新醫(yī)科視域下“計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)”課程中的醫(yī)學(xué)仿真應(yīng)用

摘要：“計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)”是醫(yī)科高校信息管理專業(yè)學(xué)生的一門重要課程，實驗教學(xué)則是提高學(xué)生應(yīng)用能力的基礎(chǔ)保障。本文針對傳統(tǒng)課程理論與實驗分離、實驗內(nèi)容與醫(yī)學(xué)環(huán)境脫節(jié)的問題，采用仿真軟件Packet Tracer的項目實驗設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生解決醫(yī)院網(wǎng)絡(luò)工程問題的能力。通過實驗項目的訓(xùn)練，學(xué)生能夠?qū)嶋H操作網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，了解網(wǎng)絡(luò)的配置和管理，同時也能夠通過仿真軟件模擬醫(yī)院網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，提升解決實際問題的能力。這種綜合實驗教學(xué)方法取得了良好的教學(xué)效果，有較高的推廣價值。

關(guān)鍵詞：Packet Tracer；醫(yī)學(xué)網(wǎng)絡(luò)模擬；計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；教學(xué)改革

一、引言

在醫(yī)學(xué)高校的“計算機網(wǎng)絡(luò)”課程中，理論知識和實驗項目的精選非常重要，需要在確保內(nèi)容精準(zhǔn)的同時，和醫(yī)院現(xiàn)實情況有較強相關(guān)度。項目式實驗教學(xué)方法能同時滿足以上需求，在培養(yǎng)學(xué)生實踐能力方面效果顯著。項目式實驗教學(xué)由一系列精選基礎(chǔ)性實驗貫穿整個實驗教學(xué)過程，學(xué)生通過逐步學(xué)習(xí)基礎(chǔ)性操作并完成一系列實驗，逐步完成整個綜合實驗。為了確保實驗的真實性和可操作性，項目制實驗教學(xué)通常采用軟件模擬加硬件驗證的方式開展。思科網(wǎng)絡(luò)仿真平臺（Cisco Packet Tracer Student）是一個非常好的實驗工具，能夠滿足項目制實驗教學(xué)的需求，幫助學(xué)生漸進式地進行實踐，從而更好地掌握計算機網(wǎng)絡(luò)的知識和技能。

二、課程實施過程存在的問題

（一）教材的深度與學(xué)生的學(xué)習(xí)能力不匹配

計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)課程教材往往比較深奧[1]，對于剛接觸計算機專業(yè)知識的學(xué)生來說，有一定的理解難度。特別是學(xué)習(xí)信道、協(xié)議等內(nèi)容時，學(xué)生由于缺乏感觀認知，往往感到一頭霧水，導(dǎo)致教學(xué)效果不佳。計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)課程教師應(yīng)當(dāng)結(jié)合教學(xué)目標(biāo)、根據(jù)專業(yè)特點選用適合的教材[2]。

從教學(xué)目標(biāo)上來說，計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)課程旨在幫助學(xué)生建構(gòu)體系化的理論知識體系，進而培養(yǎng)學(xué)生的思維能力；從專業(yè)特點上來說，計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)課程具有實踐性強的特點?；诖?，在教材的選擇上，教師需要考慮教材的深度和專業(yè)特色化[3]，既能夠幫助學(xué)生建立起扎實的理論基礎(chǔ)，同時能夠與實際工程實踐相結(jié)合[4]。

同時，教師也需要在教學(xué)過程中注重理論知識與實際應(yīng)用的結(jié)合，通過實踐和案例分析等方式，幫助學(xué)生理解和應(yīng)用所學(xué)的知識。這樣才能夠提高教學(xué)效果，培養(yǎng)出具備工程實踐能力的計算機網(wǎng)絡(luò)專業(yè)人才。

