王丹，周雷，林勇，尹梓名，鄭建立

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用

王丹，周雷，林勇，尹梓名，鄭建立

（上海理工大學(xué) 健康科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200082）

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是高校工科類專業(yè)的一門(mén)必修課，是理論與實(shí)踐并重的課程．然而由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備、場(chǎng)地和資金的問(wèn)題，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)往往理論與實(shí)踐脫節(jié)，讓學(xué)生覺(jué)得枯燥、乏味．在理論課教學(xué)中加入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以解決這些問(wèn)題，且不受時(shí)間與空間的限制，同時(shí)可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性．配套的實(shí)訓(xùn)與擴(kuò)展訓(xùn)練環(huán)節(jié)可以進(jìn)一步提高學(xué)生的動(dòng)手能力，培養(yǎng)其創(chuàng)造性思維．此外，加入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)也符合課程思政改革和疫情環(huán)境下的新需求，將對(duì)課程建設(shè)有非常積極的作用．

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)；虛擬仿真；課程思政；混合教學(xué)

21世紀(jì)是一個(gè)以網(wǎng)絡(luò)為核心的信息時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也已成為發(fā)展知識(shí)經(jīng)濟(jì)的重要支撐．互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展及互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的廣泛出現(xiàn)造就了“萬(wàn)物聯(lián)網(wǎng)、人人用網(wǎng)”的盛況[1]．這也使得計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成為高校中工科類專業(yè)的一門(mén)必修課程．隨著大量應(yīng)用型本科人才被當(dāng)今社會(huì)所需要，讓學(xué)生在熟悉網(wǎng)絡(luò)理論知識(shí)的同時(shí)，也可以提高實(shí)踐操作能力是本門(mén)課程的一個(gè)重要目標(biāo)．由于學(xué)校場(chǎng)地、實(shí)訓(xùn)條件及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等因素的限制，傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教學(xué)往往只注重理論知識(shí)點(diǎn)的講授，而很少提供讓學(xué)生可以動(dòng)手實(shí)踐的機(jī)會(huì)．這種理論與實(shí)踐嚴(yán)重脫節(jié)的現(xiàn)象導(dǎo)致學(xué)生對(duì)這門(mén)課的體驗(yàn)較差，認(rèn)為這門(mén)課程非常無(wú)聊，沒(méi)有學(xué)習(xí)興趣．為改變現(xiàn)狀，將虛擬仿真技術(shù)適當(dāng)?shù)丶尤氲骄W(wǎng)絡(luò)課程的教學(xué)中是一個(gè)有效途徑，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)鍛煉其實(shí)訓(xùn)能力．此外，高校教學(xué)需滿足課程思政改革及線上線下混合教學(xué)需求量大（疫情所致）等背景下的新要求．本文在新時(shí)期網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的研究基礎(chǔ)上，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教學(xué)中應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，為相關(guān)專業(yè)的教學(xué)提供一定的參考和借鑒．

1 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)課程概述及教學(xué)現(xiàn)狀

上海理工大學(xué)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)課程是面向醫(yī)學(xué)信息工程專業(yè)，由健康科學(xué)與工程學(xué)院開(kāi)設(shè)的一門(mén)課程．本專業(yè)欲培養(yǎng)具備醫(yī)療信息系統(tǒng)、醫(yī)學(xué)應(yīng)用軟件、人工智能醫(yī)療應(yīng)用相關(guān)的專業(yè)知識(shí)和工程能力，能在醫(yī)學(xué)信息工程領(lǐng)域從事設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、應(yīng)用、管理和服務(wù)的理工醫(yī)結(jié)合的高級(jí)工程應(yīng)用型人才．期望填補(bǔ)社會(huì)中應(yīng)用型本科人才的大量缺口，因此對(duì)專業(yè)內(nèi)所設(shè)課程具有實(shí)訓(xùn)的要求．網(wǎng)絡(luò)課程是本專業(yè)主干課程之一，以操作系統(tǒng)基礎(chǔ)和數(shù)字電子技術(shù)為基礎(chǔ)（前修課程），為醫(yī)學(xué)信息集成技術(shù)做支撐（后續(xù)課程），旨在加強(qiáng)學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)和相關(guān)協(xié)議的理解，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決復(fù)雜問(wèn)題的能力，并為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開(kāi)發(fā)類課程的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)．該課程在每學(xué)年的A學(xué)期開(kāi)設(shè)，由理論課和實(shí)踐課組成，其中理論課32學(xué)時(shí)，實(shí)踐課16學(xué)時(shí)．授課對(duì)象為本專業(yè)大三的學(xué)生，班級(jí)容量約為40人．

