計算機網絡實驗課程教學改革研究

張揚武 李國和

摘? 要：在計算機網絡技術高速發展和大學生科學能力培養目標的新形勢下，針對當前計算機網絡實踐教學存在的問題，提出“三位一體”的計算機網絡實驗課改革方案。從通信、協議和應用三個方面，構建計算機網絡實驗模塊內容體系，綜合運用現場實驗、線上虛擬環境和虛擬仿真教學手段，充分激發學生的學習興趣，有效發揮其學習專長，在教學設施投入受限的情況下，積極開展計算機網絡實踐教學。

關鍵詞：計算機網絡；教學改革；實驗模塊；虛擬仿真；虛擬環境

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）05-0112-04

Abstract： In the situation of rapid development of computer network technology and the goal of cultivating scientific abilities of college students， the reform plan for computer network experimental courses is proposed to address the problems in current computer network practical teaching. The system of computer network experimental modules is constructed from three aspects： communication， protocol， and application. By comprehensively utilizing on-site experiments， online virtual environments， and virtual simulation teaching methods， the reform plan can fully stimulate students' interest in learning， effectively leverage their learning expertise， and actively carry out computer network practical teaching under limited investment in teaching facilities.

Keywords： computer network; teaching reform; experimental modules; virtual simulation; virtual environment

計算機網絡是全國各大高校計算機專業的主干專業課之一，也是其他專業的通識必修課之一。隨著計算機網絡的廣泛發展，作為第五大空間，網絡空間概念漸漸地深入人心，同時為了順應時代變化，強化網絡空間治理成為了我國國家戰略之一[1]。習近平總書記曾提出關于網絡空間的發展目標，為我國治理網絡空間能力的提升指明了方向。計算機網絡課程教學承擔著培養高校學生用計算機網絡知識解決網絡空間的實際問題的計算能力和計算思維[2]。

網絡協議和傳輸數據凝聚了幾十年的計算機網絡技術發展成果，而且看不見摸不著，涉及的原理和概念非常抽象復雜。計算機網絡課程教學具有知識點多、理論抽象、實踐性強等特點，從計算機網絡協議、連接方式、數據傳輸過程、整體架構和應用場景等方面的教與學兩個角度來看[3]，都存在不小的難度，將計算機網絡的原理、方法和技術的融會貫通應用就更加具有挑戰性。借助計算機網絡實驗課，增強對計算機網絡理論學習的體驗感，將難以掌握的抽象概念方法和原理具體化和實例化[4]，加強學生的學習興趣和熱情，培養學生的實踐動手能力。因此，計算機網絡實驗課在計算機網絡課程教學目標的實現上具有十分重要的地位和作用。

一? 計算機網絡實驗課程的教學現狀及存在問題

目前高校計算機網絡實驗課教學方式有現場實驗、線上虛擬實驗平臺及主機仿真軟件等，這些教學方式都存在各自的優缺點，需要根據各高校自身情況和專業培養方案，因地制宜地開展計算機網絡實驗課教學。

現場實驗可以增強計算機網絡實驗的真實感和現場體驗感，有助于提高學生的學習興趣，促進小組協作完成實驗，培養學生的動手實踐能力，培養在真實應用場景中的團隊合作精神。同時，線下機房實驗存在一些不足和困難，實驗機房需要較大的投入，配置一定數量的主機終端、交換機路由器等網絡設備及各種網絡軟件[5]，不但初始投入的經費較多，而且后期的機房維護更新都需要持續投入費用。機房的設備場地、人員和管理都受到諸多的外在條件限制。例如，學生根據實驗指導設計網絡拓撲結構，無法在設備數量上限的情況下動態增加主機終端；在劃分沖突域和廣播域的要求下，也無法突破網絡設備的現實數量進行適應性配置；在固定時限無法完成的實驗操作需要在課外完成，傳統的現場實驗機房無法在時間上提供靈活的實驗安排，等等。

線上虛擬實驗平臺在計算機網絡教育培訓市場大受歡迎，主要得益于成本低、知識模塊化以及隨時隨地學習。線上虛擬實驗平臺一般通過web方式提供一個虛擬的主機環境[6]，實驗所需要的環境依賴都已具備，在窗口邊欄中提供手把手式的實驗步驟指導，學生較為容易操作。線上虛擬實驗平臺根據實驗教學目的構造實驗模塊，學生既可以按照教學進度循序漸進地開展實驗，也可以打破原有的順序，根據自己的知識積累和儲備，進行自主地學習。線上虛擬實驗平臺不再受限于傳統的現場實驗的場地和管理限制，可以隨時隨地進行學習，可以利用平時的碎片時間進行學習，可以學習到哪，實驗做到哪，思考到哪。線上虛擬實驗平臺的不足之處在于無法提供現場實驗的體驗感，不能發揮團隊協作精神，老師不能更好地參與指導，實驗知識模塊弱化了對計算機網絡知識體系的整體性把握，對基礎知識薄弱和自主性學習較差的學生要求較高。

