利用模擬軟件改進(jìn)高校計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)內(nèi)容的初步實踐

1、北京師范大學(xué)北京1008752、北京師范大學(xué)北京100875

【摘要】實驗教學(xué)是計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的重要組成部分。然而，當(dāng)前高校計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)的開展卻存在著實驗內(nèi)容過于簡單、未與理論課配套等多種問題。本文結(jié)合筆者在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)中的實踐經(jīng)驗，描述了一些利用模擬軟件改進(jìn)高校計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)內(nèi)容的初步實踐。

【關(guān)鍵詞】計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，實驗內(nèi)容，模擬軟件

【中圖分類號】G434 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】B【論文編號】1009—8097（2007）07—0103—03

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)滲透到人們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷妫鐣惹行枰罅空莆沼嬎銠C(jī)網(wǎng)絡(luò)基本原理，熟悉網(wǎng)絡(luò)操作，實際動手能力強(qiáng)，能夠進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)和運行維護(hù)的技術(shù)人員。高校計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程設(shè)置的目標(biāo)就是培養(yǎng)符合上述要求的人才，顯然，其中各項實踐能力的培養(yǎng)必須由實驗活動的開展完成。實驗內(nèi)容的正確設(shè)置和順利開展還可以提高計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課堂教學(xué)的效果。計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的課堂教學(xué)主要是對各種基本概念、原理和術(shù)語的介紹，而對這些概念、原理的理解和應(yīng)用，必須通過實驗來實現(xiàn)。因此計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實驗對于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程來說具有重要的意義，它應(yīng)以促進(jìn)學(xué)生對計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理的理解和培養(yǎng)學(xué)生的動手能力為目標(biāo)，其內(nèi)容一定要與實際需要緊密結(jié)合，并通過實驗激發(fā)起學(xué)生對計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的興趣。

一、當(dāng)前高校計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實驗內(nèi)容現(xiàn)狀分析

雖然實驗教學(xué)的開展對于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程來說有著重要的意義，但由于實驗條件的限制，在實際開展網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)時，往往不得不簡化、降低或者舍棄某些重要的實驗內(nèi)容，而用一些簡單的或者對實驗條件要求低的實驗來代替，這就極大地削弱了實驗教學(xué)的效果，與理論課嚴(yán)重脫節(jié)。比如，有關(guān)交換機(jī)、路由器這些重要的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的實驗，由于這些設(shè)備都比較昂貴，學(xué)校基本是不可能給學(xué)生提供親手操作的機(jī)會的，所以這部分的實驗往往簡化為概念性的介紹，學(xué)生始終不知道如何具體進(jìn)行配置。

筆者對目前市面上已出版的部分高校計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實驗指導(dǎo)書（已在文后列出[1-10]）和一些高校開設(shè)的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實驗進(jìn)行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)了大量的問題：

（一）實驗內(nèi)容過于簡單、陳舊。

當(dāng)前高校設(shè)置的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實驗課中存在著大量簡單、陳舊的實驗內(nèi)容，如簡單的Windows2000操作系統(tǒng)的安裝和設(shè)置[1，4，10]，Internet的訪問[1，2，4，7]，F(xiàn)TP、下載工具（NetAnts、FlashGet、CuteFTP等）、文件壓縮工具（WinZip、WinRar）、聊天工具（OICQ、ICQ）、電子郵箱的使用[2，6]等。我們知道，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程基本在電子類、計算機(jī)類、自動化、電子商務(wù)等本科專業(yè)二或三年級開設(shè)，這些專業(yè)的學(xué)生早就具備了這方面的知識，對這些內(nèi)容已經(jīng)很熟悉，再加上這些內(nèi)容大部分已在一年級的計算機(jī)基礎(chǔ)課中實踐過，所以不需要特別地將其列為計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實驗的內(nèi)容。

（二）實驗內(nèi)容不符合計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的要求。

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的培養(yǎng)目標(biāo)是各類網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)和維護(hù)人員，而不是程序設(shè)計人員。然而，當(dāng)前的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實驗內(nèi)容中卻包含了大量的編程實驗，如網(wǎng)頁程序設(shè)計[2-5]，網(wǎng)絡(luò)通信程序設(shè)計[5，7-9]，異步串行通信編程實驗[3，7]，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議編程實驗[3，7]，路由程序[3]等等。更有甚者，一些實驗指導(dǎo)書[3]中安排的編程實驗幾乎占整個實驗內(nèi)容的一半。的確，通過進(jìn)行一些通信或協(xié)議的編程實驗?zāi)軌蚴箤W(xué)生更好的理解信息傳輸?shù)姆绞剑珜W(xué)生在進(jìn)行這些內(nèi)容的實驗時，會在程序設(shè)計上花費大量的精力，往往結(jié)果變成了更偏重于程序設(shè)計。另外，在實際工作中，本科生畢業(yè)之后能夠親自動手進(jìn)行計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)串口通信或協(xié)議編程的機(jī)會并不多。所以在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實驗中，此類的內(nèi)容可以包括但不宜過多。