在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)課程的教學(xué)中，存在多種問(wèn)題：（1）教師往往以“講”為主，通過(guò)講解及連結(jié)各個(gè)知識(shí)點(diǎn)來(lái)構(gòu)造課程體系[2]．這個(gè)過(guò)程弱化了學(xué)生的實(shí)踐意識(shí)，忽視了對(duì)學(xué)生的思維能力、動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)．使學(xué)生覺(jué)得枯燥、乏味，學(xué)習(xí)過(guò)程也只是機(jī)械地模仿，教學(xué)效果難以達(dá)到預(yù)期．（2）理論-實(shí)踐脫節(jié)嚴(yán)重[3]．傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)往往面臨實(shí)驗(yàn)室硬件條件不足、經(jīng)費(fèi)投入大、設(shè)備欠安全及操作復(fù)雜等難題．例如：在路由器配置實(shí)驗(yàn)中，不可能為每名學(xué)生配置一臺(tái)路由器；假設(shè)設(shè)備充足，學(xué)生也會(huì)因?yàn)楹ε洛e(cuò)誤操作損壞設(shè)備而不敢大膽動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)．（3）受到教學(xué)資源與環(huán)境等因素的限制，網(wǎng)絡(luò)課程的教學(xué)往往采用大班授課的模式[4]．這種模式迫使教師使用一種較為均衡的教學(xué)節(jié)奏，而忽視了學(xué)生個(gè)體的情況（知識(shí)結(jié)構(gòu)、學(xué)術(shù)水平等），對(duì)基礎(chǔ)好或基礎(chǔ)差的學(xué)生造成了一定的學(xué)習(xí)難度．

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用

如將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)融入到網(wǎng)絡(luò)課程的教學(xué)中，教師可以將重要知識(shí)點(diǎn)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，使理論教學(xué)更加生動(dòng)、師生交流大大增加；在實(shí)驗(yàn)課上或者課外，學(xué)生只需在電腦上完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，不用依賴實(shí)驗(yàn)室設(shè)備與資金投入，大膽試錯(cuò)不用擔(dān)心設(shè)備損壞，也可以根據(jù)自身的學(xué)習(xí)進(jìn)度來(lái)調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)節(jié)奏，從而達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力與創(chuàng)造性思維的效果．網(wǎng)絡(luò)類課程的實(shí)驗(yàn)主要包括工程組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)、協(xié)議分析驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等內(nèi)容．本文主要利用最常見(jiàn)的工程組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)來(lái)作為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的一個(gè)案例，講解如何在網(wǎng)絡(luò)課程的教學(xué)中應(yīng)用此類技術(shù)．常用的工程組網(wǎng)虛擬實(shí)驗(yàn)軟件包括CISCO開(kāi)發(fā)的PACKET TRACERT、BOSON開(kāi)發(fā)的NETSIM、華為開(kāi)發(fā)的YDT（一點(diǎn)通路由模擬軟件）等，其操作流程[5]見(jiàn)圖1．

圖1 工程組網(wǎng)虛擬實(shí)驗(yàn)的操作流程

具體的教學(xué)過(guò)程涉及教學(xué)內(nèi)容、方法、作業(yè)、考核等多方面．通過(guò)“靜態(tài)路由設(shè)置”實(shí)驗(yàn)探討課程設(shè)計(jì)的思路．

