新工科背景下面向虚拟仿真实验的计算机网络课程实验教学探索

崔来中，陆 楠

（深圳大学 计算机与软件学院，广东 深圳 518060）

0 引言

从2016年新工科被提出，我国的工程教育迈入了新一轮的发展节奏中，加快培养新兴领域工程科技人才，改进和调整传统工科专业，着重强调未来新兴战略领域的人才培养[1-2]。计算机网络作为高等学校计算机相关专业的一门必修课，对于本科生网络技能的培养起决定性的作用。现有计算机网络课程的实验教学内容过于陈旧，现场实验资源受限，教学效果不佳，已经无法满足新工科建设的要求[3-4]。

近年来计算机技术和信息化发展迅速，虚拟仿真实验作为一种新的实验手段，无论从方法上还是效果上都得到了极大的改善，可以有效补充传统实验教学。虚拟仿真实验教学逐渐被认为是实践教学的一种有效方法，可以提升实验教学的效果和质量，代替部分传统的实验教学，同传统实验实现有机和虚实结合，从而克服传统实验中一直存在的一些缺点和不足[5]。如何将虚拟实验教学融入现有计算机网络实验教学体系，提高学生的能力和素质，是一个开放且重要的研究方向。如何对计算机网络课程的虚拟仿真实验教学内容进行合理规划，设计针对性强、行之有效的实验资源和平台，是本科生计算机网络在新工科背景下教学改革非常重要的议题。

1 现有计算机网络现场实验存在的问题

1）网络运行原理可视化效果差。

真实物理网络设备上几乎没有办法直接显示网络设备的状态和运行情况，只能通过终端登录以命令行的方式进行设备的配置操作和查看配置结果，往往需要频繁切换登录不同的网络设备，导致过程复杂和低效；而且，实验过程中没有办法直接看到物理设备上运行的各个网络协议的运行机理和数据情况，而这些协议运行原理的可视化，对学生理解网络协议的机制和原理至关重要。

虚拟仿真实验提供可视化的图形界面，可以更加形象地展示实验的过程、原理和结果，有助于克服传统实验中网络运行过程和原理不易展示的问题，从而加强学生对实验背后原理和知识点的认识和理解。

2）大型综合设计性网络实验设计和实现难度大。

校园网组网需求分析、组网设计与系统集成、企业网建设与维护等大型综合设计性网络实验，是计算机网络工程设计实验的重点和难点，但大型综合设计性网络实验需要的网络设备种类和数量都很庞大、拓扑结构复杂多样，导致在传统实验室中难以操作进行，学生不能都有充分的操作时间和参与，教学实验室也由于场地和成本的约束难以展开此类实验。虚拟仿真实验环境中可以配置大量的实验设备，对于实验设备的类型也没有限制，不仅可以添加传统的设备，还可以添加新的实验设备，拓扑控制灵活度高，容易调整和控制，实验界面更加直观，其良好的可扩展性意味着可以让每名学生都参与其中，可以独立或团队完成大型的综合型网络设计实验，有效锻炼计算机网络集成能力，解除传统计算机网络实验的限制[6]。

3）网络安全类实验难以在真实网络中部署。

网络安全实验往往设计各类不同的网络设备，其需要对异常检测、防火墙、拒绝服务攻击等网络攻防内容进行练习，投入成本很高，而且在传统计算机网络安全实验中，很难展开有效的真实网络攻击，必须考虑对校园网造成的影响，无法产生有针对性的网络攻防练习。网络安全类实验在传统计算机网络实验中实现很困难。虚拟仿真的环境下进行网络安全实验，具有天然的隔离性，不会影响真实网络环境，也可以更好地模拟仿真网络攻击过程和现象，能让学生得到更有效的网络攻防锻炼[7]。

4）下一代互联网技术实验刚进入起步阶段，实现困难。

以IPv6为基础的下一代互联网技术是计算机网络发展的前沿，有效地让学生接触这些下一代互联网前沿技术，会让学生更快地了解企业工作岗位的实际需要，培养企业真正需要且迫切需要的实践能力。IPv4同IPv6的过渡技术是整个计算机网络演进的重点技术，也是现阶段网络运营企业最需要的核心能力，但这方面的过渡实验不能很好地反映在实际现场实验中。在虚拟仿真环境下，能让学生将更多的精力放在理解过渡技术的原理上，而不是在繁琐的接线和不同厂商设备的操作命令上。

