計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探討

周國軍

摘要：針對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不足、理論知識(shí)與實(shí)驗(yàn)脫節(jié)、實(shí)驗(yàn)課時(shí)偏少、教學(xué)方法單一等問題，提出利用仿真和協(xié)議分析軟件搭建實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境、采用“課內(nèi)+課外”模式開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)、根據(jù)理論教學(xué)和專業(yè)課程體系優(yōu)化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并結(jié)合實(shí)際的教學(xué)案例，闡述運(yùn)用反思性教學(xué)法開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；教學(xué)改革；反思性教學(xué)

0.引言

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是計(jì)算機(jī)與電子信息類專業(yè)的一門基礎(chǔ)課程，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，該課程在專業(yè)知識(shí)結(jié)構(gòu)中顯得越來越重要。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的理論知識(shí)多，既包含網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中各個(gè)層次的基本原理，又包含數(shù)據(jù)通信和網(wǎng)絡(luò)安全的一些概念和技術(shù)。由于很多知識(shí)點(diǎn)抽象難懂，再加上網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不容易掌握，學(xué)生普遍感到學(xué)習(xí)難度大。

理論與實(shí)踐是相互促進(jìn)的，只有將理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)合起來才能取得良好的教學(xué)效果。與理論教學(xué)相比，該課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)比較薄弱且普遍存在以下問題：①網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的數(shù)量和類型不能滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求，支持的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目很少，學(xué)生難以全面掌握實(shí)用的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；②實(shí)驗(yàn)內(nèi)容過于簡單，實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論教學(xué)脫節(jié)，學(xué)生難以將所學(xué)理論應(yīng)用于具體的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，不利于培養(yǎng)應(yīng)用型網(wǎng)絡(luò)人才；③實(shí)驗(yàn)課時(shí)偏少，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室上機(jī)練習(xí)的機(jī)會(huì)不多，難以提高學(xué)生的實(shí)踐能力；④教學(xué)方法單一，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果不好。針對(duì)這幾個(gè)問題，本文對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革思路進(jìn)行探討，以期提高該課程的教學(xué)質(zhì)量。

1.利用仿真和協(xié)議分析軟件搭建實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境

仿真軟件可以模擬多種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，解決了設(shè)備數(shù)量不足、類型單一的問題。與物理設(shè)備相比，仿真軟件具有兩個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)：學(xué)生通過在自己的計(jì)算機(jī)上安裝仿真軟件，能夠在課外隨時(shí)動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，從而增加練習(xí)和操作的時(shí)間；大多數(shù)仿真軟件都提供了簡便的圖形操作界面，用鼠標(biāo)拖動(dòng)需要的虛擬設(shè)備能快速建立網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并且虛擬設(shè)備不會(huì)出現(xiàn)物理故障的問題，從而提高了實(shí)驗(yàn)效率。然而，要深入理解和掌握網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的工作原理，僅僅利用仿真軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)是不夠的，還要學(xué)會(huì)使用協(xié)議分析軟件對(duì)網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包進(jìn)行分析，因此，協(xié)議分析軟件也是實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件中不可缺少的一部分。

目前常用的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件有PacketTracer、GNS3、VPCS、VitualBox等，常用的協(xié)議分析軟件有Wtreshark、tepdump等，這些軟件各有優(yōu)缺點(diǎn)，綜合利用多種軟件可以滿足不同實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的需要。利用PacketTracer、GNS3及其相關(guān)組件、Brmeshark搭建實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)無線局域網(wǎng)、校園網(wǎng)、小型企業(yè)網(wǎng)的解決方案，能夠?qū)CP/IP協(xié)議棧進(jìn)行抓包分析?？梢?，利用仿真和協(xié)議分析軟件搭建實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境是可行的。

2.采用“課內(nèi)+課外”模式開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)

（1）將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為課內(nèi)實(shí)驗(yàn)和課外實(shí)驗(yàn)兩部分，課內(nèi)實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主要內(nèi)容，課外實(shí)驗(yàn)以設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn)為主要內(nèi)容。

（2）課內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)分為準(zhǔn)備、上機(jī)、總結(jié)3個(gè)過程。在準(zhǔn)備階段，教師設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，包括實(shí)驗(yàn)任務(wù)、實(shí)驗(yàn)拓?fù)?、詳?xì)操作步驟、思考題等；學(xué)生根據(jù)教師給出的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)，明確實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，熟悉實(shí)驗(yàn)過程。在上機(jī)階段，教師花少量時(shí)間對(duì)實(shí)驗(yàn)中的重點(diǎn)知識(shí)和容易出錯(cuò)的操作進(jìn)行講解和演示，指導(dǎo)學(xué)生上機(jī)操作。在總結(jié)階段，學(xué)生寫出實(shí)驗(yàn)報(bào)告，教師檢查實(shí)驗(yàn)的完成情況，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果和存在的問題進(jìn)行分析和改進(jìn)。

