摘要：針對目前計算機網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)方法和平臺存在的不足，介紹筆者設(shè)計實現(xiàn)了一種適用的計算機網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)平臺，該平臺集真實設(shè)備、虛擬模擬器、多媒體展示于一體，給學(xué)生提供了一個較為完整的實訓(xùn)平臺。在此基礎(chǔ)上引入基于問題學(xué)習(xí)和協(xié)同學(xué)習(xí)相混合的實驗教學(xué)模式，通過規(guī)定項目的訓(xùn)練，學(xué)生可以更好地掌握計算機網(wǎng)絡(luò)的基本工作原理和基本操作技能。
　　關(guān)鍵詞：基于問題學(xué)習(xí)；協(xié)同學(xué)習(xí)；實驗平臺；計算機網(wǎng)絡(luò)
　　
　　
　　在高等教育中，計算機網(wǎng)絡(luò)作為計算機科學(xué)、通信工程等相關(guān)專業(yè)的核心課程，具有發(fā)展快、知識點多、覆蓋面廣、應(yīng)用案例變化多端、與其他計算機技術(shù)緊密相連等特點，是一門技術(shù)性與應(yīng)用性很強的課程[1]。目前，高等教育中的計算機網(wǎng)絡(luò)教學(xué)一般分為課堂理論教學(xué)和實驗教學(xué)兩部分，在計算機網(wǎng)絡(luò)的課程教學(xué)中，通過對計算機網(wǎng)絡(luò)基本理論的教與學(xué)，學(xué)生應(yīng)理解和掌握計算機通信和組網(wǎng)的基本原理、計算機網(wǎng)絡(luò)的分層體系結(jié)構(gòu)、各層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的機理。在此基礎(chǔ)上，適量的實驗教學(xué)能使學(xué)生更好地理解計算機網(wǎng)絡(luò)的基本原理，并且具備一定的解決實際問題的能力。因此，實驗教學(xué)是計算機網(wǎng)絡(luò)課程理論教學(xué)的重要補充，是計算機網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中不可缺少的重要環(huán)節(jié)。
　　然而，由于各方面因素的制約，目前不少高校的計算機網(wǎng)絡(luò)課程主要以理論教學(xué)為主。近幾年，雖然有些高校引入了多媒體教學(xué)形式，并且建立了基于單項技術(shù)的各種以驗證性和演示性實驗為主構(gòu)成的實驗環(huán)節(jié)，甚至還有些高校還建立了計算機網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗平臺[2-3]，但是從筆者多年的教學(xué)實踐來看，這些僅僅以演示和驗證為主的實驗環(huán)節(jié)以及虛擬實驗平臺雖然在一定程度上補充了理論教學(xué)的不足(例如遠程虛擬實驗平臺可以讓學(xué)生不受時間和地點的約束來完成相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)實驗等)，但計算機網(wǎng)絡(luò)是一門工程性較強的課程，僅僅依靠演示性、驗證性和虛擬實驗難于滿足學(xué)生對實際工程訓(xùn)練的需求。因此，總的
　　來說，目前的計算機網(wǎng)絡(luò)教學(xué)主要存在如下問題：1)理論脫離實際，學(xué)生沒有操作過實際設(shè)備，使得學(xué)生難于掌握實際設(shè)備的操作技能，進而難于勝任實際工作；2)實驗環(huán)節(jié)缺少實際設(shè)備的操作過程，學(xué)生做實驗缺乏主動性、創(chuàng)造性、獨立性，進而難于激發(fā)學(xué)生的實驗興趣。
　　為此，經(jīng)過3年多努力，筆者構(gòu)建了一個面向計算機網(wǎng)絡(luò)相關(guān)課程的適用性實驗教學(xué)平臺，通過近兩年的使用，取得了較好的教學(xué)效果，也得到了大部分學(xué)生的認(rèn)可。本文主要就其中的實驗教學(xué)方法、實驗平臺的體系結(jié)構(gòu)，針對計算機網(wǎng)絡(luò)課程的實驗內(nèi)容的設(shè)計以及實驗平臺的使用效果進行討論。
　　1實驗教學(xué)平臺體系結(jié)構(gòu)
　　1.1實驗教學(xué)目標(biāo)
