虛擬仿真技術在高職以太網(wǎng)原理項目化教學中的應用

王智明，潘洪濤，葉 亮，姚竟發(fā)

（保定電力職業(yè)技術學院，河北 保定 071051）

虛擬仿真技術在高職以太網(wǎng)原理項目化教學中的應用

王智明，潘洪濤，葉 亮，姚竟發(fā)

（保定電力職業(yè)技術學院，河北 保定 071051）

以太網(wǎng)原理是計算機網(wǎng)絡中理論性較強的單元。利用虛擬仿真技術，開發(fā)以太網(wǎng)網(wǎng)絡模型，進而依據(jù)項目課程的原理設計實施以太網(wǎng)原理單元的教學，將純理論課程進行項目化改造，教學實踐中突出學生主體地位和能力目標培養(yǎng)。

虛擬仿真；以太網(wǎng)；項目教學；模型庫

在高職信息類專業(yè)的課程中，計算機網(wǎng)絡課程面向網(wǎng)絡管理員、網(wǎng)絡工程師、系統(tǒng)工程師等崗位培養(yǎng)網(wǎng)絡應用、配置和管理的能力。作為當前最重要的網(wǎng)絡技術之一，以太網(wǎng)是課程的重要內(nèi)容，理解、掌握以太網(wǎng)發(fā)展的歷程、工作原理和以太網(wǎng)設備管理是計算機網(wǎng)絡課程的重要目標。針對理論性較強的以太網(wǎng)原理教學單元，本文以虛擬仿真技術開發(fā)的網(wǎng)絡模型為載體，實現(xiàn)理論課程的項目化教學設計與實施。

一、以太網(wǎng)原理教學遇到的問題

在計算機網(wǎng)絡課程中，以太網(wǎng)原理單元課程包括：以太網(wǎng)的發(fā)展（共享介質(zhì)的傳統(tǒng)以太網(wǎng)、快速以太網(wǎng)和千兆、萬兆以太網(wǎng)等），以及相應的設備如集線器、交換機的工作原理等內(nèi)容。由于以下原因，本單元難以進行項目化教學設計，不能很好地激發(fā)學生的學習興趣。

1. 設備數(shù)量與類型多

由于以太網(wǎng)發(fā)展歷史長，其工作原理從CSMA/CD到交換網(wǎng)絡經(jīng)過幾代的發(fā)展，從原始的總線型網(wǎng)絡設備（10Base 2、10 Base 5、中繼器等）到物理星形拓撲網(wǎng)絡設備（HUB）、快速以太網(wǎng)設備（交換機等）。以太網(wǎng)涉及到的設備種類多樣，有些已經(jīng)被淘汰（如HUB），在教學中很難找到設備應用。

2. 抽象不直觀

由于以太網(wǎng)原理教學單元的內(nèi)容理論性較強，實踐內(nèi)容較少，且無法在物理設備上觀察以太網(wǎng)運行的過程，傳統(tǒng)教學方法只能采用講授結(jié)合圖示或者動畫多媒體等方式進行教學。抽象枯燥的內(nèi)容和單一的組織形式不能突出學生的學習主體地位，無法激發(fā)學生的學習興趣。

3. 考核方式單一

由于缺乏設備支持、內(nèi)容抽象、偏重理論等原因，導致課程不便開展實踐教學，進而導致課程單元的考核只能采用傳統(tǒng)筆試方式。單一的考核模式，讓學生無法真切地體會到學習的意義，進一步打擊了高職學生的學習積極性。

二、解決方案

為了解決上述問題，本文立足網(wǎng)絡管理員崗位的典型工作任務，采用虛擬仿真技術開發(fā)網(wǎng)絡模型，并以項目課程的理念設計實施教學。

1. 虛擬仿真技術

虛擬化技術是以虛擬化（Virtulization）的一種IT資源優(yōu)化技術，它通過軟件、硬件構成虛擬化層并對服務器、存儲、網(wǎng)絡等物理資源進行管理。將物理資源映射為虛擬資源，對外提供標準的接口來接受輸入和提供輸出[1]。仿真技術是在虛擬化物理設備的基礎上創(chuàng)建另外一種物理設備，并以圖形、命令等方式為用戶提供網(wǎng)絡設備的認識、操作界面。

針對計算機網(wǎng)絡開發(fā)的虛擬仿真軟件有Packet Tracer、Boson NetSim、DynamipsGUl、GNS3等，這些虛擬仿真軟件各有特點，本文采用的是Packet Tracert。

