軟硬件結(jié)合的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

韋忠亮 葛斌

摘要：同理論教學(xué)相比，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)也是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程一個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在一些教學(xué)難點(diǎn)，例如計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的知識(shí)點(diǎn)眾多，學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)概念掌握存疑、學(xué)習(xí)本門課程的過程中興趣逐漸降低等現(xiàn)象。為提升計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程總體的教學(xué)效果，加強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提出了軟硬件結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案。通過課前布置軟件學(xué)習(xí)任務(wù)，課中利用硬件設(shè)備進(jìn)行效果驗(yàn)證，課后進(jìn)行總結(jié)的方式，可以有效提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò);實(shí)驗(yàn)教學(xué);軟硬件結(jié)合;教學(xué)方案;教學(xué)過程

中圖分類號(hào)：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）36-0188-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Research on Experimental Teaching of Computer Networks Combining Software and Hardware

WEI Zhong-liang， GE Bin

（Anhui University of Science and Technology， Huainan 232001， China）

Abstract：Compared with theoretical teaching， computer network experimental teaching is also a teaching part of the computer network course. There are some teaching difficulties in the teaching of computer network experiments， such as the large number of knowledge points of computer networks， students' doubtful grasp of computer network concepts， and the gradual decrease of interest in the process of learning this course. In order to strengthen the overall teaching effect of the computer network course and deepen students' interest in learning， a practical teaching scheme combining software and hardware is proposed. By assigning software learning tasks before class， using hardware devices for effect verification during class and summarizing after class， students' learning effect can be effectively enhanced.

Key words：computer network; experimental teaching; the integration of hardware and software; teaching solution; teaching process

1 引言

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)等相關(guān)專業(yè)的必修課程，也是被列入計(jì)算機(jī)學(xué)科專業(yè)基礎(chǔ)綜合全國(guó)統(tǒng)考的科目之一[1]。按新工科標(biāo)準(zhǔn)的要求，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的教學(xué)過程中包含了兩個(gè)組成部分，即理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，作為標(biāo)準(zhǔn)教學(xué)的組成部分，也需要給予足夠的重視。

理論教學(xué)的難點(diǎn)是理論知識(shí)較為枯燥，知識(shí)點(diǎn)繁多并要求學(xué)生掌握體系結(jié)構(gòu)的組成;而計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要結(jié)合工程知識(shí)讓學(xué)生對(duì)網(wǎng)絡(luò)的組建、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的使用等有一定的了解。它不是對(duì)理論教學(xué)進(jìn)行重復(fù)，而是需要對(duì)理論教學(xué)進(jìn)行很好地?cái)U(kuò)展和補(bǔ)充，兩者做到有機(jī)結(jié)合。同時(shí)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)知識(shí)量大且廣泛[2]，大多數(shù)學(xué)生無法掌握，這就進(jìn)一步降低了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，導(dǎo)致學(xué)習(xí)效果變差。此外，學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中由于課程設(shè)置、實(shí)驗(yàn)室管理和實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備的原因，學(xué)生感覺實(shí)驗(yàn)時(shí)間不夠，無法很好地把理論知識(shí)應(yīng)用到實(shí)踐中，遇到問題無從下手，沒有獨(dú)立承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)踐的能力，很難達(dá)到工程認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)。

2 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)模式

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)可以采用兩種形式開展：一種是利用軟件模擬器在虛擬的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)中完成概念化的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)，稱為軟件模式;另外一種是在具體的實(shí)驗(yàn)室中利用真實(shí)設(shè)備完成組網(wǎng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，稱為硬件模式。

2.1 軟件模式

利用軟件模擬器在虛擬的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)中完成概念化的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)，這樣的好處是可以節(jié)省真實(shí)設(shè)備的購置費(fèi)用，通過網(wǎng)絡(luò)指導(dǎo)書，學(xué)生可以跨越時(shí)間和空間，立刻進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

