網絡工程專業虛擬仿真實驗平臺建設改革

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摘要：目前針對網絡工程專業的招聘崗位多為技術性要求較高的崗位對實踐動手能力的要求較高。因此實驗教學對于網絡工程專業的學生培養顯得尤為重要。由于實驗教學資金、場地的限制，一些實驗根本無法實現，為解決此問題，我們設計了基于虛擬仿真的實驗教學平臺，針對虛擬仿真實驗的優勢與特點對傳統實驗課程教學模式進行調整。

關鍵詞：網絡工程；虛擬仿真；實驗教學；教學改革

通過對招聘市場上網絡工程專業的需求調查發現，網絡工程專業招聘崗位包括網絡工程師、網絡管理員、系統管理員、運維工程師、系統工程師、系統集成工程師等等，這些崗位對發現問題、解決問題的實踐性要求都很高。這就要求學生在大學期間除了掌握基本的理論知識外，還要提高實踐技能。因此對于網絡工程專業的學生而言，實驗教學就顯得尤為重要。如果學生僅停留在理論知識的學習、在實踐環節欠缺，將導致學生就業遇到很大的困難。為彌補這方面的不足，我們研究開發了網絡工程專業虛擬仿真實驗平臺，并針對新平臺下的實驗內容，對課程進行了改革。

一、傳統實驗教學的特點與不足

1.搭建小型化的實驗場地。參照實際場景，鋪設線路，搭建設備，構造微縮版的實驗場景。缺點在于實驗場地大小受限，僅能實現試驗臺式的模擬，很難模擬廣闊場景下的網絡工程實驗。導致學生缺乏樓宇、樓群網絡工程整體概念，缺乏整體性的概念。

2.采購實際網絡設備，搭建實驗環境。雖然學生可以在真實的設備上進行配置實驗，但是設備更新慢，不能緊跟市場需求的變化。目前高校采購的實驗設備至少使用5年，有的甚至10年都難以得到更換或升級，尤其對于一些非重點高校該問題更顯突出。

3.搭建實驗環境相對復雜。由于采用真實的網絡設備，每次實驗前教師都需要根據實驗環境，對設備進行初始配置。學生練習后還需要將配置初始化。配置上的初始與還原浪費了老師和學生寶貴的學習時間。

4.由于采購資金的限制，設備的數量也是有限的，僅能模擬網絡環境相對簡單的實驗，即便如此也不能同時滿足大批量的學生同時實驗。實驗場地、時間都受到了限制。

5.由于每次實驗都需要教師提前配置網絡設備搭建環境，學生的實驗內容相對單一，只能在設定的網絡拓撲下進行實驗操作，學生缺乏創新性的實驗環境。

二、虛擬仿真實驗教學平臺的優勢

當前虛擬仿真技術得到快速的發展，其應用領域也在不斷拓展，涉及了虛擬場景漫游、虛擬汽車、輪船、飛機駕駛、虛擬作戰指揮、虛擬制造等等。該技術解決了真實世界中操作成本高、風險大的難題，以先進的技術實現低成本的虛擬實驗，同時又能有身臨其境的感受。網絡工程專業的虛擬仿真實驗教學平臺可以很好地解決一些受場地、資金、人力限制的實驗場景的搭建，并能提供一種虛擬的但真實體驗度很好的實驗環境。其優勢具體體現在以下幾點。

1.利用計算機建模技術，我們可以實現任何樓宇、建筑群的環境搭建。當學生進入系統后，可以在實驗場景里虛擬漫游，實際體驗度較高。同時也能激發學生設計與解決問題的興趣。

2.環境中所有的實驗設備都可以通過安裝不同廠家設備的虛擬機來實現。目前華為、思科等主流網絡設備的廠商都提供設備的操作系統文件，我們可以通過模擬器運行相應的設備的操作系統實現網絡設備調試模擬。只要有新的設備出來，我們就可以利用模擬器虛擬一臺設備出來供學生實驗使用，完美地解決了設備老舊以及數量限制的問題。

