虚拟仿真实验在计算机网络技术教学中的应用

王丹，周雷，林勇，尹梓名，郑建立

虚拟仿真实验在计算机网络技术教学中的应用

王丹，周雷，林勇，尹梓名，郑建立

（上海理工大学 健康科学与工程学院，上海 200082）

计算机网络技术是高校工科类专业的一门必修课，是理论与实践并重的课程．然而由于实验设备、场地和资金的问题，传统的网络课程教学往往理论与实践脱节，让学生觉得枯燥、乏味．在理论课教学中加入虚拟仿真实验可以解决这些问题，且不受时间与空间的限制，同时可以提高学生的学习积极性．配套的实训与扩展训练环节可以进一步提高学生的动手能力，培养其创造性思维．此外，加入虚拟仿真实验也符合课程思政改革和疫情环境下的新需求，将对课程建设有非常积极的作用．

计算机网络；虚拟仿真；课程思政；混合教学

21世纪是一个以网络为核心的信息时代，网络技术也已成为发展知识经济的重要支撑．互联网技术的高速发展及互联网应用的广泛出现造就了“万物联网、人人用网”的盛况[1]．这也使得计算机网络技术成为高校中工科类专业的一门必修课程．随着大量应用型本科人才被当今社会所需要，让学生在熟悉网络理论知识的同时，也可以提高实践操作能力是本门课程的一个重要目标．由于学校场地、实训条件及网络设备等因素的限制，传统的计算机网络技术教学往往只注重理论知识点的讲授，而很少提供让学生可以动手实践的机会．这种理论与实践严重脱节的现象导致学生对这门课的体验较差，认为这门课程非常无聊，没有学习兴趣．为改变现状，将虚拟仿真技术适当地加入到网络课程的教学中是一个有效途径，提高学生学习兴趣的同时锻炼其实训能力．此外，高校教学需满足课程思政改革及线上线下混合教学需求量大（疫情所致）等背景下的新要求．本文在新时期网络教学的研究基础上，在计算机网络技术教学中应用虚拟仿真实验，为相关专业的教学提供一定的参考和借鉴．

1 计算机网络技术课程概述及教学现状

上海理工大学计算机网络技术课程是面向医学信息工程专业，由健康科学与工程学院开设的一门课程．本专业欲培养具备医疗信息系统、医学应用软件、人工智能医疗应用相关的专业知识和工程能力，能在医学信息工程领域从事设计、开发、应用、管理和服务的理工医结合的高级工程应用型人才．期望填补社会中应用型本科人才的大量缺口，因此对专业内所设课程具有实训的要求．网络课程是本专业主干课程之一，以操作系统基础和数字电子技术为基础（前修课程），为医学信息集成技术做支撑（后续课程），旨在加强学生对计算机网络体系结构和相关协议的理解，培养学生分析和解决复杂问题的能力，并为网络应用开发类课程的学习打下基础．该课程在每学年的A学期开设，由理论课和实践课组成，其中理论课32学时，实践课16学时．授课对象为本专业大三的学生，班级容量约为40人．

在传统网络课程的教学中，存在多种问题：（1）教师往往以“讲”为主，通过讲解及连结各个知识点来构造课程体系[2]．这个过程弱化了学生的实践意识，忽视了对学生的思维能力、动手能力和创新能力的培养．使学生觉得枯燥、乏味，学习过程也只是机械地模仿，教学效果难以达到预期．（2）理论-实践脱节严重[3]．传统的网络实验教学往往面临实验室硬件条件不足、经费投入大、设备欠安全及操作复杂等难题．例如：在路由器配置实验中，不可能为每名学生配置一台路由器；假设设备充足，学生也会因为害怕错误操作损坏设备而不敢大胆动手做实验．（3）受到教学资源与环境等因素的限制，网络课程的教学往往采用大班授课的模式[4]．这种模式迫使教师使用一种较为均衡的教学节奏，而忽视了学生个体的情况（知识结构、学术水平等），对基础好或基础差的学生造成了一定的学习难度．

2 虚拟仿真实验在计算机网络技术教学中的应用

如将虚拟仿真实验融入到网络课程的教学中，教师可以将重要知识点与虚拟仿真实验相结合，使理论教学更加生动、师生交流大大增加；在实验课上或者课外，学生只需在电脑上完成实验任务，不用依赖实验室设备与资金投入，大胆试错不用担心设备损坏，也可以根据自身的学习进度来调节实验节奏，从而达到培养学生动手能力与创造性思维的效果．网络类课程的实验主要包括工程组网实验、协议分析验证实验、网络应用开发实验、网络协议等内容．本文主要利用最常见的工程组网实验来作为虚拟仿真实验的一个案例，讲解如何在网络课程的教学中应用此类技术．常用的工程组网虚拟实验软件包括CISCO开发的PACKET TRACERT、BOSON开发的NETSIM、华为开发的YDT（一点通路由模拟软件）等，其操作流程[5]见图1．

