2024年3月31日发(作者：)

独立学院计算机网络课程虚拟仿真实验的探索与实践

摘 要：计算机网络课程需要理论和实践紧密结合。随着网络信息化

的发展，对网络实验教学提出了更高的要求。学生在了解基本概念和

基本理论的基础之上，需要学会自己动手组建计算机网络，较为深入

地理解在网络组建过程中的各项工作，并能理论联系实际，进一步使

用和维护管理计算机网络系统。但由于学校教学实践条件有限，因而

构建一个突破传统局限的、不受时间和地域限制的网络化虚拟仿真实

验环境成为迫切需要解决的重要课题。详细介绍了虚拟实验环境的需

求、功能、组成及特点，借助于软件平台进行了虚拟仿真实验和远程

实验的系统设计。

关键词：虚拟仿真实验；远程实验；虚拟实验软件平台

1 构建虚拟网络实验室

网络实验室是计算机网络教学的实践场所，目前城市学院实验中

心还没有建成专门的网络实验室。网络实验室建设投入较大，建设周

期长，在目前教学任务紧迫的情况下，唯有加强网络虚拟平台建设。

虚拟实验平台主要依赖于软件和较少的配套硬件，使实验室的维护费

用和工作量大大降低。

虚拟实验是通过虚拟实验室进行的。虚拟实验室一般是指在不具

备真实实验环境的情况下，在网络环境下用软件平台模拟真实实验环

境，利用虚拟现实技术生成进行虚拟实验的实验系统，包括相应实验

环境、相关的实验仪器设备、实验对象以及实验信息资源等。网络虚

拟实验室可以是某一现实实验室的真实实现，也可以是虚拟构成的实

验室。与现实的实验室相比，虚拟实验室的特点如下：①仿真性。在

虚拟现实技术支持下，虚拟实验室与真正的实验室同等完美，虚拟仪

器与实际仪器功能相同，操作方法也一样，实验者在虚拟实验室里做

实验、训练技能和汲取知识，与在现实实验室里同样方便；②开放性。

虚拟实验室可以给任何实验者在任何地点任何时间广泛地提供赖以

学习、工作和研究的实验场所；③超时空性。利用网络虚拟实验室，

可以彻底打破空间的限制；④可操作性。实验者可以通过使用专门设

备，用人类的自然技能实验对虚拟实验室的物体或事件进行操作。

利用计算机相关软件，在现有对等网基础上构建虚拟实验室，就

可以充分完成计算机网络课程的实践教学目标。虚拟实验室环境需

求：①硬件需求：51台计算机（50台学生机，1台教师机，1G以上

内存，CPU速度1GHz以上），4台交换机。为教学方便，教师机安

装多媒体电子教室服务端，建议计算机安装Windows Server 2003标

准版（或Windows XP双系统），构建常规教学所用的对等网；②软

件需求：Windows Server 2003标准版系统光盘、Windows XP（sp3）

系统光盘、Linux系统光盘、Microsoft Virtual PC 2007、Boson NetSim

for CCNA（v6.0）、SmartSniff数据包捕获软件，以及光盘工具软件、

克隆软件等。虚拟实验室虚拟目标硬件：利用Microsoft Virtual PC

2007虚拟PC机或服务器，利用Boson NetSim for CCNA软件虚拟路

由器、交换机和PC机。

在虚拟实验平台上可以开展丰富的模拟实验，包括计算机网络拓

扑结构设计、子网划分、网络设备的选型配置、网络设备物理连接和

连通测试、网络的综合管理和维护等。

2 选择网络虚拟实验平台

网络虚拟实验平台是在能够进行网络通信的基础之上将计算机

网络上虚拟的各种计算机、通信设备按实验要求组建成一个完整的虚

拟实验网络，模拟实现各种计算机网络试验和测试，并能重复演示实

验过程。需要选择合适的网络虚拟平台，进行优化和合理的实验设计，

达到提高学生实践动手能力的目的。Labview、Packet Tracer、Virtual

Machine、Virtual PC、Boson NetSim都是构建虚拟实验室的软件平台

和网络学习辅助工具。

Labview是美国仪器公司推出的一种基于图形方式的集成化程序

开发环境，由前面板和流程图两部分构成。用于《数字信号处理》、

《信号与系统》有关信号检测与分析的一系列实验仿真特别合适。

Packet Tracer是由Cisco公司发布的一个辅助学习工具，为学习思科

网络课程的初学者设计、配置、排除网络故障提供网络模拟环境。虚

拟机（Virtual Machine、Virtual PC）指通过软件模拟的具有完整硬件

