《計算機網絡》課程虛擬實驗室的研究與探索

2009-04-29 00:00:00陳良海

電腦知識與技術 2009年15期

摘要:基于Web的虛擬實驗室主要面向學習計算機網絡課程的學生，服務于計算機網絡實驗課程的教學。該虛擬實驗室綜合運用了多媒體技術、虛擬技術、流媒體技術等先進技術，使計算機網絡的實驗不再受時空的限制、不再受昂貴設備不足的限制，保障了實驗教學的質量。

關鍵詞:計算機網絡;虛擬實驗室;網絡實驗

中圖分類號:G642 文獻標識碼:A 文章編號:1009-3044(2009)15-3960-02

Research and Exploration for Virtual Laboratory of \"Computer Network\" Courses

CHEN Liang-hai

(Huaiyin Institute of Technology， Huai'an 223003， China)

Abstract: Web-based virtual laboratory for students of studying computer network， computer network services in the experimental curriculum. Comprehensive use of the virtual laboratory of multimedia technology， virtual technology， streaming media technology and other advanced technologies that make computer networks are no longer subject to experimental time constraints， lack of expensive equipment are no longer subject to restrictions to safeguard the quality of the teaching experiment.

Key words: computer networks; virtual laboratories; network experiment

1 引言

很多院校開設了計算機網絡的課程，讓學生深入地理解計算機網絡和互聯網的最好的方法就是動手做實驗。學生只有通過足夠的驗證性實驗和一定數量的綜合性實驗，才能真正理解和掌握理論知識，獲得一定的綜合技能和實踐能力。但是由于網絡設備價格高、遠程學習方式的地域分散等問題，許多學校根本無法建設完善的計算機網絡實驗環境，因此，如何實現虛擬的計算機網絡實驗教學，成為了解決這一問題的重要途徑。

2 實驗課程現狀分析

2.1 硬件環境要求高

要構建一個網絡專業實驗室需要配置較多的硬件設備，包括服務器、PC機、交換機、網卡網線、路由器、中繼器、網橋及相應的工具等。這些設備價格都相對較高，每組實驗設備難以提供給不同實驗進度的學生共用，從而更增加了設備的需求量，給實驗室建設帶來一定的難度。

2.2 受時空限制

網絡課程具有較強的實踐性，往往需要反復實驗才能掌握，由于受實驗環境的影響只能在實驗室中進行，限制了實驗的空間和時間，在設備不足的情況下學生不可能有足夠的時間反復實踐，而且實驗室以外又不能進行實驗，使實驗效果得不到保證。

2.3 傳統網絡教學實驗準備和實驗指導工作困難

網絡課程實驗的軟硬件環境的復雜性，使實驗環境的準備工作難度加大，除了保證設備無故障外，還要準備各種設備相應的驅動程序，檢查軟件系統是否符合要求，要保證所有操作系統的正確安裝運行。對于熟練的專業人員來說也會常出意外，對學生來說問題多，給實驗教師和實驗管理人員帶來相當大的難度。

3 虛擬實驗室建設可行性分析

對于計算機網絡課程來說，除了組網過程需要接觸實際硬件外，其他實驗都是通過計算機完成。利用計算機來仿真計算機上的實驗過程，只在后臺的控制是虛擬的，從學習者的角度看，其實驗過程和實驗結果與實際實驗并沒有任何區別，仿真度接近100%。

由于通過計算機進行的實驗是虛擬的，在虛擬實驗中操作的不是真實存在的設備，而是由計算機模擬的仿真設備，雖然虛擬實驗室可以使學習者不受時空限制地進行實驗，可以為實際實驗做心理上和實際操作的準備，但是，這并不能完全替代實驗設備的全部功能。因此，虛擬實驗不可避免地存在一些缺陷。比如，難以達到實際實驗的教學要求和實際操作的真實效果;教師與學生、學生與學生之間難以實現有效的交互和溝通;缺乏對學生的有效管理、評價和監控等。

