基于虚拟仿真的网络工程实验教学系统设计

吕青普

(天津财经大学 理工学院, 天津　300222)



基于虚拟仿真的网络工程实验教学系统设计

吕青普

(天津财经大学 理工学院, 天津300222)

为解决网络工程实验教学资金、场地不足的问题,秉承工科实验教学改革的“工程实践创新”原则和“系统化培养教育”思路,开发了基于虚拟仿真技术的网络工程实验教学系统。将工程设计、工程施工实验教学与虚拟仿真技术紧密结合,实现了网络工程实验教学的开放性、综合性和设计性。学生可以个性化定制实验,在虚拟环境中完成网络工程设计、预算、施工等实验项目,有利于提高创新能力和技术技能。

网络工程; 虚拟仿真； 3D交互; 实验教学

虚拟仿真是利用计算机技术生成一个逼真的具有视、听、触等多种感知的虚拟环境,通过交互设备与虚拟环境中的实体相互作用,使操作者产生身临其境的交互式视景仿真和信息交流[1]。当前虚拟仿真技术已经在模拟驾驶训练、虚拟制造、城市规划、文物保护、室内设计等方面有了广泛应用[2]。

网络工程与综合布线是网络工程、通信技术等专业的一门必修专业课程,工程性、实践性很强。现有的实验装备侧重于部分知识点的演示、重现和现场操作,距离工程性、实践性、创新性和应用性的教学培养目标有较大差距。

1　传统网络工程实验教学的不足

(1) 资金受限,设备更新慢。网络设备如高层交换、路由器等设备价格较贵且设备升级换代比较快。在实验室建设初期,这些设备基本可以满足网络设备调试、配置实验的需要,但如今主流设备更新换代加快,而实验设备更新相对迟缓,则不能满足最新的网络实验需求。此问题在国内二类、三类大学尤为突出。

(2) 场地受限,只能模拟单一、小型工作台式实验。网络工程的现实意义在于能够实现酒店、写字楼、学校等大型公共建筑里的网络搭建与配置,而传统的实验台仅能模拟简单的网线卡接、简单网络连接展示等内容,存在实验与实际脱节的问题。

(3) 实验点分散,很难形成整体设计概念。由于设备和场地的原因,传统的网络工程实验都是零星分散的,并且各实验之间缺乏连贯性,基本是对某一个知识点的单独实验,无法在总体上完成大型公共建筑或建筑群的网络设计。

(4) 实验停留在既有实验设计上,缺乏创新环境。传统的网络工程实验是在建设实验室时设计好的,并且很久都难以得到更新。学生只是按照最初的设计思路进行实验操作,约束了学生的创新能力。

2　基于虚拟仿真的网络工程实验系统的特点

为满足国内高等院校提升网络工程与综合布线实验课程教学水平的迫切需要,笔者研发了“基于虚拟仿真的网络工程实验教学系统”软件。该系统秉承工科实验教学改革“工程实践创新”的原则和“系统化培养教育”的思路,成功地将工程设计实验教学、工程施工实验教学与虚拟现实技术结合起来,具有高度的开放性、综合性和设计性。

2.1突出工程实践创新能力,培养技术技能型人才

系统能够完全按照网络工程的实际工作要求进行仿真实验,覆盖了实际工程中需求分析、系统设计、工程预算和项目实施四大流程。系统不仅具有综合布线的系统结构设计环节、详细施工图设计环节,还有在综合布线基础上的计算机网络拓扑设计环节,构成完整的网络工程设计、施工的全过程。

这种面向工程实际,通过学生自主设计、分析、实践的实验教学模式,可以有效地培养学生对网络工程和综合布线的整体概念,培养学生的工程设计能力和工程实践能力,提高学生的工程素养[3-5]。通过分析、解决工程项目的实际问题,达到实践性、综合性、系统性的工程实践目的,使学生在工程实践中应用知识和获取知识,能力、素质得到综合提高。

