以任務為本的網(wǎng)絡基礎課程仿真實驗項目的設計與實現(xiàn)

柳秀清

摘要：針對網(wǎng)絡基礎課程硬件實驗條件不足、網(wǎng)絡通信概念抽象等問題，該文結合網(wǎng)絡基礎課程教學任務及教學目標，利用網(wǎng)絡仿真軟件設計并實現(xiàn)多個實驗項目，并在實際的教學活動中進行了實踐。實踐證明，這些以任務為本的仿真實驗項目對學生理解網(wǎng)絡基礎的相關概念有很大幫助，也取得了良好的教學效果。

關鍵詞：網(wǎng)絡基礎；仿真實驗；任務為本

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）11-0055-02

1 背景

利用仿真軟件設計實驗項目是目前高校計算機網(wǎng)絡課程中普遍采用的實驗手段[1]。Packet Tracer就是Cisco公司開發(fā)的一款仿真教學軟件，用來設計、配置及進行網(wǎng)絡故障排除的仿真模擬軟件，該軟件是思科網(wǎng)絡技術學院中最流行、操作很簡單、最接近真實網(wǎng)絡環(huán)境的模擬工具，也是目前國內(nèi)高校中計算機網(wǎng)絡類課程中使用較多的實驗工具軟件。

將Packet Tracer軟件用于計算機網(wǎng)絡實驗中，根據(jù)實驗要求和目的，學生可以自定義選擇所需要的路由器、交換機、集線器、無線AP、無線寬帶路由器、計算機、服務器和各種線纜等設備，然后對使用的設備進行配置，進行性能測試[2]。通過可視化的仿真界面和靈活方便的配置窗口，學生可以在幾乎與真實的場景沒有差別的仿真環(huán)境中進行實驗。并且，學生可以重復再現(xiàn)網(wǎng)絡運行的任何細節(jié)，更有效地學習網(wǎng)絡協(xié)議、分析網(wǎng)絡的性能，更加深入理解網(wǎng)絡中的復雜行為。

2 網(wǎng)絡基礎實驗項目現(xiàn)狀分析

《網(wǎng)絡基礎與Internet應用》多年來一直是非電專業(yè)學生所開設的一門計算機網(wǎng)絡基礎知識的入門課程，也是一門實踐性較強的專業(yè)基礎課程。

該課程的課程大綱所涉及的主要內(nèi)容包括：計算機網(wǎng)絡相關概念、局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)與Internet、Internet應用、網(wǎng)絡接入方式及網(wǎng)絡安全等內(nèi)容。該大綱的設置符合對網(wǎng)絡基礎知識及Internet應用的需求。課程的學習目的在于培養(yǎng)學生在信息化社會里所必備的網(wǎng)絡基礎知識，了解計算機網(wǎng)絡的基本工作原理，掌握應用Internet的基本技能，并掌握Internet上常用軟件基本使用方法[3]。

上述課程內(nèi)容中涉及一些網(wǎng)絡基本原理及概念，而且網(wǎng)絡體系結構復雜，要深入理解和學習該課程，并實現(xiàn)課程的學習目標，最好的方法就是進行計算機網(wǎng)絡實驗。但是，計算機網(wǎng)絡實驗涉及交換機、路由器、計算機等大量硬件設備，這些設備不僅十分昂貴，而且更新?lián)Q代速度很快，學校的硬件條件基本達不到進行計算機網(wǎng)絡實驗的技術要求。受實驗條件的限制，之前學校在該課程的實驗項目設置上多集中在瀏覽器使用、電子郵件系統(tǒng)、下載工具及網(wǎng)頁編輯等軟件純應用類實驗項目。這些項目的設置有利于學生掌握Internet應用的基本技能及Internet常用軟件基本使用方法，但在掌握必要的網(wǎng)絡基礎知識、理解計算機網(wǎng)絡的基本工作原理等方面對學生并沒有很大幫助。

為了解決以上現(xiàn)狀，課題組將Packet Tracer網(wǎng)絡仿真軟件引入網(wǎng)絡基礎課程的實驗教學，這樣不僅可以減少實驗設備的投入成本，培養(yǎng)學生的動手能力和創(chuàng)造能力，還可以幫助教師提高教學和教研的能力，具有重要的理論和實際意義。

