田小東，曾 英，崔興佳

（1.四川工業(yè)科技學院電子信息與計算機工程學院，四川 德陽 618500；2.四川工業(yè)科技學院教育學院，四川 德陽 618500）

0 引言

在信息化、網(wǎng)絡化高速發(fā)展的時代背景下，各行各業(yè)都與互聯(lián)網(wǎng)相結合，這也導致互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)需要更多掌握計算機網(wǎng)絡技術的專門人才。隨著網(wǎng)絡在社會各領域運用的不斷深入，掌握必備的計算機網(wǎng)絡技術知識成為就業(yè)的基本技能，因此該課程的基礎性和重要性越來越突出，成為越來越多專業(yè)的必修課程。計算機網(wǎng)絡課程旨在培養(yǎng)學生運用計算機網(wǎng)絡相關原理和技術解決現(xiàn)實網(wǎng)絡通信出現(xiàn)的問題等能力。[1]高校如何提高計算機網(wǎng)絡課程教學質(zhì)量，讓學生掌握計算機網(wǎng)絡知識并能有效運用于實踐，這成為高校計算機網(wǎng)絡課程改革中一個重要的研究課題。實驗課是計算機網(wǎng)絡課程教學中非常重要的組成部分，其在很大程度上決定著課程教學質(zhì)量。虛擬仿真實驗臺是基于VR虛擬現(xiàn)實技術和Web技術構建的網(wǎng)絡化的虛擬實驗教學系統(tǒng)[2]，借助它能夠更加高效地開展教學實驗。通過有效利用虛擬仿真技術來實現(xiàn)計算機網(wǎng)絡課程實驗平臺的易用、高效和教學支撐的作用，是改革計算機網(wǎng)絡課程實驗教學模式的一個突破點，也能在較大程度上提升學生學習興趣和課程教學質(zhì)量。

1 計算機網(wǎng)絡課程教學現(xiàn)狀

1.1 課程理論體系難以理解和掌握

計算機網(wǎng)絡課程涉及大量專業(yè)術語，包含計算機網(wǎng)絡原理等知識，理論性和實踐性較強。如果在課程教學中不結合與現(xiàn)實運用緊密相關的案例來講解知識點和演示實驗原理及相關運用，學生將難以理解和掌握課程涉及的理論知識和實驗步驟，對課程所闡述的知識點感覺抽象，無法做到學以致用。在以教師講授為主的傳統(tǒng)教學模式下，當學完本課程后，不少學生可能會覺得收獲不大，自身對計算機網(wǎng)絡課程知識的理解僅停留在表面層次，所掌握的網(wǎng)絡技術的運用技能依舊沒有達到期望值，不能將所學知識用于解決現(xiàn)實網(wǎng)絡通信問題。在教學環(huán)節(jié)中，教師需要考慮如何將空洞、難以理解的知識點通過生動形象的方式進行演示和闡述，促進學生更好地消化課程知識。同時，使用物理網(wǎng)絡設備實驗不能將數(shù)據(jù)封裝、傳輸、收發(fā)、解析的全過程作可視化演示，這將導致學生對知識點沒有直觀認識，學生學習OSI模型的數(shù)據(jù)傳輸原理等知識顯得很抽象和困難。[3]因此，本課程需要改變傳統(tǒng)課堂中以教師理論講解為主，學生動手操作不足的現(xiàn)狀，要讓學生在完成實驗任務的過程中不斷掌握計算機網(wǎng)絡操作技能，強化各知識點的理解，以逐步掌握課程要求的專業(yè)技能。