2.2提升创新能力教学,培养创意创造综合素质

系统通过多种仿真方式,完成实际网络工程设计和实施过程实验教学,提高了与工程实际的接近度,使实验教学取得了更好的效果。系统预设了写字楼、学校、大型公共建筑等多种环境场景可供选择,在仿真施工环节中,学生可以展开三维交互性操作[6]。所有的交互性操作都没有预设脚本,学生可以自由进行设计和现场仿真。

这种开放式的实验方式将综合性、设计性、研究性实验放在主要地位,摒弃过去“实验教学服务理论教学”的传统教学模式,突出培养学生对网络工程和综合布线相关知识的融会贯通,让学生根据实际工程项目的要求,利用实际的设计工具分析问题、独立地设计并解决问题,提高学生的实践能力和创新能力。

2.3体现系统化教育思路,培养高素质技能型人才

系统可针对中职、高职、大专、本科各层次院校制订不同的教学方案和功能模块,根据难度和专业课程设置进行调整,可用于中高职3+3分段培养、中本3+4分段培养、高职本科3+2分段培养、高职本科联合培养、中高职贯通、中本贯通、专本贯通等各种人才培养模式[7-8]。

3　系统功能设计

3.1教师端的设计

系统教师端的功能涵盖了一般实验课程设计的功能,例如课程-实验设计、教师排课、学生选课、成绩评定等内容。本系统结合3D编程技术,实现了三维场景自由搭建,可以用于学生设计网络工程实验的建筑楼宇以及建筑群,同一实验可以搭配不同的场景供学生实践[9]。场景搭建原理如图1所示。

图1　教师端场景搭建处理流程图

在建模过程中,采用了实际建筑的CAD图纸,利用标准化建模技术,对楼宇进行三维建模,建模粒度细化到房间,每一层又设置到一个组里面。搭建虚拟环境时,教师可以从模型库中选择不同类型的楼宇,根据实验的规模控制选择特定的楼层进行实验[10-12]。

教师可以设定每一个实验的实验要求,例如信息点的类型、数量等网络规模信息以及网络连通性需求。系统的三维模型库中提供了当前最新的网络设备的模型,同时搭配了设备最新的虚拟操作系统。学生根据实验要求,可以选择市面上主流的网络设备进行网络环境的搭建,并在设备虚拟操作系统中进行设备的调试。

3.2学生端的设计

学生登录系统后,可以根据自己的喜好,选择教师设定好的实验场景进行实验。目前系统设计有酒店、小区、写字楼、学校等各种类型的建筑,根据教师搭建的场景,学生可以自由选择。

学生端可以查看实验需求、实验要求、浏览建筑二维图纸、漫游三维场景,这样学生在动手设计实验之前就已经对实验环境有了比较充分的了解。学生可以结合理论知识和网络工程设计国家标准,在虚拟环境下进行网络工程的设计、预算、施工操作。

系统设计部分包括了总体设计、网络结构设计、工作区子系统、水平子系统、电信间子系统、设备间子系统、垂直子系统、网络详细设计。

(1) 系统总体设计。此部分需要完成楼宇弱电间、电信间、建筑设备间、建筑群设备间的确定,同时在CAD文件上规划出网络连接设备的二维图纸。

(2) 网络结构设计。学生需要根据实验需求添加接入层、汇聚层、核心层的网络设备信息,设定网络设备的拓扑关系,系统能够根据选择的设备与链接类型自动生成拓扑结构图,并可以进行拓扑关系判断。

(3) 工作区子系统。可根据工作区信息点的需求,添加面板、跳线、信息模块的信息,并在CAD图纸上进行标记。

(4) 水平子系统。根据每个工作区信息点的需求设计桥架、管线材料的类型和用量,并根据用线量估算出线缆用量Q。估算公式如下:

式中:A1为最远点信息点插座距离楼层配线间电缆走线水平距离(m)；

A2为最近点信息点插座距离楼层配线间电缆走线水平距离(m)；

B为上下浮动数(%)；

C为配线间端接容差(m)；

D为工作区端落差长度(m)；

E为配线间端落差长度(m)；

F为信息点数量(个)。

(5) 电信间子系统。设计电信间的设备类型及数量,同时划出电信间的Visio图纸。

(6) 设备间子系统。设计设备间的设备类型及数量,同时划出设备间的Visio图纸。

(7) 垂直子系统。设计垂直子系统需要的线缆类型与数量

在系统的工程预算部分,参考了市面上主流IT行业预算以及建筑行业预算软件,在系统里设计了与网络工程施工和设备相关的IT预算以及工程预算模型。学生可以在学生端根据施工要求以及使用设备进行成本计算。

