基于SPOC和虚拟仿真技术的计算机网络实验

基于SPOC和虚拟仿真技术的计算机网络实验教学研究摘要：为培养国家和社会需要的计算机网络人才，高校需要对计算机网络实验教学进行改革。文章分析了计算机网络实验教学改革的必要性，提出了基于SPOC和虚拟仿真技术的计算机网络实验教学模式并在实际教学过程中实施并实践。关键词：SPOC虚拟仿真技术计算机网络实验教学一引言《教育部等部门关于进一步加强高校实践育人工作的若干意见》指出：实践教学是学校教学工作的重要组成部分，是深化课堂教学的重要环节，是学生获取、掌握知识的重要途径。实践教学方法改革是推动实践教学改革和人才培养模式改革的关键。高校要把加强实践教学方法改革作为专业建设的重要内容，加强综合性实践科目设计和应用。计算机实验教学作为计算机理论课教学的补充，在一定程度上可以加深理论课的原理、方法以及实现的过程，让学生可以在实验过程中能够夯实专业理论。21世纪的今天，国家发展飞速，国家对高校人才的培养尤其是在大数据、物联网飞速发展的当下，高校计算机专业课程改革尤其是计算机实验类课程应该更多的和国家的时代发展的要求相结合。计算机实验教师应当在实验教学的过程中引进更多的先进教学理论，在教学实践中更多的是以学生为主，培养学生解决实际问题的能力。这有这样，高校培养的计算机类人才才能满足国家和社会的需要。二计算机网络实验教学中引入SPOC和虚拟仿真技术的必要性（一）改善传统教学模式SPOC（SmallPrivateOnlineCourse）教学模式，即小规模私有在线课程，最早是2013年由福克斯教授提出[1,2]，目的是希望利用丰富的MOOC学习资源与课堂教学优势互补，提高教学质量。基于基于SPOC和虚拟仿真技术的计算机网络实验教学从传统的计算机实验教学以教师为中心转变为以学生为中心。这种以教为中心的授课模式大大强化了学生的主体地位[3]。在传统的教学方式上，教师以教为主，大都以填鸭方式进行教学，学生被动接受知识，抓不到教师上课的重点，不能做到有的放矢，课堂效率降低。例如在计算机网络实验中，学生如果可以在上课之前在SPOC平台提前获得实验课程的相关信息。教师通过SPOC平台对本次实验涉及的知识点、注意事项、实验步骤以及实验中的一些重点环节以视频、文字、PPT等多种形式发布。学生通过SPOC平台可以更能有目的、带着问题进入实验室，提高了课堂效率。另一方面，随着国家高等教育的大众化，越来越多的学生进入大学接受高等教育。但是由于学校资金有限，计算机网络实验设备比较贵重，普通高校很难能够保证每位同学同时使用一套网络实验设备。比如，在计算机网络静态路由实验中，如果按照传统教学可能无法为每位学生提供路由器，学生只能4-6人一组，按组进行路由器配置实验。如果在教学中采用虚拟仿真技术，学生可以在实验室的电脑上自由配置路由器，完成实验任务。这样有效的解决了硬件设备不足的问题。在解决了配置问题以后，教师可以在实验室实地为学生展示真实的路由设备，这样既可以让每位学生掌握路由器的配置又可以让学生对实际路由器的外观和各个接口了解，既锻炼了学生实际操作能力又提高了学生的专业水平。课后学生可以通过SPOC平台，提交实验数据，完成实验报告。基本实验任务结束以后，教师可以利用SPOC平台与学生进行反思讨论。同时教师可以在基础实验之上设计一些与实际工程比较密切的拓展实验来进一步提高学生专业知识的应用能力。这样从课前到课后用了SPOC平台延伸了教学深度和广度[4]，使学生更扎实掌握理论和应用。有助于学生的个人能力发展教师在进行计算机网络实验过程中，引入SPOC和虚拟仿真技术，不仅仅能使学生的学习习惯、学习能力增强，还能让学生大胆动脑、动手，能够激发学生的兴趣和积极性。教师利用SPOC平台主要是进行了课前的预习和课后的反思。这种课前-课中-课后教学过程符合学习的一般规律，能够让学生养成勤于思考、乐于做事的习惯。同时在实验过程中教师引入虚拟仿真技术不仅能够预防实验设备安全隐患问题而且能够让学生完成实验过程中[5]，提高动手和思考能力。学生可以更及时观察和反思实验步骤，也能够直观的发现错误，促进学生个人能力发展。有助于降低实验成本当前，在计算机网络实验教学中，为贴近生产实际，高校需要购置新的实验设备。采用SPOC和虚拟仿真技术以后，实验教学的成本降低。