1.2 實驗室硬件難以滿足教學需求

對大多數(shù)高校而言，搭建完全滿足教學需要的真實計算機網(wǎng)絡實驗平臺難度相對較大，但是本課程需要加強實驗教學，因為沒有實驗案例支撐去理解計算機網(wǎng)絡課程會讓學生覺得知識空洞且不能理解透徹。同時，由于網(wǎng)絡物理設備造價貴，路由器、交換機等硬件設備的連接和配置均需要按照規(guī)范進行，以防止誤操作導致設備損壞，學生在操作中難以對自身想法進行大膽驗證。計算機網(wǎng)絡課程物理實驗設備的數(shù)量由于資金和場地等限制因素難以滿足每生一臺，這就會導致學生實驗課堂中的有效操作時間不足。如果僅靠物理設備開展實驗教學，那將導致學生只能在課堂上參加實驗，課后由于缺乏網(wǎng)絡設備而不能進行實驗，最終導致實驗課教學質(zhì)量難以提升，知識點不能及時消化，累積的問題越來越多，學習上遇到的困難也不斷累加，最終可能導致學生喪失學習興趣和信心。同時，通過物理網(wǎng)絡設備進行實驗，難以從宏觀上顯示出實驗過程數(shù)據(jù)和最終效果，且對錯誤的糾正效率低下，難以激發(fā)學生學習興趣。在網(wǎng)絡綜合布線、網(wǎng)絡攻防和網(wǎng)絡異常檢測類實驗中，真實實驗場景難以支撐實驗所需硬件環(huán)境要求，在實現(xiàn)網(wǎng)絡攻防實驗時還存在可能破壞數(shù)據(jù)等問題。因此，針對設備條件不足等問題，計算機網(wǎng)絡技術課程實驗需要改革基于硬件平臺的教學模式，可借助虛擬仿真平臺來實現(xiàn)實驗教學。[4]

2 虛擬仿真技術在計算機網(wǎng)絡課程運用的優(yōu)勢

2.1 便于學生理解抽象概念和理論

虛擬仿真技術有助于將抽象的理論轉(zhuǎn)化為生動形象的動畫，將計算機網(wǎng)絡內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸過程和交換原理進行系統(tǒng)展示，有助于學生更好理解課程的相關原理。比如對于計算機通信原理和計算機網(wǎng)絡拓撲結構等，均可以采用虛擬仿真技術對這些知識點作動態(tài)演示，吸引學生學習興趣，用生動的動畫對知識點作詳細闡述，讓學生記憶更深刻，理解更容易。同時，結合實驗中出現(xiàn)的問題，仿真軟件可以進行具體原因的可視化演示和分析，有助于學生能夠更好理解知識點，牢記注意事項，掌握正確的操作步驟和方法。

2.2 有效解決硬件設備造價昂貴的問題

虛擬仿真實驗平臺能夠通過軟件配置實驗所需設備，實現(xiàn)每位同學都能使用和物理設備功能一致的虛擬網(wǎng)絡設備，完成實驗任務要求。真實網(wǎng)絡設備造價高、更新快，物理實驗室設備更新周期難以滿足實際網(wǎng)絡設備運用情況。在虛擬仿真實驗平臺進行設備的更新對硬件要求小，相比物理設備的升級更容易，有多種免費的計算機網(wǎng)絡仿真軟件可供實驗教學使用，不同軟件可以實現(xiàn)優(yōu)勢互補，升級維護容易，不會受限于實驗室場地和教學資金等因素影響。

2.3 讓學生充分利用課余時間完成實驗

通過虛擬仿真學生可以在空余時間完成實驗，而不局限于實驗課時間來完成。由于虛擬仿真實驗平臺不受實驗地點和時間限制，學生在集中實驗課程后可以使用個人電腦來繼續(xù)完成實驗或鞏固復習實驗內(nèi)容，也能夠?qū)嶒炞鬟M一步探索創(chuàng)新，在這一過程中逐步提升自己動手能力。教師在課后作業(yè)布置中也能夠適當增加實驗任務占比，通過學生課后實驗來強化知識點的掌握。

2.4 有利于培養(yǎng)學生解決問題和創(chuàng)新的能力

通過虛擬仿真軟件來驗證學生對問題解決的思路是否正確，學生通過虛擬仿真平臺來進行驗證性試驗，從而掌握課程知識點。在完成了基礎性試驗的基礎上，學生可以進一步完成探索性和綜合性實驗，在實驗中將自己設計思路融入實驗步驟，探索課程知識應用的領域，提升自我創(chuàng)新能力，對使用計算機網(wǎng)絡技術解決新問題進行創(chuàng)新運用，驗證自己設計的實驗的可行性和有效性。

