計算機網(wǎng)絡實驗教學模式探析

霍迎秋等

摘 要：文章從計算機網(wǎng)絡課程教學現(xiàn)狀出發(fā)，分析了當前計算機網(wǎng)絡實驗教學存在的問題，并指出了創(chuàng)新計算機網(wǎng)絡實驗教學模式的策略。

關鍵詞：計算機網(wǎng)絡；實驗教學模式

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1002-4107（2015）10-0024-03

計算機網(wǎng)絡是一門專業(yè)性極強的課程，涉及很多復雜、抽象的網(wǎng)絡理論知識[1]，是一門公認的比較難教學的課程。目前很多專家和學者對計算機網(wǎng)絡的實驗教學方法和教學模式進行了深入的研究和探討。如，引入仿真技術進行實驗教學[2-3]，改革實驗教學內容和方法[4-5]，綜合利用多種軟件改進實驗教學[6]，將原始套接字編程加入到實驗教學內容中[7]，以加強學生對網(wǎng)絡原理的理解，提高實踐技能等。各個高校的研究都取得了一定的成效，但由于網(wǎng)絡實驗教學涉及師資規(guī)模、教學目標、實驗平臺、教學模式、教學方法、實驗內容等很多因素，仍存在一些問題。學校需要根據(jù)各自的情況，深入分析，不斷探討，更新實踐教學理念，創(chuàng)新教學模式，設計新的實踐教學環(huán)節(jié)，不斷完善高校計算機網(wǎng)絡實驗教學模式。

一、計算機網(wǎng)絡實驗教學存在的問題

（一）課程設置不合理

實驗教學作為課程的實踐環(huán)節(jié)受課時的限制，只能開展一部分基礎驗證型實驗。不能涵蓋課程包含的重要原理和技術，導致學生實踐能力不健全。更無法開展創(chuàng)新型、設計型的實驗項目，學生創(chuàng)新型思維的培養(yǎng)受到限制。

（二）實驗平臺建設滯后

計算機網(wǎng)絡實驗包括軟、硬件實驗，對實驗環(huán)境要求很高。基于真實環(huán)境的實驗教學無法應對網(wǎng)絡協(xié)議的升級、網(wǎng)絡技術迅速更新的問題。基于仿真平臺進行實驗教學對于新技術的支持很好，但是學生以此建立起來的實踐能力總有種處在云端的虛擬感。

（三）教學方法單一

傳統(tǒng)的實驗教學方法單一，難以充分利用仿真環(huán)境與真實環(huán)境的優(yōu)勢，無法充分調動學生的積極性，更難培養(yǎng)學生獨立分析問題、解決問題的能力。

（四）實驗內容匱乏

實驗內容的設計上普遍存在實驗項目種類單一，跟不上技術更新節(jié)奏的問題。計算機網(wǎng)絡課程所涵蓋的重要網(wǎng)絡原理很多，并且技術更新很快，目前很多學校的網(wǎng)絡教學無法涵蓋所有重要的技術原理，也很難升級對新技術的支持。在創(chuàng)新實驗、綜合型實驗的設置上也存在嚴重的不足，難以培養(yǎng)學生健全的實踐能力，更無法培養(yǎng)創(chuàng)新型思維。

二、創(chuàng)新實驗教學模式的策略

計算網(wǎng)絡實驗教學涉及的因素很多，包括客觀因素，如師資力量、生源質量等，主觀的因素包括實驗教學方法、教學模式、實驗教學內容設置等。開展計算機網(wǎng)絡教學必須基于學?，F(xiàn)有的客觀條件，充分發(fā)揮主觀能動性，改進方法，創(chuàng)新模式，合理設計實驗內容，以提高實驗教學質量，增強學生的實踐技能，培養(yǎng)創(chuàng)新性思維。

（一）完善實驗課程設置

目前大多數(shù)高校，包括很多985、211院校的計算網(wǎng)絡實驗只是作為實驗環(huán)節(jié)，而不是一門單獨的實驗課程。這樣的設置存在以下問題。

1.實驗課時太少。例如，西北農林科技大學開設的計算機網(wǎng)絡課程共56個學時，理論課時40個學時，實驗課時僅16個學時，導致實驗項目不能涵蓋計算機網(wǎng)絡的關鍵技術原理，由此造成學生實踐動手能力不健全。

2.學生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)受制約。創(chuàng)新性思維需在掌握扎實的基本理論基礎上，在創(chuàng)新性實驗中開拓思路，不斷地分析問題、解決問題鍛造出來。受制于實驗課時的限制，創(chuàng)新性實驗設計嚴重不足，不利于學生創(chuàng)新性思維的培養(yǎng)。

3.學生主觀不重視。學生往往認為實驗課程只是理論課程的補充，只是通過實驗驗證理論，加深對網(wǎng)絡基本原理的理解掌握而已，因此思想上并不是很重視，甚至認為基本原理明白后實驗不做也可以。

