虛擬實驗：高職計算機網絡課程的新探索*

丁沂（武漢軟件工程職業學院 湖北 武漢 430205）

虛擬實驗：高職計算機網絡課程的新探索*

丁沂
（武漢軟件工程職業學院 湖北 武漢 430205）

激發學生學習計算機網絡基本概念和理論的興趣是一件非常困難的事情，因為很多學生認為這門課程非常技術化、枯燥乏味。然而，這些基本概念和理論是學生學習后續網絡課程的必要基礎，又必須學好。為解決這一難題，筆者用Packet Tracer和Virtual Machine這兩款網絡虛擬平臺設計了一些虛擬實驗，應用于高職計算機網絡課程的課堂教學實踐中，收到了較好的效果。

高職；虛擬實驗；計算機網絡；評價；李克特量表

高職計算機網絡課程包含很多抽象的概念和理論，學生感到學起來比較困難，教師教學難度很大。往往是教師講的越多，學生越困惑，長此以往，學生就慢慢失去了學習這門課的興趣。筆者發現，在講授這門課程的過程中，如果能讓學生自己動手做一些虛擬實驗，如組建一個網絡、安裝和配置一臺服務器、分配用戶訪問文件和目錄的權限等等，并同時講解實驗過程，解釋實驗現象，分析實驗數據，而不是空洞地講解理論，學生的學習效果會明顯提高，學習積極性也會增強。這種觀點也得到了很多文獻的支持。圍繞Packet Tracer和Virtual Machine兩款網絡虛擬平臺，筆者設計了一些虛擬實驗作為課堂講解的材料，也可作為學生課后練習的資料，學生評價較高。

虛擬實驗的硬件、軟件和網絡環境

我校計算機網絡專業的每個實驗室都有50臺高性能PC機，能同時供49名學生和1名教師使用。這些PC機通過高速交換機相互連接，每臺都裝有微軟Windows XP操作系統以及Packet Tracer和Virtual Machine網絡虛擬平臺，都配置相同網段的IP地址、相同的子網掩碼、默認網關和DNS，構成了一個小型的局域網絡并且和因特網相連，如圖1所示。

Packet Tracer和Virtual Machine兩款虛擬網絡平臺是完成本文所述虛擬實驗不可缺少的工具，它們的功能相互補充。Packet Tracer主要模擬網絡的拓撲圖、交換、路由和網絡測試，而Virtual Machine主要用來模擬網絡服務、通信和測試。如按照OSI七層模型來劃分，則Packet Tracer模擬網絡層的工作，Virtual Machine模擬主機層的工作，如圖2所示。需要特別指出的是，Packet Tracer和Virtual Machine是兩個不同公司開發的軟件，二者無論是在同一臺物理機中還是在不同的物理機之間都是不能相互通信的。它們只能通過真實的物理機器平臺和真實的網絡硬件平臺來實現相互通信。

一個虛擬實驗案例

實驗的拓撲圖 圖3是使用Packet Tracer構建的網絡拓撲圖，圖中有三個不同的網絡或子網。PC1和PC2在左邊的子網中，通過交換機 Switch0和路由器Router0連接，PC3和PC4位于右邊的子網中，通過交換機Switch1和路由器Router1相連，兩個子網通過Router0和Router1連接。圖4是根據圖3應用Virtual Machine構建的網絡拓撲圖，在Virtual Machine中沒有交換機和路由器這樣的網絡設備，但是根據硬件和軟件邏輯等價性原則，可以使用裝有 Windows Server 2003的 Virtual Machine來充當路由器，至于網段的劃分可以根據 Virtual Machine的網絡接口卡的IP地址來確定。

實驗的內容和目的這個實驗的主要目的是教會學生如何構造一個小型的局域網絡，理解局域網通信的過程和原理。主要教學內容和目標有：（1）對網絡進行規劃，會選擇合適的終端和網絡設備以及線纜構建網絡。（2）配置終端接口、路由器接口以及服務器接口的IP地址和子網掩碼。（3）配置路由表，使整個網絡達到連通狀態。（4）使用Ping命令測試網絡。（5）理解局域網通信的過程。（6）理解ARP、ICMP、CSMA/CD以及網關在網絡通信中的作用。（7）理解交換機和路由器的工作原理以及在網絡通信中的作用。

