網(wǎng)絡(luò)設(shè)備虛擬仿真實驗教學(xué)設(shè)計

陸海峰　李慢慢　張雅娟　戴文娟

摘 要：科學(xué)技術(shù)與時代的發(fā)展下，越來越多的新興技術(shù)推進了各個領(lǐng)域的創(chuàng)新，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備虛擬仿真技術(shù)的出現(xiàn)為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備教學(xué)提供了新的教學(xué)思路。虛擬仿真技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中的應(yīng)用，很大程度上降低了資金投入，解決了場地限制的問題，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的開放與創(chuàng)新。學(xué)生也可根據(jù)自身的學(xué)習(xí)情況彈性制定適合自己的教學(xué)實驗，在虛擬環(huán)境下完成實驗項目，有效推動虛擬仿真技術(shù)在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用。文章從網(wǎng)絡(luò)設(shè)備虛擬仿真實驗教學(xué)方面展開，分析了虛擬仿真技術(shù)在實際網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中的應(yīng)用與發(fā)展。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)教學(xué);虛擬仿真;實驗教學(xué)

0 ? 引言

虛擬仿真技術(shù)也被稱為虛擬現(xiàn)實技術(shù)，通過一個模擬的系統(tǒng)搭建形成另一個真實系統(tǒng)的交互技術(shù)，伴隨科學(xué)技術(shù)與現(xiàn)代科技技術(shù)的不斷創(chuàng)新優(yōu)化，虛擬仿真技術(shù)也逐步應(yīng)用于各個行業(yè)，形成系統(tǒng)的學(xué)科。目前虛擬仿真技術(shù)已經(jīng)靈活應(yīng)用于駕駛訓(xùn)練、城市規(guī)劃、室內(nèi)設(shè)計等諸多領(lǐng)域。本文圍繞網(wǎng)絡(luò)設(shè)備虛擬仿真實驗教學(xué)，分析虛擬仿真技術(shù)在實際網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中的應(yīng)用與發(fā)展。

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備虛擬仿真實驗是一項交互性極強的教學(xué)工作，作為一項專業(yè)性極強的工科學(xué)科，對實踐操作性要求較高，而目前傳統(tǒng)的教學(xué)仍存在以理論為主，實際的教學(xué)效果與今后的職業(yè)應(yīng)用并沒有很好地銜接，虛擬仿真技術(shù)則很好地解決了缺乏現(xiàn)場操作與工程實踐的問題。

1 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備虛擬仿真技術(shù)的實際意義

1.1 指導(dǎo)思路

我國長期教育改革與發(fā)展綱領(lǐng)中提出，要加強對優(yōu)質(zhì)教育資源的開發(fā)與應(yīng)用。通過加強網(wǎng)絡(luò)資源教學(xué)力量的投入，提高模擬仿真技術(shù)在工科學(xué)習(xí)與試驗中的應(yīng)用，創(chuàng)新教學(xué)思維，優(yōu)化并改進學(xué)習(xí)方案，從而提高教學(xué)質(zhì)量[1]。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備虛擬仿真技術(shù)為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備虛擬仿真實驗教育的學(xué)習(xí)展開提供了重要支持，充分合理應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)創(chuàng)造教學(xué)環(huán)境，通過實際操作代替?zhèn)鹘y(tǒng)理論基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)。

網(wǎng)絡(luò)管理綜合實訓(xùn)是計算機網(wǎng)絡(luò)相關(guān)專業(yè)的一項系統(tǒng)化綜合應(yīng)用實訓(xùn)，是網(wǎng)絡(luò)相關(guān)主干課程“網(wǎng)絡(luò)交換與路由”“網(wǎng)絡(luò)組建與管理”“網(wǎng)站建設(shè)”“網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)”等知識融會貫通后開展的系統(tǒng)化集成綜合應(yīng)用實訓(xùn)。

虛擬仿真技術(shù)在計算機網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的應(yīng)用逐步完善。在開始綜合實際教學(xué)環(huán)節(jié)之前，可以根據(jù)單獨應(yīng)用的個體技術(shù)進行專項教學(xué)，如操作系統(tǒng)中的虛擬技術(shù)應(yīng)用—虛擬內(nèi)存、硬盤與網(wǎng)絡(luò)組件應(yīng)用[2]。

