淺談虛擬教學在《計算機網(wǎng)絡》課程中的應用

【摘 要】將虛擬技術應用于《計算機網(wǎng)絡》課程中，利用物理環(huán)境與虛擬環(huán)境的結合，課堂授課與網(wǎng)絡互動相結合，能極大地提高學生學習的積極性和主動性，提升教學質(zhì)量。

【關鍵詞】虛擬現(xiàn)實技術；計算機網(wǎng)絡；仿真

一、引言

虛擬現(xiàn)實作為一門新興的技術，近年來得到了快速的發(fā)展。利用虛擬現(xiàn)實技術可以有效減少開發(fā)費用，縮短試驗周期，保證操作的安全性，因此在很多領域得到廣泛應用。另一方面，隨著我國高等教育規(guī)模不斷擴大和教育水平不斷提升，學科專業(yè)更加合理，教學內(nèi)容需要與時俱進，這對于學校的師資力量和實驗設備環(huán)境提出了新的要求，如果不能適應學科的快速發(fā)展，將有可能導致教學質(zhì)量下滑。虛擬現(xiàn)實技術與現(xiàn)場教學相結合，是高等教育近年來研究的熱點和關注的焦點。虛擬教學技術在教學內(nèi)容．教學結構．教學模式及整個教學過程的密切應用和有機結合， 將有助于高等教育方法的應用創(chuàng)新和不斷發(fā)展。

二、虛擬現(xiàn)實技術

“虛擬”(Virtua1))一詞源于計算機領域[1]，1983年美國國家標準局和麻省理工學院首先提出了虛擬制造(Virtual Manufacturing，簡稱VM)的新概念，將虛擬用于工程領域。虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality)是一種可創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機系統(tǒng)，它是以仿真的方式給用戶創(chuàng)造一個實時反映實體對象變化與相互作用的三維虛擬世界．使用戶可直接參與并探索仿真對象在所處環(huán)境中的作用與變化．產(chǎn)生沉浸感[2]。

虛擬現(xiàn)實主要包括仿真和虛擬實驗、虛擬教學2個方面。和真實的實驗環(huán)境相比，仿真和虛擬實驗具有以下幾個特點：

l.實驗設備的虛擬性

仿真和虛擬設備一般由計算機系統(tǒng)、網(wǎng)絡和立體顯示硬件設備及軟件組成，它們具有和真實設備相同的感官，能完成相同的操作，但它們事實上并不存在，而是由計算機所模擬的設備、依賴的是對實物的模擬、是虛擬的。實驗設備的虛擬性在很大程度上能減少實驗設備與空間、節(jié)約資金、改善實驗條件，并且能隨著技術的發(fā)展，方便地實現(xiàn)設備的升級換代。

2.實驗環(huán)節(jié)的多目標、多層次性

虛擬實驗能針對具體的實驗要求，滿足不同層次實驗者的需要，如設備的操作、配置、開發(fā)等多種層次的需求。虛擬實驗環(huán)節(jié)的多目標、多層次性有助于學生把科學的理性與邏輯、想象力與創(chuàng)造性相結合起來，有效地發(fā)揮自身的能動性。

3.實驗過程的靈活性

在虛擬實驗的過程中，可設定各種不同的實驗條件，通過對每種條件下的實驗數(shù)據(jù)的變化和結果的分析，能夠加深對實驗的認識，激發(fā)學生進一步提出問題和尋求解決問題的興趣。

虛擬教學平臺是依托信息技術與通信技術，運用特定的的網(wǎng)絡平臺，實現(xiàn)跨時空、地域協(xié)同展開教育科研活動的一種模式[3]。其中的虛擬包含兩層意思，一是指虛擬技術，即信息技術和網(wǎng)絡技術，它是為教學服務的信息化工具。正是在這個虛擬工具的幫助下，才能實現(xiàn)跨時空的教學活動方式。二是指虛擬的交流對象，因為參與虛擬教學活動的人不必面對面，而是以網(wǎng)絡上虛擬的身份登錄進行討論，此時身份有可能難以確定。通過虛擬教學平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)豐富的資源共享，將課堂延伸至課外，進一步激發(fā)學生的學習興趣，并為學生深入學習提供方法和手段。

三、虛擬技術在《計算機網(wǎng)絡》課程中的應用

1.課程應用背景

計算機網(wǎng)絡的相關理論及技術的研究正在蓬勃發(fā)展，如網(wǎng)絡通信協(xié)議、IPV6、移動通信技術、藍牙技術、無線局域網(wǎng)等。同時計算機網(wǎng)絡互聯(lián)設備也在不斷更新?lián)Q代，當前主流的網(wǎng)絡設備有如CISCO、華為等大型廠商的路由器、交換機、防火墻等。在《計算機網(wǎng)絡》課程中，既要考慮到學生對基本網(wǎng)絡知識點的掌握，又要兼顧最新的發(fā)展技術，結合本專業(yè)的培養(yǎng)目標，我們選定了謝希仁教授的《計算機網(wǎng)絡（第5版）》作為教材，課程內(nèi)容圍繞TCP/IP協(xié)議，以物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、運輸層及應用層為框架，講述計算機網(wǎng)絡的有關概念、理論、網(wǎng)絡協(xié)議，并涉及到了網(wǎng)絡安全、無線網(wǎng)絡、下一代因特網(wǎng)等最新內(nèi)容和技術。為提高教學質(zhì)量，改善實驗教學環(huán)境，在課程中以三種方式引入虛擬技術。