以上問題的根源是實驗課程設置的問題，如果能夠將計算機網(wǎng)絡實驗課程單獨設置為一門實驗課，可使學生從思想上給予重視，改變重理論輕實驗的思想；有了課時的保障將能夠對實驗項目種類進行合理設計，努力使基本實驗項目涵蓋關鍵技術原理，增設創(chuàng)新性設計實驗，對健全學生的實踐動手能力，開拓學生的思路，吸引學生的興趣有極大的幫助。

（二）創(chuàng)新實驗平臺

仿真技術近年來在網(wǎng)絡工程技術實驗中廣泛應用，對于資金缺乏和場地有限的院校是一個非常好的選擇。目前成熟的網(wǎng)絡仿真軟件如，UC Berkeley大學開發(fā)的NS（Network Simulator）仿真軟件，Cisco公司開發(fā)的Packet Tracer和華為公司的eNSP（Enterprise Network Simulation Platform）等。

基于網(wǎng)絡仿真軟件開展實驗教學，主要具有如下優(yōu)點。

第一，仿真平臺不受時間和空間的限制，使學生有充分的自主權，有利于學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。第二，建立平臺的成本低，損耗小，投入產出高，并且可以模擬實施成本高，甚至難以實施的破壞性較強的實驗。第三，仿真平臺升級容易，拆除方便，生命周期長，并且實驗過程中裝配方便，實驗效率高，有利于學生集中時間和精力專心研究實驗的原理和方法，提高學生的學習興趣和創(chuàng)新精神。第四，虛擬實驗平臺抽象層次高，可視化效果好，能夠對實驗的整體邏輯結構和數(shù)據(jù)流向有一個全局的認識，有利于學生對實驗原理的掌握。

但是，基于仿真平臺開展實驗教學也存在一些缺點和不足。

第一，學生缺乏對真實實驗設備、實驗平臺的直接感受和操作經驗，因此基于仿真平臺鍛煉出來的實踐能力相對于真實條件下的實踐技能有一種不踏實的虛擬感。第二，學生如果只是基于仿真平臺做實驗，就會缺乏應對這些突發(fā)狀況的能力，造成實踐技能的虛擬化。因此，最好的實現(xiàn)方案是將網(wǎng)絡仿真實驗平臺與真實的實驗平臺相結合，相輔相成，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢。虛實結合的實驗模式最大的特點是，可以根據(jù)學校自身的財力狀況和不同專業(yè)的特點靈活設計組合。并且能夠非常方便地升級對新技術的支持，使學生緊跟技術發(fā)展的步伐。

（三）整合課堂實驗與開放實驗

實驗課程受制于課時的限制，能夠開展的實驗項目畢竟有限。因此限制了學生做實驗積極性的發(fā)揮，同時也阻礙了學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。因此可以考慮將課上時間和課下時間相結合，充分合理地利用真實實驗平臺、仿真平臺和學生的空余時間等各項資源，利求資源的優(yōu)化配置，取得最好的實驗教學效果。

首先，將計算機網(wǎng)絡實驗的所有的實驗項目進行分類設計。如圖1所示。從每個類別的實驗項目中挑選出來一個或幾個實驗項目在實驗課上進行。實驗課教師理清實驗思路，進行關鍵技術點的講解，然后學生做實驗，最后進行現(xiàn)場答疑和技術交流。其他類別內的擴展實驗學生可以通過仿真實驗平臺在課下進行。仿真平臺不受時間和空間的限制，學生可以自主安排實驗時間，有利于調動學生的積極性，培養(yǎng)學生的興趣。學生也可以到網(wǎng)絡上進行預約，通過預約系統(tǒng)安排真實實驗平臺的使用時間和使用權限，開展基于真實平臺的網(wǎng)絡實驗。以西北農林科技大學為例，實驗項目可分類設計（如圖1所示），也可以依照此實驗設計思路，根據(jù)學校自身情況單獨設定。

（四）創(chuàng)新實驗項目設計

基于虛實結合的實驗平臺和課上與課下結合的實驗模式，必須對實驗項目進行創(chuàng)新設計以配套整個實驗教學模式的開展。實驗項目的設計必須考慮以下幾個因素。

第一，必須涵蓋開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型每個層次的關鍵的技術原理或重要協(xié)議。目的是保證學生網(wǎng)絡知識結構的完整，由此鍛煉的網(wǎng)絡實踐能力才能健全。

第二，實驗項目的設計應層次分明，實驗難度成階梯狀。在基本實驗的基礎上，指明進階的方向，從而調動學生的學習熱情，激發(fā)學生的內在學習動力。

第三，實驗項目的設計類型應多樣化。從實驗項目類型的角度分析，應包含基礎驗證型實驗、軟件開發(fā)型實驗、綜合設計型實驗等幾類。從實驗內容的角度分析，應包含網(wǎng)絡工程技術、網(wǎng)絡協(xié)議分析、網(wǎng)絡協(xié)議開發(fā)等內容。通過進行各種類型項目的實驗，使學生熟練掌握紛繁復雜的網(wǎng)絡技術原理，在實踐中探索各技術原理的內在關系，從而建立一個完整的知識體系。由淺入深，由點到面，循序漸進地培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)新思維。