目前已有的Packet Tracer實驗項目對于非電專業(yè)學生來說或者過于簡單，或者過于復雜，簡單的實驗會導致學生理解問題不到位，過于復雜的實驗一般只適用于計算機專業(yè)學生的學習。因此，課題組利用Packet Tracer軟件設計了幾組適合于本校非電專業(yè)學生的若干網(wǎng)絡實驗項目，既能滿足課程教學大綱需求，又能便于學生對網(wǎng)絡基本工作原理等內(nèi)容的理解和掌握[4-6]。

3 以任務為本的課程實驗設計與實現(xiàn)

結合《網(wǎng)絡基礎與Internet應用》課程的教學任務及教學目標，課題組目前利用Packet Tracer軟件設計并實現(xiàn)了三組實驗項目，包括對等網(wǎng)絡的構建、VLAN的構建及配置，及應用層及傳輸層協(xié)議分析實驗。

3.1 構建對等網(wǎng)絡實驗

對等網(wǎng)絡是局域網(wǎng)中結構非常簡單，又非常常見的網(wǎng)絡。這組實驗項目的設計是考慮在學生已經(jīng)學過IP、子網(wǎng)掩碼和網(wǎng)關設置等內(nèi)容的基礎上，進行相應的實踐以幫助學生進一步理解相關概念。

對等網(wǎng)絡實驗內(nèi)容主要包括，制作雙絞線、有線對等網(wǎng)絡構建、無線對等網(wǎng)絡構建、網(wǎng)絡設備連接、IP地址配置及組網(wǎng)驗證等。圖1所示為有線及無線對等網(wǎng)絡的基本拓撲結構示例圖，實驗項目具體包括：交換機、路由器的選擇、不同傳輸介質的選擇、無線網(wǎng)卡及各終端設備IP地址的配置。完成網(wǎng)絡構建后，測試網(wǎng)絡聯(lián)通性等。

該實驗項目的設計目標主要包括，幫助學生了解雙絞線的標準線序（對等線與交叉線），并了解交叉線的制作過程；熟悉和了解網(wǎng)卡的用途，理解網(wǎng)絡組建所需要的硬件設備以及網(wǎng)絡協(xié)議的基本配置；掌握有線及無線對等網(wǎng)的組建，能運用多種方法對網(wǎng)絡連通性進行測試，實踐對等網(wǎng)組建的過程，掌握組網(wǎng)的基本技術方法。

學生在本實驗中需要解決的關鍵問題包括，雙絞線的制作方法、網(wǎng)絡的配置過程及網(wǎng)絡組建的基本思想；如何實現(xiàn)無線對等網(wǎng)絡的構建，如何選擇及配置相應的網(wǎng)絡設備，以及檢測網(wǎng)絡連通性。

3.2 設計并配置VLAN網(wǎng)絡

VLAN劃分、VLAN間通信等相關技術可以提高網(wǎng)絡的性能、可管理性和安全性，在實際網(wǎng)絡工程中已得到廣泛應用。利用Packet Tracer設計并配置交換機、路由器等設備實現(xiàn)VLAN劃分、VLAN間通信等相關實驗教學，不僅可以促進學生對相關理論知識的理解，還對增強學生的實際運用能力有很大幫助。

該組實驗項目的內(nèi)容主要包括，構建交換式網(wǎng)絡，如圖2所示，交換機與終端控制臺（Console口）的連接和配置、了解并熟悉交換機的基本配置命令、通過交換機實現(xiàn)VLAN的配置、測試及刪除等操作。

實驗設計的目標主要包括，幫助學生掌握VLAN技術在交換機和路由器等實驗設備上的具體實現(xiàn)；學生能夠獨立完成實驗，提高學生的計算機網(wǎng)絡設計與組建能力；虛擬局域網(wǎng)應用能力、交換機路由器等設備的配置能力，提高學生的局域網(wǎng)理論認識水平和實踐操作能力。

可網(wǎng)管交換機的設置及VLAN技術是計算機網(wǎng)絡課程的重難點內(nèi)容之一，不僅理論知識比較抽象，對實驗環(huán)境的硬件要求也很高。本組實驗的設計難易程度適中，學生需要解決問題就是通過實驗理解VLAN相關技術，掌握VLAN設置的基本方法。

