新工科背景下面向虛擬仿真實驗的計算機網絡課程實驗教學探索

崔來中，陸 楠

（深圳大學 計算機與軟件學院，廣東 深圳 518060）

0 引言

從2016年新工科被提出，我國的工程教育邁入了新一輪的發展節奏中，加快培養新興領域工程科技人才，改進和調整傳統工科專業，著重強調未來新興戰略領域的人才培養[1-2]。計算機網絡作為高等學校計算機相關專業的一門必修課，對于本科生網絡技能的培養起決定性的作用。現有計算機網絡課程的實驗教學內容過于陳舊，現場實驗資源受限，教學效果不佳，已經無法滿足新工科建設的要求[3-4]。

近年來計算機技術和信息化發展迅速，虛擬仿真實驗作為一種新的實驗手段，無論從方法上還是效果上都得到了極大的改善，可以有效補充傳統實驗教學。虛擬仿真實驗教學逐漸被認為是實踐教學的一種有效方法，可以提升實驗教學的效果和質量，代替部分傳統的實驗教學，同傳統實驗實現有機和虛實結合，從而克服傳統實驗中一直存在的一些缺點和不足[5]。如何將虛擬實驗教學融入現有計算機網絡實驗教學體系，提高學生的能力和素質，是一個開放且重要的研究方向。如何對計算機網絡課程的虛擬仿真實驗教學內容進行合理規劃，設計針對性強、行之有效的實驗資源和平臺，是本科生計算機網絡在新工科背景下教學改革非常重要的議題。

1 現有計算機網絡現場實驗存在的問題

1）網絡運行原理可視化效果差。

真實物理網絡設備上幾乎沒有辦法直接顯示網絡設備的狀態和運行情況，只能通過終端登錄以命令行的方式進行設備的配置操作和查看配置結果，往往需要頻繁切換登錄不同的網絡設備，導致過程復雜和低效；而且，實驗過程中沒有辦法直接看到物理設備上運行的各個網絡協議的運行機理和數據情況，而這些協議運行原理的可視化，對學生理解網絡協議的機制和原理至關重要。

虛擬仿真實驗提供可視化的圖形界面，可以更加形象地展示實驗的過程、原理和結果，有助于克服傳統實驗中網絡運行過程和原理不易展示的問題，從而加強學生對實驗背后原理和知識點的認識和理解。

2）大型綜合設計性網絡實驗設計和實現難度大。

校園網組網需求分析、組網設計與系統集成、企業網建設與維護等大型綜合設計性網絡實驗，是計算機網絡工程設計實驗的重點和難點，但大型綜合設計性網絡實驗需要的網絡設備種類和數量都很龐大、拓撲結構復雜多樣，導致在傳統實驗室中難以操作進行，學生不能都有充分的操作時間和參與，教學實驗室也由于場地和成本的約束難以展開此類實驗。虛擬仿真實驗環境中可以配置大量的實驗設備，對于實驗設備的類型也沒有限制，不僅可以添加傳統的設備，還可以添加新的實驗設備，拓撲控制靈活度高，容易調整和控制，實驗界面更加直觀，其良好的可擴展性意味著可以讓每名學生都參與其中，可以獨立或團隊完成大型的綜合型網絡設計實驗，有效鍛煉計算機網絡集成能力，解除傳統計算機網絡實驗的限制[6]。

3）網絡安全類實驗難以在真實網絡中部署。

網絡安全實驗往往設計各類不同的網絡設備，其需要對異常檢測、防火墻、拒絕服務攻擊等網絡攻防內容進行練習，投入成本很高，而且在傳統計算機網絡安全實驗中，很難展開有效的真實網絡攻擊，必須考慮對校園網造成的影響，無法產生有針對性的網絡攻防練習。網絡安全類實驗在傳統計算機網絡實驗中實現很困難。虛擬仿真的環境下進行網絡安全實驗，具有天然的隔離性，不會影響真實網絡環境，也可以更好地模擬仿真網絡攻擊過程和現象，能讓學生得到更有效的網絡攻防鍛煉[7]。