（二）真實實驗環(huán)境與模擬實驗環(huán)境未能有機結(jié)合

實踐教學(xué)在計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)課程中扮演著不可或缺的重要角色，而實驗教學(xué)改革則是課程改革的重要環(huán)節(jié)[5]。模擬實驗環(huán)境可以滿足可發(fā)展、高逼真、開放式的實踐教學(xué)需求，能夠構(gòu)建典型的仿真場景，滿足云平臺的使用。其不僅能夠有效輔助計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)課程的實踐教學(xué)，也符合實驗教學(xué)改革的方向。然而，模擬實驗環(huán)境的使用也存在一些問題，比如大大降低了學(xué)生對電子器件的認識度，降低了學(xué)生對真實儀器的訓(xùn)練程度，從而限制了學(xué)生各方面的能力發(fā)展。

為了解決這些問題，教師可以采用實物實驗和模擬實驗并用的方法進行實踐教學(xué)。實物實驗可以提供真實的儀器和設(shè)備，讓學(xué)生親自操作和實踐，從而增強學(xué)生對電子器件的認識，提升學(xué)生的實際操作能力。而模擬實驗則可以提供更靈活、可控的實驗環(huán)境，讓學(xué)生進行更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)配置和實驗操作。通過實物實驗和模擬實驗結(jié)合進行教學(xué)，可以充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，提高學(xué)生的綜合能力和實踐能力。

（三）缺乏信息化教學(xué)環(huán)境

傳統(tǒng)的教學(xué)形式只注重教師的課堂講授，不注重課堂以外學(xué)習(xí)環(huán)境的探索，形式單一，不利于因材施教。教師未能充分利用信息技術(shù)設(shè)備輔助教學(xué)，部分教師即使用了信息化設(shè)備，對其的使用也往往局限于教材內(nèi)容的電子化呈現(xiàn)，沒有充分利用信息技術(shù)在教學(xué)內(nèi)容創(chuàng)新、教學(xué)資源拓展方面的作用。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展和教育信息化進程的加速，教師應(yīng)該將信息化融入教學(xué)中，以適應(yīng)信息化教學(xué)和多元化教學(xué)的需求。例如，教師可以充分利用慕課、名師講座等教學(xué)資源，將其中的優(yōu)質(zhì)內(nèi)容向?qū)W生共享。學(xué)生通過移動端可實現(xiàn)隨時、隨地的學(xué)習(xí)教師共享的優(yōu)質(zhì)資源。此外，信息技術(shù)環(huán)境下的學(xué)習(xí)方式也需要改變，教師應(yīng)當(dāng)培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，鼓勵學(xué)生在課堂以外探索符合自身需求的學(xué)習(xí)環(huán)境，以提高學(xué)生的綜合能力和實踐能力。

（四）教學(xué)內(nèi)容與培養(yǎng)目標(biāo)不一致

傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容偏重理論，缺乏與專業(yè)需求和社會需求的緊密結(jié)合，導(dǎo)致教學(xué)目標(biāo)與“立足地方、融入地方、服務(wù)地方”的人才培養(yǎng)目標(biāo)脫節(jié)。教學(xué)內(nèi)容里的專業(yè)知識沒有隨著專業(yè)和時代的發(fā)展及時更新、升級，實踐教學(xué)的重要性沒有得到充分體現(xiàn)。在此背景下，教師需要緊密結(jié)合專業(yè)需求和社會需求，對教學(xué)內(nèi)容進行相應(yīng)的增刪，及時改進和調(diào)整專業(yè)教學(xué)方法，加強實踐教學(xué)，以更好地培養(yǎng)專業(yè)基礎(chǔ)扎實、實踐能力出眾、符合社會需求的高層次人才。

三、Cisco 網(wǎng)絡(luò)仿真平臺在實作課程中的優(yōu)勢

Cisco 網(wǎng)絡(luò)仿真平臺具有模擬真實網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、多種實驗場景、實時反饋和調(diào)試、可視化操作界面以及生成實驗報告和評估等功能優(yōu)勢。將其引入“計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)”實作課程，可為學(xué)生提供一個全面、安全和便捷的實驗平臺，幫助學(xué)生更好地理解和應(yīng)用計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

