以任務為本的網絡基礎課程仿真實驗項目的設計與實現

柳秀清

摘要：針對網絡基礎課程硬件實驗條件不足、網絡通信概念抽象等問題，該文結合網絡基礎課程教學任務及教學目標，利用網絡仿真軟件設計并實現多個實驗項目，并在實際的教學活動中進行了實踐。實踐證明，這些以任務為本的仿真實驗項目對學生理解網絡基礎的相關概念有很大幫助，也取得了良好的教學效果。

關鍵詞：網絡基礎；仿真實驗；任務為本

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）11-0055-02

1 背景

利用仿真軟件設計實驗項目是目前高校計算機網絡課程中普遍采用的實驗手段[1]。Packet Tracer就是Cisco公司開發的一款仿真教學軟件，用來設計、配置及進行網絡故障排除的仿真模擬軟件，該軟件是思科網絡技術學院中最流行、操作很簡單、最接近真實網絡環境的模擬工具，也是目前國內高校中計算機網絡類課程中使用較多的實驗工具軟件。

將Packet Tracer軟件用于計算機網絡實驗中，根據實驗要求和目的，學生可以自定義選擇所需要的路由器、交換機、集線器、無線AP、無線寬帶路由器、計算機、服務器和各種線纜等設備，然后對使用的設備進行配置，進行性能測試[2]。通過可視化的仿真界面和靈活方便的配置窗口，學生可以在幾乎與真實的場景沒有差別的仿真環境中進行實驗。并且，學生可以重復再現網絡運行的任何細節，更有效地學習網絡協議、分析網絡的性能，更加深入理解網絡中的復雜行為。

2 網絡基礎實驗項目現狀分析

《網絡基礎與Internet應用》多年來一直是非電專業學生所開設的一門計算機網絡基礎知識的入門課程，也是一門實踐性較強的專業基礎課程。

該課程的課程大綱所涉及的主要內容包括：計算機網絡相關概念、局域網、廣域網與Internet、Internet應用、網絡接入方式及網絡安全等內容。該大綱的設置符合對網絡基礎知識及Internet應用的需求。課程的學習目的在于培養學生在信息化社會里所必備的網絡基礎知識，了解計算機網絡的基本工作原理，掌握應用Internet的基本技能，并掌握Internet上常用軟件基本使用方法[3]。

上述課程內容中涉及一些網絡基本原理及概念，而且網絡體系結構復雜，要深入理解和學習該課程，并實現課程的學習目標，最好的方法就是進行計算機網絡實驗。但是，計算機網絡實驗涉及交換機、路由器、計算機等大量硬件設備，這些設備不僅十分昂貴，而且更新換代速度很快，學校的硬件條件基本達不到進行計算機網絡實驗的技術要求。受實驗條件的限制，之前學校在該課程的實驗項目設置上多集中在瀏覽器使用、電子郵件系統、下載工具及網頁編輯等軟件純應用類實驗項目。這些項目的設置有利于學生掌握Internet應用的基本技能及Internet常用軟件基本使用方法，但在掌握必要的網絡基礎知識、理解計算機網絡的基本工作原理等方面對學生并沒有很大幫助。

為了解決以上現狀，課題組將Packet Tracer網絡仿真軟件引入網絡基礎課程的實驗教學，這樣不僅可以減少實驗設備的投入成本，培養學生的動手能力和創造能力，還可以幫助教師提高教學和教研的能力，具有重要的理論和實際意義。

目前已有的Packet Tracer實驗項目對于非電專業學生來說或者過于簡單，或者過于復雜，簡單的實驗會導致學生理解問題不到位，過于復雜的實驗一般只適用于計算機專業學生的學習。因此，課題組利用Packet Tracer軟件設計了幾組適合于本校非電專業學生的若干網絡實驗項目，既能滿足課程教學大綱需求，又能便于學生對網絡基本工作原理等內容的理解和掌握[4-6]。

3 以任務為本的課程實驗設計與實現

結合《網絡基礎與Internet應用》課程的教學任務及教學目標，課題組目前利用Packet Tracer軟件設計并實現了三組實驗項目，包括對等網絡的構建、VLAN的構建及配置，及應用層及傳輸層協議分析實驗。

3.1 構建對等網絡實驗

對等網絡是局域網中結構非常簡單，又非常常見的網絡。這組實驗項目的設計是考慮在學生已經學過IP、子網掩碼和網關設置等內容的基礎上，進行相應的實踐以幫助學生進一步理解相關概念。

對等網絡實驗內容主要包括，制作雙絞線、有線對等網絡構建、無線對等網絡構建、網絡設備連接、IP地址配置及組網驗證等。圖1所示為有線及無線對等網絡的基本拓撲結構示例圖，實驗項目具體包括：交換機、路由器的選擇、不同傳輸介質的選擇、無線網卡及各終端設備IP地址的配置。完成網絡構建后，測試網絡聯通性等。

該實驗項目的設計目標主要包括，幫助學生了解雙絞線的標準線序（對等線與交叉線），并了解交叉線的制作過程；熟悉和了解網卡的用途，理解網絡組建所需要的硬件設備以及網絡協議的基本配置；掌握有線及無線對等網的組建，能運用多種方法對網絡連通性進行測試，實踐對等網組建的過程，掌握組網的基本技術方法。

