虛擬教學(xué)在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程中應(yīng)用

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摘要：本文通過對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的應(yīng)用研究，以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程中《跨交換機(jī)VLAN通信》實(shí)驗(yàn)為例，利用PacketTracer虛擬仿真軟件，采用案例驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)的方式通過引入案例、分析案例、解決方案、自主學(xué)習(xí)、基本步驟、實(shí)驗(yàn)測(cè)試及結(jié)果等，詳細(xì)講解虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程中的應(yīng)用。實(shí)踐證明，利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，通過形象、直觀、生動(dòng)的圖形界面化操作，方便學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握，有助于提高教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；PacketTracer；計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)

0引言

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的必修課程，重在培養(yǎng)學(xué)生利用計(jì)算機(jī)解決實(shí)際網(wǎng)絡(luò)通信問題的能力。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程中重要環(huán)節(jié)，現(xiàn)有計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容過于陳舊，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)資源受限，教學(xué)效果不佳[1-2]。近年來虛擬仿真實(shí)驗(yàn)作為一種新的實(shí)驗(yàn)手段，有效補(bǔ)充傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果和質(zhì)量，同傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)有機(jī)和虛實(shí)結(jié)合，從而克服傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中一直存在的一些缺點(diǎn)和不足[3]。將虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)融入到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程，并進(jìn)行深入應(yīng)用研究具有重要的實(shí)際意義。

1計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)

通過實(shí)驗(yàn)操作，使學(xué)生進(jìn)一步加深了對(duì)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)原理的認(rèn)識(shí)與理解，鞏固課堂教學(xué)內(nèi)容，提高學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力及創(chuàng)新能力。

1.1虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)特點(diǎn)

（1）通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程和原理不易展示的不足，提供圖形化界面，學(xué)生易操作，幫助學(xué)生理解和掌握實(shí)驗(yàn)的過程、原理和結(jié)果。（2）利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境，可以配置大量的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)容易調(diào)整和控制，學(xué)生可以利用軟件完成復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與設(shè)計(jì)，不用考慮實(shí)驗(yàn)硬件條件不足等因素。

1.2實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程主要有網(wǎng)絡(luò)基本概念、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、TCP/IP協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用及網(wǎng)絡(luò)安全等內(nèi)容，有的理論知識(shí)較難理解,不通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證很難真正理解其工作原理等。實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)，不能照搬計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的原有實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，需要教師對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容熟練掌握，同時(shí)根據(jù)教學(xué)大綱及學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)知識(shí)所掌握程度進(jìn)行重新規(guī)劃設(shè)計(jì)。

1.3實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

我校網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》課程為56學(xué)時(shí)，理論教學(xué)40學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)16學(xué)時(shí)，擬設(shè)置8個(gè)獨(dú)立實(shí)驗(yàn)，分別為驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)、綜合型實(shí)驗(yàn)；把計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)按模塊分為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成實(shí)驗(yàn)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器實(shí)驗(yàn)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)驗(yàn)，如表1所示。

2虛擬仿真技術(shù)介紹

2.1虛擬仿真技術(shù)

虛擬仿真技術(shù)又稱虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，是指由計(jì)算機(jī)生成特定的模擬環(huán)境，并通過專用設(shè)備令用戶仿佛置身于這個(gè)環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)用戶和該模擬情境直接進(jìn)行交互的技術(shù)[4]。虛擬仿真技術(shù)主要特點(diǎn)：（1）沉侵性：虛擬仿真技術(shù)所設(shè)計(jì)的虛擬環(huán)境以現(xiàn)實(shí)環(huán)境為基礎(chǔ)，可以模擬出具有真實(shí)環(huán)境的場(chǎng)景，使我們感覺身臨其境，在這樣的環(huán)境中可以增強(qiáng)學(xué)生的好奇心，激發(fā)求知欲。（2）交互性：虛擬仿真技術(shù)為學(xué)生提供一個(gè)理想的虛擬實(shí)操環(huán)境，同時(shí)與學(xué)生產(chǎn)生互動(dòng)，進(jìn)行交流，通過相互作用，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)事物的感知和認(rèn)知能力。