（三）實驗內(nèi)容要求的實驗環(huán)境過于復(fù)雜。

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實驗的內(nèi)容必須符合一般高校的實際情況，但當(dāng)前還是存在著大量的對硬件條件要求很高的實驗，如Linux系統(tǒng)的安裝和使用，交換機(jī)、路由器的相關(guān)配置和管理等。這些實驗有的要求學(xué)生更改實驗所用電腦的操作系統(tǒng)，有些要求使用交換機(jī)、路由器、PC機(jī)搭建網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行配置管理。而大多數(shù)學(xué)校的硬件條件往往無法達(dá)到要求。因此，雖然這些內(nèi)容在實驗教程或?qū)嶒炗媱澲辛谐觯捎趯嶒灄l件的限制，在實際教學(xué)中或者忽略不做，或者由實驗指導(dǎo)教師進(jìn)行演示，學(xué)生只能觀看，沒有機(jī)會親自動手嘗試，依然達(dá)不到實驗的預(yù)期目標(biāo)。

二、利用模擬軟件改進(jìn)高校計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)內(nèi)容的初步實踐

通過對計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實驗內(nèi)容設(shè)置現(xiàn)狀的分析可知，高校計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的實驗內(nèi)容必須進(jìn)行一定的變革，從而提高整個課程的教學(xué)效果。根據(jù)自己的教學(xué)實踐，我認(rèn)為在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實驗內(nèi)容的設(shè)置和安排上，必須遵照下面的一些原則：

1．實驗教學(xué)的內(nèi)容應(yīng)必須與理論課同步，這樣既能及時將理論應(yīng)用于實踐，有助于加深對理論的理解，又可以把實驗中遇到的問題帶到課堂中，在課堂討論中結(jié)合學(xué)過的各種理論來解釋；

2．對于同樣的實驗內(nèi)容需要根據(jù)具體實驗條件的不同，安排不同的實驗方式，尤其是那些對實驗環(huán)境要求較高的實驗，可以安排真實環(huán)境和模擬環(huán)境兩種實驗方式。

3．任何一次實驗內(nèi)容都需要給學(xué)生留出一定的探究空間，并實施形成性評價為主，評價的結(jié)果除了及時反饋給學(xué)生以外，還要作為下次實驗設(shè)計的依據(jù)，以保證整個實驗教學(xué)的系統(tǒng)性和完整性。

下面是筆者教學(xué)過程中安排的主要實驗內(nèi)容，以及利用模擬軟件的實現(xiàn)方式：

（一）網(wǎng)絡(luò)原理部分。

該部分內(nèi)容主要包括網(wǎng)線的制作和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的捕獲及分析。網(wǎng)線的制作是一個基本技能實驗，實驗材料成本低，允許學(xué)生親自動手實驗，通過網(wǎng)線的制作，理解網(wǎng)線制作標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用，雙絞線的基本工作方式和使用條件，理解局域網(wǎng)的概念。通過使用Sniffer[10]軟件完成數(shù)據(jù)包的捕獲與分析，可以幫助學(xué)生很好地理解各層之間的關(guān)系，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通訊的具體過程，數(shù)據(jù)幀的封裝傳輸過程。這部分有許多值得學(xué)生探究的問題，如分析當(dāng)前使用的是交換機(jī)還是集線器，ARP協(xié)議工作在網(wǎng)絡(luò)的第幾層等等，從而培養(yǎng)學(xué)生實際解決問題的能力。

（二）網(wǎng)絡(luò)的配置部分。

這部分應(yīng)該作為實驗的重點內(nèi)容。學(xué)生應(yīng)在了解組網(wǎng)的基本技術(shù)和原理的基礎(chǔ)之上完成包括交換機(jī)、路由器的連接和配置。由于實際的實驗條件不可能為每個學(xué)生提供交換機(jī)或路由器進(jìn)行操作，這時可以考慮使用模擬軟件（如Netsim[11]）完成實驗內(nèi)容。Netsim軟件提供的界面和操作過程、結(jié)果與真實環(huán)境極其相似，學(xué)生在一臺模擬的交換機(jī)或路由器上進(jìn)行配置時，就像給一臺真實的交換機(jī)或路由器進(jìn)行配置一樣。該軟件主要提供Cisco系列路由器和交換機(jī)，這是當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用較多的設(shè)備，當(dāng)然，學(xué)生在學(xué)會了對它們的配置后，對于其他廠家的設(shè)備也可以很快地上手。在這部分可以鼓勵學(xué)生使用多臺、多種型號的設(shè)備，按自己的方式組建網(wǎng)絡(luò)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

