崔來中，陸 楠

（深圳大學(xué) 計算機與軟件學(xué)院，廣東 深圳 518060）

0 引言

從2016年新工科被提出，我國的工程教育邁入了新一輪的發(fā)展節(jié)奏中，加快培養(yǎng)新興領(lǐng)域工程科技人才，改進(jìn)和調(diào)整傳統(tǒng)工科專業(yè)，著重強調(diào)未來新興戰(zhàn)略領(lǐng)域的人才培養(yǎng)[1-2]。計算機網(wǎng)絡(luò)作為高等學(xué)校計算機相關(guān)專業(yè)的一門必修課，對于本科生網(wǎng)絡(luò)技能的培養(yǎng)起決定性的作用?，F(xiàn)有計算機網(wǎng)絡(luò)課程的實驗教學(xué)內(nèi)容過于陳舊，現(xiàn)場實驗資源受限，教學(xué)效果不佳，已經(jīng)無法滿足新工科建設(shè)的要求[3-4]。

近年來計算機技術(shù)和信息化發(fā)展迅速，虛擬仿真實驗作為一種新的實驗手段，無論從方法上還是效果上都得到了極大的改善，可以有效補充傳統(tǒng)實驗教學(xué)。虛擬仿真實驗教學(xué)逐漸被認(rèn)為是實踐教學(xué)的一種有效方法，可以提升實驗教學(xué)的效果和質(zhì)量，代替部分傳統(tǒng)的實驗教學(xué)，同傳統(tǒng)實驗實現(xiàn)有機和虛實結(jié)合，從而克服傳統(tǒng)實驗中一直存在的一些缺點和不足[5]。如何將虛擬實驗教學(xué)融入現(xiàn)有計算機網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)體系，提高學(xué)生的能力和素質(zhì)，是一個開放且重要的研究方向。如何對計算機網(wǎng)絡(luò)課程的虛擬仿真實驗教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行合理規(guī)劃，設(shè)計針對性強、行之有效的實驗資源和平臺，是本科生計算機網(wǎng)絡(luò)在新工科背景下教學(xué)改革非常重要的議題。

1 現(xiàn)有計算機網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場實驗存在的問題

1）網(wǎng)絡(luò)運行原理可視化效果差。

真實物理網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上幾乎沒有辦法直接顯示網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的狀態(tài)和運行情況，只能通過終端登錄以命令行的方式進(jìn)行設(shè)備的配置操作和查看配置結(jié)果，往往需要頻繁切換登錄不同的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，導(dǎo)致過程復(fù)雜和低效；而且，實驗過程中沒有辦法直接看到物理設(shè)備上運行的各個網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的運行機理和數(shù)據(jù)情況，而這些協(xié)議運行原理的可視化，對學(xué)生理解網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的機制和原理至關(guān)重要。

虛擬仿真實驗提供可視化的圖形界面，可以更加形象地展示實驗的過程、原理和結(jié)果，有助于克服傳統(tǒng)實驗中網(wǎng)絡(luò)運行過程和原理不易展示的問題，從而加強學(xué)生對實驗背后原理和知識點的認(rèn)識和理解。

2）大型綜合設(shè)計性網(wǎng)絡(luò)實驗設(shè)計和實現(xiàn)難度大。

校園網(wǎng)組網(wǎng)需求分析、組網(wǎng)設(shè)計與系統(tǒng)集成、企業(yè)網(wǎng)建設(shè)與維護(hù)等大型綜合設(shè)計性網(wǎng)絡(luò)實驗，是計算機網(wǎng)絡(luò)工程設(shè)計實驗的重點和難點，但大型綜合設(shè)計性網(wǎng)絡(luò)實驗需要的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備種類和數(shù)量都很龐大、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，導(dǎo)致在傳統(tǒng)實驗室中難以操作進(jìn)行，學(xué)生不能都有充分的操作時間和參與，教學(xué)實驗室也由于場地和成本的約束難以展開此類實驗。虛擬仿真實驗環(huán)境中可以配置大量的實驗設(shè)備，對于實驗設(shè)備的類型也沒有限制，不僅可以添加傳統(tǒng)的設(shè)備，還可以添加新的實驗設(shè)備，拓?fù)淇刂旗`活度高，容易調(diào)整和控制，實驗界面更加直觀，其良好的可擴展性意味著可以讓每名學(xué)生都參與其中，可以獨立或團隊完成大型的綜合型網(wǎng)絡(luò)設(shè)計實驗，有效鍛煉計算機網(wǎng)絡(luò)集成能力，解除傳統(tǒng)計算機網(wǎng)絡(luò)實驗的限制[6]。

