童宇 趙薇
摘 要 在研究分析當(dāng)前我院實驗教學(xué)體系、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式的基礎(chǔ)上,依托學(xué)院網(wǎng)絡(luò)資源平臺,通過虛擬仿真技術(shù)設(shè)計了一個易操作的虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng),為學(xué)生提供了一個高技術(shù)含量的網(wǎng)絡(luò)工程實驗和測試平臺,引進(jìn)了先進(jìn)的教學(xué)手段,提高了學(xué)校網(wǎng)絡(luò)工程科研和教學(xué)應(yīng)用水平。
關(guān)鍵詞 虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng) 虛擬仿真技術(shù)
中圖分類號:G434 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A
0引言
我院正處于??葡虮究妻D(zhuǎn)型的重要時期,本科教育對實驗室的要求大幅提高,大規(guī)模添置新的設(shè)備、軟件的經(jīng)費投入和實驗室的運營維護(hù)成本都不容小覷,尤其是計算機學(xué)科的網(wǎng)絡(luò)工程類課程,實驗室建設(shè)都是以硬件設(shè)備為支撐,但是隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不斷的推陳革新,實驗教學(xué)要跟上理論發(fā)展的速度,就必須不斷地更新硬件設(shè)備,這將是一筆很大的投入。這些問題嚴(yán)重制約了本科實驗教學(xué)任務(wù)的順利開展。
針對本學(xué)院現(xiàn)階段的教學(xué)需求,本文前期以《計算機網(wǎng)絡(luò)》課程實踐教學(xué)為實驗藍(lán)本,采用虛擬仿真技術(shù),設(shè)計了一個基于WEB的網(wǎng)絡(luò)工程虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)。
1虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計
1.1系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)
將網(wǎng)絡(luò)工程類的實驗按內(nèi)容分成三大類:①網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析類:主要是面向計算機網(wǎng)絡(luò)原理、TCP/IP協(xié)議、通信協(xié)議分析等課程;②網(wǎng)絡(luò)組建管理類:主要是面向組網(wǎng)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)管理與維護(hù)、網(wǎng)站建設(shè)等課程;③網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化處理類:主要是面向網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與優(yōu)化、互聯(lián)網(wǎng)設(shè)計與實現(xiàn)等課程。
系統(tǒng)的前期設(shè)計主要針對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析類虛擬實驗,選用《計算機網(wǎng)絡(luò)》這門課程為藍(lán)本。因為此門課程概念多,協(xié)議多,會涉及到TCP/IP協(xié)議族從網(wǎng)絡(luò)層到應(yīng)用層的眾多協(xié)議。協(xié)議既復(fù)雜,又抽象,如何講解使學(xué)生學(xué)懂協(xié)議,是該課程講授中面臨的一個重要課題。傳統(tǒng)的講授方法主要使用課件講解協(xié)議的封裝格式以及實體之間的通信過程,使用動畫演示協(xié)議實體之間的交互過程,雖然這樣做,形象出了協(xié)議交互過程,但學(xué)生還是感覺比較抽象,他們心里也有疑問,實際的協(xié)議是不是這樣運動的?有的學(xué)生因此失去了學(xué)習(xí)計算機網(wǎng)絡(luò)課程的興趣。在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的講授中,把抽象的協(xié)議具體化、形象化是非常必要的。虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)應(yīng)以應(yīng)用、分析計算機網(wǎng)絡(luò)主流協(xié)議為主體實驗內(nèi)容,使同學(xué)們可以熟悉網(wǎng)絡(luò)基本協(xié)議、學(xué)習(xí)組網(wǎng)設(shè)計、模擬各類實際環(huán)境、排除網(wǎng)絡(luò)故障、通過多種工具軟件對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行分析等,同時親身體驗所設(shè)計網(wǎng)絡(luò)的高速連通性、高可靠冗余等特性,完成從認(rèn)識、熟悉到設(shè)計、排錯等多種實驗,熟練掌握網(wǎng)絡(luò)實用技術(shù)。
系統(tǒng)將實現(xiàn)以下目標(biāo):(1)將抽象的計算機網(wǎng)絡(luò)知識“形象化”;(2)對枯燥的理論內(nèi)容教學(xué)實現(xiàn)“互動化”;(3)將分散的技能點“集中化”交付;(4)教、學(xué)易管理。
1.2系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
本文提及的虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)采用的是由學(xué)生機瀏覽器、WEB服務(wù)器、教學(xué)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和后臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器組成的基于WEB的三層體系結(jié)構(gòu),如圖1所示。
圖1:虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
該實驗教學(xué)系統(tǒng)目前支持36臺學(xué)生機同時上機實驗,并可自由擴充;通過網(wǎng)絡(luò)分組切換器可以實現(xiàn)實驗成員的自由分組,同一組最多允許6臺學(xué)生機參與;系統(tǒng)提供5種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),學(xué)生可根據(jù)當(dāng)前的實驗內(nèi)容和分組情況自主選擇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),不需要改變物理網(wǎng)絡(luò)連接。
