基于虛擬仿真的網絡工程實驗教學系統設計

呂青普

(天津財經大學 理工學院, 天津　300222)

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基于虛擬仿真的網絡工程實驗教學系統設計

呂青普

(天津財經大學 理工學院, 天津300222)

為解決網絡工程實驗教學資金、場地不足的問題,秉承工科實驗教學改革的“工程實踐創新”原則和“系統化培養教育”思路,開發了基于虛擬仿真技術的網絡工程實驗教學系統。將工程設計、工程施工實驗教學與虛擬仿真技術緊密結合,實現了網絡工程實驗教學的開放性、綜合性和設計性。學生可以個性化定制實驗,在虛擬環境中完成網絡工程設計、預算、施工等實驗項目,有利于提高創新能力和技術技能。

網絡工程; 虛擬仿真； 3D交互; 實驗教學

虛擬仿真是利用計算機技術生成一個逼真的具有視、聽、觸等多種感知的虛擬環境,通過交互設備與虛擬環境中的實體相互作用,使操作者產生身臨其境的交互式視景仿真和信息交流[1]。當前虛擬仿真技術已經在模擬駕駛訓練、虛擬制造、城市規劃、文物保護、室內設計等方面有了廣泛應用[2]。

網絡工程與綜合布線是網絡工程、通信技術等專業的一門必修專業課程,工程性、實踐性很強?，F有的實驗裝備側重于部分知識點的演示、重現和現場操作,距離工程性、實踐性、創新性和應用性的教學培養目標有較大差距。

1　傳統網絡工程實驗教學的不足

(1) 資金受限,設備更新慢。網絡設備如高層交換、路由器等設備價格較貴且設備升級換代比較快。在實驗室建設初期,這些設備基本可以滿足網絡設備調試、配置實驗的需要,但如今主流設備更新換代加快,而實驗設備更新相對遲緩,則不能滿足最新的網絡實驗需求。此問題在國內二類、三類大學尤為突出。

(2) 場地受限,只能模擬單一、小型工作臺式實驗。網絡工程的現實意義在于能夠實現酒店、寫字樓、學校等大型公共建筑里的網絡搭建與配置,而傳統的實驗臺僅能模擬簡單的網線卡接、簡單網絡連接展示等內容,存在實驗與實際脫節的問題。

(3) 實驗點分散,很難形成整體設計概念。由于設備和場地的原因,傳統的網絡工程實驗都是零星分散的,并且各實驗之間缺乏連貫性,基本是對某一個知識點的單獨實驗,無法在總體上完成大型公共建筑或建筑群的網絡設計。

(4) 實驗停留在既有實驗設計上,缺乏創新環境。傳統的網絡工程實驗是在建設實驗室時設計好的,并且很久都難以得到更新。學生只是按照最初的設計思路進行實驗操作,約束了學生的創新能力。

2　基于虛擬仿真的網絡工程實驗系統的特點

為滿足國內高等院校提升網絡工程與綜合布線實驗課程教學水平的迫切需要,筆者研發了“基于虛擬仿真的網絡工程實驗教學系統”軟件。該系統秉承工科實驗教學改革“工程實踐創新”的原則和“系統化培養教育”的思路,成功地將工程設計實驗教學、工程施工實驗教學與虛擬現實技術結合起來,具有高度的開放性、綜合性和設計性。

2.1突出工程實踐創新能力,培養技術技能型人才

系統能夠完全按照網絡工程的實際工作要求進行仿真實驗,覆蓋了實際工程中需求分析、系統設計、工程預算和項目實施四大流程。系統不僅具有綜合布線的系統結構設計環節、詳細施工圖設計環節,還有在綜合布線基礎上的計算機網絡拓撲設計環節,構成完整的網絡工程設計、施工的全過程。

這種面向工程實際,通過學生自主設計、分析、實踐的實驗教學模式,可以有效地培養學生對網絡工程和綜合布線的整體概念,培養學生的工程設計能力和工程實踐能力,提高學生的工程素養[3-5]。通過分析、解決工程項目的實際問題,達到實踐性、綜合性、系統性的工程實踐目的,使學生在工程實踐中應用知識和獲取知識,能力、素質得到綜合提高。