图1 工程组网虚拟实验的操作流程

具体的教学过程涉及教学内容、方法、作业、考核等多方面．通过“静态路由设置”实验探讨课程设计的思路．

2.1 知识点讲授+模拟演练

在网络课程的理论教学中，教师要善于利用多媒体，对于重要的知识点可以一边讲授一边演示（模拟训练），这样学生可以知晓实际操作的过程．此过程需注意讲授与演练的同步，讲到具体对应的知识点时再进行模拟训练，详略得当，时效性高．讲授此课程时使用的是多媒体教室，理论知识通过PPT投放大屏幕、书写板书等方式讲授，而模拟演练则通过在电脑上的虚仿软件（YDT）进行操作，再投放大屏幕来实现．互联网中的通信过程遵循分层的协议栈，IP层是此协议栈中最重要的一层；IP层的中继系统为路由器，即分组转发的核心部件．每个路由器在其IP层会通过查询路由表来决定分组的下一站转发点，而路由表中存储着静态路由或动态路由信息．工程组网实验主要针对一组主机和路由器，通过设置其IP地址等网络参数、配置路由器等环节来使网络连通的过程．当理论知识讲授到“静态路由设置”（如特定主机路由、默认路由）时，教师可利用YDT软件演练此过程．首先，可演示如何在YDT中添加设备（路由器、主机、交换机等）及线缆连接，再对各个设备进行IP地址、子网掩码等网络参数的设置（见图2a），最后测试主机间的连通性．其次，循序渐进地将网络拓扑图扩展为2台路由器加2台主机（见图2b），将设备进行网络参数设置（IP地址等），再分别对2台路由器配置一条静态路由信息（或默认路由信息），最后测试主机间的连通性．通过这个过程，学生不仅对IP层的分组转发流程、路由表、IMCP协议（PING指令）等内容加深了印象，也对虚拟实验环境、实验设计和操作过程等方面有了大概的了解．

图2 YDT软件中静态路由设置实验截屏

2.2 线下实训

理论课上的模拟演练完成后，学生可以在配套的实验课上亲自进行YDT实验．计算机网络实验是计算机网络技术课程的对应实践课程，在学期中开设，持续到期末（每周2课时）．每次的实验课对应一个任务（如静态路由设置），对应的理论知识一般在1～2周前讲授完成，使学生有消化、吸收的过程．相对于理论课上的演练实验，教师会在实验课上对任务的设置稍作修改（如IP地址等参数），这样可以避免学生一味地模仿，起到举一反三的效果．此外，教师会设置一些思考题，如“改变线缆、增加主机等操作对连通性的影响”，以此训练学生的分析问题、创新和思考的能力．在实验课上，教师会观察每位学生的动态，与学生进行交流、答疑并验收其学习效果．基础好、有精力的学生可以多花些时间做思考题，基础差的学生也可以根据自身的学习节奏进行基本操作．

2.3 扩展训练

线下实训后，教师会额外设置一个扩展性实验，此实验会有一定的难度，综合了多个知识点，可作为过程性考核的一项内容．如在“静态路由设置”实验中，可将3条路由器串连，每台路由器连接数台主机（见图3），利用路由接力的策略进行多条静态路由信息的设置，最后测试主机之间的连通性．此外，可将“静态路由设置”扩展为“动态路由设置”（通过RIP，OSPF等路由选择协议）实验，在过程中使学生仔细观察每个路由表的变化，对应学习过的理论知识点，对比不同的路由设置策略等．

2.4 课程思政改革及线上线下混合教学需求下的教学思考

为了贯彻落实《高等学校课程思政建设指导纲要》（教高[2020]3号）精神，学校组织开展了多次课程思政建设工作．对于网络课程来说，教师期望从一些高端技术、正面人物、互联网典型应用等方面入手，增强学生的民族自豪感和自信心．虽然互联网技术兴起于美国，但在互联网发展过程中，中国也做出了巨大的贡献，产生了像腾讯、阿里、百度等一批互联网巨头，引领了电子商务、网上社交、短视频分享、共享单车等互联网应用的潮流[6-8]．在基础架构上，我国积极推动IPv6的部署应用，提出了New IP的概念以期改进传统IP的松散结构．而在网络课教学中使用虚拟仿真实验将从3个方面协助课程思政工作的有效开展：

图3 静态路由设置实验的扩展训练

（1）使用国产的YDT虚仿软件（华为）来进行演练及实训，一方面，可以展示我国在此类虚仿软件研发上的成功案例与优势，以增加学生的民族自信心；另一方面，可以讨论YDT软件与著名的工程组网虚仿软件（PACKET TRACERT，NETSIM等）的差距，以塑造学生不骄不躁、不断钻研、开拓进取的品格．