1.2 基礎(chǔ)思路

在虛擬仿真技術(shù)網(wǎng)絡(luò)實驗中，利用虛擬軟件在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備虛擬仿真實驗教學(xué)環(huán)節(jié)展開綜合管理與技術(shù)實際操作，在前期對教學(xué)任務(wù)的知識點展開分析，使學(xué)生對虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用有一個明確的認(rèn)知，交互形成較大的實訓(xùn)項目[3]。學(xué)生熟練掌握了理論技術(shù)，為后期實際網(wǎng)絡(luò)設(shè)備虛擬仿真實驗的部署打好基礎(chǔ)，進而在管理網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)格、展開項目設(shè)計等實際工程項目中熟練地完成工作任務(wù)，提高教學(xué)質(zhì)量。

1.3 綜合實踐目的

通過實際操作，使學(xué)生形成網(wǎng)絡(luò)設(shè)備虛擬仿真實驗建設(shè)的大體概念，不再拘泥于傳統(tǒng)課堂對小范圍的教學(xué)模擬帶來的局限性，通過優(yōu)化模擬環(huán)境，根據(jù)數(shù)據(jù)庫的教學(xué)方案有目的地制定網(wǎng)絡(luò)設(shè)備虛擬仿真實驗的實施方法，滿足職業(yè)教育的技術(shù)要求[4]。通過虛擬仿真技術(shù)的實際應(yīng)用，以項目作為驅(qū)動力，有多個課題同時研發(fā)并展開學(xué)習(xí)整合，完成實際網(wǎng)絡(luò)設(shè)備虛擬仿真實驗的布設(shè)項目，提高教學(xué)水平與教學(xué)效率。

2 傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備虛擬仿真實驗教學(xué)中的不足

2.1 資金投入不足，設(shè)備更新慢

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的更新?lián)Q代速度較快，例如高層交換機、路由器等設(shè)備不僅價格昂貴且更新速度快，前期的教學(xué)基本可以滿足學(xué)生對設(shè)備調(diào)試與試驗的需求，主流設(shè)備更迭速度較快，試驗設(shè)備無法滿足更新的需求，導(dǎo)致技術(shù)學(xué)習(xí)方面跟不上時代發(fā)展，降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

2.2 場地受限，無法模擬更多環(huán)境下的實際操作

在教學(xué)實驗室內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備虛擬仿真實驗僅僅能夠模擬單一或小型的工作局域網(wǎng)搭建，而網(wǎng)絡(luò)設(shè)備虛擬仿真實驗學(xué)習(xí)的實際意義在于實現(xiàn)大型場所的網(wǎng)絡(luò)搭建預(yù)配置，傳統(tǒng)教學(xué)實驗僅能滿足基礎(chǔ)的網(wǎng)線卡接與網(wǎng)絡(luò)連接的教學(xué)內(nèi)容要求，與實際操作脫節(jié)。

2.3 實驗點分散

由于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備虛擬仿真實驗所服務(wù)的工作環(huán)境是通過各個節(jié)點交互完成，各個實驗節(jié)點之間沒有足夠的連貫性，使學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中無法形成整體的大型建筑群體的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計概念。

2.4 缺乏創(chuàng)新

學(xué)生在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備虛擬仿真實驗學(xué)習(xí)環(huán)境中，所接觸的網(wǎng)絡(luò)實驗都是在實驗室建設(shè)階段就設(shè)計好的，長期無法得到更新，限制了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

3 虛擬仿真技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備虛擬仿真實驗教學(xué)中的優(yōu)點

3.1 創(chuàng)新實踐能力

系統(tǒng)能夠依照網(wǎng)絡(luò)設(shè)備虛擬仿真實驗學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)的實際教學(xué)要求展開仿真實驗，包含了學(xué)習(xí)內(nèi)容中的具體需求分析、系統(tǒng)設(shè)計、工程預(yù)算與項目實施展開的多個環(huán)節(jié)。在綜合布線基礎(chǔ)上利用計算機系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)建立完成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洵h(huán)節(jié)，真實模擬了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備虛擬仿真實驗中從設(shè)計到施工完成的全部過程。