2.2提升創新能力教學,培養創意創造綜合素質

系統通過多種仿真方式,完成實際網絡工程設計和實施過程實驗教學,提高了與工程實際的接近度,使實驗教學取得了更好的效果。系統預設了寫字樓、學校、大型公共建筑等多種環境場景可供選擇,在仿真施工環節中,學生可以展開三維交互性操作[6]。所有的交互性操作都沒有預設腳本,學生可以自由進行設計和現場仿真。

這種開放式的實驗方式將綜合性、設計性、研究性實驗放在主要地位,摒棄過去“實驗教學服務理論教學”的傳統教學模式,突出培養學生對網絡工程和綜合布線相關知識的融會貫通,讓學生根據實際工程項目的要求,利用實際的設計工具分析問題、獨立地設計并解決問題,提高學生的實踐能力和創新能力。

2.3體現系統化教育思路,培養高素質技能型人才

系統可針對中職、高職、大專、本科各層次院校制訂不同的教學方案和功能模塊,根據難度和專業課程設置進行調整,可用于中高職3+3分段培養、中本3+4分段培養、高職本科3+2分段培養、高職本科聯合培養、中高職貫通、中本貫通、專本貫通等各種人才培養模式[7-8]。

3　系統功能設計

3.1教師端的設計

系統教師端的功能涵蓋了一般實驗課程設計的功能,例如課程-實驗設計、教師排課、學生選課、成績評定等內容。本系統結合3D編程技術,實現了三維場景自由搭建,可以用于學生設計網絡工程實驗的建筑樓宇以及建筑群,同一實驗可以搭配不同的場景供學生實踐[9]。場景搭建原理如圖1所示。

圖1　教師端場景搭建處理流程圖

在建模過程中,采用了實際建筑的CAD圖紙,利用標準化建模技術,對樓宇進行三維建模,建模粒度細化到房間,每一層又設置到一個組里面。搭建虛擬環境時,教師可以從模型庫中選擇不同類型的樓宇,根據實驗的規模控制選擇特定的樓層進行實驗[10-12]。

教師可以設定每一個實驗的實驗要求,例如信息點的類型、數量等網絡規模信息以及網絡連通性需求。系統的三維模型庫中提供了當前最新的網絡設備的模型,同時搭配了設備最新的虛擬操作系統。學生根據實驗要求,可以選擇市面上主流的網絡設備進行網絡環境的搭建,并在設備虛擬操作系統中進行設備的調試。

3.2學生端的設計

學生登錄系統后,可以根據自己的喜好,選擇教師設定好的實驗場景進行實驗。目前系統設計有酒店、小區、寫字樓、學校等各種類型的建筑,根據教師搭建的場景,學生可以自由選擇。

學生端可以查看實驗需求、實驗要求、瀏覽建筑二維圖紙、漫游三維場景,這樣學生在動手設計實驗之前就已經對實驗環境有了比較充分的了解。學生可以結合理論知識和網絡工程設計國家標準,在虛擬環境下進行網絡工程的設計、預算、施工操作。

系統設計部分包括了總體設計、網絡結構設計、工作區子系統、水平子系統、電信間子系統、設備間子系統、垂直子系統、網絡詳細設計。

(1) 系統總體設計。此部分需要完成樓宇弱電間、電信間、建筑設備間、建筑群設備間的確定,同時在CAD文件上規劃出網絡連接設備的二維圖紙。

(2) 網絡結構設計。學生需要根據實驗需求添加接入層、匯聚層、核心層的網絡設備信息,設定網絡設備的拓撲關系,系統能夠根據選擇的設備與鏈接類型自動生成拓撲結構圖,并可以進行拓撲關系判斷。

(3) 工作區子系統?？筛鶕ぷ鲄^信息點的需求,添加面板、跳線、信息模塊的信息,并在CAD圖紙上進行標記。

(4) 水平子系統。根據每個工作區信息點的需求設計橋架、管線材料的類型和用量,并根據用線量估算出線纜用量Q。估算公式如下:

式中:A1為最遠點信息點插座距離樓層配線間電纜走線水平距離(m)；

A2為最近點信息點插座距離樓層配線間電纜走線水平距離(m)；

B為上下浮動數(%)；

C為配線間端接容差(m)；

D為工作區端落差長度(m)；

E為配線間端落差長度(m)；

F為信息點數量(個)。

(5) 電信間子系統。設計電信間的設備類型及數量,同時劃出電信間的Visio圖紙。

(6) 設備間子系統。設計設備間的設備類型及數量,同時劃出設備間的Visio圖紙。

(7) 垂直子系統。設計垂直子系統需要的線纜類型與數量

在系統的工程預算部分,參考了市面上主流IT行業預算以及建筑行業預算軟件,在系統里設計了與網絡工程施工和設備相關的IT預算以及工程預算模型。學生可以在學生端根據施工要求以及使用設備進行成本計算。

仿真施工部分是仿真實驗教學系統的技術難點。依據網絡工程系統劃分標準,也分為工作區子系統、水平子系統、電信間子系統、垂直子系統、設備間子系統、建筑群子系統。學生要在三維場景下,將系統設計部分添加的設備部署到三維場景樓宇中。本系統采用.net平臺下調用Virtools播放插件,通過簡單的按鈕動作實現三維模型的操作,不需要學生掌握3D操作,只需要簡單地點擊鼠標就可以實現虛擬環境下的施工。系統實現原理及主要技術如圖2所示。

圖2　實驗系統與3D交互實現原理圖

消息類型主要包括了三維模型的顯隱、位置、顯示模式、攝像機的角度、位置等信息。在Virtools內部,當接收指令后,將根據自己的BB塊功能疊加實現所需要的三維效果[13-15]。Virtools內部BB編程示例如圖3所示。

圖3　Virtools內部編程示例圖

4　結語

基于虛擬仿真的網絡工程實驗教學系統可對學生操作信息的服務器進行備份,學生每次登錄系統都會將以往操作的內容加載到本機,實現了實驗操作的延續性。同時,整體—細節—整體的實驗過程,更易于讓學生從整體上理解網絡工程在實際中的應用。網絡工程作為一門實踐性較強的課程,在保證基本知識原理理解的基礎上,應該盡量增加學生在虛擬環境中進行設計、施工的實驗時間。同時,講授課本知識時也不再局限于教材+PPT的模式,而是在虛擬的實驗場景中,通過系統設計的實驗需求來進行原理的講解。經過近2個學期的探索式教學,參與學習的學生反映都很積極,原本枯燥的教學變得更加直觀,學生在掌握知識的同時也增加了自己的成就感。

References)

[1] 徐庚保,曾蓮芝.虛擬仿真[J].計算機仿真,2012,29(5):1-5.

[2] 韓建明,張耀武.高等院校實驗教學實踐探討[J].中國教育技術裝備,2010(24):138-139.

[3] 陳華竣,趙士濱.開放式虛擬訓練實訓室的設計與建設[J].實驗室研究與探索,2012,31(8):158-160,186.

[4] 張敬南,張謬鐘.實驗教學中虛擬仿真技術應用的研究[J].實驗技術與管理,2013,30(12):101-104.

[5] 楊慶,黃陳蓉.虛擬現實與系統仿真實驗教學改革探討[J].實驗技術與管理,2011,28(3):94-97.

[6] 羅建勤,張明.Animation交互式漫游動畫:Virtools+3dsMax虛擬技術整合[M].北京:中國科學技術出版社,2010.

[7] 施曉秋.應用型人才培養的網絡工程實踐課程體系構建[J].中國大學教學,2008(12):35-37.

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[9] 劉明坤.三維游戲設計師寶典:Virtools游戲開發實戰[M].廣東:汕頭大學出版社,2006.

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[12] 萬寧,馮梅.關于虛擬現實中的三維可視化建模技術[J].應用技術,2007(1):70-72.

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[15] 黃煒.基于Virtools的工廠虛擬漫游系統的設計與實現[J].軟件設計開發,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

天津財經大學教改項目(TJUFE2015-2-18)

呂青普(1982—),男,河北邯鄲,博士,實驗師,主要研究方向為信息系統與商務智能.

E-mail:lqp039@163.com

TP393; G642.4

A

1002-4956(2016)3- 0130- 04