3 運用虛擬仿真技術創(chuàng)新計算機網(wǎng)絡實驗課程教學模式的途徑

3.1 任務闖關模式提升學生學習興趣

虛擬仿真系統(tǒng)可以設定任務闖關模式來開展計算機網(wǎng)絡課程教學，通過將實驗教學內(nèi)容劃分為驗證型、探索型、綜合型3個層次[5]，從初、中、高3個等級劃分學生實驗課程完成的層次，每天實時顯示每一個實驗中學生完成的時間和所取得的成績，生成排行榜。借助這一模式來促進學生在實驗課中的學習、交流和探討，營造濃厚的學習興趣和氛圍。對于全體學生，要求其實驗能力必須達到初級水平，能正確完成全部驗證型實驗，掌握課程基礎知識和基本技能。

驗證性實驗要體現(xiàn)出課程實驗的基礎性和重點知識的基本運用，滿足實驗教學大綱要求。在達到初級水平的前提下，學有余力的學生可以進入探索型實驗環(huán)節(jié)，將所學計算機網(wǎng)絡知識用于解決一些更為復雜的實現(xiàn)問題，這些問題的設計要和實際運用緊密相關，所涉及的實驗內(nèi)容可與校企合作單位共同研究。這部分內(nèi)容旨在強化學生創(chuàng)新能力，培養(yǎng)學生主動運用知識解決實際問題的技能。在綜合型實驗部分，實驗教學內(nèi)容可以將校企合作單位中目前正需要解決的一些網(wǎng)絡問題融入實驗教學內(nèi)容中，要求考核學生綜合運用計算機網(wǎng)絡技能去解決實際問題的能力。這類問題具有一定難度，可以通過多人合作等模式進行實驗。綜合性實驗也可在指導老師幫助下共同完成，甚至可以和校企合作單位技術人員協(xié)作完成。

這3個層次的實驗內(nèi)容的難度、工作量和可行性均需要結合學生具體學情作調(diào)整，不能設計得太難而讓學生無法完成，也不能太簡單而使學生覺得缺乏學習挑戰(zhàn)和動力。任務闖關模式能夠利用學生好奇心和上進心來促使學生主動運用所學知識完成實驗任務，相鄰任務形成前驅(qū)和后繼關系。每天均可形成每位同學任務完成榜統(tǒng)計，激發(fā)學生向優(yōu)秀看齊的意識。在3個層次的實驗中，第1層次屬于必修環(huán)節(jié)，第2、3層次屬于選修環(huán)節(jié)，這樣劃分層次有助于分層次教學和因材施教，結合學生學情差異性來滿足不同學生的學習需求。

3.2 綜合運用虛擬仿真平臺和線下實驗平臺相結合進行教學

虛擬技術在實現(xiàn)計算機網(wǎng)絡實驗中具有大量的優(yōu)勢，但是對于某些對實際動手操作規(guī)范有很強要求的基礎性實驗，教師可以先通過演示讓學生理解和掌握實驗原理、正確步驟和操作方法，然后要求學生結合實驗步驟通過虛擬仿真完成實驗。在通過虛擬仿真技術達到實驗要求后，再到線下實驗場地完成相應實驗內(nèi)容，從而驗證學生實際操作技能掌握情況。比如在直通網(wǎng)線和交叉網(wǎng)線的RJ-45接頭的制作等實驗中[6]，為減少操作不規(guī)范造成RJ-45接頭損壞的情況，學生可以先通過虛擬仿真平臺來掌握制作原理和步驟，并通過虛擬仿真平臺完成線上實驗，達到實驗要求。最后在線下實驗場地進行真實RJ-45接頭制作，讓學生更加扎實地掌握實驗原理和操作技巧。虛擬仿真平臺在計算機網(wǎng)絡實驗教學中的運用并不意味著完全取代物理網(wǎng)絡設備實驗，而是結合兩者各自優(yōu)勢，有效安排好實驗內(nèi)容，根據(jù)實驗性質(zhì)來決定完全使用虛擬仿真平臺完成實驗還是先通過虛擬仿真平臺掌握實驗步驟和理解實驗原理，再使用物理網(wǎng)絡設備進行實驗。這一過程有助于強化學生掌握實驗要求和規(guī)范，不斷糾正實驗中出現(xiàn)的各種錯誤，更好地完成實驗任務要求。