這種學(xué)生根據(jù)自身特點設(shè)計、探究并加以實施的教學(xué)方式，更加合理有效地提高了學(xué)生網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與綜合布線的能力，促進了學(xué)生工程實踐能力與理論知識的有效結(jié)合，優(yōu)化了學(xué)生的專業(yè)工程素養(yǎng)，使學(xué)生在學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)達到實踐性、綜合系統(tǒng)的工程解析目的，提高了綜合素養(yǎng)[5]。

3.2 創(chuàng)新教學(xué)模式

通過虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建多個教學(xué)場景，在完成網(wǎng)絡(luò)設(shè)備虛擬仿真實驗設(shè)計教學(xué)的同時，極大地增加了與真實工程場景的相似性[6]。系統(tǒng)通過參數(shù)模擬，可搭設(shè)辦公集群、學(xué)校、公共建筑物等環(huán)境，在實際操作環(huán)節(jié)，學(xué)生通過三維交互，在預(yù)設(shè)腳本參數(shù)內(nèi)，極大地保持了自由設(shè)計的仿真程度。

過去傳統(tǒng)的實驗教學(xué)是對理論知識的延伸，虛擬仿真技術(shù)則朝著綜合性交互的方向發(fā)展，著重培養(yǎng)學(xué)生對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備虛擬仿真實驗與綜合知識的融合，在實際工程項目中，利用技術(shù)設(shè)計手段進行分析，獨立完成工程設(shè)計并處理項目中存在的問題，優(yōu)化學(xué)生的實際操作與創(chuàng)新思維。

4 仿真技術(shù)平臺相關(guān)技術(shù)分析

4.1 平臺開發(fā)工具

計算機虛擬組裝與拆卸是依托于北京鐳嘉科技有限公司的虛擬現(xiàn)實（VR）實驗仿真教學(xué)系統(tǒng)，通過交互對象的方式，利用簡單易于操作的人機交互體系，完成了計算機硬件中的3D交互。通過仿真平臺的可視化系統(tǒng)，在平臺內(nèi)利用描繪的硬件實體作為實際對象，通過相關(guān)硬件之間的屬性與組成關(guān)系建立計算機系統(tǒng)的模擬組裝，形成完整可行的計算機硬件系統(tǒng)，完成教學(xué)與實驗操作。

4.2 硬件構(gòu)模技術(shù)

在虛擬組裝試驗的環(huán)節(jié)內(nèi)，要依靠三維模型來定位并規(guī)劃物體的位置。計算機組裝與拆解虛擬仿真實驗的硬件設(shè)備是利用虛擬現(xiàn)實（VR）實驗仿真教學(xué)系統(tǒng)平臺內(nèi)置的節(jié)點導(dǎo)入模型。在通過理論學(xué)習(xí)與研究清楚硬件的組成與屬性后，大部分計算機硬件都是具有規(guī)則的固定模型，例如CPU方形、內(nèi)存條長方形、主板矩形，按照硬件常見的形狀，從而確定在虛擬平臺內(nèi)的建模方式。想要完成虛擬實驗平臺的搭建，首先要確定實驗的重要環(huán)節(jié)：實驗場景區(qū)，通過虛擬平臺的素材庫建立模擬場景，增加學(xué)員的體驗感;構(gòu)建虛擬硬件CPU、主板、內(nèi)存條、光驅(qū)、顯卡等物理硬件的3D模型及相應(yīng)的操作內(nèi)容與實驗環(huán)節(jié)所出現(xiàn)的現(xiàn)象與處理方式。

4.3 人機交互技術(shù)

虛擬仿真實驗操作平臺采用的人機交互模式將決定系統(tǒng)平臺的操作靈活性。實驗操作者選擇虛擬現(xiàn)實（VR）實驗仿真教學(xué)系統(tǒng)平臺技術(shù)給實驗者開拓了一個操作靈活、便捷的人機交互操作接口，學(xué)生登錄系統(tǒng)后，將從云端下載之前的操作存檔，學(xué)生通過VR眼鏡、操作手柄就能夠?qū)W習(xí)并熟悉計算機組裝與拆解技術(shù)中各部分3D硬件模型的特點、接口、安裝流程中所需要關(guān)注的注意事項，學(xué)生可以在自主操作中完成計算機組裝內(nèi)容的知識流程學(xué)習(xí);在操作平臺的實施中，學(xué)生可以對操作虛擬組裝試驗平臺中任意實體對象進行選擇、移動、縮放等仿真操作，進而完成計算機硬件組裝與拆解的模擬過程。