4）下一代互聯網技術實驗剛進入起步階段，實現困難。

以IPv6為基礎的下一代互聯網技術是計算機網絡發展的前沿，有效地讓學生接觸這些下一代互聯網前沿技術，會讓學生更快地了解企業工作崗位的實際需要，培養企業真正需要且迫切需要的實踐能力。IPv4同IPv6的過渡技術是整個計算機網絡演進的重點技術，也是現階段網絡運營企業最需要的核心能力，但這方面的過渡實驗不能很好地反映在實際現場實驗中。在虛擬仿真環境下，能讓學生將更多的精力放在理解過渡技術的原理上，而不是在繁瑣的接線和不同廠商設備的操作命令上。

2 計算機網絡虛擬仿真實驗教學思路與教學內容規劃

為了設計好計算機網絡的虛擬仿真實驗，需要教師對計算機網絡的實驗教學內容熟練掌握和深刻理解。計算機網絡課程作為計算機類專業的核心課程，經過多年的發展有一套成熟和基本固定的實驗教學體系。大部分從事網絡教學的老師對于計算機網絡課程都有較好的理解，并積累了豐富的教學經驗和方法，但是，對于計算機網絡課程所涉及的虛擬仿真實驗教學內容，大多數是最近幾年的最新虛擬仿真技術研究成果，一線的網絡課程教師對于這些最新虛擬仿真技術的理解往往存在較大偏差，研究經驗相對不足。對于最新的多種虛擬仿真技術，需要進行合理的組織和梳理，形成新的虛擬仿真實驗教學體系，才能補充原有計算機網絡課程實驗教學內容。這些都需要根據實際情況進行重新調整和設計，不能照搬計算機網絡課程的原有實驗教學經驗。

2.1 實驗教學內容的設計和制訂

計算機網絡包含眾多的實驗內容，對應著計算機網絡體系結構的分層體系。市面上大多數實驗教材都沒有涉及虛擬仿真實驗的內容和設計，因此虛擬仿真實驗教學內容需要自行組織和撰寫。針對本科生計算機網絡實驗教學有限的教學學時，不可能對計算機網絡實驗的方方面面全部采用虛擬仿真的方式，重要的是采用虛實結合的方式，將部分實驗內容設計為虛擬仿真方式，使學生更多地掌握計算機網絡實驗的理論和實踐，并得到綜合實驗設計的訓練。

筆者根據多年從事計算機網絡相關科研和教學的經驗，歸納和總結計算機網絡課程的各類傳統實驗內容，共設計了6個模塊的虛擬實驗教學內容，覆蓋應用層、網絡層、傳輸層、數據鏈路層、下一代互聯網和網絡安全，代表計算機網絡實驗課程的核心技術和知識點。

（1）應用層實驗，該部分內容主要有DNS、WEB、FTP、DHCP協議。

（2）網絡層實驗，該部分內容主要有各類路由協議、路由器的配置等。

（3）傳輸層實驗，該部分內容主要有TCP建立連接和釋放連接、滑動窗口協議和擁塞控制協議。

（4）數據鏈路層實驗，該部分內容主要有網卡配置、交換機配置、局域網組網等。

（5）下一代互聯網實驗，該部分內容主要有IPv6地址配置、隧道機制等。

（6）網絡安全試驗，該部分內容主要有筆者所制訂的計算機網絡虛擬仿真實驗教學內容，雖然不能囊括該課程的所有實驗方向，但是可以代表該領域的核心理論和技術，具有一定的代表性，而且各部分內容之間具有一定的關聯性，可以形成一套計算機網絡虛擬仿真實驗體系，有助于本科生掌握要點，可以滿足企業對計算機網絡技術人才的需求。