3）網(wǎng)絡(luò)安全類實驗難以在真實網(wǎng)絡(luò)中部署。

網(wǎng)絡(luò)安全實驗往往設(shè)計各類不同的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，其需要對異常檢測、防火墻、拒絕服務(wù)攻擊等網(wǎng)絡(luò)攻防內(nèi)容進(jìn)行練習(xí)，投入成本很高，而且在傳統(tǒng)計算機網(wǎng)絡(luò)安全實驗中，很難展開有效的真實網(wǎng)絡(luò)攻擊，必須考慮對校園網(wǎng)造成的影響，無法產(chǎn)生有針對性的網(wǎng)絡(luò)攻防練習(xí)。網(wǎng)絡(luò)安全類實驗在傳統(tǒng)計算機網(wǎng)絡(luò)實驗中實現(xiàn)很困難。虛擬仿真的環(huán)境下進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)安全實驗，具有天然的隔離性，不會影響真實網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，也可以更好地模擬仿真網(wǎng)絡(luò)攻擊過程和現(xiàn)象，能讓學(xué)生得到更有效的網(wǎng)絡(luò)攻防鍛煉[7]。

4）下一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實驗剛進(jìn)入起步階段，實現(xiàn)困難。

以IPv6為基礎(chǔ)的下一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是計算機網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的前沿，有效地讓學(xué)生接觸這些下一代互聯(lián)網(wǎng)前沿技術(shù)，會讓學(xué)生更快地了解企業(yè)工作崗位的實際需要，培養(yǎng)企業(yè)真正需要且迫切需要的實踐能力。IPv4同IPv6的過渡技術(shù)是整個計算機網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的重點技術(shù)，也是現(xiàn)階段網(wǎng)絡(luò)運營企業(yè)最需要的核心能力，但這方面的過渡實驗不能很好地反映在實際現(xiàn)場實驗中。在虛擬仿真環(huán)境下，能讓學(xué)生將更多的精力放在理解過渡技術(shù)的原理上，而不是在繁瑣的接線和不同廠商設(shè)備的操作命令上。

2 計算機網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實驗教學(xué)思路與教學(xué)內(nèi)容規(guī)劃

為了設(shè)計好計算機網(wǎng)絡(luò)的虛擬仿真實驗，需要教師對計算機網(wǎng)絡(luò)的實驗教學(xué)內(nèi)容熟練掌握和深刻理解。計算機網(wǎng)絡(luò)課程作為計算機類專業(yè)的核心課程，經(jīng)過多年的發(fā)展有一套成熟和基本固定的實驗教學(xué)體系。大部分從事網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的老師對于計算機網(wǎng)絡(luò)課程都有較好的理解，并積累了豐富的教學(xué)經(jīng)驗和方法，但是，對于計算機網(wǎng)絡(luò)課程所涉及的虛擬仿真實驗教學(xué)內(nèi)容，大多數(shù)是最近幾年的最新虛擬仿真技術(shù)研究成果，一線的網(wǎng)絡(luò)課程教師對于這些最新虛擬仿真技術(shù)的理解往往存在較大偏差，研究經(jīng)驗相對不足。對于最新的多種虛擬仿真技術(shù)，需要進(jìn)行合理的組織和梳理，形成新的虛擬仿真實驗教學(xué)體系，才能補充原有計算機網(wǎng)絡(luò)課程實驗教學(xué)內(nèi)容。這些都需要根據(jù)實際情況進(jìn)行重新調(diào)整和設(shè)計，不能照搬計算機網(wǎng)絡(luò)課程的原有實驗教學(xué)經(jīng)驗。

2.1 實驗教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計和制訂

計算機網(wǎng)絡(luò)包含眾多的實驗內(nèi)容，對應(yīng)著計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的分層體系。市面上大多數(shù)實驗教材都沒有涉及虛擬仿真實驗的內(nèi)容和設(shè)計，因此虛擬仿真實驗教學(xué)內(nèi)容需要自行組織和撰寫。針對本科生計算機網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)有限的教學(xué)學(xué)時，不可能對計算機網(wǎng)絡(luò)實驗的方方面面全部采用虛擬仿真的方式，重要的是采用虛實結(jié)合的方式，將部分實驗內(nèi)容設(shè)計為虛擬仿真方式，使學(xué)生更多地掌握計算機網(wǎng)絡(luò)實驗的理論和實踐，并得到綜合實驗設(shè)計的訓(xùn)練。