Packet Tracer是思科系統(tǒng)公司開發(fā)的計算機網(wǎng)絡虛擬仿真軟件。[2]它可以在有限的物理資源（比如PC）上模擬出多臺主機、網(wǎng)絡設備、服務器等硬件設備，減輕采購物理設備數(shù)量、種類所造成的經(jīng)濟負擔；Packet Tracer以pkt文件的形式保存網(wǎng)絡拓撲和配置，所占硬盤空間小，便于分發(fā)和部署；特別是Packet Tracer能夠以慢動作的動畫演示出數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼麄€過程，這就便于直觀地展示出網(wǎng)絡運行的原理。

2. 項目化教學

高職教育面向就業(yè)培養(yǎng)學生承擔崗位任務的能力，包含了能力培養(yǎng)、知識學習和職業(yè)素養(yǎng)。傳統(tǒng)的講授方法強調(diào)系統(tǒng)的知識傳授，卻因為缺乏特定工作情境和任務而忽視了能力和職業(yè)素質(zhì)的培養(yǎng)。

項目課程以項目為載體，突出能力目標培養(yǎng)、強調(diào)學生的學習主體地位。[3]項目課程以實用、典型和真實有趣的項目，讓學生積極參與到課程中，通過完成項目任務達到能力訓練和素質(zhì)鍛煉的目標。

三、教學設計與實施

1.教學設計

在以太網(wǎng)原理單元中，利用虛擬仿真的模型，按照以下步驟開展項目化教學：

（1）情境營造。教師利用Packet Tracer構造由HUB組建的星形局域網(wǎng)，同時為學生說明情境：學生以網(wǎng)絡管理員的身份解決局域網(wǎng)網(wǎng)速慢的故障（由于HUB組建網(wǎng)絡造成大量沖突）。

（2）實踐任務一：HUB導致網(wǎng)速故障分析。學生在教師的指導下分析網(wǎng)絡故障：使用ping命令確定網(wǎng)絡延遲，確定網(wǎng)絡設備類型；使用慢動作查看數(shù)據(jù)包同時傳輸狀況，檢查出沖突并截圖，如圖1所示。學生在教師的指導下查看CSMA/CD的工作原理，并分析其沖突概率和處理方法。

圖1 HUB組網(wǎng)沖突故障

（3）實踐任務二：交換機聯(lián)網(wǎng)，解決網(wǎng)速故障。學生檢索資料，使用交換機更新網(wǎng)絡，檢查數(shù)據(jù)包沖突情況。在驗證交換機無沖突之后，分析并總結(jié)交換機工作的原理即MAC地址表的作用；通過慢動作動畫掌握交換機MAC地址表的逆向?qū)W習，如圖2所示。

圖2 交換機無沖突網(wǎng)絡傳輸

（4）實踐任務三：沖突域分析。在教師的指導下，學生通過分析上述網(wǎng)絡故障、排除過程的現(xiàn)象，了解沖突產(chǎn)生的根源，傳統(tǒng)以太網(wǎng)工作原理，并說明交換機分割沖突域的工作原理。

2. 考核內(nèi)容

以虛擬仿真的以太網(wǎng)局域網(wǎng)模型為載體，將理論講授課程轉(zhuǎn)換為實踐分析課程后，考核內(nèi)容和形式也從單一的理論轉(zhuǎn)為理實一體考核。主要包括：以太網(wǎng)原理CSMA/CD和交換機工作原理的理解；HUB組網(wǎng)沖突檢測（通過項目實踐截圖形式）；交換機MAC地址表學習方式（通過項目實踐截圖形式）。

四、總結(jié)

利用虛擬仿真技術節(jié)約成本、配置靈活和部署簡單的優(yōu)勢，依據(jù)網(wǎng)絡管理員崗位開發(fā)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡模型，并將傳統(tǒng)教學方式轉(zhuǎn)換為項目化教學方式。在教學實踐中突出了學生的主體地位，激發(fā)了學生學習的興趣，與傳統(tǒng)教學方式相比效果明顯。

［1］陳論．基于云計算和虛擬化的計算機網(wǎng)絡攻防實驗教學平臺建設探索[J]．信息化建設，2015，(2)：128．

［2］譚方勇，張燕，李金祥．基于虛擬仿真軟件技術的計算機網(wǎng)絡實驗教學體系[J]．計算機時代，2011，（11）：51-53．

［3］戴士弘．職教院校整體課改[M]．北京：清華大學出版社，2012：35-36．

2017-07-05

河北省教育廳2015年河北省高等學?？茖W技術研究自籌項目“基于虛擬化技術的網(wǎng)絡模型庫的研究與開發(fā)”（Z2015115），潘洪濤主持；2015年保定電力職業(yè)技術學院項目化課程建設重點課程《園區(qū)網(wǎng)建設與維護》，潘洪濤主持

王智明（1965-），男，保定電力職業(yè)技術學院副教授，研究方向：網(wǎng)絡工程和職業(yè)教育研究。