（3）課外實(shí)驗(yàn)的教學(xué)過程如下：①教師給出具有探索性或綜合性的實(shí)驗(yàn)任務(wù)；②學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，教師審核方案的可行陛并提供一些有針對(duì)性的參考資料，引導(dǎo)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；③教師在實(shí)驗(yàn)課上對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的完成情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。

課內(nèi)實(shí)驗(yàn)加深了學(xué)生對(duì)所學(xué)理論知識(shí)的理解和掌握，課外實(shí)驗(yàn)給學(xué)生提供了更多操作練習(xí)和分析問題的時(shí)間，“課內(nèi)+課外”模式培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，有助于培養(yǎng)應(yīng)用型和創(chuàng)新型網(wǎng)絡(luò)人才。

3.結(jié)合理論教學(xué)和專業(yè)課程體系優(yōu)化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多，學(xué)生在課內(nèi)無法完成所有的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，而在課外布置過多的實(shí)驗(yàn)會(huì)增加學(xué)生的學(xué)習(xí)壓力，這就要求教師對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行合理安排和優(yōu)化，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)是如何選取實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，不同專業(yè)有不同的專業(yè)課程體系，結(jié)合理論教學(xué)和專業(yè)課程體系制定合理的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，優(yōu)化方法如下：

（1）根據(jù)理論教學(xué)的重點(diǎn)、難點(diǎn)選取和整合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。以網(wǎng)絡(luò)層的實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例：網(wǎng)絡(luò)層理論教學(xué)的重點(diǎn)是IPv4協(xié)議、劃分子網(wǎng)、CIDR、ARP協(xié)議、ICMP協(xié)議、RIP協(xié)議、OSPF協(xié)議、IPv6協(xié)議，理論教學(xué)的難點(diǎn)是劃分子網(wǎng)、IPv6協(xié)議?？紤]到在路由器上配置RIP、OSPF協(xié)議的基本步驟相差不大，但OSPF的鏈路開銷值比RIP的距離值復(fù)雜，因此，選取OSPF協(xié)議的配置作為課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，將RIP協(xié)議的配置包含在其他實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中；由于對(duì)IP、ICMP、ARP協(xié)議的分析都使用GNS3和Wireshark軟件，均可以采用由兩臺(tái)路由器相連構(gòu)成實(shí)驗(yàn)拓?fù)洌⑶襂CMP數(shù)據(jù)包是基于IP協(xié)議的，因此，對(duì)這3個(gè)協(xié)議的分析可以合并為一個(gè)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)；由于劃分子網(wǎng)、NAT都是基本的組網(wǎng)技術(shù)，可以將其合并為一個(gè)課外實(shí)驗(yàn)。根據(jù)整合后的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)出4個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，見表1。

從表1可以看出，優(yōu)化后的所有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可以在6課時(shí)內(nèi)完成，達(dá)到了用少量實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目覆蓋大量理論知識(shí)的目標(biāo)，能夠使學(xué)生在相同的課時(shí)內(nèi)掌握更多的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

（2）根據(jù)專業(yè)課程體系刪減實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，避免實(shí)驗(yàn)內(nèi)容重復(fù)。以筆者任教的信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)為例，該專業(yè)開設(shè)信息安全技術(shù)、Linux系統(tǒng)應(yīng)用、Java、c、ASRNET等專業(yè)課程，其中，信息安全技術(shù)課程包含了密碼體制、數(shù)字簽名實(shí)驗(yàn)，Java、c撐課程包含了Socket編程實(shí)驗(yàn)，ASRNET課程包含了IIS服務(wù)器搭建實(shí)驗(yàn)，Linux系統(tǒng)應(yīng)用課程包含了FTP服務(wù)器安裝實(shí)驗(yàn)，這些內(nèi)容就不再作為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。

4.運(yùn)用反思性教學(xué)法提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果

反思性教學(xué)是指教學(xué)主體借助行動(dòng)不斷探究與解決實(shí)際問題、努力提升教學(xué)實(shí)踐合理性的過程，這個(gè)過程可以用“計(jì)劃—行動(dòng)一觀察一反思”模型來表示。下面結(jié)合筆者的教學(xué)實(shí)踐，以O(shè)SPF協(xié)議的實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例來說明運(yùn)用反思性教學(xué)法開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過程。