筆者根據(jù)多年從事計算機網(wǎng)絡(luò)相關(guān)科研和教學(xué)的經(jīng)驗，歸納和總結(jié)計算機網(wǎng)絡(luò)課程的各類傳統(tǒng)實驗內(nèi)容，共設(shè)計了6個模塊的虛擬實驗教學(xué)內(nèi)容，覆蓋應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、數(shù)據(jù)鏈路層、下一代互聯(lián)網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)安全，代表計算機網(wǎng)絡(luò)實驗課程的核心技術(shù)和知識點。

（1）應(yīng)用層實驗，該部分內(nèi)容主要有DNS、WEB、FTP、DHCP協(xié)議。

（2）網(wǎng)絡(luò)層實驗，該部分內(nèi)容主要有各類路由協(xié)議、路由器的配置等。

（3）傳輸層實驗，該部分內(nèi)容主要有TCP建立連接和釋放連接、滑動窗口協(xié)議和擁塞控制協(xié)議。

（4）數(shù)據(jù)鏈路層實驗，該部分內(nèi)容主要有網(wǎng)卡配置、交換機配置、局域網(wǎng)組網(wǎng)等。

（5）下一代互聯(lián)網(wǎng)實驗，該部分內(nèi)容主要有IPv6地址配置、隧道機制等。

（6）網(wǎng)絡(luò)安全試驗，該部分內(nèi)容主要有筆者所制訂的計算機網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實驗教學(xué)內(nèi)容，雖然不能囊括該課程的所有實驗方向，但是可以代表該領(lǐng)域的核心理論和技術(shù)，具有一定的代表性，而且各部分內(nèi)容之間具有一定的關(guān)聯(lián)性，可以形成一套計算機網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實驗體系，有助于本科生掌握要點，可以滿足企業(yè)對計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)人才的需求。

2.2 實驗項目的設(shè)計和制訂

在計算機網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實驗方面，市面上沒有可以選擇的實驗教材。我們通過自己編寫電子版實驗任務(wù)書的形式，為學(xué)生提供實踐指導(dǎo)資料。計算機網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)由虛擬實驗仿真平臺和虛擬實驗管理平臺兩部分組成。虛擬實驗仿真平臺模擬傳統(tǒng)實驗中用到的物理設(shè)備和線纜，提供與傳統(tǒng)真實環(huán)境實驗相似的虛擬仿真實驗環(huán)境；虛擬實驗管理平臺提供全面的虛擬實驗教學(xué)管理功能。計算機網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)可開展大多數(shù)計算機網(wǎng)絡(luò)的核心虛擬仿真實驗，包括網(wǎng)卡配置實驗，應(yīng)用層的DNS、Web、FTP、DHCP服務(wù)與配置實驗，TCP協(xié)議實驗，滑動窗口和擁塞控制實驗，靜態(tài)和動態(tài)路由配置實驗，RIP和OSPF協(xié)議應(yīng)用實驗，路由器配置實驗，交換機配置實驗，VLAN劃分與VLAN路由實驗，網(wǎng)卡配置實驗等，可支持計算機網(wǎng)絡(luò)課程核心內(nèi)容的虛擬仿真實驗教學(xué)。計算機網(wǎng)絡(luò)課程核心內(nèi)容的虛擬仿真實驗教學(xué)設(shè)計見表1。

表1 計算機網(wǎng)絡(luò)課程核心內(nèi)容的虛擬仿真實驗教學(xué)設(shè)計

對于本科生的計算機網(wǎng)絡(luò)課程來說，最重要的是掌握計算機網(wǎng)絡(luò)中的基礎(chǔ)技能，其次是培養(yǎng)自我動手學(xué)習(xí)的能力。計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展得非?？欤恍┘夹g(shù)仍在不斷變化和改進(jìn)中，對于現(xiàn)有技術(shù)掌握得再好，再有經(jīng)驗，也需要經(jīng)常更新自己的技術(shù)儲備。通過本課程虛擬仿真實驗的學(xué)習(xí)，我們希望樹立一種意識：掌握基礎(chǔ)理論，了解知識體系，學(xué)會核心技術(shù)，會使用常用的虛擬仿真工具和平臺，并能檢索和查閱最新的文獻(xiàn)和使用技術(shù)文檔。因此，在虛擬仿真實驗內(nèi)容上應(yīng)有的放矢，有所取舍，突出最重要的技能培養(yǎng)。