2.1 知識(shí)點(diǎn)講授+模擬演練

在網(wǎng)絡(luò)課程的理論教學(xué)中，教師要善于利用多媒體，對(duì)于重要的知識(shí)點(diǎn)可以一邊講授一邊演示（模擬訓(xùn)練），這樣學(xué)生可以知曉實(shí)際操作的過(guò)程．此過(guò)程需注意講授與演練的同步，講到具體對(duì)應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)時(shí)再進(jìn)行模擬訓(xùn)練，詳略得當(dāng)，時(shí)效性高．講授此課程時(shí)使用的是多媒體教室，理論知識(shí)通過(guò)PPT投放大屏幕、書(shū)寫(xiě)板書(shū)等方式講授，而模擬演練則通過(guò)在電腦上的虛仿軟件（YDT）進(jìn)行操作，再投放大屏幕來(lái)實(shí)現(xiàn)．互聯(lián)網(wǎng)中的通信過(guò)程遵循分層的協(xié)議棧，IP層是此協(xié)議棧中最重要的一層；IP層的中繼系統(tǒng)為路由器，即分組轉(zhuǎn)發(fā)的核心部件．每個(gè)路由器在其IP層會(huì)通過(guò)查詢路由表來(lái)決定分組的下一站轉(zhuǎn)發(fā)點(diǎn)，而路由表中存儲(chǔ)著靜態(tài)路由或動(dòng)態(tài)路由信息．工程組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)一組主機(jī)和路由器，通過(guò)設(shè)置其IP地址等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、配置路由器等環(huán)節(jié)來(lái)使網(wǎng)絡(luò)連通的過(guò)程．當(dāng)理論知識(shí)講授到“靜態(tài)路由設(shè)置”（如特定主機(jī)路由、默認(rèn)路由）時(shí)，教師可利用YDT軟件演練此過(guò)程．首先，可演示如何在YDT中添加設(shè)備（路由器、主機(jī)、交換機(jī)等）及線纜連接，再對(duì)各個(gè)設(shè)備進(jìn)行IP地址、子網(wǎng)掩碼等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的設(shè)置（見(jiàn)圖2a），最后測(cè)試主機(jī)間的連通性．其次，循序漸進(jìn)地將網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D擴(kuò)展為2臺(tái)路由器加2臺(tái)主機(jī)（見(jiàn)圖2b），將設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置（IP地址等），再分別對(duì)2臺(tái)路由器配置一條靜態(tài)路由信息（或默認(rèn)路由信息），最后測(cè)試主機(jī)間的連通性．通過(guò)這個(gè)過(guò)程，學(xué)生不僅對(duì)IP層的分組轉(zhuǎn)發(fā)流程、路由表、IMCP協(xié)議（PING指令）等內(nèi)容加深了印象，也對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和操作過(guò)程等方面有了大概的了解．

圖2 YDT軟件中靜態(tài)路由設(shè)置實(shí)驗(yàn)截屏

2.2 線下實(shí)訓(xùn)

理論課上的模擬演練完成后，學(xué)生可以在配套的實(shí)驗(yàn)課上親自進(jìn)行YDT實(shí)驗(yàn)．計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)課程的對(duì)應(yīng)實(shí)踐課程，在學(xué)期中開(kāi)設(shè)，持續(xù)到期末（每周2課時(shí)）．每次的實(shí)驗(yàn)課對(duì)應(yīng)一個(gè)任務(wù)（如靜態(tài)路由設(shè)置），對(duì)應(yīng)的理論知識(shí)一般在1～2周前講授完成，使學(xué)生有消化、吸收的過(guò)程．相對(duì)于理論課上的演練實(shí)驗(yàn)，教師會(huì)在實(shí)驗(yàn)課上對(duì)任務(wù)的設(shè)置稍作修改（如IP地址等參數(shù)），這樣可以避免學(xué)生一味地模仿，起到舉一反三的效果．此外，教師會(huì)設(shè)置一些思考題，如“改變線纜、增加主機(jī)等操作對(duì)連通性的影響”，以此訓(xùn)練學(xué)生的分析問(wèn)題、創(chuàng)新和思考的能力．在實(shí)驗(yàn)課上，教師會(huì)觀察每位學(xué)生的動(dòng)態(tài)，與學(xué)生進(jìn)行交流、答疑并驗(yàn)收其學(xué)習(xí)效果．基礎(chǔ)好、有精力的學(xué)生可以多花些時(shí)間做思考題，基礎(chǔ)差的學(xué)生也可以根據(jù)自身的學(xué)習(xí)節(jié)奏進(jìn)行基本操作．

