計算機網絡課程實驗教學改革探討

周國軍

摘要：針對計算機網絡課程實驗教學中網絡設備不足、理論知識與實驗脫節、實驗課時偏少、教學方法單一等問題，提出利用仿真和協議分析軟件搭建實驗教學環境、采用“課內+課外”模式開展實驗教學、根據理論教學和專業課程體系優化實驗內容，并結合實際的教學案例，闡述運用反思性教學法開展實驗教學的優點。

關鍵詞：計算機網絡；實驗教學；教學改革；反思性教學

0.引言

計算機網絡是計算機與電子信息類專業的一門基礎課程，隨著網絡技術的快速發展，該課程在專業知識結構中顯得越來越重要。計算機網絡課程的理論知識多，既包含網絡體系結構中各個層次的基本原理，又包含數據通信和網絡安全的一些概念和技術。由于很多知識點抽象難懂，再加上網絡技術不容易掌握，學生普遍感到學習難度大。

理論與實踐是相互促進的，只有將理論與實驗教學結合起來才能取得良好的教學效果。與理論教學相比，該課程的實驗教學環節比較薄弱且普遍存在以下問題：①網絡設備的數量和類型不能滿足實驗教學的需求，支持的實驗項目很少，學生難以全面掌握實用的網絡技術；②實驗內容過于簡單，實驗教學與理論教學脫節，學生難以將所學理論應用于具體的實驗項目中，不利于培養應用型網絡人才；③實驗課時偏少，學生在實驗室上機練習的機會不多，難以提高學生的實踐能力；④教學方法單一，實驗教學的效果不好。針對這幾個問題，本文對計算機網絡實驗教學的改革思路進行探討，以期提高該課程的教學質量。

1.利用仿真和協議分析軟件搭建實驗教學環境

仿真軟件可以模擬多種網絡設備，解決了設備數量不足、類型單一的問題。與物理設備相比，仿真軟件具有兩個明顯的優勢：學生通過在自己的計算機上安裝仿真軟件，能夠在課外隨時動手實驗，從而增加練習和操作的時間；大多數仿真軟件都提供了簡便的圖形操作界面，用鼠標拖動需要的虛擬設備能快速建立網絡拓撲結構，并且虛擬設備不會出現物理故障的問題，從而提高了實驗效率。然而，要深入理解和掌握網絡協議的工作原理，僅僅利用仿真軟件進行實驗是不夠的，還要學會使用協議分析軟件對網絡中傳輸的數據包進行分析，因此，協議分析軟件也是實驗教學軟件中不可缺少的一部分。

目前常用的網絡仿真軟件有PacketTracer、GNS3、VPCS、VitualBox等，常用的協議分析軟件有Wtreshark、tepdump等，這些軟件各有優缺點，綜合利用多種軟件可以滿足不同實驗項目的需要。利用PacketTracer、GNS3及其相關組件、Brmeshark搭建實驗教學平臺，能夠實現無線局域網、校園網、小型企業網的解決方案，能夠對TCP/IP協議棧進行抓包分析。可見，利用仿真和協議分析軟件搭建實驗教學環境是可行的。

2.采用“課內+課外”模式開展實驗教學

（1）將實驗內容分為課內實驗和課外實驗兩部分，課內實驗以驗證性實驗為主要內容，課外實驗以設計性和綜合性實驗為主要內容。

（2）課內實驗教學分為準備、上機、總結3個過程。在準備階段，教師設計出實驗項目，包括實驗任務、實驗拓撲、詳細操作步驟、思考題等；學生根據教師給出的實驗項目預習實驗，明確實驗目標，熟悉實驗過程。在上機階段，教師花少量時間對實驗中的重點知識和容易出錯的操作進行講解和演示，指導學生上機操作。在總結階段，學生寫出實驗報告，教師檢查實驗的完成情況，對實驗教學的效果和存在的問題進行分析和改進。

（3）課外實驗的教學過程如下：①教師給出具有探索性或綜合性的實驗任務；②學生自行設計實驗方案，教師審核方案的可行陛并提供一些有針對性的參考資料，引導學生完成實驗項目；③教師在實驗課上對實驗項目的完成情況進行評價。

課內實驗加深了學生對所學理論知識的理解和掌握，課外實驗給學生提供了更多操作練習和分析問題的時間，“課內+課外”模式培養了學生的動手能力和創新能力，有助于培養應用型和創新型網絡人才。

3.結合理論教學和專業課程體系優化實驗內容

計算機網絡課程的實驗內容多，學生在課內無法完成所有的驗證性實驗，而在課外布置過多的實驗會增加學生的學習壓力，這就要求教師對實驗內容進行合理安排和優化，提高實驗教學效果。實驗教學的重點和難點是如何選取實驗內容，不同專業有不同的專業課程體系，結合理論教學和專業課程體系制定合理的實驗內容，優化方法如下：

