計算機網絡課程創新實驗教學模式

針對計算機網絡課程實驗教學困難、教學效果不理想的教學現狀，分析了建構主義學習理論，提出了一種基于建構主義理論的計算機網絡創新實驗教學方法。新方法遵循學習的本質規律，以培養學生創新實踐能力為宗旨，通過選擇合適的實驗主題，并采用層進式的教學模式來激發學生的實驗動力，從而提高實驗教學效果。

計算機網絡實驗教學改革建構主義ARP協議計算機網絡幾乎已經成為當今社會不可或缺的重要組成部分之一。我們很難想象，沒有計算機網絡的社會將會怎樣。由于計算機網絡不可替代的社會地位和重要性，《計算機網絡》課程已經成為各個高校普遍設置的基礎課程之一。尤其針對計算機專業的本科學生而言，計算機網絡課程成為了一門重要的必修課。

然而，在該課程實踐教學當中，教師和學生往往處于兩難的境地。究其原因為《計算機網絡》課程中涵蓋了大量枯燥難懂的理論、概念和算法。并且，這些網絡知識難點又具有強烈的“熟悉的陌生感”，“熟悉”指學生對這些概念和理論的網絡上層表象具有切身的體驗；“陌生”指學生對網絡表象下的基礎概念幾乎一無所知。實驗教學是疏通“熟悉”和“陌生”兩者之間的最好方法。本文針對這種教學現狀，引入了建構主義教學理論，設計有利于培養學生創新實踐能力的計算機網絡實驗教學模式，以創新實驗過程來激發學生對于計算機網絡理論和概念的學習興趣，輔助提高學習效果和解決網絡問題的能力。

一、建構主義實驗教學思想

建構主義學習理論認為，學習是一種知識的建構過程，這種建構過程以學習者深層次的掌握相關知識并能將其應用于創新實踐為最終目標。普遍認為，學習者是知識建構的主體，通過學習者之間的交流和一系列具有明確目的性的自主實踐活動，達到對目標知識的切身體驗和深刻認識，從而達到知識為我所用的既定目標。從以上闡述可見，建構主義學習理論對于學習活動的認識主要有兩方面的傾向：

（1）學習過程是主動的知識建構而不是被動的知識吸收；

（2）學習效果與知識構建的環境有著密切的聯系。

根據建構主義的學習理論，實驗教學顯然是理論教學的重要組成部分。實驗教學的設計是否合理，對課程的整體教學效果將會起到決定性的作用。為了達到課程的教學目標，實驗內容和實驗教學方式必須以建構主義理論為根基來設計。

二、計算機網絡創新實驗設計案例

基于建構主義學習理論，本文下面將給出一個計算機網絡實驗內容設計和實驗教學模式的案例，以期更直觀的闡述本文提出的計算機網絡創新實驗教學方法。本實驗以ARP協議欺騙為主題來設計，知識點涵蓋ARP協議、協議分層概念、局域網CSMA/CD協議和網絡數據包傳輸等。ARP欺騙是日常生活當中，學生經常碰到的一個網絡問題。以該內容為主題進行實驗，有利于激發學生的學習興趣。

1.ARP協議及其欺騙原理

ARP協議（Address Resolution Protocol），或稱地址解析協議，其主要功能為根據目標主機的IP地址來查詢其對應的MAC（Media Access Control）物理地址。ARP協議處于網絡體系結構的網絡層。根據計算機網絡體系結構的定義，網絡層的數據報必須傳遞給數據鏈路層進行打包后才能發送給目的地。數據鏈路層需要獲取目的主機對應的MAC地址才能MAC幀的打包任務。每當網絡層有數據報要傳輸，并且又不知道目的主機MAC地址的時刻，ARP協議將啟動來查詢目的IP地址對應的MAC地址。在局域網中，所有接收到廣播方式ARP查詢響應數據包的主機都將緩存查詢得到的IP地址和MAC地址對應關系。主機中緩存這些地址對應關系的緩存區稱為ARP高速緩存，即ARP列表。每當局域網中主機想要打包MAC幀時，首先查詢ARP列表中是否存在目的主機MAC地址，如果存在對應的信息，則直接存列表中獲取MAC地址進行打包。否則，發起一輪新的ARP查詢，來獲取對應的MAC地址信息。

