基于虛擬仿真軟件的實驗教學探索—以網絡工程實訓課程為例

◆張新艷

(興義民族師范學院 貴州 562400)

1 引言

如今，計算機技術在迅速發展進步，而網絡一直處于重要的地位。不管是做軟件的開發、數據庫的設計、代碼編寫等都需要具備基本的網絡知識，比如IP地址的分配，網絡基本的布線，網絡故障、網絡規劃是計算機行業人士應該具有的職業素養。《網絡工程實訓》是地方院校計算機科學與技術，物聯網工程、網絡工程等專業的必修課程，是一門以培養學生網絡技能為主的課程，也是理論與實踐緊密聯系的課程。通過本課程的學習，學生須掌握交換機、路由器在網絡建設中的作用以及如何通過交換機、路由器來保證網絡的正常運行。因此該課程是學生獲取網絡基本知識和技能的必備環節，由于設備的缺乏、線纜陳舊等都會影響到實驗項目的效果，因此考慮采用使用模擬軟件進行仿真虛擬教學。

Cisco Packet Tracer（簡稱PT）是由Cisco公司發布，為學習思科網絡課程的初學者去設計、配置、排除網絡故障提供了網絡模擬環境。軟件包括相應的實驗儀器設備、實驗線纜以及實驗工具等。學者可以在軟件的圖形用戶界面上直接使用拖曳方法建立網絡拓撲，觀察數據在網絡中的實時傳輸情況，非常方便學生理解網絡相關協議和技術概念。

2 當今地方高校實驗教學存在的問題

（1）實驗設備設施建設不均勻、更新慢

近些年來，很多地方高校的實驗教學條件有了相當大的改善，然而仍然存在實驗設備不足，設備陳舊、老化、線纜經常接觸不良等現象。還有的設備則利用率不高，多數時間被閑置。而利用率過高的設備，損耗高，更新的成本比較高，更新速度慢。

（2）理論教學與實驗教學脫節

以網絡工程專業學生為例，學生在學習了計算機網絡課程之后，基本掌握計算機網絡體系結構、網絡系統組成及工作原理、網絡設備組成及工作原理、網絡應用以及網絡管理和網絡安全知識。但讓學生去構建一個簡單的網絡，分析數據包的傳輸過程，分析協議報文，學生卻無從下手。因此學生對網絡整體結構和功能實現缺乏透徹理解，缺少實踐操作。

（3）實驗教學模式缺乏創新

實踐技能是學生上崗的基礎，是就業的“敲門磚”。一些地方高校實驗教學過程中理論講授實驗原理占較長時間，往往是先由教師講解、演示，然后學生練習。開設的實驗也主要為演示型、驗證性實驗，設計性、研究性、綜合性的實驗較少。學生對于實驗缺乏學習積極性，實驗教學的創新動力不足。

3 虛擬仿真軟件在實驗課程教學中的優勢

（1）降低“教”與“學”的成本

網絡工程實訓課要求學生模擬中小型企業局域網的組網，對其核心設備：交換機和路由器進行配置與管理。課程教學中，需要專門的計算機網絡實驗室，假設有班級有45人，需要學生電腦和教師電腦46臺，路由器和交換機設備45臺左右，需要安放實驗設備的機柜6臺左右，布線設備若干。日常網絡設備的維護也需要代價，因此實驗室造價也是比較高的。而且學生如果想做實驗，也必須要到實驗室，不利于學生課下對知識的鞏固復習。

（2）創新了實驗教學模式

采用虛擬仿真軟件，一方面可以減少網絡設備的損耗，節約開支。學生能在 Windows 系列的所有操作系統下安裝PT，軟件對機器的硬件環境的要求并不高，虛擬的實操環境打破了時間和地域的限制，方便了學生的課后學習。另一方面教師在講解完一些基本內容和實踐性較強的內容如各層協議的功能、特性、組成、報文格式、協議工作過程以及實現該層功能的主要技術后。學生利用PT軟件模擬模式，可以通過生動的Flash動畫來觀察數據包的傳輸過程，能很清楚地看到數據包的傳輸路線，查看數據包的每一層協議封裝的內容。學生可以手動控制數據包的每一跳，每一個動作，清楚地看到數據包的詳細格式，包括源地址，目的地址等內容。這就加深了學生對理論知識的理解，這是實際網絡環境所不具備的。

（3）避免了實際網絡環境的風險

在虛擬仿真軟件PT中能方便快捷地進行網絡拓撲搭建，還可以通過設備端口指示燈的顏色驗證連線是否正確，而在實際設備中，網絡環境的構建可能因為各種各樣原因都會導致實驗失敗，而且排查故障的難度也比較大。PT虛擬仿真環境中，教師們無須擔心設備損壞費用及學生的操作不當帶來的各種問題，同時又可以使學生學習到組網的知識并身臨其境地進行操作。

4 PT軟件在網絡工程實訓課程中的應用

通過 Packet Tracer，可以監控數據傳輸，幫助初學者觀察實施網絡的運行情況，從而幫助初學者全面了解計算機網絡通信的具體操作。

如圖1，在模擬軟件工作區拖入交換機2950-24一臺，兩臺PC機，分別配置，PC1的IP地址為192.168.1.1；PC2的IP地址為192.168.1.2。

圖1 PT軟件搭建網絡拓撲

在實時模式下，類似于在實際網絡環境中，使用ping命令測試網絡的連通性，我們可以看到的結果如下圖2所示。

圖2 實時模式下測試連通性示例

這里我們只能看到響應報文的信息。如果想更直觀觀察數據傳輸過程，我們可以首先切換到simulation模式。然后在PC1的cmd界面，輸入ping命令。看到PC1右下角出現了信封標志，代表數據包。右側會有事件列表對話框。

接著，我們點擊Auto Capture可以自動捕獲數據傳輸過程中的ICMP報文。如下圖4所示。

這時，雙擊信封圖標，可以看到具體的數據包信息。源地址，目的地址，哪一層的報文等。如圖5所示。

圖3 模擬模式下事件列表示例

圖4 數據傳輸中捕獲ICMP報文

圖5 數據包具體信息

5 總結

現在很多高校已經普遍應用虛擬仿真軟件，一些中小學也正在建設自己的虛擬仿真實驗教學中心。虛擬仿真實驗教學已成為老師重要的教學方式。虛擬仿真實驗教學可以增加課堂活躍性，借助多媒體技術，模擬動畫等形式讓抽象的實驗過程形象逼真演示出來，有助于激發學生的自主實驗興趣，吸引學生的注意力，提升教學效果。虛擬仿真教學軟件的出現，突破了實驗教學對客觀條件的依賴性，順應了當前網絡教學等趨勢，成為教師教學和學生學習的得力工具。

當然，虛擬仿真實驗教學雖然有優勢，但是要達到最好的實驗教學效果，還是需要和真實實驗環境相結合。畢竟，高校畢業生，最終要走向各個企業，面向的是實際的網絡設備，所以學生需要能在真實網絡環境中進行計算機操作維護，計算機局域網的設計、安裝、調試。因此，虛擬仿真實驗教學和實際網絡環境相結合是一些地方性院校實驗教學比較合適的方式。