2.網(wǎng)絡環(huán)境虛擬應用

在課堂教學中，教材上的一些概念、理論脫離了實際的網(wǎng)絡環(huán)境進行講解，往往讓學生覺得抽象、難理解。這個時候，我們可以利用網(wǎng)絡虛擬軟件，進行虛擬網(wǎng)絡環(huán)境的組建，類似實際網(wǎng)絡環(huán)境，在虛擬網(wǎng)絡中，我們可以配置任意數(shù)量的服務器、工作站、交換機、路由器等設備、也能組建任意拓撲的網(wǎng)絡結構。通過虛擬和仿真各種主流網(wǎng)絡設備，有助于學生直觀的了解網(wǎng)絡設備的功能和性能，而且可以自己動手搭建網(wǎng)絡環(huán)境，通過網(wǎng)絡環(huán)境的調(diào)試和診斷，切實地掌握了網(wǎng)絡建設的原理和知識。常用的網(wǎng)絡仿真器有多種，我們采用的是Boson NetSimu網(wǎng)絡仿真器，它功能強大，具有良好的圖形界面，方便使用，是CCNA和CCNP認證考試的仿真器之一。

3.通信鏈路虛擬應用

在真實的實驗環(huán)境中，實驗室往往比較集中，一般一個實驗室是一個局域網(wǎng)的結構，它和地域分散、結構復雜的廣域網(wǎng)有很大的不同。在學生設計網(wǎng)絡編程的實踐環(huán)節(jié)中，如果只在局域網(wǎng)內(nèi)進行調(diào)試，可能無法驗證協(xié)議的正確性和可靠性。利用虛擬仿真技術，可以設置若干通信鏈路用于模擬遠程網(wǎng)絡通信，同時在通信鏈路上加載不同的信道，可以模擬不同條件下的網(wǎng)絡通信情況，包括遠程連接、傳輸速率、通信協(xié)議以及數(shù)據(jù)校驗等關鍵網(wǎng)絡通信模型。因此，我們引入了虛擬的實驗信道，即數(shù)據(jù)包的傳輸可能出錯、延遲、失序和丟失的一條虛擬信道。將網(wǎng)絡程序和仿真信道結合，針對各種可能存在的傳輸錯誤，學生能夠在調(diào)試過程中反復驗證，保證協(xié)議的完整性。

4.虛擬教學平臺應用

由于網(wǎng)絡技術發(fā)展迅速，涉及的領域也非常廣，在有限的課堂時間內(nèi)，無法詳細講解所有知識點，因此可利用網(wǎng)絡教學平臺，將課堂延伸至課外。教師把課程的教學大綱、教案、課件、習題、實驗指導、參考資料、教學錄像等內(nèi)容上傳到網(wǎng)站，學生可自主上機操作，完成答疑、提交作業(yè)、視頻點播、檢測等功能。在線考試系統(tǒng)可以讓學生參加課程的網(wǎng)上考試，學生還可以在留言板中提出問題，方便同學之間進行討論，教師的回答可以使所有同學從信息共享中受益。另外，網(wǎng)站中還提供一些該領域的研究熱點、最新的技術，能拓展同學的思路，開拓他們的視野。

四、小結

傳統(tǒng)的課堂教育需要在特定的時間，特定的地點完成，這種模式往往是以教師教授為主，無法充分調(diào)動學生的積極性，傳統(tǒng)的實驗課堂也深受實驗條件的限制，實驗項目、實驗設備都無法及時更新。虛擬技術可以避免傳統(tǒng)教學的限制，通過計算機仿真技術將課程的核心內(nèi)容和應用環(huán)境直觀的展現(xiàn)給學生，而且學生可以動手參與課程實驗環(huán)節(jié)的操作，通過互動式教學手段提高知識點的掌握水平，達到學以致用和培養(yǎng)動手型人才的目的。隨著虛擬技術和仿真應用的不斷成熟，其在教育領域?qū)⒌玫礁鼮閺V泛的應用。

參考文獻：

[1]羅一新.關于新型虛擬教學組織的思考[J].湖南農(nóng)機，2009，37(3):128-130.

[2]張勁.虛擬現(xiàn)實技術創(chuàng)建教學新模式[J].福建電腦，2009，12:42-44.

[3]李永壯.虛擬教學平臺對推動學生共同體協(xié)作發(fā)展的時效性研究[J].福建電腦，2010，6.

作者簡介：沙泉，上海應用技術學院軌道交通學院講師，研究方向：嵌入式無線通信。