職教本科背景下基于虛擬仿真實驗平臺的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)重構(gòu)

摘要：本文針對職業(yè)本科教育培育具有較高理論素養(yǎng)的創(chuàng)造型技術(shù)技能人才的需求和傳統(tǒng)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)課程的教學(xué)無法滿足人才培養(yǎng)要求之間的矛盾，提出要以虛擬仿真實驗平臺為主要教學(xué)載體，采用虛實結(jié)合的線上+線下混合式教學(xué)模式，對計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重構(gòu)設(shè)計，并以“代理HTTPS流量分析”實驗為例，介紹了該虛擬仿真實驗平臺的應(yīng)用方法。實踐表明，使用虛擬仿真實驗平臺進(jìn)行教學(xué)，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：職業(yè)本科；虛擬仿真實驗平臺；計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)；教學(xué)重構(gòu)；混合式

中圖分類號：G434"文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A"論文編號：1674-2117（2025）01-0108-05

引言

《中華人民共和國職業(yè)教育法》（以下簡稱“新職教法”）強(qiáng)調(diào)“統(tǒng)籌推進(jìn)職業(yè)教育與普通教育協(xié)調(diào)發(fā)展”。[1]和普通本科教育不一樣，職業(yè)本科教育人才培養(yǎng)的邏輯起點是產(chǎn)業(yè)的具體需求，教育內(nèi)容和職業(yè)崗位緊密相聯(lián)，力求培養(yǎng)出更多具備實踐能力和創(chuàng)新能力的高素質(zhì)技能型人才。

高等職業(yè)教育人才培養(yǎng)的基本邏輯是以生產(chǎn)實踐問題為先導(dǎo)，以解決生產(chǎn)中出現(xiàn)的工藝問題、操作問題為目標(biāo)來組織理論知識的學(xué)習(xí)、操作技能的訓(xùn)練。[2]從企業(yè)技能大師的成長經(jīng)歷中能看出，學(xué)校和企業(yè)在培養(yǎng)復(fù)合型技能人才的過程中有著明確的育人分工：學(xué)校通過正規(guī)化的師資隊伍、系統(tǒng)化的課程體系、科學(xué)化的教學(xué)安排為學(xué)生構(gòu)筑職業(yè)能力的知識、技能和素質(zhì)“大廈”；企業(yè)則通過真實的工作環(huán)境幫助學(xué)生建構(gòu)對工作的完整認(rèn)識。

教育部發(fā)布的《關(guān)于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)的通知》[3]和《關(guān)于開展國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)工作的通知》[4]明確指出，國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目的教學(xué)理念是：注重以學(xué)生為中心，注重對學(xué)生社會責(zé)任感、創(chuàng)新精神、實踐能力的綜合培養(yǎng)，調(diào)動學(xué)生參與實驗教學(xué)的積極性和主動性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和潛能，增強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)造能力。這一教學(xué)理念與職業(yè)本科教育人才培養(yǎng)的邏輯起點是一致的。

建設(shè)背景與現(xiàn)狀

1.建設(shè)背景

實驗實訓(xùn)教學(xué)是高等職業(yè)教學(xué)過程中不可或缺的重要環(huán)節(jié)。在職業(yè)本科的教學(xué)中，學(xué)生往往需要在掌握學(xué)科理論知識的基礎(chǔ)上，通過一系列的項目實驗實訓(xùn)操作，對理論知識進(jìn)行理解和消化。同時通過實驗實訓(xùn)操作，掌握對應(yīng)崗位所必需的職業(yè)操作技能。

傳統(tǒng)工科的實驗教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生的知識素養(yǎng)和技能素養(yǎng)方面發(fā)揮著重要的作用，但也存在以下不足：

①由于部分學(xué)校或?qū)嶒炇沂苜Y金、場地等方面的限制，很多實驗課程內(nèi)容多年未變，與當(dāng)前產(chǎn)業(yè)使用的核心技術(shù)脫節(jié)嚴(yán)重，高職學(xué)生無法從實驗中獲取關(guān)鍵專業(yè)技能，學(xué)生學(xué)習(xí)意愿降低，實驗效果差。

②傳統(tǒng)的實驗教學(xué)以教師演示、學(xué)生重復(fù)操作為主，實驗內(nèi)容不具有可擴(kuò)展性，無法調(diào)動學(xué)生的自主性和創(chuàng)新性。