文獻(xiàn)[3]利用比較流行的軟件平臺(tái)即Boson NetSim來構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室。這個(gè)軟件平臺(tái)的操作便捷，借助該軟件，學(xué)生可以方便地使用模擬設(shè)備，包括仿真路由器、仿真交換機(jī)以及仿真PC機(jī)等，而且軟件可以仿真的網(wǎng)絡(luò)連接方式比較多，比如PPPoE、以太網(wǎng)接入等。文獻(xiàn)[4]利用Ncomputing云終端來構(gòu)建計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)室，利用自帶的虛擬化軟件Vspace，在電腦主機(jī)上進(jìn)行自動(dòng)安裝。這種仿真PC上的資源比較豐富，可以虛擬出多個(gè)系統(tǒng)完成網(wǎng)絡(luò)配置，也支持多用戶多任務(wù)，使多個(gè)用戶利用該仿真PC登錄不同的賬戶。文獻(xiàn)[5]引入了華為模擬器eNSP，配置并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，引入二級(jí)機(jī)制。這樣做的好處是讓仿真平臺(tái)的操作更加類同于真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，包括設(shè)備申請(qǐng)、仿真文檔審核等。

但是模擬器的功能和真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備有一定的出入。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的理論知識(shí)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)只是因?yàn)槠鋫?cè)重點(diǎn)不同，而重心不同，可能會(huì)導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重視程度不同，無法學(xué)以致用。

2.2 硬件模式

軟件模式的弊端也說明，在有條件的情況下，學(xué)生最好能使用真實(shí)設(shè)備完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，讓學(xué)生可以真實(shí)地接觸網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，學(xué)以致用。

文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了一個(gè)綜合布線系統(tǒng)，包含了路由器和交換機(jī)的組網(wǎng)方案，在當(dāng)時(shí)取得了很好的示范效果。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，該方案需要結(jié)合現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行更新。文獻(xiàn)[7]給出了一個(gè)現(xiàn)實(shí)環(huán)境和模擬環(huán)境相結(jié)合的解決方案，但是其主要針對(duì)的是模擬環(huán)境里面的實(shí)現(xiàn)，布線系統(tǒng)完全對(duì)學(xué)生屏蔽，導(dǎo)致學(xué)生不能直觀地進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)。文獻(xiàn)[8]提供了一個(gè)不錯(cuò)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室的解決方案，利用了真實(shí)的各種設(shè)備，包括路由器、交換機(jī)、PC機(jī)等，但是其布線系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，不利于該方案的推廣和實(shí)現(xiàn)。

3 軟硬件結(jié)合的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

3.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

應(yīng)用型本科院校大多采用謝希仁編著的教材《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》，該教材第一版到第六版采用“自底向上”的模式[9]。該教材的特點(diǎn)是糅合了現(xiàn)實(shí)中的TCP/IP體系[10]和OSI的七層模型，總結(jié)出了網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的5個(gè)層次，自底向上描述。為此，筆者設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，共8個(gè)學(xué)時(shí)，每學(xué)時(shí)的內(nèi)容如表1所示。

當(dāng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的理論課程教學(xué)進(jìn)入到網(wǎng)絡(luò)層時(shí)，所儲(chǔ)備的知識(shí)即IP地址的相關(guān)概念和簡(jiǎn)單設(shè)置，即可滿足開展上述實(shí)驗(yàn)。每個(gè)實(shí)驗(yàn)的詳細(xì)描述如下：

（1）第1學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是常用網(wǎng)絡(luò)測(cè)試命令，包括Ping、Route和Net等。通過常用網(wǎng)絡(luò)命令的學(xué)習(xí)，使學(xué)生初步掌握整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的測(cè)試方法。

（2）第2學(xué)時(shí)開展簡(jiǎn)單組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以學(xué)習(xí)如何使用路由器、交換機(jī)等設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)組建，同時(shí)還可以結(jié)合計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的理論教學(xué)去理解這些設(shè)備的工作原理。

（3）第3學(xué)時(shí)開展交換機(jī)VLAN劃分實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生在第2學(xué)時(shí)基礎(chǔ)上理解交換機(jī)不僅僅可以完成計(jì)算機(jī)之間的連通，還能夠進(jìn)行更多的訪問控制。

（4）第4學(xué)時(shí)開展多交換機(jī)之間的跨交換機(jī)相同VLAN互訪，通過增加更多的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，完成VLAN的擴(kuò)展，使學(xué)生進(jìn)一步理解局域網(wǎng)的組網(wǎng)規(guī)則。

（5）第5學(xué)時(shí)開展路由器靜態(tài)路由的配置，這個(gè)實(shí)驗(yàn)是理論教學(xué)中最重要的應(yīng)用，結(jié)合IP地址和路由轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議，使學(xué)生加深跨越網(wǎng)絡(luò)互訪的概念。