（一）操作方便

Packet Tracer模擬器是由Cisco公司發(fā)布的輔助學(xué)習(xí)的網(wǎng)絡(luò)工具，它操作方便，易于上手。這個模擬器提供了一個可視化的環(huán)境，學(xué)生可以通過它來完成搭建基本網(wǎng)絡(luò)和簡單物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)等教材要求的實踐操作。相較于其他復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)工具，學(xué)生無需提前掌握復(fù)雜的專業(yè)知識，就可以通過Packet Tracer模擬器來練習(xí)使用路由器、交換機和其他相關(guān)信息設(shè)備，以及搭建簡單或復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

（二）真實感強

Packet Tracer模擬器具有強烈的真實感和豐富的功能。通過Packet Tracer模擬器，學(xué)生可以進行接近真實體驗的實驗和操作。他們可以通過拖拽和連接設(shè)備來構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓撲，設(shè)置設(shè)備參數(shù)和配置網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。這種可視化的操作方式使學(xué)生更容易理解和掌握網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。同時，學(xué)生可以隨時查看網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的運行狀態(tài)、數(shù)據(jù)流量和錯誤信息，并根據(jù)實時的數(shù)據(jù)反饋匹配相應(yīng)的操作，從而幫助學(xué)生及時發(fā)現(xiàn)和解決網(wǎng)絡(luò)故障，提高故障排除能力。

（三）與項目驅(qū)動式教學(xué)方式高度匹配

教師可以利用模擬器將多個網(wǎng)絡(luò)或系統(tǒng)組合在一起，創(chuàng)建一個綜合項目，并將所有知識點集中融入該項目，讓學(xué)生通過實踐深入理解和掌握網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

在項目驅(qū)動式教學(xué)中，不僅考察學(xué)生對理論知識的掌握情況，更強調(diào)學(xué)生在實踐操作中發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。通過Packet Tracer模擬器，學(xué)生可以模擬真實的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，并進行實驗和調(diào)試，從而培養(yǎng)他們解決問題的能力和創(chuàng)新思維。

（四）支持多種終端

Packet Tracer可適應(yīng)電腦、平板、手機等多種終端，為學(xué)生的個性化自主學(xué)習(xí)提供了便利和保障。通過在移動設(shè)備上使用Packet Tracer模擬器，學(xué)生可以隨時隨地進行實驗和學(xué)習(xí)。無論是在學(xué)校、家中還是在外出途中，只要有手機或平板電腦，學(xué)生就可以方便地打開模擬器進行網(wǎng)絡(luò)實驗。有了Packet Tracer模擬器的支持，學(xué)生不再受限于特定的學(xué)習(xí)環(huán)境，可以更加自由地安排學(xué)習(xí)時間和地點。

四、教學(xué)項目實施方案設(shè)計

（一）實驗背景

某醫(yī)院新購2臺CT設(shè)備，要在門診三樓加建CT設(shè)備影像室3和影像室4，影像設(shè)備操作醫(yī)生的辦公室在兩個操作室中間。為維護設(shè)備，進行員工管理，需分別設(shè)置三臺交換機，其中，兩個影像操作醫(yī)生分別連接到自己科室交換機上，CT設(shè)備連接在設(shè)備交換機上。通過劃分VLAN的方法，讓不同子網(wǎng)上的員工可以分別操作自己負責(zé)的CT設(shè)備。員工1可以操作CT設(shè)備1，員工6可以操作CT設(shè)備2。實驗?zāi)繕?biāo)是實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的邏輯隔離和安全性。

（二）技術(shù)原理

交換式以太網(wǎng)與VLAN的原理是將局域網(wǎng)劃分為多個虛擬子網(wǎng)，每個子網(wǎng)具有獨立的廣播域和安全性。交換機根據(jù)VLAN ID將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到對應(yīng)的VLAN中，從而實現(xiàn)不同VLAN之間的隔離和通信。這種劃分可以提高網(wǎng)絡(luò)的性能、安全性和管理靈活性，使得不同部門或用戶組可以獨立配置和管理自己的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