　　本著適應(yīng)社會需要的原則，筆者認(rèn)為計算機網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)的目標(biāo)可以定義為學(xué)生通過本課程的學(xué)習(xí)，理解和掌握計算機網(wǎng)絡(luò)的分層體系結(jié)構(gòu)、各層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的機理，掌握常見的組網(wǎng)設(shè)備的使用，熟練掌握局域網(wǎng)的組網(wǎng)原理和方法，典型網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的使用、配置和維護，具有組織構(gòu)造系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境的集成能力和故障排除的能力，學(xué)生能適應(yīng)社會的需要。如何使學(xué)生能夠通過實驗教學(xué)環(huán)節(jié)達到上述目標(biāo)？在教學(xué)實踐中，筆者采用了綜合基于問題的學(xué)習(xí)、多媒體演示和協(xié)作學(xué)習(xí)相結(jié)合的混合教學(xué)方法，使學(xué)生帶著實際應(yīng)用問題在探索中學(xué)習(xí)，既能培養(yǎng)學(xué)生獨立分析問題、解決問題的能力，又能培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力和終身學(xué)習(xí)的思想。同時，在實驗手段上，采用了虛擬實驗教學(xué)與真實設(shè)備實驗教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)模式，構(gòu)建了一個適用的計算機網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)平臺。
　　1.2體系結(jié)構(gòu)
　　基于上述實驗教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)模式，計算機網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)平臺采用了以小組為單位的構(gòu)建方式，而對實驗平臺的管理則采用了基于Web的方式。學(xué)生可以不受時間、地點的限制來獲取相關(guān)的實驗任務(wù)和知識，甚至可以對部分實驗進行遠程操作。
　　1.2.1硬件體系結(jié)構(gòu)
　　計算機網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)平臺的硬件體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個平臺包括5個學(xué)生實驗組和一個互聯(lián)管理組。其中，每個學(xué)生實驗組由3臺路由、3臺交換機以及6臺具有雙網(wǎng)卡的計算機構(gòu)成；互聯(lián)管理平臺包括一個交換、一個路由，一臺Web服務(wù)器，一臺教師用電腦以及一臺串口設(shè)備服務(wù)器，并且實現(xiàn)了與Internet的互聯(lián)。每臺學(xué)生用電腦都通過其中的一塊網(wǎng)卡與互聯(lián)管理平臺實現(xiàn)連接，而另一塊網(wǎng)卡實現(xiàn)與其所在組的交換機連接。從圖1中不難看出，與互聯(lián)管理組互連的計算機都可以通過串口設(shè)備服務(wù)器以Console方式對每個學(xué)生實驗組的路由和交換設(shè)備進行訪問。
　　
　　圖1計算機網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)平臺硬件體系結(jié)構(gòu)
　　1.2.2軟件體系結(jié)構(gòu)
　　整個實驗平臺采用了B/S和C/S相結(jié)合的方式，其中在B/S架構(gòu)中實現(xiàn)了用戶管理、實驗管理、設(shè)備管理、遠程虛擬實驗室、學(xué)習(xí)中心和BBS討論工具，因此，教師和實驗管理人員可以通過瀏覽器完成學(xué)生注冊、實驗安排、實驗評價、設(shè)備管理等操作，同時學(xué)生也可以基于瀏覽器進行與課程和實驗相關(guān)的內(nèi)容的學(xué)習(xí)、基于遠程虛擬實驗室的遠程實驗以及利用BBS進行討論和提問等。同時，在實驗平臺的學(xué)生機上，學(xué)生可以根據(jù)教師的實驗安排利用基于超級終端網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置工具實現(xiàn)對所分配的相關(guān)實驗設(shè)備進行配置以構(gòu)建自己的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，進而利用TCP/IP協(xié)議學(xué)習(xí)工具對所構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進行測試、協(xié)議分析和學(xué)習(xí)。
　　圖2計算機網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)平臺軟件體系結(jié)構(gòu)
