虛擬教學在計算機網(wǎng)絡課程中應用
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摘要：本文通過對虛擬仿真實驗教學的應用研究，以計算機網(wǎng)絡課程中《跨交換機VLAN通信》實驗為例，利用PacketTracer虛擬仿真軟件，采用案例驅(qū)動實驗的方式通過引入案例、分析案例、解決方案、自主學習、基本步驟、實驗測試及結(jié)果等，詳細講解虛擬仿真實驗教學在計算機網(wǎng)絡課程中的應用。實踐證明，利用虛擬仿真實驗教學，通過形象、直觀、生動的圖形界面化操作，方便學生對知識點的理解和掌握，有助于提高教學效果。
關鍵詞：虛擬仿真；實驗教學；PacketTracer；計算機網(wǎng)絡
0引言
計算機網(wǎng)絡是計算機相關專業(yè)的必修課程，重在培養(yǎng)學生利用計算機解決實際網(wǎng)絡通信問題的能力。實驗教學是計算機網(wǎng)絡課程中重要環(huán)節(jié)，現(xiàn)有計算機網(wǎng)絡課程的實驗教學內(nèi)容過于陳舊，現(xiàn)場實驗資源受限，教學效果不佳[1-2]。近年來虛擬仿真實驗作為一種新的實驗手段，有效補充傳統(tǒng)實驗教學，提升實驗教學的效果和質(zhì)量，同傳統(tǒng)實驗實現(xiàn)有機和虛實結(jié)合，從而克服傳統(tǒng)實驗中一直存在的一些缺點和不足[3]。將虛擬實驗教學融入到計算機網(wǎng)絡實驗教學課程，并進行深入應用研究具有重要的實際意義。
1計算機網(wǎng)絡課程虛擬仿真實驗教學
通過實驗操作，使學生進一步加深了對網(wǎng)絡技術原理的認識與理解，鞏固課堂教學內(nèi)容，提高學生實際動手能力及創(chuàng)新能力。
1.1虛擬仿真實驗教學特點
（1）通過虛擬仿真實驗，彌補了傳統(tǒng)實驗中網(wǎng)絡運行過程和原理不易展示的不足，提供圖形化界面，學生易操作，幫助學生理解和掌握實驗的過程、原理和結(jié)果。（2）利用虛擬仿真實驗環(huán)境，可以配置大量的實驗設備，網(wǎng)絡拓撲設計容易調(diào)整和控制，學生可以利用軟件完成復雜的網(wǎng)絡規(guī)劃與設計，不用考慮實驗硬件條件不足等因素。
1.2實驗教學內(nèi)容設計
計算機網(wǎng)絡課程主要有網(wǎng)絡基本概念、計算機網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)、TCP/IP協(xié)議、網(wǎng)絡應用及網(wǎng)絡安全等內(nèi)容，有的理論知識較難理解,不通過實驗驗證很難真正理解其工作原理等。實驗教學內(nèi)容的設計，不能照搬計算機網(wǎng)絡課程的原有實驗教學內(nèi)容，需要教師對計算機網(wǎng)絡的實驗教學內(nèi)容熟練掌握，同時根據(jù)教學大綱及學生對計算機網(wǎng)絡知識所掌握程度進行重新規(guī)劃設計。
1.3實驗項目設計
我校網(wǎng)絡工程專業(yè)《計算機網(wǎng)絡》課程為56學時，理論教學40學時，實驗學時16學時，擬設置8個獨立實驗，分別為驗證型實驗、設計型實驗、綜合型實驗；把計算機網(wǎng)絡實驗按模塊分為網(wǎng)絡系統(tǒng)集成實驗、網(wǎng)絡服務器實驗、網(wǎng)絡協(xié)議實驗，如表1所示。
2虛擬仿真技術介紹
2.1虛擬仿真技術
虛擬仿真技術又稱虛擬現(xiàn)實技術，是指由計算機生成特定的模擬環(huán)境，并通過專用設備令用戶仿佛置身于這個環(huán)境中，實現(xiàn)用戶和該模擬情境直接進行交互的技術[4]。虛擬仿真技術主要特點：（1）沉侵性：虛擬仿真技術所設計的虛擬環(huán)境以現(xiàn)實環(huán)境為基礎，可以模擬出具有真實環(huán)境的場景，使我們感覺身臨其境，在這樣的環(huán)境中可以增強學生的好奇心，激發(fā)求知欲。（2）交互性：虛擬仿真技術為學生提供一個理想的虛擬實操環(huán)境，同時與學生產(chǎn)生互動，進行交流，通過相互作用，增強學生對事物的感知和認知能力。