系统功能的、运行在一个完全隔离环境中的完整计算机系统。Packet

Tracer和Virtual Machine两款虚拟网络平台的功能相互补充。Packet

Tracer主要模拟网络的拓扑图、交换、路由和网络测试。而Virtual

Machine主要用来模拟网络服务、通信和测试。如按照OSI七层模型

来划分，则Packet Tracer模拟网络层的工作，Virtual Machine模拟主

机层工作。Boson NetSim是目前最流行的、操作最接近真实环境的模

拟工具。与真实实验相比，它省去了制作网线连接设备、频繁变换

CONSOLE线、不停地往返于设备之间的环节。同时，它的命令也和

Cisco最新的IOS保持一致，它可以模拟出Cisco的中端产品35系列

交换机和45系列路由器。它还具备一项非常强大的功能，那就是自

定义网络拓扑结构及连接。通过Boson NetSim，我们可以随意构建网

络，PC、交换机、路由器都可被模拟出来，而且它还能模拟出多种

连接方式（如PSTN、ISDN、PPP等）。Boson NetSim带有中文使用

手册，可用于局域网组网技术、计算机网络基础知识及交换机和路由

器技术等课程的实验教学，不过Boson是一款付费软件。3 改进实验

教学模式

计算机网络传统实验内容大多局限于实验环境，脱离工程实际，

实验效果不好，起不到对学生创新能力的培养，导致学生毕业后从事

工程实践时，很难将实验功底转化为从业能力。在我们传统的教学过

程中，虽然在实验环节也采用了分组进行模式，但在具体的操作过程

中，由于学生水平参差不齐，有部分学生并没有真正参与，也就谈不

上团队意识和协作学习。网络虚拟实验平台，可以拓展和改善学习环

境和氛围。

教学方法的改革，其唯一目的是使学生在实际应用时能够灵活地

将理论与实践相结合，培养学生运用知识分析问题解决问题的能力。

除了传统的行之有效的教学方法之外，还应该采用一些有专业特色的

教学方法，与时俱进。

（1）在网络虚拟平台上，将传统的实验题目改编为自主型实验

题目。针对设计型实验的实验内容和具体要求，根据机房环境和网络

虚拟平台精心设计相关题目和题目的梯度任务或将原有实验题目进

行改造，形成与实验要求相对应的自主型实验题目系列。将实验教学

中传统的特定环境实验题目改为以问题为主线的任务情境，使学生自

主选择合理的任务并进行自主设计，培养学生创新能力。

对于服务器的配置和使用维护、网络设备的物理连接和连通测试

以及网络设备选型配置和维护，设定任务情境，对实验任务的选择可

以具有梯度，更贴近工程应用。教师制定学习目标，学生可以自己设

定任务情境，根据实际情况完成。例如，在网络设备的选型配置试验

中，学生可以自主设计网络拓扑结构，进行设备选型，进行模拟设备

配置，以提高学生兴趣和实践动手能力为导向，鼓励学生自主学习。

图1 用Boson NetSim构建的网络拓扑图

下面是一个虚拟实验案例：实验室有多台高性能PC机，能同时

供多名学生和教师使用。这些PC机通过高速交换机相互连接，每台

都装有Windows Server 2003标准版和Windows XP双系统，Boson

NetSim和Virtual Machine网络虚拟平台，都配置相同网段的IP地址、

相同的子网掩码、默认网关和DNS，构成了一个小型的局域网络并

且和因特网相连。实验的拓扑图（图1）是使用Boson NetSim构建的

网络拓扑图。图中有3个不同的网络或子网。PC1和PC2在左边的

子网中，通过交换机Switch0和路由器Router0连接，PC3和PC4位

于右边的子网中，通过交换机Switch1和路由器Router1连接。两个

子网通过Router0和Router1连接。实际上，学生可以自主设计自己

的网络拓扑图，进行设备选型，进行模拟设备配置。

这个实验的主要目的是教会学生如何构造一个小型局域网络，理

解局域网通信的过程和原理。主要教学内容和目标有：①对网络进行

规划，会选择合适的终端和网络设备以及线缆构建网络；②配置终端

接口、路由器接口以及服务器接口的IP地址和子网掩码；③配置路

由表，使整个网络达到连通状态；④使用Ping命令测试网络；⑤理

解局域网通信的过程；⑥理解ARP、ICMP、CSMA/CD以及网关在

网络通信中的作用；⑦理解交换机和路由器的工作原理以及在网络通

信中的作用。

实验的组织和管理：在实验开始时，教师介绍实验的要求和目的，