3.3 應用層及傳輸層協(xié)議實驗

計算機網(wǎng)絡學習的核心及重要內(nèi)容就是對網(wǎng)絡體系結構及網(wǎng)絡協(xié)議的學習。Internet中終端的通訊過程通過分層的體系結構來實現(xiàn)。分層體系結構便于系統(tǒng)的分層實現(xiàn)，分層管理，提高了系統(tǒng)的兼容性和應用的多樣性，同時也方便了對計算機通信的研究和理解。TCP/IP分層體系結構是Internet中最基本的、也是Internet應用的基礎，其中最重要的兩個協(xié)議是網(wǎng)絡層的IP協(xié)議和傳輸層的TCP協(xié)議。在這兩個協(xié)議的支持下，Internet在應用層完成了很多重要的服務，例如，HTTP瀏覽器服務、SMTP郵件服務、DNS域名服務等等?；赑acket Tracer設計應用層服務，通過服務的實現(xiàn)過程，抓取網(wǎng)絡通信過程中各個網(wǎng)絡分層及各層協(xié)議的數(shù)據(jù)包，對學生理解和掌握網(wǎng)絡體系結構及相關網(wǎng)絡協(xié)議有非常重要的作用。

本實驗項目的內(nèi)容主要包括，構建及配置客戶服務器模型網(wǎng)絡；利用ping命令，捕捉查看相關協(xié)議數(shù)據(jù)包；配置及測試HTTP服務和DNS服務；利用HTTP服務，捕捉及查看網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包；分析查看網(wǎng)絡分層結構等，如圖3所示。

本實驗項目的設計目標包括，幫助學生學習相關服務的配置過程，例如HTTP服務、DNS服務等；通過查看數(shù)據(jù)包傳輸過程，讓學生理解分層的網(wǎng)絡體系結構；通過數(shù)據(jù)包的傳輸過程，了解相關協(xié)議的通信過程，例如，TCP協(xié)議、IP協(xié)議等，還可以查看不同協(xié)議的封包過程和內(nèi)容，進一步學習相關協(xié)議。

網(wǎng)絡體系結構及網(wǎng)絡協(xié)議是網(wǎng)絡課程的核心內(nèi)容，也是難點內(nèi)容之一，理論知識比較抽象。通過應用層和傳輸層實驗，有助于學生理解網(wǎng)絡分層、網(wǎng)絡協(xié)議等相關概念，掌握網(wǎng)絡通信的基本過程。

4 項目實踐及結論

課題組所設計的三組實驗項目在2017-2018學年兩個學期180位的學生中進行了實際的實踐，學生普遍反映，對所學過的網(wǎng)絡基礎知識、網(wǎng)絡通信模型、網(wǎng)絡體系結構、網(wǎng)絡協(xié)議等都有了更深刻的理解，對比2016-2017學年的學生，學生成績普遍有20%的提高。

實踐證明，以學習目標和學習任務為導向，利用仿真軟件設計適當?shù)姆抡鎸嶒烅椖?，能夠有效地解決網(wǎng)絡實驗課硬件條件不足等問題，可有效幫助學生理解網(wǎng)絡基礎中所涉及的相關概念及技術。在實踐檢驗中，也取得了良好的教學效果。

在后續(xù)課程實踐中，課題組將繼續(xù)設計網(wǎng)絡安全及網(wǎng)絡新技術相關的實驗項目，進一步幫助學生理解相關概念。

參考文獻：

[1] 李永. NAT仿真實驗設計與實現(xiàn)[J]. 實驗技術與管理， 2018（4）： 132-135.

[2] 張鶴飛， 云紅艷， 張德祥， 等. 基于Packet Tracer的校園網(wǎng)設計與仿真[J]. 實驗室研究與探索， 2017， 36（10）： 127-130.

[3] 侯申， 李健. 計算機基礎課程混合教學模式研究[J]. 計算機教育， 2016， 2（2）： 30-33.

[4] PM Magolda， GJ Platt. Untangling Web 2.0s Influences on Student Learning[J]. Australia： Abacus， 2014， 14（3）： 10-16.

[5] Spady W G. Outcome-Based Education： Critical Issues and Answers. Arlington， VA： American Association of School Administrators， 1994.

[6] Robin Fogarty. Designs for Cooperative Interactions[M]. USA： IRI/Skylight Training and Publishing Inc， 1990.

【通聯(lián)編輯：謝媛媛】