2.3 擴(kuò)展訓(xùn)練

線下實(shí)訓(xùn)后，教師會(huì)額外設(shè)置一個(gè)擴(kuò)展性實(shí)驗(yàn)，此實(shí)驗(yàn)會(huì)有一定的難度，綜合了多個(gè)知識(shí)點(diǎn)，可作為過(guò)程性考核的一項(xiàng)內(nèi)容．如在“靜態(tài)路由設(shè)置”實(shí)驗(yàn)中，可將3條路由器串連，每臺(tái)路由器連接數(shù)臺(tái)主機(jī)（見(jiàn)圖3），利用路由接力的策略進(jìn)行多條靜態(tài)路由信息的設(shè)置，最后測(cè)試主機(jī)之間的連通性．此外，可將“靜態(tài)路由設(shè)置”擴(kuò)展為“動(dòng)態(tài)路由設(shè)置”（通過(guò)RIP，OSPF等路由選擇協(xié)議）實(shí)驗(yàn)，在過(guò)程中使學(xué)生仔細(xì)觀察每個(gè)路由表的變化，對(duì)應(yīng)學(xué)習(xí)過(guò)的理論知識(shí)點(diǎn)，對(duì)比不同的路由設(shè)置策略等．

2.4 課程思政改革及線上線下混合教學(xué)需求下的教學(xué)思考

為了貫徹落實(shí)《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》（教高[2020]3號(hào)）精神，學(xué)校組織開(kāi)展了多次課程思政建設(shè)工作．對(duì)于網(wǎng)絡(luò)課程來(lái)說(shuō)，教師期望從一些高端技術(shù)、正面人物、互聯(lián)網(wǎng)典型應(yīng)用等方面入手，增強(qiáng)學(xué)生的民族自豪感和自信心．雖然互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)興起于美國(guó)，但在互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過(guò)程中，中國(guó)也做出了巨大的貢獻(xiàn)，產(chǎn)生了像騰訊、阿里、百度等一批互聯(lián)網(wǎng)巨頭，引領(lǐng)了電子商務(wù)、網(wǎng)上社交、短視頻分享、共享單車等互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的潮流[6-8]．在基礎(chǔ)架構(gòu)上，我國(guó)積極推動(dòng)IPv6的部署應(yīng)用，提出了New IP的概念以期改進(jìn)傳統(tǒng)IP的松散結(jié)構(gòu)．而在網(wǎng)絡(luò)課教學(xué)中使用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)將從3個(gè)方面協(xié)助課程思政工作的有效開(kāi)展：

圖3 靜態(tài)路由設(shè)置實(shí)驗(yàn)的擴(kuò)展訓(xùn)練

（1）使用國(guó)產(chǎn)的YDT虛仿軟件（華為）來(lái)進(jìn)行演練及實(shí)訓(xùn)，一方面，可以展示我國(guó)在此類虛仿軟件研發(fā)上的成功案例與優(yōu)勢(shì)，以增加學(xué)生的民族自信心；另一方面，可以討論YDT軟件與著名的工程組網(wǎng)虛仿軟件（PACKET TRACERT，NETSIM等）的差距，以塑造學(xué)生不驕不躁、不斷鉆研、開(kāi)拓進(jìn)取的品格．

（2）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的引入可以使學(xué)生在每次實(shí)驗(yàn)中除了獲得動(dòng)手能力的提高，也在嘗試各種實(shí)驗(yàn)方案的過(guò)程中鍛煉了判斷能力、推理能力和毅力．

（3）在拓展訓(xùn)練中，學(xué)生在無(wú)法獲得可行實(shí)驗(yàn)方案的情況下會(huì)積極向同學(xué)或教師請(qǐng)教及溝通實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)，一定程度上使學(xué)生鍛煉了社會(huì)交際能力與溝通技巧．

疫情期間，國(guó)內(nèi)的高校大部分采用線上線下混合教學(xué)的模式[9-11]．本門(mén)課程也采用混合教學(xué)的模式，在線下利用多媒體教室進(jìn)行教學(xué)，在線上利用超星、一網(wǎng)暢學(xué)等平臺(tái)來(lái)輔助教學(xué)（見(jiàn)圖4）．線下的講授會(huì)通過(guò)多媒體錄像傳至線上平臺(tái)，供學(xué)生參考與復(fù)習(xí)．線上平臺(tái)可以共享學(xué)習(xí)資料、發(fā)布作業(yè)、發(fā)起討論、進(jìn)行小測(cè)等．教師還建立了課程專屬微信群，供師生交流、討論、發(fā)布通知等．而在網(wǎng)絡(luò)課教學(xué)中使用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)將從2個(gè)方面輔助線上線下混合教學(xué)的開(kāi)展：

