张良 李娜 曾志峰 夏平

摘 要：“计算机网络”是一门理论与实践相结合的课程，但是由于实验设备不足，传统的教学方法无法在现有的条件下完成大规模网络工程的实训操作。文章介绍了基于VR技术的体验式教学，使学生能够在虚拟学习环境下完成“计算机网络”实践项目。在这种沉浸式学习过程中，学生可以提高学习兴趣，同时加深对“计算机网络”的理解和掌握。

关键词：VR；计算机网络；交互式体验教学

虚拟现实(Virtual Reality，VR)是一种集三维跟踪技术、模式识别、多媒体技术等多技术于一体的综合技术。VR利用计算机生成一种逼真、可交互的虚拟三维环境，使得用户借助头盔、数据手套、操作杆、传感器等专用设备便可获得身临其境的体验。VR技术有3个最突出的特点：交互性、沉浸性和构想性[1]。

在教育领域，VR技术以其独特的优势，促使教育环境、教学过程、教学形式等要素及相互关系发生了重大变化。本文探讨基于VR技术实现“计算机网络”课程的交互体验式教学，通过为学生构建逼真、生动、可交互的学习环境，激发学生的学习兴趣，提高学生的动手能力，实现学生的高度参与，从而达到促进学生更好学习的目的。

目前“计算机网络”教学面临的挑战主要有以下3个方面：首先，“计算机网络”理论知识比较抽象晦涩[2]，因此亟需直观的教学手段加深学生对理论知识的理解；其次，由于场地、经费等原因，大多数学校无法提供各种网络实验设备，导致部分实验无法完成；最后，现有的实验条件很难搭建大规模的企业级的网络项目，学生只能通过视频了解大型网络项目的规划和设计，导致学生缺乏处理实际项目的能力。

1 基于VR技术的虚拟学习平台体系结构

为了改善“计算机网络”课程教学现状，本文提出利用VR技术构建虚拟交互式学习平台，让学生在沉浸式的学习过程中完成“计算机网络”课程的学习。该学习平台由应用层、汇聚层和数据层3部分组成(见图1)。

1.1 应用层

应用层是虚拟学习平台的客户端[3]，通过基于VR技术构建的虚拟学习环境，借助于设备终端，学生可以实时地与学习环境中的虚拟元素交互。

本平台的应用层主要包括基础理论平台、虚拟实训平台和素材管理平台3部分：基础理论平台功能是帮助学生在虚拟的学习环境中直观地学习“計算机网络”各种交换和路由技术；虚拟实训平台可以搭建各种网络实验环境，在虚拟学习环境中让学生进行实训操作并跟踪记录实验过程，给予学生个性化的评价；素材管理平台主要是用来管理平台涉及的网络设备、实训项目和知识库的更新。

1.2 汇聚层

汇聚层主要是提供业务接口、用户注册管理以及实训数据的反馈等服务。通过各种项目接口，支持相关网络项目的接入；通过VR传感接口，完成系统数据和VR系统的对接；并且在这一层提供平台的目录服务和实时数据处理等功能。

1.3 数据层

数据层提供数据的存储和管理功能。基于VR虚拟学习平台的数据包括用户数据、实训数据、知识库数据、网络设备数据以及学生操作实时追踪数据等，所有数据的存储和管理在这一层实现。

2 基于虚拟交互式学习平台在“计算机网络”教学中的应用

在基于VR技术的虚拟交互环境中，学生可以通过多层次、多角度地观察网络设备来了解它们的组成和工作原理，也可以重复地进行网络测试和验证，还可以组队进行大规模网络项目的实训操作。此外，VR技术在“计算机网络”交互式体验式教学中的应用非常灵活，网络模型、实验参数、信息和交互模式的配置可以根据实际需要进行设计、扩展、补充或组合。

2.1 在网络设备硬件教学中的应用

首先，在虚拟学习平台的素材库中可以添加各种网络设备，这些设备的添加不需要增加学校的经济成本。然后，在VR技术构建的虚拟学习环境中，学生通过佩戴智能眼镜或头盔，借助数据手套通过手势对虚拟设备进行360°旋转，观看其物理结构。此外，各个网络设备在虚拟学习平台中都可以任意拆卸，学生可以充分了解内部结构；内置辅助性的文字信息和音频信息，帮助学生了解器件的型号及作用。

2.2 在网络理论教学中的应用

“计算机网络”教学中，最难的是如何让学生理解各种网络协议和设备工作原理。借助于VR技术，学生可在虚拟交互体验环境中搭建网络拓扑，观看数据在设备之间的传输过程，从而动态和直观地理解每个网络设备的工作过程。在观看的过程中，可随时暂停交互过程并抓取虚拟生成的3D数据包，查看各数据包内容。通过直观生动的演示，使得原来生涩难懂的“计算机网络”知识变得形象具体，既提高学生的学习兴趣，也加深对了其对网络基础知识的理解。

2.3 在网络实验教学中的应用

在虚拟交互学习平台中，学生可自行选取网络工程项目库中的某个实验或项目，在内置虚拟机器人的帮助下完成操作培训。虚拟培训后，在虚拟环境中学生可独立或者与同学组队协作完成既定网络工程项目的训练。虚拟平台将记录学生活动的所有轨迹，并对任何学习或操作给予一定的评分[4]。虚拟平台还会定期将学生的阶段性表现在平台进行展示，帮助学生分析学习中存在的问题并进行查漏补缺 。

此外，在虚拟学习平台学生可以进行大规模企业级的网络工程项目，以帮助学生积累实际项目经验。根据实际的网络工程项目案例，在虚拟平台中构建网络工程项目库。通过智能穿戴设备，学生可选取相关项目案例，既可“融入”到项目建设的环境内，以“上帝视角”观看虚拟网络工人如何完成整个项目；也可以在内置虚拟机器人的带领下，参观学习网络项目实施的各个阶段，边学习边模拟操作。

3 结语

“计算机网络”是一门理论和实践相结合的课程，基于VR技术构建的虚拟交互式学习平台使学生“身临其境”，激发了学生的学习兴趣，提高学生的动手能力，优化了“计算机网络”的教学过程。未来，VR技术的互动式体验教学将成为“计算机网络”教学中重要的教学方式[5]。

[参考文献]

[1]MANDAL S.Brief introduction of virtual reality & its challenges[J].International Journal of Scientific & Engineering Research，2013(4)：304-309.

[2]NADOLNY L，WOOLFREY J，PIERLOTT M，et al.Sci Ethics interactive：science and ethics learning in a virtual environment[J].Educational Technology Research and Development，2013(61)：979-999.

[3]SHIN D，BIOCCA F，CHOO H.Exploring the user experience of three-dimensional virtual learning environments[J].Behavior & Information Technology，2013(2)：203-214.

[4]LIU L.Design and analysis of online micro-course of garden architecture design based on CPC model[J].International Journal of Emerging Technologies in Learning，2017(7)：44.

[5]MAAJOON A，KIRTI K.Interactive E-learning through second life with blackboard technology[J].Procedia-Social and Behavioral Sciences，2015(176)：891-897.