3.3 精心設計實驗教學內(nèi)容

實驗教學內(nèi)容的設計既要突出重難點知識，又要和實際運用緊密結合，要突出知識前沿性和實用性。在實驗內(nèi)容上，可以采用任務驅(qū)動式來設計實驗，采用設計不同項目的方式來安排實驗內(nèi)容，引導學生將計算機網(wǎng)絡知識和實際問題結合，思考解決方案。實驗內(nèi)容的設計要體現(xiàn)出與時俱進，將最新的計算機網(wǎng)絡技術和應用融入實驗內(nèi)容，讓學生更加深刻感受到課程的實用性。在實驗內(nèi)容設計上，也要有機融入課程思政元素，積極培養(yǎng)學生運用知識回報社會的意識，激發(fā)學生創(chuàng)新意識，讓學生通過實驗提升自身技能，得到多方面發(fā)展。

3.4 綜合運用多種虛擬仿真軟件

不同虛擬仿真軟件特點和優(yōu)缺點各異，在實驗教學中要綜合考慮這些因素，從而發(fā)揮出各類計算機網(wǎng)絡仿真軟件的優(yōu)勢，達到最佳實驗效果。比如eNSP等類軟件適合作基礎性實驗，幫助學生在設備層面去理解計算機網(wǎng)絡相關基礎知識、掌握參數(shù)配置和使用抓包工具觀察協(xié)議等；OPNET課進行高階性實驗，讓學生從代碼層面理解和掌握數(shù)據(jù)包傳輸和字段分析處理、協(xié)議工作流程等。[7]對于數(shù)據(jù)傳輸、路由與轉(zhuǎn)發(fā)等涉及的基本概念和原理，可以通過動畫演示開展教學。在實驗教學動畫方面，既可以使用已有仿真動畫來演示理論的原理，也可由任課教師自行設計，將不直觀的實驗過程作形象化展示。對于實驗教學要求高的學校，可采取同校企合作單位共同合作研發(fā)虛擬仿真實驗平臺來促進計算機網(wǎng)絡課程教學質(zhì)量的提升，提升虛擬仿真平臺對于具體教學的針對性，讓功能更符合教師教學和學生學習需求。比如在計算機網(wǎng)絡實驗教學中，使用云虛擬化技術實現(xiàn)將物理網(wǎng)絡設備部署到網(wǎng)上，讓學生不受時間和地點限制通過網(wǎng)絡參與在線實驗，同時能快速得到實驗結果[8]，這有助于學生自學，提高學生學習積極性，對于學生創(chuàng)新能力也具有較好的促進作用。

4 結語

計算機網(wǎng)絡實驗采用虛擬仿真技術來開展教學將有效解決實驗設備造價昂貴等問題，利于學生理解抽象而復雜的知識點，提高實驗效率，提升學生學習興趣和主動性，有利于培養(yǎng)學生探索能力和創(chuàng)新能力。同時，在教學中可以使用線上和線下相結合的方式，虛擬仿真平臺和物理實驗基地優(yōu)勢互補的模式，結合實驗具體內(nèi)容和不同性質(zhì)，進行虛擬仿真軟件的合理選擇，更好地實現(xiàn)計算機網(wǎng)絡實驗教學質(zhì)量的提升，從而提升學生計算機網(wǎng)絡技能，達到人才培養(yǎng)質(zhì)量的要求。