2 计算机网络虚拟仿真实验教学思路与教学内容规划

为了设计好计算机网络的虚拟仿真实验，需要教师对计算机网络的实验教学内容熟练掌握和深刻理解。计算机网络课程作为计算机类专业的核心课程，经过多年的发展有一套成熟和基本固定的实验教学体系。大部分从事网络教学的老师对于计算机网络课程都有较好的理解，并积累了丰富的教学经验和方法，但是，对于计算机网络课程所涉及的虚拟仿真实验教学内容，大多数是最近几年的最新虚拟仿真技术研究成果，一线的网络课程教师对于这些最新虚拟仿真技术的理解往往存在较大偏差，研究经验相对不足。对于最新的多种虚拟仿真技术，需要进行合理的组织和梳理，形成新的虚拟仿真实验教学体系，才能补充原有计算机网络课程实验教学内容。这些都需要根据实际情况进行重新调整和设计，不能照搬计算机网络课程的原有实验教学经验。

2.1 实验教学内容的设计和制订

计算机网络包含众多的实验内容，对应着计算机网络体系结构的分层体系。市面上大多数实验教材都没有涉及虚拟仿真实验的内容和设计，因此虚拟仿真实验教学内容需要自行组织和撰写。针对本科生计算机网络实验教学有限的教学学时，不可能对计算机网络实验的方方面面全部采用虚拟仿真的方式，重要的是采用虚实结合的方式，将部分实验内容设计为虚拟仿真方式，使学生更多地掌握计算机网络实验的理论和实践，并得到综合实验设计的训练。

笔者根据多年从事计算机网络相关科研和教学的经验，归纳和总结计算机网络课程的各类传统实验内容，共设计了6个模块的虚拟实验教学内容，覆盖应用层、网络层、传输层、数据链路层、下一代互联网和网络安全，代表计算机网络实验课程的核心技术和知识点。

（1）应用层实验，该部分内容主要有DNS、WEB、FTP、DHCP协议。

（2）网络层实验，该部分内容主要有各类路由协议、路由器的配置等。

（3）传输层实验，该部分内容主要有TCP建立连接和释放连接、滑动窗口协议和拥塞控制协议。

（4）数据链路层实验，该部分内容主要有网卡配置、交换机配置、局域网组网等。

（5）下一代互联网实验，该部分内容主要有IPv6地址配置、隧道机制等。

（6）网络安全试验，该部分内容主要有笔者所制订的计算机网络虚拟仿真实验教学内容，虽然不能囊括该课程的所有实验方向，但是可以代表该领域的核心理论和技术，具有一定的代表性，而且各部分内容之间具有一定的关联性，可以形成一套计算机网络虚拟仿真实验体系，有助于本科生掌握要点，可以满足企业对计算机网络技术人才的需求。

2.2 实验项目的设计和制订

在计算机网络虚拟仿真实验方面，市面上没有可以选择的实验教材。我们通过自己编写电子版实验任务书的形式，为学生提供实践指导资料。计算机网络虚拟仿真实验教学系统由虚拟实验仿真平台和虚拟实验管理平台两部分组成。虚拟实验仿真平台模拟传统实验中用到的物理设备和线缆，提供与传统真实环境实验相似的虚拟仿真实验环境；虚拟实验管理平台提供全面的虚拟实验教学管理功能。计算机网络虚拟仿真实验教学系统可开展大多数计算机网络的核心虚拟仿真实验，包括网卡配置实验，应用层的DNS、Web、FTP、DHCP服务与配置实验，TCP协议实验，滑动窗口和拥塞控制实验，静态和动态路由配置实验，RIP和OSPF协议应用实验，路由器配置实验，交换机配置实验，VLAN划分与VLAN路由实验，网卡配置实验等，可支持计算机网络课程核心内容的虚拟仿真实验教学。计算机网络课程核心内容的虚拟仿真实验教学设计见表1。

表1 计算机网络课程核心内容的虚拟仿真实验教学设计

对于本科生的计算机网络课程来说，最重要的是掌握计算机网络中的基础技能，其次是培养自我动手学习的能力。计算机网络技术发展得非常快，一些技术仍在不断变化和改进中，对于现有技术掌握得再好，再有经验，也需要经常更新自己的技术储备。通过本课程虚拟仿真实验的学习，我们希望树立一种意识：掌握基础理论，了解知识体系，学会核心技术，会使用常用的虚拟仿真工具和平台，并能检索和查阅最新的文献和使用技术文档。因此，在虚拟仿真实验内容上应有的放矢，有所取舍，突出最重要的技能培养。

2.3 实验教学的资源和考核方式

在计算机网络课程实验教学过程中可以制订实验教学内容和教学方法相配合的多媒体PPT课件、实验教学网站等教学资源，针对计算机网络课程实验教学内容特点，充分运用当前的信息展示手段，将抽象、复杂的理论和技术，以幻灯片、图片、视频、Flash动画等富媒体表现形式进行展示，使学生更容易理解和掌握，提高实验教学质量和效果。

通过调研国内外相关高校和研究组的网站，已初步完成课程实验教学网站的建设，包括课程简介、课程实验教案PPT、课程实践实训、实验教学大纲、实验习题思考、Project、参考文献、课程辅助资料、实用链接等内容。

