的系統(tǒng)鏡像。

虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)有三個(gè)方面的特點(diǎn)：（1）硬件擺脫了物理上的限制；（2）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的人員擺脫了地理位置上的限制；（3）實(shí)現(xiàn)了異地?cái)?shù)據(jù)、設(shè)備等資源的共享。通過(guò)為期兩個(gè)學(xué)期的教學(xué)實(shí)踐，取得了理想的教學(xué)效果。

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