2.3 實驗教學(xué)的資源和考核方式

在計算機網(wǎng)絡(luò)課程實驗教學(xué)過程中可以制訂實驗教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法相配合的多媒體PPT課件、實驗教學(xué)網(wǎng)站等教學(xué)資源，針對計算機網(wǎng)絡(luò)課程實驗教學(xué)內(nèi)容特點，充分運用當(dāng)前的信息展示手段，將抽象、復(fù)雜的理論和技術(shù)，以幻燈片、圖片、視頻、Flash動畫等富媒體表現(xiàn)形式進(jìn)行展示，使學(xué)生更容易理解和掌握，提高實驗教學(xué)質(zhì)量和效果。

通過調(diào)研國內(nèi)外相關(guān)高校和研究組的網(wǎng)站，已初步完成課程實驗教學(xué)網(wǎng)站的建設(shè)，包括課程簡介、課程實驗教案PPT、課程實踐實訓(xùn)、實驗教學(xué)大綱、實驗習(xí)題思考、Project、參考文獻(xiàn)、課程輔助資料、實用鏈接等內(nèi)容。

（1）課程簡介：簡要介紹計算機網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的實驗內(nèi)容和考核要求。

（2）課程實驗教案PPT：計算機網(wǎng)絡(luò)課程實驗教學(xué)PPT。

（3）課程實踐實訓(xùn)：計算機網(wǎng)絡(luò)課程實驗內(nèi)容和操作步驟。

（4）實驗教學(xué)大綱：計算機網(wǎng)絡(luò)課程實驗教學(xué)大綱，介紹實驗教學(xué)計劃、學(xué)時安排等。

（5）實驗習(xí)題思考：與計算機網(wǎng)絡(luò)課程內(nèi)容相關(guān)的實驗練習(xí)題和思考題。

（6）參考文獻(xiàn)：與計算機網(wǎng)絡(luò)研究相關(guān)的經(jīng)典和最新學(xué)術(shù)文獻(xiàn)、專著、工具書等。

（7）課程輔助資料：與計算機網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的實驗資料、編程軟件、工具軟件等。

（8）實用鏈接：為學(xué)生提供了解國內(nèi)外計算機網(wǎng)絡(luò)前沿研究進(jìn)展、開闊視野和自我學(xué)習(xí)的實用的網(wǎng)上資源鏈接。 ①相關(guān)課程網(wǎng)站：國內(nèi)外比較有影響力的大學(xué)計算機網(wǎng)絡(luò)相關(guān)課程的實驗教學(xué)網(wǎng)站，以及MOOC上相關(guān)開放課程的鏈接。②研究組：國內(nèi)外知名的計算機網(wǎng)絡(luò)研究組網(wǎng)站。③學(xué)術(shù)期刊：與計算機網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的國際知名學(xué)術(shù)期刊。④國際會議：與計算機網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的國際知名會議。

實驗既可以用來考查學(xué)生對知識的掌握程度，又可以提升學(xué)生學(xué)習(xí)的能動性。實驗成績只能反映學(xué)生對某一個實驗內(nèi)容的掌握程度，更為重要的是通過各個實驗，引導(dǎo)學(xué)生動手聯(lián)系和綜合運用。我們對計算機網(wǎng)絡(luò)課程實驗采用實驗報告和課后Project兩種方式結(jié)合，更加注重學(xué)生的實踐技能和綜合設(shè)計能力，真正培養(yǎng)學(xué)生通過實驗積累和經(jīng)驗解決實際計算機網(wǎng)絡(luò)問題的能力。

實驗設(shè)計考核。該部分考核占據(jù)實驗總成績的60%，主要根據(jù)學(xué)生實驗的完成情況和實驗報告撰寫情況進(jìn)行評判。每個實驗完成情況的評價標(biāo)準(zhǔn)包括完成度、正確性、花費時間、方法的創(chuàng)新性、報告撰寫的規(guī)范性和完整性。

課后Project考核。該部分考核占據(jù)實驗總成績的40%，讓學(xué)生根據(jù)一學(xué)期所講述的各類實驗，完成2～3個綜合性Project。Project分為個人和團隊兩種，歸納總結(jié)并綜合運行實驗教學(xué)所學(xué)的各個知識點，完成綜合性和復(fù)雜性的課題任務(wù)。Project需要提交報告，還要求學(xué)生制作PPT在課堂上匯報交流。