2.2CiscoPacketTracer仿真軟件
思科公司的PacketTracer軟件，為用戶提供了網(wǎng)絡模擬環(huán)境，可以滿足《計算機網(wǎng)絡》課程虛擬仿真實驗教學要求。可以幫助計算機網(wǎng)絡相關專業(yè)的學生發(fā)展自主學習技能，鍛煉創(chuàng)造性和批判性思維，解決問題。同時該軟件可以支持多種網(wǎng)絡協(xié)議，還能支持ARP、HDLC、IPv6等協(xié)議，另外，它還能支持各種型號的路由器、交換機、服務器和電纜等[5]。
3思科模擬器在計算機網(wǎng)絡實驗教學中的應用
本文利用PacketTracer虛擬仿真軟件7.2版本，以《跨交換機VLAN通信》實驗為例，采用案例驅(qū)動實驗的方式通過引入案例、分析案例、解決案例、工程項目，介紹虛擬仿真實驗教學在計算機網(wǎng)絡課程中的應用。
3.1實驗教學目標
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施解決方案，其中的知識點包括在交換機上劃分VLAN、跨交換機實現(xiàn)VLAN劃分、驗證802.1Q標準MAC幀格式、驗證屬于同一VLAN的終端之間的通信過程。讓學生獨立完成整個實施過程，真正讓知識得到融會貫通，提高學生動手實踐能力。
3.2實驗教學實施過程
（1）實驗案例。某公司有人事處和財務處2個部門若干臺主機分布于不同物理位置，分布于2臺交換機上，部門之間主機不能互相通信。（2）分析案例。2個部門的計算機，在同一個VLAN中，同時又不在一個交換機的主機，可以在交換機上配置連接端口設置為Trunk，實現(xiàn)跨交換機的VLAN通信。（3）解決方案。人事處劃分VLAN2，財務處劃分VLAN3，具體規(guī)劃如表2所示，跨交換機VLAN通信網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示：（4）自主學習。學生通過對項目案例的分析及解決方案的學習，通過虛擬仿真軟件進行自主實驗操作，理解掌握實驗原理、完成網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)設計、命令配置、運行測試等操作。提高學生動手實踐能力。（5）基本步驟。以配置SW1交換機為例，在交換機上創(chuàng)建VLAN2和VLAN3,1,2,3號端口設置成為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）實驗測試及結(jié)果。學生根據(jù)仿真操作完成驗證測試，本例使用“模擬模式”，通過生動的Flash動畫來表現(xiàn)MAC幀的傳輸過程，人事處主機1發(fā)送MAC幀到人事處主機3，經(jīng)過交換機SW1端口4時，輸出時產(chǎn)生變化，攜帶VLAN2對應的VLANID（2），如圖2所示，TCI=0x0002表示VLANID=2。因為人事處主機3所屬VLAN2，2臺主機同屬一個VLAN，經(jīng)過測試，可以實現(xiàn)跨交換機通信。
4總結(jié)
本文以計算機網(wǎng)絡實驗課程中《跨交換機VLAN通信》為例，利用思科模擬仿真軟件進行仿真實驗教學，采用案例驅(qū)動實驗的方式通過引入案例、分析案例、解決方案、自主學習、基本步驟、實驗測試及結(jié)果等，講解虛擬仿真實驗教學在計算機網(wǎng)絡課程中的應用。通過項目案例教學，激發(fā)學生學習興趣；通過學生自主學習，激發(fā)學生學習主動性、積極性、創(chuàng)造性，使抽象的計算機網(wǎng)絡理論知識變得容易理解和掌握，這對學生綜合應用能力的提高以及實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)有極大的促進作用[6]。同時，利用虛擬仿真實驗教學，通過形象、直觀、生動的圖形界面化操作，方便學生對知識點的理解和掌握，有助于提高教學效果。
作者:魯曉帆 單位:吉林建筑科技學院