仿真施工部分是仿真实验教学系统的技术难点。依据网络工程系统划分标准,也分为工作区子系统、水平子系统、电信间子系统、垂直子系统、设备间子系统、建筑群子系统。学生要在三维场景下,将系统设计部分添加的设备部署到三维场景楼宇中。本系统采用.net平台下调用Virtools播放插件,通过简单的按钮动作实现三维模型的操作,不需要学生掌握3D操作,只需要简单地点击鼠标就可以实现虚拟环境下的施工。系统实现原理及主要技术如图2所示。

图2　实验系统与3D交互实现原理图

消息类型主要包括了三维模型的显隐、位置、显示模式、摄像机的角度、位置等信息。在Virtools内部,当接收指令后,将根据自己的BB块功能叠加实现所需要的三维效果[13-15]。Virtools内部BB编程示例如图3所示。

图3　Virtools内部编程示例图

4　结语

基于虚拟仿真的网络工程实验教学系统可对学生操作信息的服务器进行备份,学生每次登录系统都会将以往操作的内容加载到本机,实现了实验操作的延续性。同时,整体—细节—整体的实验过程,更易于让学生从整体上理解网络工程在实际中的应用。网络工程作为一门实践性较强的课程,在保证基本知识原理理解的基础上,应该尽量增加学生在虚拟环境中进行设计、施工的实验时间。同时,讲授课本知识时也不再局限于教材+PPT的模式,而是在虚拟的实验场景中,通过系统设计的实验需求来进行原理的讲解。经过近2个学期的探索式教学,参与学习的学生反映都很积极,原本枯燥的教学变得更加直观,学生在掌握知识的同时也增加了自己的成就感。

References)

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[3] 陈华竣,赵士滨.开放式虚拟训练实训室的设计与建设[J].实验室研究与探索,2012,31(8):158-160,186.

[4] 张敬南,张谬钟.实验教学中虚拟仿真技术应用的研究[J].实验技术与管理,2013,30(12):101-104.

[5] 杨庆,黄陈蓉.虚拟现实与系统仿真实验教学改革探讨[J].实验技术与管理,2011,28(3):94-97.

[6] 罗建勤,张明.Animation交互式漫游动画:Virtools+3dsMax虚拟技术整合[M].北京:中国科学技术出版社,2010.

[7] 施晓秋.应用型人才培养的网络工程实践课程体系构建[J].中国大学教学,2008(12):35-37.

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[15] 黄炜.基于Virtools的工厂虚拟漫游系统的设计与实现[J].软件设计开发,2011(3):565-567.

Design of network engineering experimental teaching system based on virtual simulation

Lü Qingpu

(College of Science and Engineering , Tianjin University of Finance and Economics, Tianjin 300222, China)

In order to solve current problems of the experimental teaching of network engineering, the virtual simulation technology is applied to the experimental teaching system of network engineering. The system is based on the principle of “engineering practice innovation” and “systematic training education.” The success of the engineering design experimental teaching, engineering construction experimental teaching and virtual simulation technology is a perfect combination, with a high degree of openness, comprehension and design. The system passes through a variety of computer simulation, so that the students can complete the network engineering design, budget, construction in the virtual environment on the basis of the experiment, improve their innovation ability and cultivate their technical skills.

network engineering; virtual simulation; 3D interaction; experimental teaching

10.16791/j.cnki.sjg.2016.03.033

2015- 08- 16

天津财经大学教改项目(TJUFE2015-2-18)

吕青普(1982—),男,河北邯郸,博士,实验师,主要研究方向为信息系统与商务智能.

E-mail:lqp039@163.com

TP393; G642.4

A

1002-4956(2016)3- 0130- 04