3.虛擬的實驗場景，虛擬新設備的使用，更能激發學生的興趣。同時學生在虛擬場景下可以自己設定實驗場景，有利于提高學生的創新能力。

三、網絡工程專業虛擬仿真實驗教學平臺的搭建

目前通過自主開發，已經實現了網絡工程與綜合布線實驗的虛擬仿真，而這兩門課程是對實踐能力要求較高的課程。系統實現了教師可以針對學生的特點與興趣搭建適合的虛擬場景，學生在虛擬環境中完成整個工程的需求分析、系統設計、系統預算與三維場景下的施工操作。學生完成實驗后，教師可以在教師管理端隨意瀏覽學生實驗完成情況，并在線給予評價與成績。有了該實驗系統的支持，學生了實現隨時隨地接入校園網就可以完成實驗的全部內容。這只是搭建網絡工程專業虛擬仿真實驗平臺的一部分，隨著開發的推進，將逐步實現網絡工程專業涉及的網絡協議仿真、網絡安全仿真、通信仿真與信號處理仿真等等。實驗平臺當前是運行在一臺高性能的服務器上，學生通過客戶端程序連接服務器進行虛擬仿真的網絡工程與綜合布線的實驗。隨著實驗系統的不斷完善與豐富，同時為了提供性能更高的服務，實驗服務端將搭建在一臺云服務器上，并開放廣域網訪問權限。這樣學生做實驗將不局限于在實驗室內，而是可以在任何可以訪問網絡的地方登陸虛擬仿真實驗平臺，進行實驗環境的搭建并進行實驗。教師可實現隨時隨登錄教師端查看同時在線人數以及學生實驗的進度與內容，及時發現學生的問題并指導。由于云服務器的特點，可以根據同時在線實驗人數的增加動態擴充云服務器的內存、CPU配置，以提供更高性能的可靠、穩定實驗環境。為保障實驗環境安全性，在云服務器端安裝網絡防火墻與網絡防入侵檢測系統，在保證學生、教師正常訪問的前提下對服務器實施嚴格的網絡防護。系統運行的模擬圖如下圖所示：

四、在虛擬仿真環境下的實驗教學改革

基于網絡工程與綜合布線的虛擬仿真實驗教學系統，已經實施了4個學期的實踐教學，可以明顯感受到學生對課程實驗的興趣度得到了提高，并且通過對學生的考核與調查表明，他們對于知識的理解與掌握相對傳統實驗而言也有了較大的提高。最重要的一點就是學生實現了在以往傳統實驗環境中無法實現的實驗在虛擬仿真環境下得到很好的體驗。結合這兩門課程的虛擬仿真的實驗教學實踐，制定了新環境下實驗教學模式。

1.首先增加實驗教學的課時。因為網絡工程與綜合布線本身對實踐能力的要求就較高，模擬整個建筑或建筑群的需求分析、系統設計、三維施工的工作量就比較大，傳統分配的課時相對不足。

2.將理論知識講解與實驗教學相結合，從課堂教學課時中劃撥一部分課時在實驗教學中進行講解。課堂上，老師通過PPT給學生講電信間、設備間、水平子系統、工作區子系統等概念時，學生很難理解，而通過虛擬仿真系統，在虛擬的三維場景下就相對簡單多了。

3.由于虛擬仿真系統提供了一個虛擬的實驗場景，比如酒店、公寓、商場等場景，我們的教學也需要利用虛擬仿真的優勢，逐漸由課堂教學轉向情景教學，吸引學生的注意力，對于提高學生對知識的理解與掌握也將起到很好的作用。

4.個性化定制實驗內容。針對每個學生的興趣點，可以為學生量身打造實驗場景與需求。由于系統設計時提供場景庫與各種需求的模板，教師可以自由組合出多種實驗環境，并且教師只是通過簡單的選擇、確認就可以了，而不用像傳統實驗那樣連接、調試設備。個性化的實驗場景設定相對統一的實驗環境而言更能針對學生的不足通過實驗過程進行彌補，對于提高學生整體的實踐能力將有很大的幫助。

5.課程的后期階段，將鼓勵學生自己搭建實驗場景，自己設定所需要的設備類型與數量，教師只需要進行適當的指導。通過這樣的練習，將明顯提高學生的設計能力與獨立思考的能力。

五、結束語

借助自主開發的基于虛擬仿真的網絡工程與綜合布線實驗教學系統，經過4個學期的實驗課程實際教學，我們發現虛擬仿真環境下的實驗很好地解決了傳統實驗過程中遇到的難以解決的問題。虛擬仿真實驗對于提高學生實驗課程的興趣度，提高學生的實踐能力起到了很大的幫助作用。同時為提高實驗教學水平，對實驗課程進行了課時分配調整，授課內容也部分由課堂教學調整為虛擬仿真環境下的情景教學，實驗課程的教學改革經過一段時間的驗證也取得了成功。基于虛擬仿真的教學云平臺的建設規劃，我們將通過自主開發、軟件采購的方式逐步完善網絡工程專業其他課程的虛擬仿真實驗課程建設，通過云平臺服務為師生提供更好的教學實驗環境。

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作者：呂青普 王朕 單位：天津財經大學理工學院信息科學與技術系