2.2 實驗項目的設計和制訂

在計算機網絡虛擬仿真實驗方面，市面上沒有可以選擇的實驗教材。我們通過自己編寫電子版實驗任務書的形式，為學生提供實踐指導資料。計算機網絡虛擬仿真實驗教學系統由虛擬實驗仿真平臺和虛擬實驗管理平臺兩部分組成。虛擬實驗仿真平臺模擬傳統實驗中用到的物理設備和線纜，提供與傳統真實環境實驗相似的虛擬仿真實驗環境；虛擬實驗管理平臺提供全面的虛擬實驗教學管理功能。計算機網絡虛擬仿真實驗教學系統可開展大多數計算機網絡的核心虛擬仿真實驗，包括網卡配置實驗，應用層的DNS、Web、FTP、DHCP服務與配置實驗，TCP協議實驗，滑動窗口和擁塞控制實驗，靜態和動態路由配置實驗，RIP和OSPF協議應用實驗，路由器配置實驗，交換機配置實驗，VLAN劃分與VLAN路由實驗，網卡配置實驗等，可支持計算機網絡課程核心內容的虛擬仿真實驗教學。計算機網絡課程核心內容的虛擬仿真實驗教學設計見表1。

表1 計算機網絡課程核心內容的虛擬仿真實驗教學設計

對于本科生的計算機網絡課程來說，最重要的是掌握計算機網絡中的基礎技能，其次是培養自我動手學習的能力。計算機網絡技術發展得非常快，一些技術仍在不斷變化和改進中，對于現有技術掌握得再好，再有經驗，也需要經常更新自己的技術儲備。通過本課程虛擬仿真實驗的學習，我們希望樹立一種意識：掌握基礎理論，了解知識體系，學會核心技術，會使用常用的虛擬仿真工具和平臺，并能檢索和查閱最新的文獻和使用技術文檔。因此，在虛擬仿真實驗內容上應有的放矢，有所取舍，突出最重要的技能培養。

2.3 實驗教學的資源和考核方式

在計算機網絡課程實驗教學過程中可以制訂實驗教學內容和教學方法相配合的多媒體PPT課件、實驗教學網站等教學資源，針對計算機網絡課程實驗教學內容特點，充分運用當前的信息展示手段，將抽象、復雜的理論和技術，以幻燈片、圖片、視頻、Flash動畫等富媒體表現形式進行展示，使學生更容易理解和掌握，提高實驗教學質量和效果。

通過調研國內外相關高校和研究組的網站，已初步完成課程實驗教學網站的建設，包括課程簡介、課程實驗教案PPT、課程實踐實訓、實驗教學大綱、實驗習題思考、Project、參考文獻、課程輔助資料、實用鏈接等內容。

（1）課程簡介：簡要介紹計算機網絡領域的實驗內容和考核要求。

（2）課程實驗教案PPT：計算機網絡課程實驗教學PPT。

（3）課程實踐實訓：計算機網絡課程實驗內容和操作步驟。

（4）實驗教學大綱：計算機網絡課程實驗教學大綱，介紹實驗教學計劃、學時安排等。

（5）實驗習題思考：與計算機網絡課程內容相關的實驗練習題和思考題。

（6）參考文獻：與計算機網絡研究相關的經典和最新學術文獻、專著、工具書等。

（7）課程輔助資料：與計算機網絡相關的實驗資料、編程軟件、工具軟件等。

（8）實用鏈接：為學生提供了解國內外計算機網絡前沿研究進展、開闊視野和自我學習的實用的網上資源鏈接。 ①相關課程網站：國內外比較有影響力的大學計算機網絡相關課程的實驗教學網站，以及MOOC上相關開放課程的鏈接。②研究組：國內外知名的計算機網絡研究組網站。③學術期刊：與計算機網絡相關的國際知名學術期刊。④國際會議：與計算機網絡相關的國際知名會議。

