計算機網絡基礎課程實訓開發

【摘要】實訓是計算機網絡教學中不可缺少的部分。學生在實訓中通過動手操作網絡設備和軟件獲取的應用經驗和能力，將有助于他們更好地消化吸收從課堂或書本中學到的概念和原理。網絡實訓項目的開發和設計是一項富有挑戰性的工作，本文從作者多年來設計和開發適合應用型本科和高職學生的網絡實訓項目的經驗出發，介紹了如何設計與計算機網絡基礎配套的實訓項目，如何引入發現學習的方法來設計實訓中的反思過程。最后通過學生的反饋信息，說明這種實訓項目在提高學生學習網絡興趣方面的作用。

【關鍵詞】計算機網絡，實訓，實訓任務，反思過程，發現學習

【中圖分類號】G424.4 【文獻標識碼】B 【論文編號】1009—8097（2007）09—0098—04

一、引 言

近幾年來，計算機網絡不僅在計算領域中得到了廣泛的應用，而且社會眾多其它領域中開始大量的應用。因此，社會對具有網絡知識和應用能力的人才的需求量在不斷的上升，對人才的質量要求越來越高，這對高校的計算機網絡教育形成了一個挑戰。為了應對這種挑戰，大部分高校都開設了至少一門以上的網絡課程，或建立了一個課程體系。而第一門計算機網絡課程（即計算機網絡基礎）作為入門性課程，其目的是讓學生盡可能廣泛地接觸和了解該領域中各核心分支所包含的基本概念和技術術語，獲得一些常用的網絡設備與軟件的動手操作經驗，為進一步學習后續網絡課程或進入崗位工作打下基礎。

計算機網絡技術經過近40年來的發展，其領域中的核心知識內容基本確定。因此，大學入門性的計算機網絡課程應包含的核心教學單元（即學生應知應會）已得到大多數網絡教育工作者的認同，在IEEE計算機協會與美國計算機協會(ACM)制定的計算課程設置報告(IEEE/ACM Computing Curricula report)中，對計算機、電子和信息技術等專業的計算機網絡基礎課程應包含的基本內容和教學要求作了詳細的規定[1][2]。由于IEEE和ACM 具有世界級的影響，這些規定事實上成為全世界計算機網絡教育方面的指導規范。

由于計算機網絡基礎課程包含了較多的基本概念、術語和常用的網絡軟硬件的使用方法，如何采用有效的教學方法和手段，使學生通過課程的學習，對抽象的概念、術語和技術原理有較好的理解，達到在實際網絡環境中應用這些知識來解決一些常用網絡問題的水準，是大多數網絡課程教師所面臨的挑戰。傳統教學方法是采用教師課堂授課、學生閱讀教材以及課后練習等過程組成。通過這種學習過程，學生只能基于書本來構建網絡基礎知識體系。因此，在2002年的ACM SIGCOMM 舉辦的關于計算機網絡課程設計和教育挑戰的技術會議上，許多來自高校和業界的專家提出了各種形式的教學方法[3]。其中將課堂授課和實驗室動手操作相結合的教學方法被認為是深受學生歡迎的一種。學生通過動手過程獲得對抽象概念和技術的具體化應用經驗，在做中學，學中做，以構建起完整的（理論+實踐）網絡知識體系。

要實施這種課堂和實訓相結合的教學方法，首先必須有一套設計良好、可操作性強的實訓項目與之配套。雖然市場上有許多優秀的計算機網絡基礎教材，也有不少的實訓教材，但要找到可操作性強、適合于學生在做中學、學中做的帶有啟發性、趣味性的實訓項目卻不多。本文作者總結了多年的實踐教學和實訓項目設計經驗，介紹了開發此類實訓項目的方法。

二、實訓項目的設計、編寫和測試

計算機網絡基礎包含了較多的基本概念、理論和術語，但在掌握的程度要求上并不高，只要達到識記、理解和應用即可。且對應用型本科、大專及高職學生而言，教學中更應強調知識的應用。因此，教師要設計出一套適合這類學生在學習完概念或理論后進行實訓的項目，應當考慮下面一些特殊的問題。