③實驗室的設(shè)備和儀器資源有限，無法同時滿足上課學(xué)生的需求。部分學(xué)生只能觀看而無法親自動手操作，整體學(xué)習(xí)效果較差。

虛擬仿真實驗教學(xué)是依托數(shù)字技術(shù)、VR技術(shù)、數(shù)據(jù)庫和大數(shù)據(jù)技術(shù)等，構(gòu)建與真實生產(chǎn)環(huán)境高度相似的實驗環(huán)境進(jìn)行教學(xué)，它可以為學(xué)生提供更加真實的實踐體驗，幫助學(xué)生提高實踐操作能力，為未來的職業(yè)發(fā)展打下堅實基礎(chǔ)。相對于傳統(tǒng)的實驗教學(xué)，它具有以下優(yōu)點：

①虛擬仿真實驗教學(xué)無需購買大量的實驗耗材，有效地降低了實驗室建設(shè)成本，并可以以實際產(chǎn)業(yè)需求為導(dǎo)向，結(jié)合當(dāng)前先進(jìn)生產(chǎn)實踐中的問題來設(shè)計仿真的實驗案例，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和潛能。[5]

②虛擬仿真實驗教學(xué)可以根據(jù)學(xué)情分析設(shè)計一整套由淺入深的從基礎(chǔ)型到綜合型再到創(chuàng)新型的案例，滿足所有學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，并引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探索式和個性化學(xué)習(xí)。

③虛擬仿真實驗平臺借助虛擬化技術(shù)，將服務(wù)器的硬件資源進(jìn)行共享，能夠支持大量學(xué)生在任何時間、任何地點同時訪問和學(xué)習(xí)，進(jìn)而滿足學(xué)校的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)需求。[6]

2.計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教學(xué)現(xiàn)狀

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ)是計算機(jī)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)平臺課程，主要講授網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)知識，包括網(wǎng)絡(luò)的基本概念和術(shù)語、網(wǎng)絡(luò)的組成、交換/路由技術(shù)、TCP/IP協(xié)議簇等內(nèi)容，為學(xué)生理解基本網(wǎng)絡(luò)打下基礎(chǔ)。教師在授課過程中通常采用以下兩種模式。

一是，通過購置服務(wù)器、路由器、交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備搭建一個用于授課實訓(xùn)使用的小型網(wǎng)絡(luò)實驗室。學(xué)生在真實的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上動手操作實驗，了解路由器、交換機(jī)等設(shè)備的工作原理和性能特點，以便未來更好地適應(yīng)職場環(huán)境。但傳統(tǒng)實驗室投資較大，學(xué)生的使用受到時間和空間的嚴(yán)格限制，而且隨著新技術(shù)、新成果的不斷涌現(xiàn)，傳統(tǒng)實驗室無法進(jìn)行及時的更新和改造。

二是，利用PacketTracer或eNSP等開源仿真軟件輔助教學(xué)。學(xué)生在開源軟件設(shè)置的虛擬環(huán)境下搭建網(wǎng)絡(luò)，觀察網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行情況，并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)環(huán)境配置。此外，開源仿真軟件提供了實驗指導(dǎo)、網(wǎng)絡(luò)模板和示例拓?fù)涞冉逃Y源，幫助學(xué)生更好地學(xué)習(xí)和應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)知識。然而，在開源軟件中很難實現(xiàn)對學(xué)生的管理、對實驗報告的批閱及管理，以及對學(xué)生學(xué)習(xí)效果的評價，且開源仿真軟件和實際生產(chǎn)環(huán)境之間存在很多的不同。

3.建設(shè)必要性

根據(jù)以上背景及現(xiàn)狀，針對新職教法中職業(yè)本科教育培育具有較高理論素養(yǎng)的創(chuàng)新型技術(shù)技能人才的需求和傳統(tǒng)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ)課程的教學(xué)無法滿足人才培養(yǎng)要求之間的矛盾，筆者所在學(xué)校以現(xiàn)代信息技術(shù)學(xué)院與某企業(yè)聯(lián)合建設(shè)的虛擬仿真實驗平臺為主要教學(xué)載體，秉持開放式教學(xué)、數(shù)字技術(shù)引領(lǐng)、教學(xué)資源共享的原則，支持學(xué)生自主學(xué)習(xí)、泛在式學(xué)習(xí)，支持教師開展虛擬仿真教學(xué)探索，鼓勵不同學(xué)科之間加強(qiáng)資源合作共享，在很大程度上助推了高校實驗教學(xué)改革，對培養(yǎng)高質(zhì)量的技能型人才起到了推動作用。[7]

虛擬仿真實驗平臺的設(shè)計與建設(shè)

1.虛擬仿真實驗平臺功能

虛擬仿真實驗平臺采用軟硬一體化設(shè)備，軟件采用了B/S架構(gòu)，實現(xiàn)了教學(xué)管理、虛擬仿真、項目實訓(xùn)、技能評測等功能，以知識點為核心通過知識脈絡(luò)對基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容、項目實訓(xùn)、技能測評等多個方面實現(xiàn)關(guān)聯(lián)，從而為教師提供一體化的教學(xué)解決方案。[8]