學生在本實驗中需要解決的關鍵問題包括，雙絞線的制作方法、網絡的配置過程及網絡組建的基本思想；如何實現無線對等網絡的構建，如何選擇及配置相應的網絡設備，以及檢測網絡連通性。

3.2 設計并配置VLAN網絡

VLAN劃分、VLAN間通信等相關技術可以提高網絡的性能、可管理性和安全性，在實際網絡工程中已得到廣泛應用。利用Packet Tracer設計并配置交換機、路由器等設備實現VLAN劃分、VLAN間通信等相關實驗教學，不僅可以促進學生對相關理論知識的理解，還對增強學生的實際運用能力有很大幫助。

該組實驗項目的內容主要包括，構建交換式網絡，如圖2所示，交換機與終端控制臺（Console口）的連接和配置、了解并熟悉交換機的基本配置命令、通過交換機實現VLAN的配置、測試及刪除等操作。

實驗設計的目標主要包括，幫助學生掌握VLAN技術在交換機和路由器等實驗設備上的具體實現；學生能夠獨立完成實驗，提高學生的計算機網絡設計與組建能力；虛擬局域網應用能力、交換機路由器等設備的配置能力，提高學生的局域網理論認識水平和實踐操作能力。

可網管交換機的設置及VLAN技術是計算機網絡課程的重難點內容之一，不僅理論知識比較抽象，對實驗環境的硬件要求也很高。本組實驗的設計難易程度適中，學生需要解決問題就是通過實驗理解VLAN相關技術，掌握VLAN設置的基本方法。

3.3 應用層及傳輸層協議實驗

計算機網絡學習的核心及重要內容就是對網絡體系結構及網絡協議的學習。Internet中終端的通訊過程通過分層的體系結構來實現。分層體系結構便于系統的分層實現，分層管理，提高了系統的兼容性和應用的多樣性，同時也方便了對計算機通信的研究和理解。TCP/IP分層體系結構是Internet中最基本的、也是Internet應用的基礎，其中最重要的兩個協議是網絡層的IP協議和傳輸層的TCP協議。在這兩個協議的支持下，Internet在應用層完成了很多重要的服務，例如，HTTP瀏覽器服務、SMTP郵件服務、DNS域名服務等等。基于Packet Tracer設計應用層服務，通過服務的實現過程，抓取網絡通信過程中各個網絡分層及各層協議的數據包，對學生理解和掌握網絡體系結構及相關網絡協議有非常重要的作用。

本實驗項目的內容主要包括，構建及配置客戶服務器模型網絡；利用ping命令，捕捉查看相關協議數據包；配置及測試HTTP服務和DNS服務；利用HTTP服務，捕捉及查看網絡數據包；分析查看網絡分層結構等，如圖3所示。

本實驗項目的設計目標包括，幫助學生學習相關服務的配置過程，例如HTTP服務、DNS服務等；通過查看數據包傳輸過程，讓學生理解分層的網絡體系結構；通過數據包的傳輸過程，了解相關協議的通信過程，例如，TCP協議、IP協議等，還可以查看不同協議的封包過程和內容，進一步學習相關協議。

網絡體系結構及網絡協議是網絡課程的核心內容，也是難點內容之一，理論知識比較抽象。通過應用層和傳輸層實驗，有助于學生理解網絡分層、網絡協議等相關概念，掌握網絡通信的基本過程。

4 項目實踐及結論

課題組所設計的三組實驗項目在2017-2018學年兩個學期180位的學生中進行了實際的實踐，學生普遍反映，對所學過的網絡基礎知識、網絡通信模型、網絡體系結構、網絡協議等都有了更深刻的理解，對比2016-2017學年的學生，學生成績普遍有20%的提高。

實踐證明，以學習目標和學習任務為導向，利用仿真軟件設計適當的仿真實驗項目，能夠有效地解決網絡實驗課硬件條件不足等問題，可有效幫助學生理解網絡基礎中所涉及的相關概念及技術。在實踐檢驗中，也取得了良好的教學效果。

在后續課程實踐中，課題組將繼續設計網絡安全及網絡新技術相關的實驗項目，進一步幫助學生理解相關概念。

參考文獻：

[1] 李永. NAT仿真實驗設計與實現[J]. 實驗技術與管理， 2018（4）： 132-135.

[2] 張鶴飛， 云紅艷， 張德祥， 等. 基于Packet Tracer的校園網設計與仿真[J]. 實驗室研究與探索， 2017， 36（10）： 127-130.

[3] 侯申， 李健. 計算機基礎課程混合教學模式研究[J]. 計算機教育， 2016， 2（2）： 30-33.

[4] PM Magolda， GJ Platt. Untangling Web 2.0s Influences on Student Learning[J]. Australia： Abacus， 2014， 14（3）： 10-16.

[5] Spady W G. Outcome-Based Education： Critical Issues and Answers. Arlington， VA： American Association of School Administrators， 1994.

[6] Robin Fogarty. Designs for Cooperative Interactions[M]. USA： IRI/Skylight Training and Publishing Inc， 1990.

【通聯編輯：謝媛媛】