（1）课程简介：简要介绍计算机网络领域的实验内容和考核要求。

（2）课程实验教案PPT：计算机网络课程实验教学PPT。

（3）课程实践实训：计算机网络课程实验内容和操作步骤。

（4）实验教学大纲：计算机网络课程实验教学大纲，介绍实验教学计划、学时安排等。

（5）实验习题思考：与计算机网络课程内容相关的实验练习题和思考题。

（6）参考文献：与计算机网络研究相关的经典和最新学术文献、专著、工具书等。

（7）课程辅助资料：与计算机网络相关的实验资料、编程软件、工具软件等。

（8）实用链接：为学生提供了解国内外计算机网络前沿研究进展、开阔视野和自我学习的实用的网上资源链接。 ①相关课程网站：国内外比较有影响力的大学计算机网络相关课程的实验教学网站，以及MOOC上相关开放课程的链接。②研究组：国内外知名的计算机网络研究组网站。③学术期刊：与计算机网络相关的国际知名学术期刊。④国际会议：与计算机网络相关的国际知名会议。

实验既可以用来考查学生对知识的掌握程度，又可以提升学生学习的能动性。实验成绩只能反映学生对某一个实验内容的掌握程度，更为重要的是通过各个实验，引导学生动手联系和综合运用。我们对计算机网络课程实验采用实验报告和课后Project两种方式结合，更加注重学生的实践技能和综合设计能力，真正培养学生通过实验积累和经验解决实际计算机网络问题的能力。

实验设计考核。该部分考核占据实验总成绩的60%，主要根据学生实验的完成情况和实验报告撰写情况进行评判。每个实验完成情况的评价标准包括完成度、正确性、花费时间、方法的创新性、报告撰写的规范性和完整性。

课后Project考核。该部分考核占据实验总成绩的40%，让学生根据一学期所讲述的各类实验，完成2～3个综合性Project。Project分为个人和团队两种，归纳总结并综合运行实验教学所学的各个知识点，完成综合性和复杂性的课题任务。Project需要提交报告，还要求学生制作PPT在课堂上汇报交流。

3 开放式计算机网络虚拟仿真实验教学管理平台建设

开放式计算机网络虚拟仿真实验教学管理平台基于J2EE架构进行设计和开发，将计算机网络课程的虚拟仿真实验资源统一部署到平台上，达到高效管理和开放共享的目的。该平台可以让学生突破时间和空间的限制，更加合理和自由地安排实验学习，完成相应实验内容并反复练习。通过开放式计算机网络虚拟仿真实验教学管理平台的建设，能够进一步改进现有传统实验教学体系，解决计算机网络传统实验和新兴虚拟仿真实验教学的诸多问题。开放式计算机网络虚拟仿真实验教学管理平台可以依托校园网建设，面向全校学生开展计算机网络技术的虚拟仿真实验教学，并通过校园网的对外访问，提供校外访问平台的认证访问途径。

开放式计算机网络虚拟仿真实验教学管理平台包括计算机网络虚拟仿真实验教学管理网站、实验教学管理、实验知识理论学习、实验过程智能指导、实验结果自动批改、实验资源和素材管理、师生问答讨论、系统管理功能等模块，部分内容如下。

计算机网络虚拟仿真实验教学管理网站：通过Web网站的形式展现，信息模块包括仿真实验教学资源、师资配备、实验内容体系、资源下载、仿真环境等。

实验教学管理：虚拟实验的内容安排、考勤记录、成绩登记、实验任务阐述等。

实验知识理论学习：实验前学生通过阅读知识点进行预习和练习，理清实验相关的基础理论和关键知识点。

实验过程智能指导：学生在进行虚拟仿真实验过程中遇到困难可以申请辅导意见，系统给出提示并辅助解决。

实验结果自动批改：学生提交虚拟仿真实验结果和报告后，系统自动批改，给出分数和评分点以及问题解答。

实验资源和素材管理：虚拟仿真实验资源内容、仿真工具、素材，演示视频的上传、检查、修改和发布。

师生问答讨论：实时答疑、在线留言等。

系统管理功能：用户、分组、角色、权限、日志、备份管理、实时监控等。

4 结语

新工科的概念为各类工科专业带来难得的发展机遇，调整了各工科专业核心课程的建设重点，更重视工科专业人才的能力培养。计算机网络作为计算机类专业的核心课程，对于培养网络的设计、应用和开发能力至关重要。现有计算机网络现场实验已经有多年的历史，正面临诸多问题。虚拟仿真计划为实验教学提供了新的手段和实施方式。计算机网络课程的实验教学探索和研究具有重要意义。笔者针对新工科计算机网络课程建设的重点，引入虚拟仿真技术，对实验教学内容、实验项目和平台资源建设方面进行探索。实践表明，通过有条理地建立虚拟仿真实验教学内容体系，采用多种模式结合的教学方法，整合恰当的实验教学资源，有助于提高教学效果。