3 開放式計算機網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實驗教學(xué)管理平臺建設(shè)

開放式計算機網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實驗教學(xué)管理平臺基于J2EE架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計和開發(fā)，將計算機網(wǎng)絡(luò)課程的虛擬仿真實驗資源統(tǒng)一部署到平臺上，達(dá)到高效管理和開放共享的目的。該平臺可以讓學(xué)生突破時間和空間的限制，更加合理和自由地安排實驗學(xué)習(xí)，完成相應(yīng)實驗內(nèi)容并反復(fù)練習(xí)。通過開放式計算機網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實驗教學(xué)管理平臺的建設(shè)，能夠進(jìn)一步改進(jìn)現(xiàn)有傳統(tǒng)實驗教學(xué)體系，解決計算機網(wǎng)絡(luò)傳統(tǒng)實驗和新興虛擬仿真實驗教學(xué)的諸多問題。開放式計算機網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實驗教學(xué)管理平臺可以依托校園網(wǎng)建設(shè)，面向全校學(xué)生開展計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的虛擬仿真實驗教學(xué)，并通過校園網(wǎng)的對外訪問，提供校外訪問平臺的認(rèn)證訪問途徑。

開放式計算機網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實驗教學(xué)管理平臺包括計算機網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實驗教學(xué)管理網(wǎng)站、實驗教學(xué)管理、實驗知識理論學(xué)習(xí)、實驗過程智能指導(dǎo)、實驗結(jié)果自動批改、實驗資源和素材管理、師生問答討論、系統(tǒng)管理功能等模塊，部分內(nèi)容如下。

計算機網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實驗教學(xué)管理網(wǎng)站：通過Web網(wǎng)站的形式展現(xiàn)，信息模塊包括仿真實驗教學(xué)資源、師資配備、實驗內(nèi)容體系、資源下載、仿真環(huán)境等。

實驗教學(xué)管理：虛擬實驗的內(nèi)容安排、考勤記錄、成績登記、實驗任務(wù)闡述等。

實驗知識理論學(xué)習(xí)：實驗前學(xué)生通過閱讀知識點進(jìn)行預(yù)習(xí)和練習(xí)，理清實驗相關(guān)的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵知識點。

實驗過程智能指導(dǎo)：學(xué)生在進(jìn)行虛擬仿真實驗過程中遇到困難可以申請輔導(dǎo)意見，系統(tǒng)給出提示并輔助解決。

實驗結(jié)果自動批改：學(xué)生提交虛擬仿真實驗結(jié)果和報告后，系統(tǒng)自動批改，給出分?jǐn)?shù)和評分點以及問題解答。

實驗資源和素材管理：虛擬仿真實驗資源內(nèi)容、仿真工具、素材，演示視頻的上傳、檢查、修改和發(fā)布。

師生問答討論：實時答疑、在線留言等。

系統(tǒng)管理功能：用戶、分組、角色、權(quán)限、日志、備份管理、實時監(jiān)控等。

4 結(jié)語

新工科的概念為各類工科專業(yè)帶來難得的發(fā)展機遇，調(diào)整了各工科專業(yè)核心課程的建設(shè)重點，更重視工科專業(yè)人才的能力培養(yǎng)。計算機網(wǎng)絡(luò)作為計算機類專業(yè)的核心課程，對于培養(yǎng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計、應(yīng)用和開發(fā)能力至關(guān)重要?，F(xiàn)有計算機網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場實驗已經(jīng)有多年的歷史，正面臨諸多問題。虛擬仿真計劃為實驗教學(xué)提供了新的手段和實施方式。計算機網(wǎng)絡(luò)課程的實驗教學(xué)探索和研究具有重要意義。筆者針對新工科計算機網(wǎng)絡(luò)課程建設(shè)的重點，引入虛擬仿真技術(shù)，對實驗教學(xué)內(nèi)容、實驗項目和平臺資源建設(shè)方面進(jìn)行探索。實踐表明，通過有條理地建立虛擬仿真實驗教學(xué)內(nèi)容體系，采用多種模式結(jié)合的教學(xué)方法，整合恰當(dāng)?shù)膶嶒灲虒W(xué)資源，有助于提高教學(xué)效果。