2.2CiscoPacketTracer仿真軟件

思科公司的PacketTracer軟件，為用戶提供了網(wǎng)絡(luò)模擬環(huán)境，可以滿足《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》課程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求?？梢詭椭?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)專業(yè)的學(xué)生發(fā)展自主學(xué)習(xí)技能，鍛煉創(chuàng)造性和批判性思維，解決問題。同時(shí)該軟件可以支持多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，還能支持ARP、HDLC、IPv6等協(xié)議，另外，它還能支持各種型號(hào)的路由器、交換機(jī)、服務(wù)器和電纜等[5]。

3思科模擬器在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

本文利用PacketTracer虛擬仿真軟件7.2版本，以《跨交換機(jī)VLAN通信》實(shí)驗(yàn)為例，采用案例驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)的方式通過引入案例、分析案例、解決案例、工程項(xiàng)目，介紹虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程中的應(yīng)用。

3.1實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)

通過引入案例、分析案例了解VLAN的原理與作用，根據(jù)案例需求由淺入深逐步實(shí)施解決方案，其中的知識(shí)點(diǎn)包括在交換機(jī)上劃分VLAN、跨交換機(jī)實(shí)現(xiàn)VLAN劃分、驗(yàn)證802.1Q標(biāo)準(zhǔn)MAC幀格式、驗(yàn)證屬于同一VLAN的終端之間的通信過程。讓學(xué)生獨(dú)立完成整個(gè)實(shí)施過程，真正讓知識(shí)得到融會(huì)貫通，提高學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力。

3.2實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施過程

（1）實(shí)驗(yàn)案例。某公司有人事處和財(cái)務(wù)處2個(gè)部門若干臺(tái)主機(jī)分布于不同物理位置，分布于2臺(tái)交換機(jī)上，部門之間主機(jī)不能互相通信。（2）分析案例。2個(gè)部門的計(jì)算機(jī)，在同一個(gè)VLAN中，同時(shí)又不在一個(gè)交換機(jī)的主機(jī)，可以在交換機(jī)上配置連接端口設(shè)置為Trunk，實(shí)現(xiàn)跨交換機(jī)的VLAN通信。（3）解決方案。人事處劃分VLAN2，財(cái)務(wù)處劃分VLAN3，具體規(guī)劃如表2所示，跨交換機(jī)VLAN通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示：（4）自主學(xué)習(xí)。學(xué)生通過對(duì)項(xiàng)目案例的分析及解決方案的學(xué)習(xí)，通過虛擬仿真軟件進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)操作，理解掌握實(shí)驗(yàn)原理、完成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、命令配置、運(yùn)行測(cè)試等操作。提高學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力。（5）基本步驟。以配置SW1交換機(jī)為例，在交換機(jī)上創(chuàng)建VLAN2和VLAN3,1,2,3號(hào)端口設(shè)置成為access端口，將SW1與SW3相連的端口配置成trunk類型，主要配置如下：（6）實(shí)驗(yàn)測(cè)試及結(jié)果。學(xué)生根據(jù)仿真操作完成驗(yàn)證測(cè)試，本例使用“模擬模式”，通過生動(dòng)的Flash動(dòng)畫來表現(xiàn)MAC幀的傳輸過程，人事處主機(jī)1發(fā)送MAC幀到人事處主機(jī)3，經(jīng)過交換機(jī)SW1端口4時(shí)，輸出時(shí)產(chǎn)生變化，攜帶VLAN2對(duì)應(yīng)的VLANID（2），如圖2所示，TCI=0x0002表示VLANID=2。因?yàn)槿耸绿幹鳈C(jī)3所屬VLAN2，2臺(tái)主機(jī)同屬一個(gè)VLAN，經(jīng)過測(cè)試，可以實(shí)現(xiàn)跨交換機(jī)通信。

4總結(jié)

本文以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)課程中《跨交換機(jī)VLAN通信》為例，利用思科模擬仿真軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，采用案例驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)的方式通過引入案例、分析案例、解決方案、自主學(xué)習(xí)、基本步驟、實(shí)驗(yàn)測(cè)試及結(jié)果等，講解虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程中的應(yīng)用。通過項(xiàng)目案例教學(xué)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣；通過學(xué)生自主學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性、積極性、創(chuàng)造性，使抽象的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)理論知識(shí)變得容易理解和掌握，這對(duì)學(xué)生綜合應(yīng)用能力的提高以及實(shí)踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)有極大的促進(jìn)作用[6]。同時(shí)，利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，通過形象、直觀、生動(dòng)的圖形界面化操作，方便學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握，有助于提高教學(xué)效果。

作者:魯曉帆 單位:吉林建筑科技學(xué)院