（2）虚拟仿真实验的引入可以使学生在每次实验中除了获得动手能力的提高，也在尝试各种实验方案的过程中锻炼了判断能力、推理能力和毅力．

（3）在拓展训练中，学生在无法获得可行实验方案的情况下会积极向同学或教师请教及沟通实验细节，一定程度上使学生锻炼了社会交际能力与沟通技巧．

疫情期间，国内的高校大部分采用线上线下混合教学的模式[9-11]．本门课程也采用混合教学的模式，在线下利用多媒体教室进行教学，在线上利用超星、一网畅学等平台来辅助教学（见图4）．线下的讲授会通过多媒体录像传至线上平台，供学生参考与复习．线上平台可以共享学习资料、发布作业、发起讨论、进行小测等．教师还建立了课程专属微信群，供师生交流、讨论、发布通知等．而在网络课教学中使用虚拟仿真实验将从2个方面辅助线上线下混合教学的开展：

（1）YDT虚仿软件可以通过双击可执行文件（.exe）来运行，此可执行文件可以通过FTP下载或U盘复制等操作获得．因此，学生可以在学校机房或者自己的笔记本电脑上进行实验，简单、方便，不受时间和空间的限制．

（2）由于YDT虚仿软件简单、方便的特点，学生可以根据自身的情况来调节学习进度．例如：基础差的学生如果在机房未完成实验，可利用其余时间在自己的笔记本电脑上完成实验；因故请假的学生也可以在合适的时间内在自己的笔记本电脑上完成实验．

3 结语

本文主要探讨了如何在计算机网络技术课程的教学中加入虚拟仿真实验的方法．在平常的理论课教学中，对特定的知识点或结构加上模拟演练环节（虚仿实验）可以提高学生的学习兴趣，加深知识点的理解，熟悉虚拟实验环境与操作流程．同时，可利用配套的实验课对学生进行以任务驱使的实训，锻炼其动手能力，了解其知识掌握情况．通过设置有难度的扩展训练，培养学生的学习适应性、思考能力和创新思维．此外，也从课程思政改革和疫情的角度分析了对网络课程加入虚拟仿真实验的益处．

[1] 谢希仁．计算机网络[M]．6版．北京：电子工业出版社，2013．

[2] 夏虹．“计算机网络技术及应用”课程的教学研究[J]．电脑知识与技术，2015（19）：123-124．

[3] 李云．虚拟仿真技术在计算机网络实验教学中的应用[J]．教育教学论坛，2020（7）：400-401．

[4] 李英杰．虚拟仿真实验在计算机网络教学中的有效运用[J]．信息与电脑，2017（1）：214-216．

[5] 张学义，周力军，杨福建，等．基于虚拟、仿真技术的计算机网络课程实验教学思考[J]．黔南民族师范学院学报， 2012，32（4）：121-125．

[6] 蔡宝玉．计算机网络安全技术在电子商务中的应用[J]．计算机产品与流通，2020（5）：18．

[7] 王梦繁．高质量融媒体新闻短视频的制作研究[J]．视界观，2020（24）：1．

[8] 肖倩冰，陈林，裴丹．智慧城市之共享经济与环境治理：以共享单车低碳出行为例[J]. 中国软科学, 2021（9）：172-181.

[9] 康明慧．“互联网+”背景下“域出版”战略探讨：以“超星学习通”为例[J]．传媒，2017（5）：55-57．

[10] 李艳萍，吴剑峰．基于超星学习通的药学导论双语课程混合式教学设计与实践[J]．中国医药导报，2021，18（10）： 59-62．

[11] 苗青. 基于超星学习通的移动教学模式分析[J]. 无线互联科技，2017（20）：88-89.

Application of virtual simulations experiments in the teaching of computer networking technology

WANG Dan，ZHOU Lei，LIN Yong，YIN Ziming，ZHENG Jianli

（School of Health Science and Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200082，China）

The course of computer network technology，which treats the theory and practice equally important，is compulsory for university students that major in engineering．Due to the lack of experimental devices，places and funds，a wide gap between the theory and practice exists for this course，which makes the students feel bored in class．Attaching virtual simulation experiments to the theoretical teaching can bridge the gap and has no time/space limit，probably improving the learning interest and motivation of students．The practical and expanded training processes can further improve the problem-solving and creative-thinking abilities of students．At last，using virtual simulation experiments in class meets the requirements by ideological and political of courses reform and the epidemic environment，playing a positive role in the curriculum development of computer network technology．

computer network；virtual simulation；ideological and political of courses；blended teaching

1007-9831（2022）04-0078-05

TP393.0∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2022.04.016

2021-12-16

国家自然科学基金项目（61906121）；上海市重点课程建设项目；上海高校青年教师培养资助计划项目

王丹（1987-）, 女，河北保定人，讲师，博士，从事结构生物信息学、健康信息学研究．E-mail：d.wang@usst.edu.cn