（一）一些需要關注的問題

1．合理把握好實訓內容的廣度與深度的關系，設計出可操作性強的實訓

計算機網絡基礎一般在大學低年級（一或二年級）開設。因低年級學生較少接觸到專業課程，缺乏計算機專業知識背景（如編程能力、數據結構、操作系統等），在研究、動手操作和綜合分析等方面的能力也較差，所以把握好實訓內容的廣度與深度的關系是非常重要的。設計最好的實訓項目，如果超出學生的能力范圍，不僅收不到應有的效果，可能會挫傷學生的學習積極性和學習興趣。例如，讓低年級學生學習編寫一個最簡單的ARQ（選擇重傳）網絡協議的代碼以便了解協議的工作方式，學生會感到束手無策；如果用閱讀和修改該網絡協議中的部分代碼、然后觀測和比較修改后協議的運行結果的實訓來代替，可能效果會更好。又如一些復雜的設備配置類實訓，把冗長的配置任務集中一次布置給學生，學生在配置過程中可能會遇到較多不理解的術語，以至于無法完成配置任務；反之，如果將配置過程分解成多個便于獨立完成的、涉及較少術語和概念的子任務，學生在成功地完成前一個配置任務后，可能會更有信心學習下一個，從而容易地掌握整個配置過程。

2．改變說明書式的編寫風格，提高實訓項目的趣味性

實訓項目傳統的編寫風格是列出實訓任務，再逐條列出操作步驟，就像編寫一份說明書。學生通常會按照說明書式的操作步驟去完成任務。但是冗長、單調的機械式操作步驟容易使學生產生疲倦感。因此，當學生按照步驟完成任務后，往往沒有一點興趣去反思操作過程，以至于做過算過。因此，改變傳統編寫風格，促進學生在實訓過程中去反思，以加深對操作過程的理解，是非常必要的。采用發現學習和協作學習方法，在操作步驟中，插入一些反思過程，引導學生通過思考、觀察、記錄、 比較和總結，來發現操作的意義和作用。這樣的反思過程，既減少冗長步驟集的單調性，又起到加深學生對操作過程的理解，提高操作過程的趣味性的效果。

3．力求覆蓋較全面的知識點，提高實訓項目的可重用性

由于課程涉及的內容較廣、深度較淺以及參加的學生數量多，因此，會有較多學校存在無法為課程實訓購置大量教學用網絡設備、建立與實際網絡運行環境相近的專用實訓室并配置專職的管理人員的情況。往往在通用設備上投入較多，例如連網的普通計算機房；而在專用設備上投入較少，例如路由器、高檔交換機、專用實訓室等。因此教師在開發的實訓時，對于課程要求的應知應會部分，應規劃相應的實訓，以便學生通過模擬、觀察和實踐等其他形式的動手操作過程，間接地獲取相關的知識，以彌補教學網絡設備的不足。

此外，教師還應系統性地考慮以下一些主題：一套實訓項目應覆蓋哪些網絡基本概念和技術、如何覆蓋、以及采用何種風格來編寫。

（二）實訓項目的設計

與計算機網絡基礎課程配套的實訓項目，至少應覆蓋以下內容[4]：

1．認識網絡。包括計算機網絡的軟、硬件組成、網絡拓撲結構、網絡分類、網絡協議和分層體系、網絡的功能和應用等。

2．了解物理網絡。包括網線制作（例如非屏蔽雙絞線）、傳輸錯誤和檢測方法、共享介質的訪問方法（例如CSMA/CD）、傳輸速率、波特率、電路交換和數據包交換等。

3．組建單個網段的網絡。包括基本網絡設備（例如：集線器、交換機）、網卡、數據幀、數據幀的發送和接收、以太網絡、無線網絡、組網規則等。

4．組建多個網段互連的網絡。包括TCP/IP協議配置、IP數據包、IP地址、子網劃分和配置、IP路由和轉發、互連設備（例如：交換機、路由器、ADSL等）應用等。

5．使用網絡操作系統。包括對等模式、客戶/服務器模式、用戶賬號和共享資源管理和網絡文件系統等。

6．網絡安全概念。網絡操作系統安全、網絡資源安全、網絡病毒防治和防火墻設置、網絡安全管理等。

7．Internet技術和應用。網絡服務器配置（例如HTTP服務器、文件服務器、Web服務器）、HTPP協議、HTML技術和接入技術等。

8．企業網絡解決方案。網絡拓撲結構、互聯設備選擇、傳輸介質選擇、操作系統選擇、網絡軟件安裝和配置、Internet接入選擇、虛擬局域網配置。

在實訓中如何設定實訓任務，以及建立合適的觀察、配置、操作、記錄、計算和練習等不同形式的動手操作過程，將對概念、理論和技術的抽象理解過程轉變成具體化的動手過程，使學生通過動手操作來獲取概念的應用經驗，是實訓開發中的關鍵環節。這里介紹一種實用的方法：依據實訓目的（是側重于幫助學生理解新的概念，還是幫助學生掌握概念的應用；是為了培養學生學習能力，還是培養操作能力）和實訓所需的環境要求分類，將實訓項目劃分為四大類，即知識性實訓、實踐性實訓、技能性實訓和應用性實訓。下面分別概述這四類實訓的特點。