（三）操作系統(tǒng)及應(yīng)用。

對于Windows操作系統(tǒng)的安裝和使用學(xué)生已經(jīng)比較熟悉，在實驗課上沒有必要單獨設(shè)立實驗內(nèi)容。目前主流的高端服務(wù)器通常采用UNIX、LINUX系統(tǒng)，這是學(xué)生很少接觸的，實驗應(yīng)該給學(xué)生提供熟悉這些系統(tǒng)的機(jī)會。考慮到學(xué)校的實驗室不允許學(xué)生重新安裝操作系統(tǒng)，這時可以使用VMware軟件[12]。這是一個虛擬機(jī)軟件，使用VMware可以在本地Windows環(huán)境下加載多臺虛擬機(jī)，它們可以運行自己的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序。用戶可以在運行于桌面上的多臺虛擬機(jī)之間切換，通過一個網(wǎng)絡(luò)共享虛擬機(jī)(例如一個公司局域網(wǎng))，掛起和恢復(fù)虛擬機(jī)以及退出虛擬機(jī)。這樣裝LINUX像Office一樣容易，卸載的時候只要簡單刪除一個文件夾就好了——這一切不會影響主機(jī)操作和任何操作系統(tǒng)或者它正在運行的應(yīng)用程序。對于實驗老師來講，使用兩套系統(tǒng)來同時做測試和演示也非常方便。這部分可以設(shè)計一些應(yīng)用性強(qiáng)，稍復(fù)雜的內(nèi)容。如在Linux系統(tǒng)上架設(shè)各種服務(wù)器，包括Apach服務(wù)器，SMTP服務(wù)器，F(xiàn)TP服務(wù)器等，以提高學(xué)生的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用能力，理解網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的作用和工作方式。

（四）網(wǎng)絡(luò)的綜合設(shè)計與配置。

在掌握了交換機(jī)、路由器的基本配置之后，學(xué)生就可以綜合利用這些設(shè)備構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)了，這部分實驗內(nèi)容主要涉及VLAN劃分與實現(xiàn)、trunk技術(shù)、VTP的應(yīng)用、NAT的配置、路由的設(shè)置、訪問控制列表的設(shè)定等。同樣可以利用上述所說的Netsim模擬軟件來實現(xiàn)。由于學(xué)生們的水平不同，對計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的興趣也各異，教學(xué)中可以安排一些較難的內(nèi)容作為選做，以滿足學(xué)有余力的學(xué)生的需要。在進(jìn)行完上述的內(nèi)容之后，對于有興趣的學(xué)生可安排一個大的綜合性實驗，創(chuàng)設(shè)一個問題情境，讓學(xué)生根據(jù)需求設(shè)計一個網(wǎng)絡(luò)解決方案。

三、小結(jié)

按照上面所說的一些原則和方法，筆者完成了兩個教學(xué)班的實驗教學(xué)任務(wù)。通過對學(xué)生進(jìn)行訪談并與其他教學(xué)班進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)自己班里的學(xué)生學(xué)習(xí)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的興趣明顯提高了，并且更好地理解了計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)理論，他們對使用虛擬軟件創(chuàng)設(shè)實驗環(huán)境進(jìn)行教學(xué)和實驗非常滿意，以至于別班的學(xué)生也主動向老師要求安排相應(yīng)的實驗內(nèi)容，這也從某一方面驗證了本文內(nèi)容的有效性。

參考文獻(xiàn)：

[1]來賓．計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理與應(yīng)用習(xí)題解析及上機(jī)指導(dǎo)（高等學(xué)校21世紀(jì)計算機(jī)教材）[M]．北京：冶金工業(yè)出版社，2004

[2]王建珍，韓雅鳴．計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用基礎(chǔ)實驗指導(dǎo)[M]．北京：人民郵電出版社，2005

[3]張建忠．計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實驗指導(dǎo)書（21世紀(jì)大學(xué)本科計算機(jī)專業(yè)系列教材）[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2005

[4]郭秋萍．計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實驗教程（高校計算機(jī)教學(xué)系列教材）[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005

[5]劉兵．計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實驗教程(21世紀(jì)高等院校計算機(jī)系列教材) [M]．北京：中國水利水電出版社，2005

[6]楊金生．計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實驗(高等學(xué)校教材計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)) [M]．北京：清華大學(xué)出版社，2005

[7]張基溫．計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實驗與實踐教程(高等院校計算機(jī)實驗與實踐系列示范教材) [M]．北京：清華大學(xué)出版社，2005

[8]張曾科、馬喜春、關(guān)敬敏．計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)<第2版>習(xí)題解答與實驗指導(dǎo)(清華大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)教育課程系列教材) [M]．北京：清華大學(xué)出版社，2005

[9] 張曾科、陽憲惠．計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)習(xí)題解答與實驗指導(dǎo)(全國高等學(xué)校自動化專業(yè)系列教材) [M]．北京：清華大學(xué)出版社，2006

[10]http://download.chinaitlab.com/testdoc/files/7027.html [EB/OL]

[11]http://download.chinaitlab.com/testdoc/files/10774.html [EB/OL]

[12]http://download.chinaitlab.com/testdoc/files/7025.html [EB/OL]

Practice of the Reform of Computer Network Experiment Content Using Simulator

Li Na1 Fu Qian2

1. Beijing Normal University， Beijing， 1008752. Beijing Normal University， Beijing， 100875

Abstract: Experiment teaching is an important component of the computer network courses. However， there are some problems when carrying out computer network experiment course in most universities currently， such as some content is too simple， some doesn’t match with theories course. This paper describes some initial practice of using simulator to improve the experiment teaching content of the computer network， based on the context of the author's computer network laboratory teaching experience.

Keywords: Computer Network， Experiment Content， Simulator