虚拟实验 高职计算机网络课程的新探索

摘要：激发学生学习计算机网络基本概念和理论的兴趣是一件非常困难的事情，因为很多学生认为这门课程非常技术化、枯燥乏味。然而，这些基本概念和理论是学生学习后续网络课程的必要基础，又必须学好。为解决这一难题，笔者用packet tracer和virtual machine这两款网络虚拟平台设计了一些虚拟实验，应用于高职计算机网络课程的课堂教学实践中，收到了较好的效果。
　　关键词：高职；虚拟实验；计算机网络；评价；李克特量表

　　高职计算机网络课程包含很多抽象的概念和理论，学生感到学起来比较困难，教师教学难度很大。往往是教师讲的越多，学生越困惑，长此以往，学生就慢慢失去了学习这门课的兴趣。笔者发现，在讲授这门课程的过程中，如果能让学生自己动手做一些虚拟实验，如组建一个网络、安装和配置一台服务器、分配用户访问文件和目录的权限等等，并同时讲解实验过程，解释实验现象，分析实验数据，而不是空洞地讲解理论，学生的学习效果会明显提高，学习积极性也会增强。这种观点也得到了很多文献的支持。围绕packet tracer和virtual machine两款网络虚拟平台，笔者设计了一些虚拟实验作为课堂讲解的材料，也可作为学生课后练习的资料，学生评价较高。
　　虚拟实验的硬件、软件和网络环境
　　我校计算机网络专业的每个实验室都有50台高性能pc机，能同时供49名学生和1名教师使用。这些pc机通过高速交换机相互连接，每台都装有微软windows xp 操作系统以及packet tracer和virtual machine网络虚拟平台，都配置相同网段的ip地址、相同的子网掩码、默认网关和dns，构成了一个小型的局域网络并且和因特网相连，如图1所示。
　　packet tracer和virtual machine两款虚拟网络平台是完成本文所述虚拟实验不可缺少的工具，它们的功能相互补充。packet tracer主要模拟网络的拓扑图、交换、路由和网络测试，而virtual machine主要用来模拟网络服务、通信和测试。如按照osi七层模型来划分，则packet tracer模拟网络层的工作，virtual machine模拟主机层的工作，如图2所示。需要特别指出的是，packet tracer和virtual machine是两个不同公司开发的软件，二者无论是在同一台物理机中还是在不同的物理机之间都是不能相互通信的。它们只能通过真实的物理机器平台和真实的网络硬件平台来实现相互通信。
　　一个虚拟实验案例
　　实验的拓扑图图3是使用packet tracer构建的网络拓扑图，图中有三个不同的网络或子网。pc1和pc2在左边的子网中，通过交换机switch0和路由器router0连接，pc3和pc4位于右边的子网中，通过交换机switch1和路由器router1相连，两个子网通过router0和router1连接。图4是根据图3应用virtual machine构建的网络拓扑图，在virtual machine中没有交换机和路由器这样的网络设备，但是根据硬件和软件逻辑等价性原则，可以使用装有windows server 2003的virtual machine来充当路由器，至于网段的划分可以根据virtual machine的网络接口卡的ip地址来确定。
　　实验的内容和目的这个实验的主要目的是教会学生如何构造一个小型的局域网络，理解局域网通信的过程和原理。主要教学内容和目标有：（1）对网络进行规划，会选择合适的终端和网络设备以及线缆构建网络。（2）配置终端接口、路由器接口以及服务器接口的ip地址和子网掩码。（3）配置路由表，使整个网络达到连通状态。（4）使用ping命令测试网络。（5）理解局域网通信的过程。（6）理解arp、icmp、csma/cd以及网关在网络通信中的作用。（7）理解交换机和路由器的工作原理以及在网络通信中的作用。
　　实验的组织和管理在实验开始时，教师介绍实验的要求和目的，以及实验使用的工具、方法和命令，然后由学生自己动手来完成实验。学生可以独自完成实验也可以结对完成实验。为了防止网络上ip地址发生冲突，学生实验所采用的ip地址可规定为192.168.x.0/24的形式，x为每个学生的序号，这样不仅解决了ip地址的冲突问题，而且方便学生查找错误，使实验能顺利进行。

　　实验的数据分析和原理讲解本次实验不仅要求学生掌握局域网的规划、组建和配置，更重要的是让学生理解局域网的通信原理，相同网段主机之间和不同网段主机之间通信的过程，网关、交换机和路由器的工作原理和作用，局域网通信的相关协议等概念知识。如果仅凭教师讲解，学生是很难理解这些概念知识的。在这个实验中，教师可以在pc1上向pc4发送一个数据包，让学生观察整个网络通信的过程。可在数据包经过每个网络节点时把它截取下来进行分析和讲解。这样让学生不仅能掌握如何连通一个局域网络，而且能知道网络连通背后的“故事”。
　　实验的评价为了评价本次实验的有效性，以匿名调查的形式，笔者在课堂上对这次实验进行了一次评估。笔者给学生提供一个问卷，问卷中包含了以下几个问题：（1）在进行这次实验之前，你会组建和配置一个小型局域网络吗？（2）你认为这个实验容易吗？（3）你能接受这样的实验教学吗？（4）这个实验是否能有效地帮你理解局域网通信的过程？（5）在这门课中你需要更多这样的实验吗？（6）你愿意在课外时间做这样的实验吗？
　　针对上述六个问题，李克特量表（likert scale）被使用在问卷调查中，对于问题1~3，第一个刻度代表极差，第五个刻度代表极好；对于问题4~6，第一个刻度代表否，第五个刻度代表是。在一年的教学过程当中，我校网络专业86名大一学生完成了这个问卷调查，他们的回答结果统计图如5所示。
　　通过问卷调查发现，虚拟实验激发了学生学习计算机网络的热情，他们比以往更加喜爱这门课程了。
　　对虚拟实验教学的再思考
　　目前，虚拟技术在教学中得到了广泛运用，虚拟实验和物理实验的比较在很多文献中都有阐述，它们各自有自己的优缺点。除去经济因素，笔者在讲授计算机网络课程的过程中深深感受到虚拟实验最大的好处是方便、灵活、安全、容易实施和扩展，学生只要有一台笔记本电脑并且安装了这些虚拟软件，无论在什么地方都可以进行学习和实验，从而摆脱了真实实验环境的束缚，学习效果得到了很大提高。但是，在教学过程中笔者也发现，采用虚拟实验讲授计算机网络课程，一开始会增加学生的理解负担，最关键的一点是要让学生快速理解“机器中的机器，网络中的网络”这一概念，让学生具备虚拟学习的思维。学生完成虚拟实验一般用两种方式：（1）每个学生在一台物理机上打开多个虚拟软件独立完成网络实验，这种实验方式是通过一台物理机来完成的，这种方式学生比较容易理解。（2）把一个实验划分为多个模块，这些模块分布在不同的物理机上，学生通过协同方式来完成实验。这种实验方式是通过多台物理机和真实的网络平台来实现的，只要物理网络连通，学生就可以在物理网络里随意组建虚拟网络。学生对这种实验方式通常理解得会慢一点。另外，学生最终要工作在一个真实的环境中，因此，还需在一个真实网络环境中来验证学生在虚拟环境中所学到的知识。
　　综上，笔者开发的这套虚拟实验用在计算机网络课堂教学和学生的课后学习中，学生对这些实验的评价令人鼓舞。这些评价表明该实验方便、好用，能帮助学生更好地理解计算机网络。在今后的教学中，笔者将开发出更多的虚拟实验并完善相应的评价体系，并将这种教学方法应用在其他网络课程的教学之中。
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