（1）根據理論教學的重點、難點選取和整合實驗內容。以網絡層的實驗教學為例：網絡層理論教學的重點是IPv4協議、劃分子網、CIDR、ARP協議、ICMP協議、RIP協議、OSPF協議、IPv6協議，理論教學的難點是劃分子網、IPv6協議。考慮到在路由器上配置RIP、OSPF協議的基本步驟相差不大，但OSPF的鏈路開銷值比RIP的距離值復雜，因此，選取OSPF協議的配置作為課內實驗，將RIP協議的配置包含在其他實驗項目中；由于對IP、ICMP、ARP協議的分析都使用GNS3和Wireshark軟件，均可以采用由兩臺路由器相連構成實驗拓撲，并且ICMP數據包是基于IP協議的，因此，對這3個協議的分析可以合并為一個課內實驗；由于劃分子網、NAT都是基本的組網技術，可以將其合并為一個課外實驗。根據整合后的實驗內容設計出4個實驗項目，見表1。

從表1可以看出，優化后的所有實驗內容可以在6課時內完成，達到了用少量實驗項目覆蓋大量理論知識的目標，能夠使學生在相同的課時內掌握更多的網絡技術。

（2）根據專業課程體系刪減實驗內容，避免實驗內容重復。以筆者任教的信息與計算科學專業為例，該專業開設信息安全技術、Linux系統應用、Java、c、ASRNET等專業課程，其中，信息安全技術課程包含了密碼體制、數字簽名實驗，Java、c撐課程包含了Socket編程實驗，ASRNET課程包含了IIS服務器搭建實驗，Linux系統應用課程包含了FTP服務器安裝實驗，這些內容就不再作為計算機網絡課程的實驗教學內容。

4.運用反思性教學法提高實驗教學的效果

反思性教學是指教學主體借助行動不斷探究與解決實際問題、努力提升教學實踐合理性的過程，這個過程可以用“計劃—行動一觀察一反思”模型來表示。下面結合筆者的教學實踐，以OSPF協議的實驗教學為例來說明運用反思性教學法開展實驗教學的過程。

（1）計劃階段。根據課內實驗的要求設計實驗項目，給出實驗的詳細步驟、配置命令、思考題等。實驗的拓撲結構如圖1所示，主要步驟如下。

步驟1：建立實驗拓撲，設置主機PCI、PC2的IP地址和網關。

步驟2：對路由器R1NR6配置IP地址、OSPF協議。

步驟3：測試PCI與PC2是否能夠正常通信，查看R1的路由表，查看R2的鄰居。

思考題1：從PCI到PC2的ICMP報文經過了哪些路由器，為什么？

步驟4：將連接R2與R5的兩個端口的鏈路開銷值改為150，查看R1更新后的路由表。

步驟5：將Packet Tracer切換到simulation模式，在PCI上ping PC2的IP地址，觀察ICMP報文的傳輸路徑。

思考題2：如果要使從PCI到PC2的回應請求報文只能經過R3、不能經過R4，采用什么方法可以滿足這個要求？

（2）行動、觀察階段。組織實驗教學。首先，講解實驗的主要內容，以R2為例，重點講解幾個配置命令：啟動OSPF進程routerospf 100，宣告直連網絡network10.12.0.0 0.0.255.255 area 0.0.0.1.查看路由表show ip route，查看OSPF鄰居show ip ospf neighbor，修改開銷值ip ospf cost 150。接下來，指導學生做實驗，觀察實驗過程中出現的問題。在實驗中發現的問題：PCI與PC2不能通信，路由器端口的IP地址設置混亂不清，子網掩碼設置錯誤，網段所在的區域號設置錯誤，沒有正確修改指定端口的開銷值，而是修改了其他端口的開銷值。此外，有幾位學生對OSPF的鏈路開銷值計算不清楚，還有一些學生沒有完成實驗任務。

（3）反思階段。分析出現問題的原因并改進。根據學生反饋的情況，實驗任務不能順利完成的主要原因有兩個：路由器的個數太多、網段太多、子網掩碼的位數不統一，導致端口的IP地址設置錯誤、網段所屬的區域號設置錯誤；沒有理解OSPF鏈路開銷的度量方法，錯誤地認為OSPF的開銷值與RIP的距離是相同的概念。分析原因后作以下改進：減少兩個路由器和3個網段，網絡號統一為16位，區域標識由點分十進制表示改為由一個十進制數表示，改進后的實驗拓撲如圖2所示；為了能更好地理解OSPF鏈路的開銷值，增加一個步驟：將連接R2與R3的兩個端口的帶寬改為128 kbps，并講解修改端口帶寬的命令bandwidth、查看OSPF詳細信息的命令show ip ospfinterfaceo

計算機網絡實驗教學的難度較大，在教學過程中會遇到較多的問題，采用反思性教學法可以及時發現教學中出現的問題，有助于不斷提高實驗教學的效果。

5.結語

實踐證明，利用仿真和協議分析軟件在實驗室搭建實驗教學平臺，滿足了多個專業的實驗教學需求；采用“課內+課外”模式開展實驗教學，將反思性教學法應用于實驗教學中，結合理論教學和專業課程體系優化各個章節的實驗內容，建立較為全面的實驗項目，這些措施使得教學效果不斷提高。然而，P2P技術的廣泛應用、無線網絡和云計算技術的快速發展、IPv4向IPv6的逐步過渡等，這些將對實驗教學環境和教學方法提出更高要求。如何才能更有效地對這些新技術開展實驗教學，還有待我們進一步探索和實踐。