學(xué)生通過WEB登錄虛擬實驗系統(tǒng)后,首先根據(jù)當(dāng)前實驗的需要選取虛擬主機和路由器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,通過軟件自行設(shè)計網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),配置IP地址;然后將這些信息提交到WEB服務(wù)器,WEB服務(wù)器接收到學(xué)生的請求之后,通過分析網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D定制當(dāng)前實驗所需的網(wǎng)絡(luò)實驗環(huán)境(包括虛擬主機、虛擬網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備的建立,網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的配置等);最后學(xué)生再通過WEB的方式登錄這些分配的虛擬機進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)實驗。
1.3系統(tǒng)功能模塊設(shè)計
虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)是對實驗室進(jìn)行教學(xué)管理的平臺,包括用戶管理、實驗信息管理、教學(xué)資源管理、課后作業(yè)管理和學(xué)習(xí)交流五大功能模塊。
(1)在用戶管理模塊中設(shè)置了管理員、學(xué)生和教師三種角色,并對這三種角色的權(quán)限和功能進(jìn)行了設(shè)置。如管理員具有最高的管理權(quán)限,可以對教師和學(xué)生的賬號進(jìn)行分配和收回等;教師可以上傳教學(xué)資料、檢查學(xué)生實驗結(jié)果、在線指導(dǎo)等;學(xué)生可以申請實驗項目、提交實驗結(jié)果、自主設(shè)計實驗等。
(2)實驗信息管理模塊:支持36名學(xué)生同時進(jìn)行實驗,可以實現(xiàn)自由分組和任務(wù)分配。通過該模塊,學(xué)生可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)工程實驗,可以閱讀實驗要求、實驗原理和實驗步驟;當(dāng)一個課時結(jié)束實驗卻未完成時可以保留當(dāng)前實驗環(huán)境,以便下次實驗時快速恢復(fù)上一次的實驗環(huán)境繼續(xù)該實驗;實驗結(jié)束后可提交實驗結(jié)果供老師批閱。
(3)教學(xué)資源管理模塊主要用來管理教師上傳的學(xué)習(xí)資料,并提供下載功能。
(4)課后作業(yè)管理模塊主要用來生成跟本堂課內(nèi)容相關(guān)的實驗項目,并提供實驗環(huán)境,保留實驗結(jié)果,教師可以在學(xué)生提交的課后作業(yè)里選擇查看和批注。
(5)學(xué)習(xí)交流模塊給學(xué)生提供了一個交流學(xué)習(xí)的平臺,學(xué)生之間可以相互交流實驗過程中遇到的問題和解決方法,老師也可以通過登錄該平臺給學(xué)生進(jìn)行在線答疑。
2基于虛擬實驗的教學(xué)模式改革
2.1實驗教學(xué)內(nèi)容改革
系統(tǒng)的前期設(shè)計主要針對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析類虛擬實驗,以《計算機網(wǎng)絡(luò)》實踐教學(xué)為藍(lán)本,實驗內(nèi)容涵蓋了本科教學(xué)期間所有的計算機網(wǎng)絡(luò)的基本實驗,包括路由器配置基礎(chǔ)、PPP & MP實驗、路由協(xié)議基礎(chǔ)實驗、ACL和包過濾防火墻實驗、NAT地址轉(zhuǎn)換實驗等。
在原有實驗教材的基礎(chǔ)上,擴充了實驗教學(xué)項目和內(nèi)容,有針對性地設(shè)計了幾個實驗?zāi)K(如:網(wǎng)絡(luò)協(xié)議應(yīng)用與分析模塊、網(wǎng)絡(luò)故障診斷與排除模塊、路由與交換技術(shù)、WLAN無線通訊技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)模塊,詳情見表1所示),每個實驗?zāi)K包含若干實驗項目,特別增加了綜合性、設(shè)計性和研究創(chuàng)新型實驗項目。針對每一個虛擬實驗項目,詳細(xì)設(shè)計了實驗開設(shè)方案、實驗原理、實驗步驟和實驗結(jié)果分析,并編寫了實驗指導(dǎo)書。
2.2 實驗教學(xué)方法的改革
對原有傳統(tǒng)的實驗教學(xué)方法進(jìn)行分析,針對虛擬實驗教學(xué)的特點改進(jìn)實驗教學(xué)方法,將以“教師為中心”的教學(xué)模式改為以“學(xué)生為中心”的教學(xué)模式。學(xué)生可以自主地選擇實驗項目,根據(jù)不同項目的要求,在實驗指導(dǎo)書的指導(dǎo)下,以個人或小組為單位獨立完成實驗。實驗方式包括協(xié)議捕獲分析、協(xié)議編輯發(fā)送、協(xié)議會話觸發(fā)、無線協(xié)議分析、私有協(xié)議開發(fā)等多元方法。
3結(jié)語
以《計算機網(wǎng)絡(luò)》課程為藍(lán)本設(shè)計的虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)為用戶搭建了一個真實的網(wǎng)絡(luò)平臺,有很強的擴展性;學(xué)生通過虛擬實驗平臺遠(yuǎn)程訪問網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以及服務(wù)器上的數(shù)據(jù)、圖像、視頻等信息,管理員通過WEB服務(wù)器提供服務(wù)。學(xué)生做的所有操作都是對Host主機上的某個虛擬機的操作,虛擬機的生命周期就是學(xué)生的使用系統(tǒng)的會話期,做完實驗虛擬機就被刪除,對系統(tǒng)不會造成任何影響,而在實驗室可能對PC和路由器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備造成各種損壞,以及一些不可逆的操作;可擴展性強,還可以為其他實驗提供平臺,只需要生成一個學(xué)生所需要的系統(tǒng)鏡像。
虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)有三個方面的特點:(1)硬件擺脫了物理上的限制;(2)進(jìn)行實驗的人員擺脫了地理位置上的限制;(3)實現(xiàn)了異地數(shù)據(jù)、設(shè)備等資源的共享。通過為期兩個學(xué)期的教學(xué)實踐,取得了理想的教學(xué)效果。
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