2.平臺整體架構(gòu)

該虛擬仿真實驗平臺由平臺基礎(chǔ)層、服務(wù)支撐層和功能層構(gòu)成，整體架構(gòu)如下頁圖1所示。

基礎(chǔ)層承載了所有的虛擬主機(jī)，復(fù)用計算資源，包含了實體物理設(shè)備和虛擬化設(shè)備。實體物理設(shè)備包含串口服務(wù)器、SDN交換機(jī)、存儲服務(wù)器和磁盤陣列等，而虛擬化設(shè)備則包括了OpenStack、自研探針應(yīng)用、虛擬路由器、虛擬交換機(jī)等常見網(wǎng)絡(luò)及安全設(shè)備。[9]

服務(wù)支撐層為實驗平臺提供了必要的系統(tǒng)功能和支持服務(wù)，其中包括用戶管理、權(quán)限控制、教學(xué)資源更新、遠(yuǎn)程指導(dǎo)和數(shù)據(jù)分析等功能。

功能層提供了從教學(xué)方案到能力評估的全流程教學(xué)管理、課程管理、考試管理等支持，并基于云支撐、硬件虛擬和軟件仿真構(gòu)建虛擬仿真實驗平臺，實驗課程完成場景化設(shè)計，滿足實驗過程性驗證和虛擬化行為的精準(zhǔn)匹配分析。

除上述功能以外，虛擬仿真實驗平臺還具備以下功能：支持管理員、教師和學(xué)生等不同用戶角色的自定義權(quán)限設(shè)置；針對不同行業(yè)和崗位可訂制專業(yè)的課程學(xué)習(xí)指導(dǎo)路線；業(yè)務(wù)應(yīng)用具有高擴(kuò)展性，可以根據(jù)實際的需求進(jìn)行功能擴(kuò)展和升級。

3.系統(tǒng)功能分類

虛擬仿真實驗平臺在功能上由用戶與權(quán)限管理、課程資源管理、實驗設(shè)計與管理、數(shù)據(jù)分析與評估、師生互動管理等五個子系統(tǒng)組成，平臺的功能框架如圖2所示。

用戶與權(quán)限管理子系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理教師和學(xué)生的賬號和權(quán)限，確保平臺的安全性和合規(guī)性。教師賬戶可以設(shè)置課程表內(nèi)容并能夠快速排課，學(xué)生賬戶則擁有查看課程表、學(xué)習(xí)課程內(nèi)容和提交作業(yè)等的權(quán)限。

課程資源管理子系統(tǒng)可以管理整個平臺的課程資源，包括課程庫、習(xí)題庫、虛擬仿真元件庫等。用戶可以通過該子系統(tǒng)方便地查找和使用資源，進(jìn)行在線學(xué)習(xí)測試。

實驗設(shè)計與管理子系統(tǒng)可以對用戶的整個實驗過程進(jìn)行監(jiān)控和管理，確保實驗過程安全和順利進(jìn)行。同時，它也記錄用戶實驗時調(diào)取和釋放虛擬機(jī)資源的整個過程。

數(shù)據(jù)分析與評估子系統(tǒng)對學(xué)生的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和評估，生成實驗報告和統(tǒng)計結(jié)果。教師可以通過該子系統(tǒng)了解實驗效果和學(xué)習(xí)成果，為后續(xù)課程教學(xué)提供學(xué)情分析參考。

師生互動管理子系統(tǒng)可以讓學(xué)生在任何時間和地點都能向教師提出學(xué)習(xí)中的疑問，教師可以通過線上答疑、系統(tǒng)留言、遠(yuǎn)程操作等方式為學(xué)生解答疑問。

課程教學(xué)示例

1.教學(xué)總體規(guī)劃

基于虛擬仿真實驗平臺的混合式教學(xué)設(shè)計總體框架如圖3所示。

2.教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)

以計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ)課程中的“HTTP代理下HTTPS流量分析”實驗為例，本節(jié)實訓(xùn)課圍繞虛擬仿真實驗平臺展開，筆者對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了重構(gòu)設(shè)計。[10]

本實驗的教學(xué)目的是了解HTTP代理服務(wù)器的原理，了解HTTP服務(wù)器下訪問HTTPS站點流量的特點，掌握使用Wireshark工具解析HTTPS流量的方法。虛擬仿真實驗平臺可以提供一鍵式的環(huán)境搭建服務(wù)，讓學(xué)生避開煩瑣的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境搭建環(huán)節(jié)（包括tinyproxy的安裝配置和Wireshark的抓包配置等），迅速進(jìn)入實驗狀態(tài)，將精力主要集中在分析網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包和理解HTTPS的流量特點上。同時，學(xué)生可以在實驗過程中隨時更改配置命令、調(diào)整實驗參數(shù)、觀看實驗結(jié)果，實現(xiàn)和虛擬仿真實驗平臺的實時交互。具體教學(xué)如下：