　　1.3TCP/IP協(xié)議學(xué)習(xí)工具
　　多媒體教學(xué)是一種重要的教學(xué)形式，它能將文字、圖片、視頻、動畫、聲音等多種媒體形式集成在一起，綜合地展現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容，已被不少教師在其教學(xué)過程中使用，文獻[4]采用了多媒體教學(xué)形式來組織展示較為抽象的通信協(xié)議教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生更容易理解和掌握。同樣，計算機網(wǎng)絡(luò)課程中網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議內(nèi)容都較為抽象，僅僅依靠以文字為基礎(chǔ)的教學(xué)形式學(xué)生較難接收，為此在實驗教學(xué)中，筆者引入了多媒體教學(xué)與具體實驗相結(jié)合的方式。其中多媒體教學(xué)內(nèi)容分為兩部分，其一為對整個計算機網(wǎng)絡(luò)課程的知識介紹，該部分內(nèi)容以Web形式通過學(xué)習(xí)中心向?qū)W生開放，方便學(xué)生任何時候、任何地點地進行信息檢索；其二是提供TCP/IP協(xié)議學(xué)習(xí)工具，首先利用多媒體教學(xué)形式將以太網(wǎng)通信原理、TCP/IP協(xié)議簇中的主要協(xié)議工作過程以Flash動畫的形式進行組織，同時可以輔助于聲音和文字信息，將數(shù)據(jù)的組織和傳輸過程可視化。在此基礎(chǔ)上，筆者還以Winpcap為基礎(chǔ)，將數(shù)據(jù)包的捕捉分析、各種協(xié)議數(shù)據(jù)包的傳送綜合在TCP/IP協(xié)議學(xué)習(xí)工具中，這樣，學(xué)習(xí)者可以在自己所組建的網(wǎng)絡(luò)中進行協(xié)議數(shù)據(jù)包的傳送和檢測分析，進一步其對各種協(xié)議工作過程的理解。圖3為TCP/IP協(xié)議學(xué)習(xí)工具的運行界面。
　　
　　圖3TCP/IP協(xié)議學(xué)習(xí)工具
　　1.3.1典型數(shù)據(jù)包工作過程動畫展示
　　在TCP/IP協(xié)議學(xué)習(xí)工具中，學(xué)生首先可以利用學(xué)習(xí)中心來掌握網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、各種協(xié)議的工作過程。圖3和圖4分別為ARP協(xié)議和TCP協(xié)議的工作過程的多媒體展現(xiàn)方式。其中，在ARP協(xié)議工作過程的可視化展示中可以將ARP查詢數(shù)據(jù)包的封包過程和廣播過程、ARP響應(yīng)數(shù)據(jù)包的封包過程和單播回傳過程以Flash動畫形式表現(xiàn)出來，輔之于文本信息解釋和語音說明；而TCP協(xié)議工作過程即分為三次握手的連接建立過程、數(shù)據(jù)傳輸過程以及四次握手的連接關(guān)閉過程，同時動畫過程中還將各TCP報文段中的序號、標(biāo)志位等關(guān)鍵信息進行顯示。
　　1.3.2網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的捕捉、解析與分析
　　TCP/IP協(xié)議學(xué)習(xí)工具為學(xué)生了解各種具體協(xié)議的數(shù)據(jù)包的封包過程，以及協(xié)議的工作過程提供了支持。學(xué)生可以通過選擇構(gòu)成局域網(wǎng)的網(wǎng)卡，在此基礎(chǔ)上開始捕捉本機輸入輸出的各種以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀，而數(shù)據(jù)幀內(nèi)容區(qū)域?qū)⒃敿氾@示被選中的數(shù)據(jù)包的詳細構(gòu)成。
　　
　　圖5TCP協(xié)議工作過程演示
　　1.3.3典型數(shù)據(jù)包的組織發(fā)送
　　在TCP/IP協(xié)議學(xué)習(xí)工具的數(shù)據(jù)包發(fā)送區(qū)域，工具提供了多種典型協(xié)議的數(shù)據(jù)包，主要包括ARP、ICMP、IP、UDP、TCP等。學(xué)生可以在系統(tǒng)提供的定義對話框中定制自己的數(shù)據(jù)包，然后通過選定的網(wǎng)卡發(fā)送出去。例如定義一個查詢本地網(wǎng)中某臺主機的MAC地址的ARP數(shù)據(jù)包并發(fā)送，該主機收到后將單播回送ARP響應(yīng)數(shù)據(jù)包，查詢和響應(yīng)ARP數(shù)據(jù)包都將被捕捉，進而學(xué)生可以深入理解ARP協(xié)議的工作過程。而對于UDP和TCP數(shù)據(jù)的傳輸，在TCP/IP協(xié)議學(xué)習(xí)工具提供了UDP和TCP服務(wù)器，用于回傳其所接收到UDP和TCP數(shù)據(jù)，同時TCP連接將關(guān)閉。因此，學(xué)生通過定制UDP和TCP數(shù)據(jù)包的發(fā)送，進而分析所捕捉的數(shù)據(jù)包，可以詳細了解UDP和TCP的數(shù)據(jù)傳輸過程。