（6）第6學(xué)時(shí)開展通過獨(dú)臂路由實(shí)現(xiàn)VLAN之間的互訪，結(jié)合第3、第4、第5學(xué)時(shí)的知識(shí)進(jìn)一步完成局域網(wǎng)的擴(kuò)充并逐步加深對(duì)廣域網(wǎng)的認(rèn)知。

（7）第7學(xué)時(shí)開展動(dòng)態(tài)路由配置協(xié)議之一的RIP，通過本次實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生理解動(dòng)態(tài)路由的基本概念，結(jié)合理論教學(xué)，能加深學(xué)生的理解。

（8）第8學(xué)時(shí)開展動(dòng)態(tài)路由配置協(xié)議之一的OSPF，通過本次實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生可以對(duì)動(dòng)態(tài)路由協(xié)議進(jìn)行比較，更加深入地理解RIP和OSPF的優(yōu)缺點(diǎn)。

3.2 軟硬件結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

為完成以上實(shí)驗(yàn)，結(jié)合計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程組歷年的資源積累，筆者設(shè)計(jì)了軟硬件結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案。在課前通過軟件的形式做學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)，課中通過硬件的方式驗(yàn)證和實(shí)現(xiàn)。

（1）軟件方面

軟件方面采用華為網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)eNSP，該平臺(tái)通用性較好。和硬件資源相比，它可以很方便地完成組網(wǎng)的設(shè)計(jì)和布線，一個(gè)靜態(tài)路由實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如圖1所示：

（2）硬件方面

在計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)過程中需投入硬件設(shè)備，確保了實(shí)驗(yàn)室建設(shè)工作的順利進(jìn)行，為學(xué)生提供一個(gè)安全、高效的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，為教師提供良好的教學(xué)、科研平臺(tái)。圖2展示的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

結(jié)合近十年的課程建設(shè)，為了完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，所需的實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括實(shí)驗(yàn)室機(jī)架控制和管理服務(wù)器5臺(tái)，路由器10臺(tái)，V.35電纜5根，三層交換機(jī)5臺(tái)，二層交換機(jī)5臺(tái)，含以太網(wǎng)卡的計(jì)算機(jī)20臺(tái)，可同時(shí)容納40人進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)。

（3）軟硬件結(jié)合的教學(xué)設(shè)計(jì)

在實(shí)際的課堂教學(xué)中，教師應(yīng)當(dāng)及時(shí)關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)，把教學(xué)活動(dòng)分成課前、課中、課后三個(gè)部分，互相促進(jìn)。

課前布置eNSP軟件學(xué)習(xí)任務(wù)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和eNSP軟件的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，給出定量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。這一步非常關(guān)鍵，因?yàn)闆]有目的的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)更加容易讓學(xué)生產(chǎn)生迷茫。課中時(shí)刻關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，隨時(shí)進(jìn)行貼身指導(dǎo)。在教學(xué)活動(dòng)中還要注意對(duì)新知識(shí)點(diǎn)的引入和擴(kuò)展，比如學(xué)完組網(wǎng)設(shè)計(jì)后對(duì)路由的概念進(jìn)行擴(kuò)展學(xué)習(xí)，給學(xué)生指明下一步的學(xué)習(xí)方向。課后對(duì)學(xué)生提交的報(bào)告進(jìn)行及時(shí)總結(jié)，促進(jìn)知識(shí)點(diǎn)的鞏固和提高。比如可以利用課后視頻錄制講解常見網(wǎng)絡(luò)問題排錯(cuò)的手段，讓學(xué)生及時(shí)把握住重心，并指明下一步的研究方向，例如增加Socket編程或者網(wǎng)頁設(shè)計(jì)等知識(shí)的介紹。

通過軟硬件結(jié)合的實(shí)驗(yàn)手段，預(yù)計(jì)達(dá)到的目標(biāo)是：在新工科的背景下，突出學(xué)生實(shí)踐技能的培養(yǎng)，在培養(yǎng)網(wǎng)絡(luò)管理員、網(wǎng)絡(luò)工程師、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃師的職業(yè)體系中，做出貢獻(xiàn)。

4 結(jié)論

單純地使用軟件模式或者硬件模式都會(huì)有一些弊端，本文根據(jù)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，設(shè)計(jì)了一套計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)方案，硬件系統(tǒng)可以直觀地展示網(wǎng)絡(luò)間的連接，模擬器可以作為輔助手段幫助學(xué)生理解相關(guān)命令的使用。軟硬件結(jié)合，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中達(dá)到了更好的教學(xué)效果。

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