（1）YDT虛仿軟件可以通過(guò)雙擊可執(zhí)行文件（.exe）來(lái)運(yùn)行，此可執(zhí)行文件可以通過(guò)FTP下載或U盤(pán)復(fù)制等操作獲得．因此，學(xué)生可以在學(xué)校機(jī)房或者自己的筆記本電腦上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，簡(jiǎn)單、方便，不受時(shí)間和空間的限制．

（2）由于YDT虛仿軟件簡(jiǎn)單、方便的特點(diǎn)，學(xué)生可以根據(jù)自身的情況來(lái)調(diào)節(jié)學(xué)習(xí)進(jìn)度．例如：基礎(chǔ)差的學(xué)生如果在機(jī)房未完成實(shí)驗(yàn)，可利用其余時(shí)間在自己的筆記本電腦上完成實(shí)驗(yàn)；因故請(qǐng)假的學(xué)生也可以在合適的時(shí)間內(nèi)在自己的筆記本電腦上完成實(shí)驗(yàn)．

3 結(jié)語(yǔ)

本文主要探討了如何在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)課程的教學(xué)中加入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的方法．在平常的理論課教學(xué)中，對(duì)特定的知識(shí)點(diǎn)或結(jié)構(gòu)加上模擬演練環(huán)節(jié)（虛仿實(shí)驗(yàn)）可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深知識(shí)點(diǎn)的理解，熟悉虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境與操作流程．同時(shí)，可利用配套的實(shí)驗(yàn)課對(duì)學(xué)生進(jìn)行以任務(wù)驅(qū)使的實(shí)訓(xùn)，鍛煉其動(dòng)手能力，了解其知識(shí)掌握情況．通過(guò)設(shè)置有難度的擴(kuò)展訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)適應(yīng)性、思考能力和創(chuàng)新思維．此外，也從課程思政改革和疫情的角度分析了對(duì)網(wǎng)絡(luò)課程加入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的益處．

[1] 謝希仁．計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)[M]．6版．北京：電子工業(yè)出版社，2013．

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[9] 康明慧．“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下“域出版”戰(zhàn)略探討：以“超星學(xué)習(xí)通”為例[J]．傳媒，2017（5）：55-57．

[10] 李艷萍，吳劍峰．基于超星學(xué)習(xí)通的藥學(xué)導(dǎo)論雙語(yǔ)課程混合式教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐[J]．中國(guó)醫(yī)藥導(dǎo)報(bào)，2021，18（10）： 59-62．

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Application of virtual simulations experiments in the teaching of computer networking technology

WANG Dan，ZHOU Lei，LIN Yong，YIN Ziming，ZHENG Jianli

（School of Health Science and Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200082，China）

The course of computer network technology，which treats the theory and practice equally important，is compulsory for university students that major in engineering．Due to the lack of experimental devices，places and funds，a wide gap between the theory and practice exists for this course，which makes the students feel bored in class．Attaching virtual simulation experiments to the theoretical teaching can bridge the gap and has no time/space limit，probably improving the learning interest and motivation of students．The practical and expanded training processes can further improve the problem-solving and creative-thinking abilities of students．At last，using virtual simulation experiments in class meets the requirements by ideological and political of courses reform and the epidemic environment，playing a positive role in the curriculum development of computer network technology．

computer network；virtual simulation；ideological and political of courses；blended teaching

1007-9831（2022）04-0078-05

TP393.0∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2022.04.016

2021-12-16

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61906121）；上海市重點(diǎn)課程建設(shè)項(xiàng)目；上海高校青年教師培養(yǎng)資助計(jì)劃項(xiàng)目

王丹（1987-）, 女，河北保定人，講師，博士，從事結(jié)構(gòu)生物信息學(xué)、健康信息學(xué)研究．E-mail：d.wang@usst.edu.cn