基于WEB的網絡工程虛擬實驗教學模式的改革

童宇　趙薇

摘 要 在研究分析當前我院實驗教學體系、教學內容和教學模式的基礎上，依托學院網絡資源平臺，通過虛擬仿真技術設計了一個易操作的虛擬實驗教學系統，為學生提供了一個高技術含量的網絡工程實驗和測試平臺，引進了先進的教學手段，提高了學校網絡工程科研和教學應用水平。

關鍵詞 虛擬實驗教學系統 虛擬仿真技術

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A

0引言

我院正處于?？葡虮究妻D型的重要時期，本科教育對實驗室的要求大幅提高，大規模添置新的設備、軟件的經費投入和實驗室的運營維護成本都不容小覷，尤其是計算機學科的網絡工程類課程，實驗室建設都是以硬件設備為支撐，但是隨著網絡技術不斷的推陳革新，實驗教學要跟上理論發展的速度，就必須不斷地更新硬件設備，這將是一筆很大的投入。這些問題嚴重制約了本科實驗教學任務的順利開展。

針對本學院現階段的教學需求，本文前期以《計算機網絡》課程實踐教學為實驗藍本，采用虛擬仿真技術，設計了一個基于WEB的網絡工程虛擬實驗教學系統。

1虛擬實驗教學系統的設計

1.1系統設計目標

將網絡工程類的實驗按內容分成三大類：①網絡協議分析類：主要是面向計算機網絡原理、TCP/IP協議、通信協議分析等課程；②網絡組建管理類：主要是面向組網技術、網絡管理與維護、網站建設等課程；③網絡性能優化處理類：主要是面向網絡設計與優化、互聯網設計與實現等課程。

系統的前期設計主要針對網絡協議分析類虛擬實驗，選用《計算機網絡》這門課程為藍本。因為此門課程概念多，協議多，會涉及到TCP/IP協議族從網絡層到應用層的眾多協議。協議既復雜，又抽象，如何講解使學生學懂協議，是該課程講授中面臨的一個重要課題。傳統的講授方法主要使用課件講解協議的封裝格式以及實體之間的通信過程，使用動畫演示協議實體之間的交互過程，雖然這樣做，形象出了協議交互過程，但學生還是感覺比較抽象，他們心里也有疑問，實際的協議是不是這樣運動的？有的學生因此失去了學習計算機網絡課程的興趣。在網絡協議的講授中，把抽象的協議具體化、形象化是非常必要的。虛擬實驗教學系統應以應用、分析計算機網絡主流協議為主體實驗內容，使同學們可以熟悉網絡基本協議、學習組網設計、模擬各類實際環境、排除網絡故障、通過多種工具軟件對網絡協議進行分析等，同時親身體驗所設計網絡的高速連通性、高可靠冗余等特性，完成從認識、熟悉到設計、排錯等多種實驗，熟練掌握網絡實用技術。

系統將實現以下目標：（1）將抽象的計算機網絡知識“形象化”；（2）對枯燥的理論內容教學實現“互動化”；（3）將分散的技能點“集中化”交付；（4）教、學易管理。

1.2系統體系結構

本文提及的虛擬實驗教學系統采用的是由學生機瀏覽器、WEB服務器、教學數據庫服務器和后臺數據庫服務器組成的基于WEB的三層體系結構，如圖1所示。

圖1：虛擬實驗教學系統體系結構

該實驗教學系統目前支持36臺學生機同時上機實驗，并可自由擴充；通過網絡分組切換器可以實現實驗成員的自由分組，同一組最多允許6臺學生機參與；系統提供5種網絡拓撲結構，學生可根據當前的實驗內容和分組情況自主選擇拓撲結構，不需要改變物理網絡連接。

學生通過WEB登錄虛擬實驗系統后，首先根據當前實驗的需要選取虛擬主機和路由器等網絡設備，通過軟件自行設計網絡拓撲結構，配置IP地址；然后將這些信息提交到WEB服務器，WEB服務器接收到學生的請求之后，通過分析網絡拓撲圖定制當前實驗所需的網絡實驗環境（包括虛擬主機、虛擬網絡連接設備的建立，網絡參數的配置等）；最后學生再通過WEB的方式登錄這些分配的虛擬機進行網絡實驗。

1.3系統功能模塊設計

虛擬實驗教學系統是對實驗室進行教學管理的平臺，包括用戶管理、實驗信息管理、教學資源管理、課后作業管理和學習交流五大功能模塊。

（1）在用戶管理模塊中設置了管理員、學生和教師三種角色，并對這三種角色的權限和功能進行了設置。如管理員具有最高的管理權限，可以對教師和學生的賬號進行分配和收回等；教師可以上傳教學資料、檢查學生實驗結果、在線指導等；學生可以申請實驗項目、提交實驗結果、自主設計實驗等。

