丁沂（武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院 湖北 武漢 430205）

虛擬實驗：高職計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的新探索*

丁沂
（武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院 湖北 武漢 430205）

激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基本概念和理論的興趣是一件非常困難的事情，因為很多學(xué)生認(rèn)為這門課程非常技術(shù)化、枯燥乏味。然而，這些基本概念和理論是學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)網(wǎng)絡(luò)課程的必要基礎(chǔ)，又必須學(xué)好。為解決這一難題，筆者用Packet Tracer和Virtual Machine這兩款網(wǎng)絡(luò)虛擬平臺設(shè)計了一些虛擬實驗，應(yīng)用于高職計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的課堂教學(xué)實踐中，收到了較好的效果。

高職；虛擬實驗；計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)；評價；李克特量表

高職計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程包含很多抽象的概念和理論，學(xué)生感到學(xué)起來比較困難，教師教學(xué)難度很大。往往是教師講的越多，學(xué)生越困惑，長此以往，學(xué)生就慢慢失去了學(xué)習(xí)這門課的興趣。筆者發(fā)現(xiàn)，在講授這門課程的過程中，如果能讓學(xué)生自己動手做一些虛擬實驗，如組建一個網(wǎng)絡(luò)、安裝和配置一臺服務(wù)器、分配用戶訪問文件和目錄的權(quán)限等等，并同時講解實驗過程，解釋實驗現(xiàn)象，分析實驗數(shù)據(jù)，而不是空洞地講解理論，學(xué)生的學(xué)習(xí)效果會明顯提高，學(xué)習(xí)積極性也會增強(qiáng)。這種觀點也得到了很多文獻(xiàn)的支持。圍繞Packet Tracer和Virtual Machine兩款網(wǎng)絡(luò)虛擬平臺，筆者設(shè)計了一些虛擬實驗作為課堂講解的材料，也可作為學(xué)生課后練習(xí)的資料，學(xué)生評價較高。

虛擬實驗的硬件、軟件和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境

我校計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)專業(yè)的每個實驗室都有50臺高性能PC機(jī)，能同時供49名學(xué)生和1名教師使用。這些PC機(jī)通過高速交換機(jī)相互連接，每臺都裝有微軟Windows XP操作系統(tǒng)以及Packet Tracer和Virtual Machine網(wǎng)絡(luò)虛擬平臺，都配置相同網(wǎng)段的IP地址、相同的子網(wǎng)掩碼、默認(rèn)網(wǎng)關(guān)和DNS，構(gòu)成了一個小型的局域網(wǎng)絡(luò)并且和因特網(wǎng)相連，如圖1所示。

Packet Tracer和Virtual Machine兩款虛擬網(wǎng)絡(luò)平臺是完成本文所述虛擬實驗不可缺少的工具，它們的功能相互補(bǔ)充。Packet Tracer主要模擬網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋱D、交換、路由和網(wǎng)絡(luò)測試，而Virtual Machine主要用來模擬網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、通信和測試。如按照OSI七層模型來劃分，則Packet Tracer模擬網(wǎng)絡(luò)層的工作，Virtual Machine模擬主機(jī)層的工作，如圖2所示。需要特別指出的是，Packet Tracer和Virtual Machine是兩個不同公司開發(fā)的軟件，二者無論是在同一臺物理機(jī)中還是在不同的物理機(jī)之間都是不能相互通信的。它們只能通過真實的物理機(jī)器平臺和真實的網(wǎng)絡(luò)硬件平臺來實現(xiàn)相互通信。

一個虛擬實驗案例

實驗的拓?fù)鋱D 圖3是使用Packet Tracer構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，圖中有三個不同的網(wǎng)絡(luò)或子網(wǎng)。PC1和PC2在左邊的子網(wǎng)中，通過交換機(jī) Switch0和路由器Router0連接，PC3和PC4位于右邊的子網(wǎng)中，通過交換機(jī)Switch1和路由器Router1相連，兩個子網(wǎng)通過Router0和Router1連接。圖4是根據(jù)圖3應(yīng)用Virtual Machine構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，在Virtual Machine中沒有交換機(jī)和路由器這樣的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，但是根據(jù)硬件和軟件邏輯等價性原則，可以使用裝有 Windows Server 2003的 Virtual Machine來充當(dāng)路由器，至于網(wǎng)段的劃分可以根據(jù) Virtual Machine的網(wǎng)絡(luò)接口卡的IP地址來確定。

實驗的內(nèi)容和目的這個實驗的主要目的是教會學(xué)生如何構(gòu)造一個小型的局域網(wǎng)絡(luò)，理解局域網(wǎng)通信的過程和原理。主要教學(xué)內(nèi)容和目標(biāo)有：（1）對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行規(guī)劃，會選擇合適的終端和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以及線纜構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)。（2）配置終端接口、路由器接口以及服務(wù)器接口的IP地址和子網(wǎng)掩碼。（3）配置路由表，使整個網(wǎng)絡(luò)達(dá)到連通狀態(tài)。（4）使用Ping命令測試網(wǎng)絡(luò)。（5）理解局域網(wǎng)通信的過程。（6）理解ARP、ICMP、CSMA/CD以及網(wǎng)關(guān)在網(wǎng)絡(luò)通信中的作用。（7）理解交換機(jī)和路由器的工作原理以及在網(wǎng)絡(luò)通信中的作用。