在每個具體的小的類別的實驗項目設計中，又要滿足課上課下的教學模式，因此具體實驗設計如下。

1.基礎驗證型實驗?；A驗證型實驗涵蓋了計算機網(wǎng)絡大部分的基本原理和技術。網(wǎng)絡工程技術類共設計17個實驗項目。學?？梢愿鶕?jù)自身的情況選擇6至8個實驗項目在實驗課上進行，其他實驗項目課下通過仿真平臺由學生自行完成。詳細實驗項目如圖2所示。

網(wǎng)絡協(xié)議分析類共設計16個實驗項目，基本涵蓋了計算機網(wǎng)絡中重要的協(xié)議。詳細設置如圖3所示。同樣，可以根據(jù)學校自身的情況選擇4—6個實驗在課上進行，其他實驗項目學生可以基于仿真平臺在課下完成。

通過Windows2003服務器自帶的IIS組件，搭建Web、Ftp、Dns等服務器。為了實驗方便，在每臺主機上安裝Vmware虛擬機，在虛擬機中安裝Windows2003操作系統(tǒng)，基于IIS組件搭建服務器。將虛擬機設置為橋接模式，這樣虛擬機和宿主機組成一個局域網(wǎng)絡。然后在宿主機上安裝Ethereal 抓包分析軟件，分析各種協(xié)議進行通信時的數(shù)據(jù)包，深入理解協(xié)議的運行原理。

2.設計型實驗。設計型實驗是在學生掌握基本原理和技術的基礎上進行的，通過設計型實驗加強學生對重要網(wǎng)絡原理和技術的理解，提高學生的實踐能力。詳細設計如圖4所示。網(wǎng)絡設計型實驗通過網(wǎng)絡工程中一些常用的重要技術，如VLAN間路由、地址轉換等技術，提高學生工程實際解決問題的能力。協(xié)議開發(fā)型實驗基于Wincap和Libnet函數(shù)庫設計，使學生在理解網(wǎng)絡基本原理的基礎上，能夠獨立開發(fā)程序對網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)包進行抓包分析；掌握開發(fā)程序對數(shù)據(jù)包進行構造、發(fā)送，進行通信的能力。通過協(xié)議開發(fā)類實驗，培養(yǎng)學生創(chuàng)新性的思維，鍛煉學生創(chuàng)造性地解決問題的能力。

3.綜合型實驗。綜合型實驗分為組網(wǎng)建網(wǎng)綜合型實驗和網(wǎng)絡開發(fā)型綜合實驗。綜合設計型實驗主要目的是為了鍛煉學生綜合運用所學知識解決實際問題的能力，使學生能夠根據(jù)用戶的需求，設計解決方案，并將實現(xiàn)方案付諸實際，如搭建一個功能完備的園區(qū)網(wǎng)絡或者開發(fā)一個局域網(wǎng)數(shù)據(jù)分析與內容監(jiān)控系統(tǒng)等。具體綜合實驗項目可根據(jù)學校自身情況設置3至4個即可。

三、實驗教學模式的實施效果

西北農林科技大學信息工程學院的計算機網(wǎng)絡實驗教學，在實驗平臺、實驗方法和實驗項目設計上進行了部分的創(chuàng)新實踐，取得了很好的實驗效果。實驗項目涵蓋了幾乎所有的基本網(wǎng)絡技術原理，通過這些實驗項目的練習，加強了學生對網(wǎng)絡原理的理解，掌握了一定的網(wǎng)絡實踐技能。通過如圖4的設計型實驗，開創(chuàng)了學生的思路，培養(yǎng)了學生獨立分析問題和解決問題的能力。

通過后期對學生進行追蹤和調查發(fā)現(xiàn)，學生學習計算機網(wǎng)絡的積極性明顯提高，創(chuàng)新能力得到了加強，對于學習后續(xù)課程或參加科研活動和競賽發(fā)揮著重要的作用。但是受實驗課時的限制，部分實驗項目還未開展，一些創(chuàng)新的實驗方法還沒有真正應用到實踐中，還需平衡各方因素，切實將以上創(chuàng)新模式應用到具體教學實踐中，進一步提升學生的創(chuàng)新實踐技能。

實踐教學是加深學生對重要網(wǎng)絡原理的理解，提升學生實踐能力，培養(yǎng)創(chuàng)新性思維的重要環(huán)節(jié)。本文分析了當前計算機網(wǎng)絡實驗教學存在的問題，探討了在計算機網(wǎng)絡實驗教學中培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的思路和方法，主要從實驗課程設置，實驗平臺建設，實驗方法和實驗內容設計等方面來探討學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)模式，通過采用多樣化的實驗類型設計、綜合化的實驗方法設計和一體化的課內外實驗設計等，逐步加強學生的實踐能力，培養(yǎng)創(chuàng)新思維和創(chuàng)新技能。目前部分創(chuàng)新成果應用到了具體教學實踐中，已取得了階段性的成果。接下來將繼續(xù)深化實驗教學改革，以期取得更大的成果。

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