實驗既可以用來考查學生對知識的掌握程度，又可以提升學生學習的能動性。實驗成績只能反映學生對某一個實驗內容的掌握程度，更為重要的是通過各個實驗，引導學生動手聯系和綜合運用。我們對計算機網絡課程實驗采用實驗報告和課后Project兩種方式結合，更加注重學生的實踐技能和綜合設計能力，真正培養學生通過實驗積累和經驗解決實際計算機網絡問題的能力。

實驗設計考核。該部分考核占據實驗總成績的60%，主要根據學生實驗的完成情況和實驗報告撰寫情況進行評判。每個實驗完成情況的評價標準包括完成度、正確性、花費時間、方法的創新性、報告撰寫的規范性和完整性。

課后Project考核。該部分考核占據實驗總成績的40%，讓學生根據一學期所講述的各類實驗，完成2～3個綜合性Project。Project分為個人和團隊兩種，歸納總結并綜合運行實驗教學所學的各個知識點，完成綜合性和復雜性的課題任務。Project需要提交報告，還要求學生制作PPT在課堂上匯報交流。

3 開放式計算機網絡虛擬仿真實驗教學管理平臺建設

開放式計算機網絡虛擬仿真實驗教學管理平臺基于J2EE架構進行設計和開發，將計算機網絡課程的虛擬仿真實驗資源統一部署到平臺上，達到高效管理和開放共享的目的。該平臺可以讓學生突破時間和空間的限制，更加合理和自由地安排實驗學習，完成相應實驗內容并反復練習。通過開放式計算機網絡虛擬仿真實驗教學管理平臺的建設，能夠進一步改進現有傳統實驗教學體系，解決計算機網絡傳統實驗和新興虛擬仿真實驗教學的諸多問題。開放式計算機網絡虛擬仿真實驗教學管理平臺可以依托校園網建設，面向全校學生開展計算機網絡技術的虛擬仿真實驗教學，并通過校園網的對外訪問，提供校外訪問平臺的認證訪問途徑。

開放式計算機網絡虛擬仿真實驗教學管理平臺包括計算機網絡虛擬仿真實驗教學管理網站、實驗教學管理、實驗知識理論學習、實驗過程智能指導、實驗結果自動批改、實驗資源和素材管理、師生問答討論、系統管理功能等模塊，部分內容如下。

計算機網絡虛擬仿真實驗教學管理網站：通過Web網站的形式展現，信息模塊包括仿真實驗教學資源、師資配備、實驗內容體系、資源下載、仿真環境等。

實驗教學管理：虛擬實驗的內容安排、考勤記錄、成績登記、實驗任務闡述等。

實驗知識理論學習：實驗前學生通過閱讀知識點進行預習和練習，理清實驗相關的基礎理論和關鍵知識點。

實驗過程智能指導：學生在進行虛擬仿真實驗過程中遇到困難可以申請輔導意見，系統給出提示并輔助解決。

實驗結果自動批改：學生提交虛擬仿真實驗結果和報告后，系統自動批改，給出分數和評分點以及問題解答。

實驗資源和素材管理：虛擬仿真實驗資源內容、仿真工具、素材，演示視頻的上傳、檢查、修改和發布。

師生問答討論：實時答疑、在線留言等。

系統管理功能：用戶、分組、角色、權限、日志、備份管理、實時監控等。

4 結語

新工科的概念為各類工科專業帶來難得的發展機遇，調整了各工科專業核心課程的建設重點，更重視工科專業人才的能力培養。計算機網絡作為計算機類專業的核心課程，對于培養網絡的設計、應用和開發能力至關重要。現有計算機網絡現場實驗已經有多年的歷史，正面臨諸多問題。虛擬仿真計劃為實驗教學提供了新的手段和實施方式。計算機網絡課程的實驗教學探索和研究具有重要意義。筆者針對新工科計算機網絡課程建設的重點，引入虛擬仿真技術，對實驗教學內容、實驗項目和平臺資源建設方面進行探索。實踐表明，通過有條理地建立虛擬仿真實驗教學內容體系，采用多種模式結合的教學方法，整合恰當的實驗教學資源，有助于提高教學效果。