實驗的組織和管理 在實驗開始時，教師介紹實驗的要求和目的，以及實驗使用的工具、方法和命令，然后由學(xué)生自己動手來完成實驗。學(xué)生可以獨自完成實驗也可以結(jié)對完成實驗。為了防止網(wǎng)絡(luò)上IP地址發(fā)生沖突，學(xué)生實驗所采用的IP地址可規(guī)定為192.168.X.0/24的形式，X為每個學(xué)生的序號，這樣不僅解決了IP地址的沖突問題，而且方便學(xué)生查找錯誤，使實驗?zāi)茼樌M(jìn)行。

實驗的數(shù)據(jù)分析和原理講解 本次實驗不僅要求學(xué)生掌握局域網(wǎng)的規(guī)劃、組建和配置，更重要的是讓學(xué)生理解局域網(wǎng)的通信原理，相同網(wǎng)段主機(jī)之間和不同網(wǎng)段主機(jī)之間通信的過程，網(wǎng)關(guān)、交換機(jī)和路由器的工作原理和作用，局域網(wǎng)通信的相關(guān)協(xié)議等概念知識。如果僅憑教師講解，學(xué)生是很難理解這些概念知識的。在這個實驗中，教師可以在PC1上向PC4發(fā)送一個數(shù)據(jù)包，讓學(xué)生觀察整個網(wǎng)絡(luò)通信的過程?？稍跀?shù)據(jù)包經(jīng)過每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點時把它截取下來進(jìn)行分析和講解。這樣讓學(xué)生不僅能掌握如何連通一個局域網(wǎng)絡(luò)，而且能知道網(wǎng)絡(luò)連通背后的“故事”。

實驗的評價 為了評價本次實驗的有效性，以匿名調(diào)查的形式，筆者在課堂上對這次實驗進(jìn)行了一次評估。筆者給學(xué)生提供一個問卷，問卷中包含了以下幾個問題：（1）在進(jìn)行這次實驗之前，你會組建和配置一個小型局域網(wǎng)絡(luò)嗎？（2）你認(rèn)為這個實驗容易嗎？（3）你能接受這樣的實驗教學(xué)嗎？（4）這個實驗是否能有效地幫你理解局域網(wǎng)通信的過程？（5）在這門課中你需要更多這樣的實驗嗎？（6）你愿意在課外時間做這樣的實驗嗎？

針對上述六個問題，李克特量表（Likert scale）被使用在問卷調(diào)查中，對于問題1～3，第一個刻度代表極差，第五個刻度代表極好；對于問題4～6，第一個刻度代表否，第五個刻度代表是。在一年的教學(xué)過程當(dāng)中，我校網(wǎng)絡(luò)專業(yè)86名大一學(xué)生完成了這個問卷調(diào)查，他們的回答結(jié)果統(tǒng)計圖如5所示。

通過問卷調(diào)查發(fā)現(xiàn)，虛擬實驗激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的熱情，他們比以往更加喜愛這門課程了。

對虛擬實驗教學(xué)的再思考

目前，虛擬技術(shù)在教學(xué)中得到了廣泛運(yùn)用，虛擬實驗和物理實驗的比較在很多文獻(xiàn)中都有闡述，它們各自有自己的優(yōu)缺點。除去經(jīng)濟(jì)因素，筆者在講授計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的過程中深深感受到虛擬實驗最大的好處是方便、靈活、安全、容易實施和擴(kuò)展，學(xué)生只要有一臺筆記本電腦并且安裝了這些虛擬軟件，無論在什么地方都可以進(jìn)行學(xué)習(xí)和實驗，從而擺脫了真實實驗環(huán)境的束縛，學(xué)習(xí)效果得到了很大提高。但是，在教學(xué)過程中筆者也發(fā)現(xiàn)，采用虛擬實驗講授計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程，一開始會增加學(xué)生的理解負(fù)擔(dān)，最關(guān)鍵的一點是要讓學(xué)生快速理解“機(jī)器中的機(jī)器，網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)”這一概念，讓學(xué)生具備虛擬學(xué)習(xí)的思維。學(xué)生完成虛擬實驗一般用兩種方式：（1）每個學(xué)生在一臺物理機(jī)上打開多個虛擬軟件獨立完成網(wǎng)絡(luò)實驗，這種實驗方式是通過一臺物理機(jī)來完成的，這種方式學(xué)生比較容易理解。（2）把一個實驗劃分為多個模塊，這些模塊分布在不同的物理機(jī)上，學(xué)生通過協(xié)同方式來完成實驗。這種實驗方式是通過多臺物理機(jī)和真實的網(wǎng)絡(luò)平臺來實現(xiàn)的，只要物理網(wǎng)絡(luò)連通，學(xué)生就可以在物理網(wǎng)絡(luò)里隨意組建虛擬網(wǎng)絡(luò)。學(xué)生對這種實驗方式通常理解得會慢一點。另外，學(xué)生最終要工作在一個真實的環(huán)境中，因此，還需在一個真實網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中來驗證學(xué)生在虛擬環(huán)境中所學(xué)到的知識。

綜上，筆者開發(fā)的這套虛擬實驗用在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課堂教學(xué)和學(xué)生的課后學(xué)習(xí)中，學(xué)生對這些實驗的評價令人鼓舞。這些評價表明該實驗方便、好用，能幫助學(xué)生更好地理解計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。在今后的教學(xué)中，筆者將開發(fā)出更多的虛擬實驗并完善相應(yīng)的評價體系，并將這種教學(xué)方法應(yīng)用在其他網(wǎng)絡(luò)課程的教學(xué)之中。

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G712

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1672-5727（2011）03-0169-02

丁沂（1979—），男，湖北武漢人，博士，武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院講師、工程師，研究方向為軟件工程與云計算。