ARP協議簡單高效，但存在很大的安全隱患。ARP欺騙的原理可以簡單的描述為：局域網中所有主機打包發送數據包都需要目的MAC地址信息。根據ARP協議的工作原理，主機獲取目的MAC地址的方式是查詢ARP列表或者進行ARP查詢。基于此，只要局域網中有一臺主機發送偽造的IP地址與MAC地址對應關系，就將對局域網的通信情況造成干擾，即實現ARP欺騙。ARP欺騙的癥狀主要表現為：操作系統提示主機IP地址沖突、網絡中主機上不了網、主機之間的通信中斷等。

2.創新實驗設計

首先，由于ARP協議原理較為簡單，其又具備網絡協議的大部分特征，作為一個教學實驗的協議案例從協議規模上來考慮是非常合理的。其次，ARP協議欺騙攻擊實現起來技術比較簡單，產生的網絡異常癥狀十分明顯，便于學生進行實踐操作。再次，學生日常生活中可能經常碰到由于ARP欺騙攻擊造成的這種網絡現象，容易引起學生的共鳴和興趣。所以，綜合上述考慮，作為計算機網絡創新實驗的主題之一是比較合適的。具體的實驗效果也證實學生們對該主題的實驗內容充滿了興趣和實踐動力。

基于ARP欺騙這個實驗主題，如何引入建構主義學習理論，設計創新型的實驗內容和教學模式是問題的關鍵。經過多年實驗教學實踐，我們設計了計算機網絡課程創新實驗教學模式。新的計算機網絡實驗教學以合適的實驗內容、建構主義理論和創新型實驗教學模式為基礎來開展，具體的實驗活動采用層進式推進。創新實驗教學包含層進關系的四大部分：驗證型實驗、提高型實驗、綜合型實驗和創新型實驗。下面，我們以ARP欺騙為實驗主題，分別針對這4個部分實驗內容和教學方法進行闡述。

（1）驗證型實驗。首先明確實驗的目標知識點，設定實驗驗證內容和方法，進行驗證實驗。在ARP欺騙實驗中，給出ARP協議相關的理論和概念、介紹ARP欺騙的原理及其應用的網絡工具軟件Wireshark的使用方法。給出明確的實驗指導書，先讓學生按照實驗指導書的步驟完成驗證實驗內容。

（2）提高型實驗。在完成基礎知識的驗證以后，教師可以提出一些具有思考性的問題，引導學生自己探尋問題答案。例如，學生驗證了ARP欺騙的原理和方法，教師可以在此基礎上提問：“針對欺騙攻擊方法，我們有什么方法可以進行欺騙的發現和防御？”這樣，在品嘗驗證實驗中獲取的網絡攻擊成就感的同時，學生將會充滿興趣的去尋找問題的答案。通過這個階段的實驗，學生可以對前面學習的知識點有個更深入的認識。

（3）綜合型實驗。前面兩個階段實驗內容的開展，都借助于現有的一些工具軟件來實現。這個階段將結合網絡編程技術和相關的硬件知識，引導學生編寫網絡應用程序，仿真實現類似于前面的實驗內容。例如，可以基于WinPcap開發包，編寫相應的網絡程序來實現接收和發送ARP數據包的功能。通過編程實現，學生將會對協議的細節有個直觀的了解，可以更具體的感知協議的原理及其現實存在。

（4）創新型實驗。建構主義學習理論認為，學習知識的最終目標是解決一些新的實踐問題。在這個階段，教師可以引導性的提出一些實踐思路，讓學生自己設定實驗內容，發現一些有趣的新問題，并通過實踐來解決問題。通過這個過程的實驗，可以讓學生體驗到網絡基礎理論知識的重要性，并提高學生的創新實踐能力。例如，教師可以提出引導性的問題：“基于ARP協議原理，我們是否能夠自主設計新的攻擊策略？”“是否可以根據我們前面學習的網絡知識，思考其它協議的漏洞，提出攻擊及其防御的策略？”等等。

三、結語

計算機網絡實驗，是學習計算機網絡理論知識必不可少的實踐活動，是課堂教學的有益補充。遵循學習規律的本質來設計對應的計算機網絡實驗教學方法，是提高實驗教學效果的重要途徑。本文基于建構主義學習理論，提出了一種新的實驗教學模式和方法。新方法通過選擇合適的實驗主題，采用層進式的教學模式，并采用問題啟發和興趣激勵的模式來激發學生的實驗動力，最終培養解決問題的創新能力。通過多年的教學實踐表明，該方法普遍受到學生的認可，能夠取得預期的教學效果。

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基金項目：浙江省實驗教學示范中心建設項目資助；項目編號：SB1105001-E。