计算机网络设备比较贵重，在实际实验过程中，学生难免由于好奇等原因将不同的连接线对倒、反插，对网络设备的配置信息进行更改。如果经常出现这样的问题，实验教师的工作量会额外增加，同时下一轮的实验进程也会收到影响。学生对网络实验设备的各类连接线的随意连接也可能会导致该组的整套网络设备在最基本的连接中出现错误甚至会损坏设备。教师采用虚拟仿真技术可以避免这样的问题发生。在实际的实验教学过程中，如果不考虑设备成本问题教师应该鼓励学生在完成基本实验任务以后，按照自己的想法和思路去验证不同类型的实验，这样可以增加学生的兴趣，让学生更主动的参与实验中去。同时目前国内的SPOC平台较多，如中国大学生慕课、爱课程等。这些教学资源平台基本上免费使用，功能较强大。教师在实验教学中可以利用这些SPOC平台。这样不仅节约了资金，最重要的是提高了学生的学习能力，完成了实验目标。三基于SPOC和虚拟仿真技术的计算机网络实验教学实践基于SPOC和虚拟仿真技术的计算机网络实验教学过程计算机网络课程的理论部分和实验部分同等重要，两者相辅相成，其中计算机网络实验部分更多的是理论的延伸。对于教师来说理论的讲解如果能通过实验去验证，更能增加学生的理解深度。基于此，计算机网络实验教学的重要性不言而喻。本文利用了现代教育技术设计了基于SPOC和虚拟仿真技术的计算机网络实验教学过程，如图1所示。课前教师利用SPOC平台发布实验内容同时将涉及的知识点用PPT、微视频、精品课等形式展现出来。学生在手机端接收学习资料，进行提前预习，找到不明白之处，带着问题进入实验室[6]。课中教师在实验室对实验项目进行分解同时对实验进行整体讲解，然后将重点、难点在实验室进行课堂展示。学生按照自己预习的成果和教师的讲解进行验证，按照实验步骤完成实验。学生在完成实验的过程中，可能会遇到不同的问题，这些问题可以在课堂上和教师、同学解决也可以在SPOC平台式发布与大家共同探讨。课后教师根据实际情况，发布实验报告要求，学生根据自己的实验内容填写实验报告，上传实验数据。教师根据实验报告以及实验中出现的问题进行总结和归纳，从一般实验延伸出拓展实验[7]，增加学生解决难题的能力。基于SPOC和虚拟仿真技术的计算机网络实验教学实践利用SPOC平台贯穿实验教学始终目前国内众多高校都已经在尝试将SPOC平台应用到实验教学中，取得了良好的效果。实践表明，SPOC平台应用到高校实验教学体系，能够打破实验室的束缚，让学生随时随地都能进行学习，丰富了教学方法，扩展了教学手段，改善了学生听课体验，提高了学生做实验的兴趣，促进了学生分析思考问题的能力。根据学校目前的实际情况，综合学生的意愿，目前我们计算机网络专业实验室采取的是单位自建的网络教学平台，此平台主要依据学习通的泛雅学习平台。通过这个平台教师可以建立与实验课相配套的实验课程，组建计算机实验教学网路教学环境。实验教师一般负责常规实验课程管理。课程管理包括实验课程教案发布、章节任务点、其他参考资料、发布预习作业以及最后的统计功能。在这个学习平台上我们共享了北京理工大学虚拟实验教学视频，同时，实验教师可以根据所教班级的实际情况，添加实验内容、试验任务。实验教师在完成平台课程建设以后，在学生库中添加学生信息。这样学生在手机端登陆学习通，就能出现实验课程内容。利用虚拟仿真技术平台进行计算机网络实验教学计算机网络实验室由于场地、资金等限制，无法保证每为位同学一套设备，根据我校实际，在实验室的学生实验电脑端预先安装了华三模拟器来进行计算机网络实验教学。下面以配置静态路由实验为例，展示实验内容。本次实验的内容是通过A、B、C三台路由器配置静态路由，使PC1能够访问PC2。根据实验内容，在模拟器中分别拖放各个实验设备，根据实验指导书，配置IP地址，如图2所示。为路由器配置接口信息并查看当前配置信息PC1配置IP地址实验中其余的路由器和PC机按照上述实验步骤一一建立。按照实验内容设置完地址以后，可以测试一下两台机器是否能互相访问。从图7，图8能够看出目前是不能互相访问。分别配置路由器A、B、C配置完毕，测试两台电脑是否能够互相访问至此，华三模拟器下的静态路由实验完毕。教师在学生结束实验以后根据学生在实验过程中发现的一些问题和生活实际进行拓展实验，假如全网所有网段全部基于19