客觀冷靜地分析虛擬實驗存在的缺陷，目的在于揚長避短，改進和彌補其不足，以便有效地指導教學實踐。

4 計算機網絡虛擬實驗室系統

4.1 設計思路

我們采用異步教學模式中的多種Web瀏覽，通過Internet與用戶連接，實現遠程通訊。網絡上采用客戶機/服務器模式，服務器端負責數據的存儲、維護、處理;客戶端則負責人機界面操作，送出用戶需求和顯示取回的數據。整個系統包含網絡課程資料、實驗課程、實驗安排、虛擬實驗、實驗報告管理、創新實踐、交流論壇和用戶管理等內容或功能模塊。結構框圖如圖1所示。

4.2 主要模塊設計

1) 實驗室簡介:介紹實驗儀器、實驗內容、實驗室師資力量等。

2) 網絡課程材料:該模塊將計算機網絡課程的教學大綱、網絡課件、電子教案、視頻教學等資源進行制作與整理。

3) 實驗課程:以網頁或電子文檔的形式發布了計算機網絡實驗教程。

4) 實驗安排:作為面向學員開放的公共教學實驗室，該系統定期發布實驗課表及畢業設計安排，方便學員安排自己的學習。對未作安排的學員或實驗項目，學員可以進行網上預約申請。

5) 虛擬實驗:虛擬實驗模塊用于介紹實驗的具體信息，以及引導學生虛擬參與實驗的過程，采用html網頁文字說明，結合FLASH和VRML等技術手段設計。不僅詳細的介紹實驗內容，實驗要求，還形象演示了實驗設備及實驗原理。分別包括如下子模塊:

實驗介紹--動態列表顯示數據庫中的所有實驗。

網絡原理演示--采用FLASH演示了一些網絡原理及網絡設備的工作原理。有TCP/IP模型、原理演示;中繼器、集線器、網橋、路由器、交換機工作原理演示等。

三維設備演示--這部分是實驗設備的三維交互式演示部分。分別對Cisco公司的主流路由器和交換機進行了建模，并結合虛擬現實技術VRML技術，使用戶可以通過鼠標對實驗設備模型旋轉、多角度觀察，對于路由器和交換機有直觀的認識。實驗前需安裝VRML插件，頁面提供下載功能。

網絡使用試驗--這部分采用交互式動畫的方法指示學生如何一步一步地進行撥號上網設置和網卡設置等。

網絡編程實驗--用Flash演示了網絡socket編程原理等。

組網實驗--組網實驗部分詳細介紹了CCNA考試的內容，主要有:互連網絡的模型、Cisco路由器、交換機和集線器的特點;Cisco IOS軟件的初步知識;TCP/IP協議套件的綜合概括;管理廣域網，配置ISDN、幀中繼和ATM;學習IP配置;Novell IPX協議棧、IPX封裝類型和SAP及RIP的配置;使用訪問表進行基本的通信量管理;默認的局域網連網，跨域配置VLAN。除此之外，教師可以使用發布實驗子模塊來隨時動態地增加實驗。

6) 實驗報告:教師使用該模塊來查看學生的實驗報告，并為實驗報告評分，填寫評語。

7) 創新實踐:針對興趣廣泛、學有余力的學員，開辦了創新實踐欄目。

8) 交流論壇:包括網絡理論教學、計算機網絡應用、畢業設計網上指導等版塊，為教師和學員提供交流和學習的平臺。

9) 用戶管理:用戶管理包含教師信息管理和班級信息管理。

4.3 系統開發與實現

計算機網絡虛擬實驗室系統最終以網站的形式實現，各個模塊內容采用DHTML、CSS、Javascript、ASP.NET與數據庫等技術制作成網頁，包含了豐富的文字、圖片、視頻、動畫等多媒體內容。網頁的制作需要多種開發工具進行，包括專業的網站開發軟件、圖像處理軟件、視頻編輯軟件、動畫制作軟件等。為了增強網頁的顯示效果，采用一些小巧的網頁設計輔助軟件也是非常必要的。綜合考慮計算機將網絡實驗的學科和課程特點、開發軟件的技術特點以及使用對象的特點，本系統可以采用Flash工具進行虛擬實驗模塊的開發。

5 結束語

基于Web的計算機網絡課程虛擬實驗室的建設，既可以解決許多學校因資金不足而難滿足網絡實驗的要求，又能滿足遠程教育中網絡課程的實驗要求。隨著新技術的不斷出現和學者們的深入研究，相信網絡虛擬實驗畢將成為計算機網絡實驗室建設的主要內容。

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