（1）計(jì)劃階段。根據(jù)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)的要求設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，給出實(shí)驗(yàn)的詳細(xì)步驟、配置命令、思考題等。實(shí)驗(yàn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，主要步驟如下。

步驟1：建立實(shí)驗(yàn)拓?fù)?，設(shè)置主機(jī)PCI、PC2的IP地址和網(wǎng)關(guān)。

步驟2：對(duì)路由器R1NR6配置IP地址、OSPF協(xié)議。

步驟3：測(cè)試PCI與PC2是否能夠正常通信，查看R1的路由表，查看R2的鄰居。

思考題1：從PCI到PC2的ICMP報(bào)文經(jīng)過了哪些路由器，為什么？

步驟4：將連接R2與R5的兩個(gè)端口的鏈路開銷值改為150，查看R1更新后的路由表。

步驟5：將Packet Tracer切換到simulation模式，在PCI上ping PC2的IP地址，觀察ICMP報(bào)文的傳輸路徑。

思考題2：如果要使從PCI到PC2的回應(yīng)請(qǐng)求報(bào)文只能經(jīng)過R3、不能經(jīng)過R4，采用什么方法可以滿足這個(gè)要求？

（2）行動(dòng)、觀察階段。組織實(shí)驗(yàn)教學(xué)。首先，講解實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容，以R2為例，重點(diǎn)講解幾個(gè)配置命令：啟動(dòng)OSPF進(jìn)程routerospf 100，宣告直連網(wǎng)絡(luò)network10.12.0.0 0.0.255.255 area 0.0.0.1.查看路由表show ip route，查看OSPF鄰居show ip ospf neighbor，修改開銷值ip ospf cost 150。接下來，指導(dǎo)學(xué)生做實(shí)驗(yàn)，觀察實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的問題。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的問題：PCI與PC2不能通信，路由器端口的IP地址設(shè)置混亂不清，子網(wǎng)掩碼設(shè)置錯(cuò)誤，網(wǎng)段所在的區(qū)域號(hào)設(shè)置錯(cuò)誤，沒有正確修改指定端口的開銷值，而是修改了其他端口的開銷值。此外，有幾位學(xué)生對(duì)OSPF的鏈路開銷值計(jì)算不清楚，還有一些學(xué)生沒有完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。

（3）反思階段。分析出現(xiàn)問題的原因并改進(jìn)。根據(jù)學(xué)生反饋的情況，實(shí)驗(yàn)任務(wù)不能順利完成的主要原因有兩個(gè)：路由器的個(gè)數(shù)太多、網(wǎng)段太多、子網(wǎng)掩碼的位數(shù)不統(tǒng)一，導(dǎo)致端口的IP地址設(shè)置錯(cuò)誤、網(wǎng)段所屬的區(qū)域號(hào)設(shè)置錯(cuò)誤；沒有理解OSPF鏈路開銷的度量方法，錯(cuò)誤地認(rèn)為OSPF的開銷值與RIP的距離是相同的概念。分析原因后作以下改進(jìn)：減少兩個(gè)路由器和3個(gè)網(wǎng)段，網(wǎng)絡(luò)號(hào)統(tǒng)一為16位，區(qū)域標(biāo)識(shí)由點(diǎn)分十進(jìn)制表示改為由一個(gè)十進(jìn)制數(shù)表示，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)拓?fù)淙鐖D2所示；為了能更好地理解OSPF鏈路的開銷值，增加一個(gè)步驟：將連接R2與R3的兩個(gè)端口的帶寬改為128 kbps，并講解修改端口帶寬的命令bandwidth、查看OSPF詳細(xì)信息的命令show ip ospfinterfaceo

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的難度較大，在教學(xué)過程中會(huì)遇到較多的問題，采用反思性教學(xué)法可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)教學(xué)中出現(xiàn)的問題，有助于不斷提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。

5.結(jié)語

實(shí)踐證明，利用仿真和協(xié)議分析軟件在實(shí)驗(yàn)室搭建實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，滿足了多個(gè)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求；采用“課內(nèi)+課外”模式開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，將反思性教學(xué)法應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，結(jié)合理論教學(xué)和專業(yè)課程體系優(yōu)化各個(gè)章節(jié)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，建立較為全面的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，這些措施使得教學(xué)效果不斷提高。然而，P2P技術(shù)的廣泛應(yīng)用、無線網(wǎng)絡(luò)和云計(jì)算技術(shù)的快速發(fā)展、IPv4向IPv6的逐步過渡等，這些將對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境和教學(xué)方法提出更高要求。如何才能更有效地對(duì)這些新技術(shù)開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，還有待我們進(jìn)一步探索和實(shí)踐。