（2）實驗信息管理模塊：支持36名學生同時進行實驗，可以實現自由分組和任務分配。通過該模塊，學生可以進行網絡工程實驗，可以閱讀實驗要求、實驗原理和實驗步驟；當一個課時結束實驗卻未完成時可以保留當前實驗環境，以便下次實驗時快速恢復上一次的實驗環境繼續該實驗；實驗結束后可提交實驗結果供老師批閱。

（3）教學資源管理模塊主要用來管理教師上傳的學習資料，并提供下載功能。

（4）課后作業管理模塊主要用來生成跟本堂課內容相關的實驗項目，并提供實驗環境，保留實驗結果，教師可以在學生提交的課后作業里選擇查看和批注。

（5）學習交流模塊給學生提供了一個交流學習的平臺，學生之間可以相互交流實驗過程中遇到的問題和解決方法，老師也可以通過登錄該平臺給學生進行在線答疑。

2基于虛擬實驗的教學模式改革

2.1實驗教學內容改革

系統的前期設計主要針對網絡協議分析類虛擬實驗，以《計算機網絡》實踐教學為藍本，實驗內容涵蓋了本科教學期間所有的計算機網絡的基本實驗，包括路由器配置基礎、PPP & MP實驗、路由協議基礎實驗、ACL和包過濾防火墻實驗、NAT地址轉換實驗等。

在原有實驗教材的基礎上，擴充了實驗教學項目和內容，有針對性地設計了幾個實驗模塊（如：網絡協議應用與分析模塊、網絡故障診斷與排除模塊、路由與交換技術、WLAN無線通訊技術、網絡安全技術模塊，詳情見表1所示），每個實驗模塊包含若干實驗項目，特別增加了綜合性、設計性和研究創新型實驗項目。針對每一個虛擬實驗項目，詳細設計了實驗開設方案、實驗原理、實驗步驟和實驗結果分析，并編寫了實驗指導書。

2.2 實驗教學方法的改革

對原有傳統的實驗教學方法進行分析，針對虛擬實驗教學的特點改進實驗教學方法，將以“教師為中心”的教學模式改為以“學生為中心”的教學模式。學生可以自主地選擇實驗項目，根據不同項目的要求，在實驗指導書的指導下，以個人或小組為單位獨立完成實驗。實驗方式包括協議捕獲分析、協議編輯發送、協議會話觸發、無線協議分析、私有協議開發等多元方法。

3結語

以《計算機網絡》課程為藍本設計的虛擬實驗教學系統為用戶搭建了一個真實的網絡平臺，有很強的擴展性；學生通過虛擬實驗平臺遠程訪問網絡設備以及服務器上的數據、圖像、視頻等信息，管理員通過WEB服務器提供服務。學生做的所有操作都是對Host主機上的某個虛擬機的操作，虛擬機的生命周期就是學生的使用系統的會話期，做完實驗虛擬機就被刪除，對系統不會造成任何影響，而在實驗室可能對PC和路由器等網絡設備造成各種損壞，以及一些不可逆的操作；可擴展性強，還可以為其他實驗提供平臺，只需要生成一個學生所需要的系統鏡像。

虛擬實驗教學系統有三個方面的特點：（1）硬件擺脫了物理上的限制；（2）進行實驗的人員擺脫了地理位置上的限制；（3）實現了異地數據、設備等資源的共享。通過為期兩個學期的教學實踐，取得了理想的教學效果。

參考文獻

[1] 謝希仁.計算機網絡（第6版）[M].北京：電子工業出版社，2012.

[2] 蔡紅霞，等.虛擬仿真原理與應用[M].上海：上海大學出版社，2010.

[3] 楊瑛瑛.數據庫虛擬實驗室的研究與實現[D].長沙：中南大學信息科學與工程學院，2013.5.

[4] 李彩云，等.基于Web的虛擬控制實驗室系統設計[J].軟件導刊，2017，16（3）：65-67.

[5] 余小華，等.虛實結合的網絡實驗教學探索與實踐[J].實驗科學與技術，2013，11（6）：86-90.

[6] 吳偉哲，等.在線虛擬網絡實驗系統的改進與完善[J].實驗室研究與探索，2014，33（1）：13-16.

[7] 王海峰.計算機網絡虛擬實驗教學平臺的設計與實現[J].南昌師范學院學報（綜合），2016，37（3）：25-28.