①課前，教師根據(jù)前序課程作業(yè)批改和任務(wù)完成情況得到的學(xué)情分析，在平臺上向不同層次的學(xué)生推送與HTTPS流量分析相關(guān)的線上視頻教程，并以“組內(nèi)有別，組間相似”為原則將學(xué)生分組，以小組為單位下發(fā)調(diào)查問卷和課前任務(wù)，學(xué)生在小組討論后提交課前任務(wù)文件。

②課中，在教師對本堂課的重難點知識內(nèi)容（瀏覽器代理的概念、Wireshark的使用和HTTPS流量的特點等）講解后，學(xué)生使用虛擬仿真實驗平臺展開實驗。在實驗過程中，學(xué)生首先根據(jù)實驗指導(dǎo)手冊提供的拓?fù)浣Y(jié)果完成虛擬的物理布線并申請?zhí)摂M環(huán)境（如圖4）。然后，學(xué)生根據(jù)指導(dǎo)手冊完成代理服務(wù)器參數(shù)配置、Wireshark抓包處理、HTTP流量過濾、HTTPS密鑰設(shè)置等操作。最后，學(xué)生將捕獲的報文截圖和HTTP頭部各個字段的內(nèi)容分析結(jié)果作為實驗報告提交。在完成基礎(chǔ)仿真實驗的前提下，教師也可以以小組為單位發(fā)布拓展實驗任務(wù)，通過小組間PK的形式激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

③課后，教師通過平臺發(fā)布課后作業(yè)，通過平臺智能判題功能，輔助手工批改進(jìn)行判分。學(xué)生完成課后在線知識與技能測試，借助在線課程資源、虛擬仿真實驗平臺進(jìn)行知識和技能的強(qiáng)化。教師根據(jù)在實驗平臺上的學(xué)習(xí)軌跡和理論測驗情況，關(guān)注教學(xué)全員全過程的信息采集，統(tǒng)計課中、課后理論和技能測試較課前的達(dá)成度。

教學(xué)實效

本虛擬仿真實驗平臺系統(tǒng)在完成建設(shè)和驗收后正式投入教學(xué)使用，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)2361班的“計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ)”及后續(xù)的“局域網(wǎng)與無線網(wǎng)絡(luò)”課程均圍繞著該虛擬仿真實驗平臺展開。相比較之前的單機(jī)版仿真軟件+課堂講解模式，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣大大增強(qiáng)，學(xué)習(xí)效果有了明顯的提升。

課后問卷調(diào)查顯示，在讀期間已報名或有意愿參加CCNA思科認(rèn)證網(wǎng)絡(luò)支持工程師考試和計算機(jī)技術(shù)與軟件專業(yè)技術(shù)資格考試（網(wǎng)絡(luò)方向）的學(xué)生人數(shù)相較上一年度也有了明顯的增加。畢業(yè)后愿意從事計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全、運(yùn)維、集成方向的學(xué)生數(shù)量也有增多。

結(jié)語

圍繞虛擬仿真實驗平臺展開課堂教學(xué)，不僅拓展了實驗內(nèi)容的廣度和深度，全面保障了實驗教學(xué)的安全性，將人才培養(yǎng)始終置于真實的職場環(huán)境中，滿足了新時代高素質(zhì)技能型人才培養(yǎng)的需要，還提升了課程的教學(xué)質(zhì)量，降低了教學(xué)成本，培養(yǎng)了高職學(xué)生的創(chuàng)新能力和實踐能力。

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[3]中華人民共和國教育部.教育部辦公廳關(guān)于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)的通知[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201707/t20170721_309819.html.

[4]中華人民共和國教育部.教育部關(guān)于開展國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)工作的通知[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201806/t20180607_338713.html.

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第一作者簡介：袁捷（1982—），男，浙江杭州人，高級工程師，碩士，現(xiàn)代信息技術(shù)學(xué)院實驗實訓(xùn)教研室主任，主要研究方向為計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、實驗室建設(shè)與實驗教學(xué)。

基金項目：浙江省高等教育學(xué)會2024年度高教研究課題（一般）“職教本科背景下的基于虛擬仿真實驗平臺教學(xué)項目建設(shè)與管理研究——以《計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ)》為例”（KT2024212）；2024年度浙江省青少年和青少年工作研究課題“‘大思政課’背景下新時代大學(xué)生中醫(yī)藥文化認(rèn)同及話語體系構(gòu)建研究”（ZQ2024074）。