4.4 實驗?zāi)M控制技術(shù)

在虛擬現(xiàn)實（VR）實驗仿真教學(xué)系統(tǒng)計算機組裝試驗的環(huán)節(jié)內(nèi)，實驗?zāi)M控制技術(shù)作為重要內(nèi)容，通過觀看與分析實驗?zāi)Ｐ?、了解實驗中需要注意的具體事項以及模擬組裝實驗等，讓學(xué)生通過模擬組裝平臺完成計算機硬件的組裝，將實驗操作過程中各個節(jié)點的成績等通過學(xué)生端平臺上傳至教師系統(tǒng)。教師及時根據(jù)實驗數(shù)據(jù)與具體完成情況對學(xué)生的成績與操作中存在的問題保存并反饋給學(xué)生。其中，虛擬現(xiàn)實（VR）實驗仿真教學(xué)系統(tǒng)平臺實驗控制是對整體組裝仿真模擬的一個流程，具體分為3種模式分別為硬件展示學(xué)習(xí)模式、組裝模擬仿真交互模式、場景模擬測評模式。學(xué)生端通過模擬進行組裝或拆卸的場景仿真訓(xùn)練，最終完成教師制定的考試內(nèi)容，試驗完成后自己發(fā)送至教師端口。

作為虛擬仿真平臺，除了完成計算機硬件的功能展示、模擬操作交互練習(xí)與測試之外，實驗成績的保存與評定也是重要的考核數(shù)據(jù)。通過虛擬組裝實驗平臺的場景模擬測評考試，學(xué)生進行實際操作完成計算機硬件的組裝與拆解，再由教師對學(xué)生的成績進行評定與保存，并分析其中存在的問題，及時反饋給學(xué)生，并將操作錄像存儲在云端，為日后學(xué)生復(fù)習(xí)操作內(nèi)容提供完整的對照參考。

5 結(jié)語

建立在虛擬仿真技術(shù)下的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備虛擬仿真實驗平臺能夠?qū)W(xué)生資料進行云端備份，學(xué)生在登錄系統(tǒng)后加載資料，保證實驗操作的連貫性。在整體與細(xì)節(jié)交互分析的試驗過程中，學(xué)生也能直觀理解并分析虛擬仿真技術(shù)對實際教學(xué)的創(chuàng)新性。虛擬仿真技術(shù)適用于操作性較強的學(xué)科學(xué)習(xí)，通過構(gòu)建場景與操作模式，利用實踐模擬結(jié)合理論知識，將教學(xué)任務(wù)更加直觀地呈現(xiàn)在學(xué)生面前，提高了教學(xué)質(zhì)量。

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（編輯 王雪芬）

Teaching design of virtual simulation experiment for network equipment

Lu Haifeng， Li Manman， Zhang Yajuan， Dai Wenjuan

（Hainan University of Science and Technology， Haikou 571126， China）

Abstract：With the development of science and technology and the times， more and more new technologies have promoted the emergence of new plates in various fields. The emergence of virtual simulation technology of network equipment to a large extent has launched a new teaching idea for the teaching of network equipment. The application of virtual simulation technology in network teaching greatly reduces the capital investment， solves the problem of site restriction， and realizes the opening and innovation of network teaching. Students can also flexibly formulate their own teaching experiments according to their own learning situation， complete the experimental projects in the virtual environment， and effectively promote the application of virtual simulation technology in various fields. This paper analyzes the application and development of virtual simulation technology in practical network teaching from the aspect of virtual simulation experiment teaching of network equipment.

Key words：network teaching; virtual simulation; experimental teaching

基金項目：項目名稱：網(wǎng)絡(luò)設(shè)備互聯(lián)虛擬仿真實驗教學(xué)設(shè)計與運用;項目編號：202002017006。

作者簡介：陸海峰（1986— ），男，廣西桂林人，講師，本科;研究方向：計算機網(wǎng)絡(luò)，物聯(lián)網(wǎng)。