　　2實驗教學(xué)內(nèi)容設(shè)計
　　根據(jù)計算機網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)平臺所提供的軟硬件資源，結(jié)合計算機網(wǎng)絡(luò)課程的教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容組織，筆者設(shè)計了以下6個實驗項目：
　　1) 雙絞線的制作與常見網(wǎng)絡(luò)命令的使用。
　　通過該實驗，使學(xué)生掌握雙絞線的制作方法，同時熟悉常見網(wǎng)絡(luò)命令的使用。
　　2) 網(wǎng)絡(luò)原理編程。
　　通過該實驗，學(xué)生可以通過對計算機網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵算法的編程模擬實現(xiàn)，進一步了解算法的工作原理。
　　3) 交換機實驗。
　　利用該實驗，學(xué)生可以掌握常見的交換機操作命令和VLAN的配置方法，同時同一小組的學(xué)生可以協(xié)作完成對規(guī)定的VLAN的配置，并且利用TCP/IP協(xié)議學(xué)習(xí)工具對所配置的VLAN進行測試分析。
　　4) 路由器實驗。
　　掌握路由器的常用命令，理解路由表，熟悉靜態(tài)路由、動態(tài)路由的配置方法，并在此基礎(chǔ)上完成規(guī)定的網(wǎng)絡(luò)配置，在此基礎(chǔ)上利用TCP/IP協(xié)議學(xué)習(xí)工具對所配置的網(wǎng)絡(luò)進行測試分析。
　　5) 小型網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計。
　　利用Packet Tracer模擬器完成規(guī)定網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃、設(shè)計、配置和驗證。
　　6) 局域網(wǎng)構(gòu)建。
　　在本實驗平臺所提供的每個小組3臺路由、3臺交換機、6臺計算機的基礎(chǔ)上組建兩個局域網(wǎng)，每個局域網(wǎng)選用一臺計算機作為服務(wù)器安裝Linux，配置Web服務(wù)和FTP服務(wù)。測試其正確性和了解其工作過程。
　　從上述實驗內(nèi)容不難看出，筆者采用了實際設(shè)備和虛擬設(shè)備混合實驗的方式，同時大部分實驗都是讓學(xué)生帶著問題進入實驗室，在實驗過程解決問題，使學(xué)生能更好地了解、掌握計算機網(wǎng)絡(luò)的工作原理和基本操作技能。
　　3教學(xué)效果評估
　　為了更好地了解實驗項目的設(shè)置效果，筆者對近兩屆兩個班的學(xué)生針對實驗項目的難易程度和實驗
　　效果進行了統(tǒng)計，其中難易程度分為4個等級(容易1、一般2、較難3、很難4)，實驗效果分為5個等級(沒效果1、基本沒效果2、一般3、較好4、很好5)。6個實驗項目的平均得分如表1所示。
　　
　　
　　從表1不難看出，學(xué)生對這6個實驗項目還是比較認(rèn)可的。
　　4結(jié)語
　　計算機網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)是計算機網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)的重要補充，然而由于設(shè)備、師資等因素的影響，各校的實驗教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法難于用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進行衡量。本文只是對我校的計算機網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)改革的相關(guān)內(nèi)容進行了介紹和總結(jié)，雖然我們在計算機網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)方面已經(jīng)取得了一定的教學(xué)效果，然而如何使計算機網(wǎng)絡(luò)課程的理論和實驗安排得更科學(xué)合理，設(shè)備使用更加合理，仍然需要不斷探索和改進。
　　
　　參考文獻：
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