（三）創(chuàng)建VLAN原則和商品分配原則

1.創(chuàng)建VLAN原則

交換機直接連接屬于某個VLAN的終端；屬于某個VLAN的交換路徑經(jīng)過交換機中的端口。

2.端口分配原則

接入端口：只有屬于單個VLAN的交換路徑經(jīng)過該端口，作為接入端口分配給該VLAN。

共享端口：有屬于不同VLAN的多條交換路徑經(jīng)過該端口，配置為被這些 VLAN共享的共享端口。

（四）端口模式與MAC幀格式之間的關(guān)系

從接入端口輸入/輸出的MAC幀不攜帶VLAN ID，是普通的MAC幀格式，如圖1所示。

從共享端口輸入/輸出的MAC幀，攜帶該MAC幀所屬VLAN的VLAN ID。

（五）教學(xué)項目實施步驟

1.搭建網(wǎng)絡(luò)拓撲

開啟Packet Tracer軟件，添加設(shè)備，按照規(guī)劃端口連接設(shè)備后開啟所有設(shè)備。

2.設(shè)備參數(shù)配置

S2 VLAN辦公室交換機與端口參數(shù)設(shè)置：VLAN 2（接入端口3，共享端口1）；VLAN 3（接入端口4，共享端口2）；VLAN 4（接入端口1，共享端口2）。

S1 VLAN辦公室交換機與端口參數(shù)設(shè)置：VLAN 2（接入端口1、2，共享端口4）；VLAN 4（接入端口3，共享端口4）。

S3 VLAN辦公室交換機與端口參數(shù)設(shè)置：VLAN 3（接入端口2、3，共享端口4）；VLAN 4（接入端口1，共享端口4）。

S1 VLAN交換機接口配置：FastEthernet0/1（Access，2）；FastEthernet0/2（Access，2）；FastEthernet0/3（Access，4）；FastEthernet0/4（Trunk）

S2 VLAN交換機接口配置：FastEthernet0/1（Trunk）；FastEthernet0/2（Trunk）；FastEthernet0/3（Access，2）；FastEthernet0/4（Access，3）

S3 VLAN交換機接口配置：FastEthernet0/1（Access，4）；FastEthernet0/2（Access，3）；FastEthernet0/3（Access，3）；FastEthernet0/4（Trunk）

PC0-PC7參數(shù)設(shè)置如下：

PC0：192.1.2.1 255.255.255.0，

PC1：192.1.2.1 255.255.255.0，

PC2：192.1.4.1 255.255.255.0，

PC3：192.1.4.2 255.255.255.0，

PC4：192.1.3.1 255.255.255.0，

PC5：192.1.3.2 255.255.255.0，

PC6：192.1.2.3 255.255.255.0，

PC7：192.1.3.3 255.255.255.0，

（六）總結(jié)與評價

在這個實驗環(huán)境中，只有在同一個子網(wǎng)中的主機之間才能相互通信，不同子網(wǎng)中的主機無法進行通信。為了驗證這一點，在辦公室1的終端PC0上進行了測試，分別測試了與CT室設(shè)備1和設(shè)備2之間的連通性。

實驗結(jié)果顯示，PC0可以與同一個VLAN中的CT1設(shè)備進行通信，但無法與不同VLAN中的CT2設(shè)備進行通信。這個實驗結(jié)果也可以通過圖2來展示。

實驗結(jié)果表明，在不同子網(wǎng)之間的主機無法直接進行通信，這是因為它們屬于不同的VLAN，并且通過路由器進行通信。這個實驗結(jié)果也驗證了VLAN的作用，它可以將不同的主機劃分到不同的虛擬網(wǎng)絡(luò)中，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的邏輯隔離和安全性。

五、結(jié)束語

使用Cisco Packet Tracer軟件，可以提高《計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》教學(xué)的質(zhì)量和效果。通過實踐操作和項目驅(qū)動式教學(xué)，學(xué)生可以深入理解和掌握網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，提升解決問題的能力和創(chuàng)新思維。當(dāng)然，在此過程中，教師需要將其與教學(xué)內(nèi)容有機結(jié)合，設(shè)計合適的實驗任務(wù)和項目案例，引導(dǎo)學(xué)生進行思考和討論，從而達到最好的教學(xué)效果。

作者單位：石莉 王芳 閆實 金松根 仇彬 黑龍江省牡丹江醫(yī)學(xué)院教育技術(shù)與信息中心

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