1．知識性實訓：以促進學生認知為主，要求學生通過操作來理解和掌握基本概念。對實訓環境幾乎沒有特殊要求。學生根據實訓任務，利用一些簡單的軟件工具，通過觀察、記錄、運算、驗證、對比等方法來完成認知任務，以獲得感性的認識。例如，在“繪制網絡拓撲圖”的實訓中，學生使用Visio工具繪制、修改或補充給定的網絡圖，以加深對網絡拓撲結構、組成部件的認知，為后續的組網等實訓奠定知識基礎；在“協議分析軟件（例如Ethereal）的使用”實訓中，學生通過軟件實時抓取網絡數據流，通過對抓取的數據流的觀察、記錄和分析，加深了對網絡協議的用途、協議的頭部組成和數據的封裝過程的理解。

2．實踐性實訓：以擴展學生認知和培養協作工作能力為主要目的，要求學生分成小組，完成參觀、調查和資料收集等工作，然后通過參考書、上網查詢和資料分析，完成實訓報告并展示成果。例如，在“了解計算機網絡”實訓中，學生以小組為單位，在實訓之前確定訪問流程及內容，教師則與其共同討論并完善方案。學生小組自主到現場調查和參觀，調查組織內部的網絡軟硬件組成、拓撲結構、建設成本、管理和應用狀況。然后根據收集的資料，在實訓報告中分析網絡軟硬件投入和管理成本、網絡拓撲圖、 組織網絡業務，最后評價網絡給組織帶來的好處和壞處。學生通過這個的實訓，擴展了對網絡組成、拓撲結構、軟硬件設備和網絡應用等概念的直接認識。

3．技能性實訓：以提高學生動手能力為主，要求學生通過組建、配置、制作、編碼、測試和排錯等操作，提高動手操作能力。這類實訓對網絡實訓環境的要求較高。例如，在“星型以太局域網的構建”實訓中，學生以小組為單位，根據實訓任務，采用集線器、交換機、網線等部件，組建符合要求的以太網絡，測試并記錄結果，最后每位學生獨立完成實訓報告。學生通過這個實訓，對以太網的認知、組網規則、調試方法的應用有了直接的經驗；在“非屏蔽雙絞線的制作和測試”實訓中，學生通過動手制作、測試、連接等操作，對交叉線和直通線的制作規則、用途以及數據信道的概念有了比較全面的了解。

4．應用性實訓：以提高學生應用知識能力為主線，要求學生從實訓任務著手，自行設計出完成任務的途徑和方法，并在實訓中嘗試用自己的方法去解決問題并完成任務。學生在實訓過程中遇到問題時，自行提出解決方法，教師則幫助分析這些方法的合理性，逐步培養學生的獨立工作能力。最后學生通過實訓報告來總結提高。例如，在“網絡故障排除實訓”中，學生依據在知識性和技能性實訓中獲得的經驗，自行設計解決一些IP網絡故障的途徑。

分四種類型實訓來覆蓋網絡概念和應用的好處有：同一概念可以在不同類的實訓中以不同的形式來展開，讓學生從不同的角度來理解和掌握概念的應用。例如，學生在“繪制網絡拓撲圖”的實訓中，通過形象化的例圖和繪制圖來認知網絡拓撲概念；而在“了解計算機網絡”實訓中，則通過實地觀察來接觸網絡拓撲的概念；而在“星型以太局域網的構建”實訓中，通過組建網絡操作來進一步熟悉網絡拓撲結構的應用。此外，由于同一概念在不同類實訓中得到覆蓋，教師可以根據學生的專業背景、課時的長短以及教學實訓設備擁有情況，挑選最合適的實訓讓學生去做，以提高了實訓項目的可重用性和通用性。

（三）實訓項目的編寫風格

實訓的編寫風格將直接影響實訓項目的可用性。一般來說，一個實訓項目應包含：實訓目的、知識要點、實訓任務、實訓環境、實訓準備、實訓課時、實訓內容、實訓思考題和實訓報告要求。

1．實訓目的。實訓目的應簡明扼要，讓學生和教師一目了然。例如，在“星型以太局域網的構建”實訓中的實訓目的：熟練掌握星型以太局域網的構建規則和方法，直接指出該實訓在培養學生技能方面的目標。

2．知識要點。知識要點做到夠用即可，陳述要正確、簡潔，至多占一個實訓篇幅的1/3。供學生在實訓前預習、實訓中瀏覽和書寫實訓報告時參考用。

3．實訓任務：實訓任務要清晰、明確，讓學生一看就明白自己應該做些什么。例如，在“繪制網絡拓撲圖”實訓中，規定了三項任務：學會Visio 2000軟件的使用、能用Visio繪制網絡拓撲結構圖、會分析網絡拓撲結構圖（確定拓撲結構類型和網絡工作模式）