實驗的組織和管理 在實驗開始時，教師介紹實驗的要求和目的，以及實驗使用的工具、方法和命令，然后由學生自己動手來完成實驗。學生可以獨自完成實驗也可以結對完成實驗。為了防止網絡上IP地址發生沖突，學生實驗所采用的IP地址可規定為192.168.X.0/24的形式，X為每個學生的序號，這樣不僅解決了IP地址的沖突問題，而且方便學生查找錯誤，使實驗能順利進行。

實驗的數據分析和原理講解 本次實驗不僅要求學生掌握局域網的規劃、組建和配置，更重要的是讓學生理解局域網的通信原理，相同網段主機之間和不同網段主機之間通信的過程，網關、交換機和路由器的工作原理和作用，局域網通信的相關協議等概念知識。如果僅憑教師講解，學生是很難理解這些概念知識的。在這個實驗中，教師可以在PC1上向PC4發送一個數據包，讓學生觀察整個網絡通信的過程。可在數據包經過每個網絡節點時把它截取下來進行分析和講解。這樣讓學生不僅能掌握如何連通一個局域網絡，而且能知道網絡連通背后的“故事”。

實驗的評價 為了評價本次實驗的有效性，以匿名調查的形式，筆者在課堂上對這次實驗進行了一次評估。筆者給學生提供一個問卷，問卷中包含了以下幾個問題：（1）在進行這次實驗之前，你會組建和配置一個小型局域網絡嗎？（2）你認為這個實驗容易嗎？（3）你能接受這樣的實驗教學嗎？（4）這個實驗是否能有效地幫你理解局域網通信的過程？（5）在這門課中你需要更多這樣的實驗嗎？（6）你愿意在課外時間做這樣的實驗嗎？

針對上述六個問題，李克特量表（Likert scale）被使用在問卷調查中，對于問題1～3，第一個刻度代表極差，第五個刻度代表極好；對于問題4～6，第一個刻度代表否，第五個刻度代表是。在一年的教學過程當中，我校網絡專業86名大一學生完成了這個問卷調查，他們的回答結果統計圖如5所示。

通過問卷調查發現，虛擬實驗激發了學生學習計算機網絡的熱情，他們比以往更加喜愛這門課程了。

對虛擬實驗教學的再思考

目前，虛擬技術在教學中得到了廣泛運用，虛擬實驗和物理實驗的比較在很多文獻中都有闡述，它們各自有自己的優缺點。除去經濟因素，筆者在講授計算機網絡課程的過程中深深感受到虛擬實驗最大的好處是方便、靈活、安全、容易實施和擴展，學生只要有一臺筆記本電腦并且安裝了這些虛擬軟件，無論在什么地方都可以進行學習和實驗，從而擺脫了真實實驗環境的束縛，學習效果得到了很大提高。但是，在教學過程中筆者也發現，采用虛擬實驗講授計算機網絡課程，一開始會增加學生的理解負擔，最關鍵的一點是要讓學生快速理解“機器中的機器，網絡中的網絡”這一概念，讓學生具備虛擬學習的思維。學生完成虛擬實驗一般用兩種方式：（1）每個學生在一臺物理機上打開多個虛擬軟件獨立完成網絡實驗，這種實驗方式是通過一臺物理機來完成的，這種方式學生比較容易理解。（2）把一個實驗劃分為多個模塊，這些模塊分布在不同的物理機上，學生通過協同方式來完成實驗。這種實驗方式是通過多臺物理機和真實的網絡平臺來實現的，只要物理網絡連通，學生就可以在物理網絡里隨意組建虛擬網絡。學生對這種實驗方式通常理解得會慢一點。另外，學生最終要工作在一個真實的環境中，因此，還需在一個真實網絡環境中來驗證學生在虛擬環境中所學到的知識。

綜上，筆者開發的這套虛擬實驗用在計算機網絡課堂教學和學生的課后學習中，學生對這些實驗的評價令人鼓舞。這些評價表明該實驗方便、好用，能幫助學生更好地理解計算機網絡。在今后的教學中，筆者將開發出更多的虛擬實驗并完善相應的評價體系，并將這種教學方法應用在其他網絡課程的教學之中。

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G712

A

1672-5727（2011）03-0169-02

丁沂（1979—），男，湖北武漢人，博士，武漢軟件工程職業學院講師、工程師，研究方向為軟件工程與云計算。