以及实验使用的工具、方法和命令，然后由学生自己动手来完成实验。

学生可以独自完成实验也可以结对完成实验。为了防止网络上IP地

址发生冲突，学生实验所采用的IP地址可规定为192.168.X.0/24的形

式，X为每个学生的学号。这样不仅解决了IP地址的冲突问题，也

能很容易知道是谁的IP地址，方便学生查找错误，使实验能顺利进

行。

实验的数据分析和原理讲解：实验不仅要求学生掌握局域网的规

划、组建和配置，更重要的是让学生理解局域网的通信原理，相同网

段主机之间和不同网段主机之间通信的过程，网关、交换机和路由器

的工作原理和作用，局域网通信的相关协议等概念知识。如果仅凭教

师讲解，学生则很难理解这些概念知识。

但虚拟和现实是有差距的，同学们可以尝试使用各种型号的设

备，但同时告诉学生“够用为度”的原则。通过调查发现，虚拟实验

激发了学生学习计算机网络的热情，他们比以往更加喜爱这门课程

了。

（2）实验教学增强了学生团队意识。利用网络虚拟实验平台拓

展和改善学习环境和氛围。在传统的分组模式基础上，根据学生水平

结合自愿原则分组，鼓励学生制定不同梯度的任务作为目标，适时引

导和有效监督，让学生体会到团队合作的重要性，培养竭诚合作的精

神。此时，教师的引导作用很重要。

（3）利用网络虚拟实验平台，改革实践课程考核。引入网络管

理员考试和相关网络培训内容，精心组织学生进行专项训练。实验考

核中，学生要在规定时间内独立解决问题，确保实践考核的实时性、

公开性和准确性。这样的学习考核方式，使学生学习有目标、有压力，

因此使学生在课前能认真做好准备，课后强化相关考试和培训内容，

调动学生的学习兴趣，从而达到提高学生解决实践问题能力的教学目

的。

（4）积极寻求校企合作，鼓励学生参加相关网络实践。让学生

了解网络管理员考试、网络工程师考试和CCNA等相关网络培训的

情况，树立参加这类考试的信心，鼓励学生参加相关考试和CCNA

等相关网络培训。在学校有限的实验条件下，积极寻求校企合作，鼓

励学生参加相关实习实践培训，为毕业生顺利就业和后续扩大专业招

生打下良好的基础。

4 对虚拟实验教学的再思考

目前，虚拟仿真技术在教学中得到了广泛运用。虚拟实验和物理

实验各自有自己的优缺点。除去经济因素，在讲授计算机网络课程的

过程中笔者深深感受到虚拟实验最大的好处是方便、灵活、安全、容

易实施和扩展。学生只要有一台笔记本电脑并且安装了这些虚拟软

件，无论在什么地方都可以进行学习和实验，从而摆脱了真实实验环

境的束缚，学习效果得到了极大提高。但是，在教学过程中也发现，

采用虚拟实验讲授计算机网络课程，最关键的一点是要让学生快速理

解“机器中的机器、网络中的网络”这一概念，让学生具备虚拟学习

的思维。学生完成虚拟实验一般用两种方式：①每个学生在一台物理

机上打开多个虚拟软件独立完成网络实验，这种实验方式是通过一台

物理机来完成的，这种方式学生比较容易理解；②把一个实验划分为

多个模块，这些模块分布在不同的物理机上，学生通过协同方式来完

成实验，这种实验方式是通过多台物理机和真实的网络平台来实现

的。只要物理网络连通，学生就可以在物理网络里随意组建虚拟网络，

学生对这种实验方式通常理解得会慢一些。另外，学生最终要工作在

一个真实的环境中，因此，还需在一个真实网络环境中来验证学生在

虚拟环境中学到的知识。

综上，这套虚拟实验用在计算机网络课堂教学和学生的课后学习

中，学生对这些实验的评价令人鼓舞，这些评价表明该实验方便、好

用，能帮助学生更好地理解计算机网络。在今后的教学中，将开发出

更多的虚拟实验并完善相应的验证体系，并将这种教学方法应用在其

他课程的教学之中。

参考文献参考文献：

[1] 李华，孙智勇，吴中福.虚拟计算机网络组网平台的设计与实

现[J].计算机应用研究，2006，23（8）：258260.

[2] 田海江.网络组网虚拟实验系统设计与实现[J].重庆邮电大学

学报：自然科学版， 2008，20（Z1）.

[3] 吴文铁.基于Web的计算机网络课程虚拟实验室探索[J].福建

电脑，2008（4）：138139.

[4] 周安辉. 计算机网络课程虚拟实验室构建探索[J].职业教育

研究，2012（2）：170171.

[5] 余红珍.任务驱动教学法在单片机实验教学中的应用[J]. 软

件导刊，2012（12）.