4．實訓環境：規定實訓所需要的軟硬件設備和環境配置。

5．實訓準備：為了完成實訓任務，指出教師和學生需要事先做的各種準備工作。例如，在“星型以太局域網的構建”實訓中，學生要準備好直通線和網段中主機的IP地址；在“用戶賬號創建和管理”實訓中，要求學生進行賬號規劃工作。在“了解計算機網絡”實訓中，要求教師組織學生學習知識要點、幫助學生組成實訓小組、確認任務分工、協助提供參觀訪問場所。

6．實訓課時：給出所需要的課時數。

7．實訓內容：根據實訓任務來編寫合適的步驟，一個任務最好不超過10個步驟，但具體的編寫風格因類型的不同而存在差異。在認知性和技能性實訓中，我們在步驟中插入一些反思過程，目的是引導學生關注關鍵知識點和重要步驟，同時又可避免操作的單一性。反思過程[5]用簡潔的表格形式展開，利用發現學習[3]的方法來編寫內容，在表格中給出部分提示信息，引導學生去觀察、思考和操作。學生將自己發現的現象、數據和特征等填寫在對應的欄目中，并給出判斷。

例如，在“星型以太局域網的構建”實訓中，在“構建一個10BaseT以太網”任務中的第一個步驟（將集線器放置在桌面合適的位置上，接好集線器電源。）后插入表1，要求學生觀察集線器狀況，將相關信息記錄在表1。這個反思過程很容易完成，學生更詳細地了解了集線器特性。

在進入測試的操作步驟（用ping命令測試小組內各計算機之間的連通性，同時觀察集線器和網卡指示燈的狀態。記錄測試結果在表1中。）后插入表2，學生自主操作并記錄結果，在“連通性”和“整體性能評價”欄目中給出自己的評判。這個反思過程主要讓學生熟悉網絡連通性測試工具使用和測試方法。

總之，學生是用剛獲取的經驗來自主地完成反思過程，發現并給出判斷。應此，在設計反思過程時必須注意幾點：反思過程要設計成易于學生完成；內容只針對一兩個主題；一個步驟過程中不能插入太多的反思過程；便于課后評估。

8．實訓思考題：每個實訓項目都應包括一定量的思考題，針對實訓中的難點和要點設計，教師根據學生在情況選擇適當的思考題，讓學生在實訓報告中完成。

9.實訓報告要求：指明一些特定類型實訓報告的格式要求，例如實踐性實訓和應用性實訓。

（四）實訓項目的測試

實訓項目的開發過程一般分為設計、編寫和測試三個階段。實訓的測試主要對環境、過程的合理性進行檢查。 但實訓項目在第一次投入使用過程中，仍然會存在一些問題。因此，在實訓報告中，通過設置相關的實訓建議欄目，讓學生將發現的問題紀錄在內。教師根據學生提出的建議，不斷地改進實訓中的不合理部分，提高實訓項目的正確性、能。

三、總結

我們基于以上的設計思路，開發了一套與網絡基礎課程配套，適合于應用型本科、大專和高職學生的實訓教材，由高等教育出版社出版[6]。這套實訓教材中的實訓項目在使用過程中，課程教師普遍感覺實訓管理和輔導工作變得輕松了；感覺實訓項目適用性廣，在滿足教學要求的條件下，可以最大限度地根據授課學生的水平來選用合適的實訓項目，有助于提高教學效果。而學生普遍反應通過實訓，感覺網絡學習變得不那么枯燥了；且每個實訓任務的難度和量都比較適中，在課內通過努力均能完成，有成就感；反思過程促進了學習的主動性，普遍感覺實訓課的收獲超過理論課。但是，這套實訓項目還缺少考核評估部分。因此，如何設計合理的考核評估方法，是下一步需要完善的工作。

參考文獻

[1][2]IEEE，Computing Curricula 2001， http://www.computer.org/education/cc2001

[3]Baldwin，D. Discovery Learning in Computer Science.Workshop on Computer Networking: Curriculum Designs and Educational Challenges In Proceedings of the Twenty-seventh ， SIGCSE Technical Symposium on Computer Science Education， ACM， pp. 222–226.

[4]Jimnot;Kurose，Jouml;rg Liebeherr Shawn Ostermann and Theresa Ott-Boisseau. Workshop Report. ACM SIGCOMM Workshop on Computer Networking:Curriculum Designs and Educational Challenges

[5]Joint Task Force on Computing Curricula， Computing Curricula 2001

[6]宋文官，蔡京玫．網絡技術與應用實訓[M]．北京：高等教育出版社，2006