仿真軟件利用模擬技術構造與真實實驗一樣的實驗情境，在搭建網絡時，通過拖拉相應設備圖標模擬真實終端和網絡設備，通過在仿真軟件中進入相應設備配置界面模擬真實應用場景中的網絡設置，仿真軟件中的設備是真實存在的，配置命令也是一致的。仿真軟件支持較多的硬件設備和傳輸介質，不要求購買相應設備，減少了機房建設費用，節省了后期的維護開支[7]。仿真軟件實驗操作將物理上操作轉變為仿真軟件界面中的編輯操作，提高了實驗效率，降低了部署難度。仿真軟件的缺陷在于缺少網絡設備和終端、網絡連接以及網絡數據傳輸的真實體驗感，仿真軟件對協議數據的封裝模擬在有些情況下與真實的網絡通信存在不一致情況，仿真軟件所支持的設備和協議受到軟件開發商的限制，其內部工作原理對學生是一個認知障礙。

二? “三位一體”的計算機網絡實驗課改革方案

OBE（outcome-based education）教育理念強調教學活動的實施要以學生的學習成果為導向，計算機網絡的教學要通過實驗課達到學生應該具備的能力，培養學生利用計算機網絡知識解決實際工程問題的科學素養。計算機網絡包含通信、協議和資源三要素，要想深入透徹地掌握相關原理、技術和方法，必須要依靠實踐教學。實驗課教學是提高學生計算機網絡實踐能力的必要路徑，計算機網絡實驗課內容涉及到網絡組網、協議分析和應用開發等范圍，通過梳理支撐理論教學的內容和分析概念學識依賴關系，確立相關模塊所包含的實驗內容，各個模塊覆蓋內容見表1。

各個模塊對應的能力要求、知識準備和環境要求各不一樣。網絡組網模塊對學生的網絡工程實踐能力有較高要求，現場實驗操作更能增強體驗感，知識準備更側重記憶和重復。協議分析模塊要求學生具備數學思維和邏輯思考能力，可以降低對現場實驗的依賴性。應用開發模塊強調應用需求，考察學生的綜合分析和判斷能力，是以結果為導向的教學理念的輸出。能力綜合利用現場實驗、線上虛擬環境以及仿真軟件，針對不同的實驗內容和模塊，開展“三位一體”的計算機網絡實驗課內容體系的構建，如圖1所示。圖1中的圓形表示計算機網絡實驗模塊組，包括網絡組網、協議分析和應用開發；方框表示實驗教學活動，包括現場實驗、線上虛擬環境和仿真軟件；箭頭表示從實驗模塊到實驗教學活動的處理過程和步驟。

步驟1是將網絡組網模塊中的各個實驗，全部提交給現場實驗環節評估，根據實驗要求、內容和環境，考慮各個高校的自身實際教學設施和條件，通過專業實驗室，創造條件地支持具備開展現場實驗的實驗。步驟2對步驟1中不能安排的實驗進行評估，在不具備專業實驗室的現實情況下，通過公共實驗室線上虛擬環境，設計交互性強的實驗。步驟3對步驟1和步驟2中不能安排的實驗進行評估，在不具備專業實驗室和公共實驗室的實際情況下，通過仿真軟件，安排自主性強的實驗。步驟1、步驟2和步驟3將網絡組網模塊中各個實驗的實驗要求、實驗內容和實驗條件結合起來，因地制宜，通過分析和評估，實現較為合適的實驗教學方式的分配，見表2。

網絡組網模塊的實踐教學可以幫助學生更好地了解和掌握網絡互聯中的通信概念，步驟4轉到協議分析模塊，通過此模塊的實驗，有助于學生加強對計算機網絡三要素當中的協議這一概念的理解。步驟5分析協議分析模塊中的各個實驗，從中挑選出適合實驗室操作又能體現真實場景的實驗，比如以太局域網中MAC協議。步驟6根據協議的控制信息和工作模式，從中挑選出適合線上虛擬環境又能展現工作模式的實驗，比如TCP協議的三次握手過程。步驟7根據協議的訪問機制，從中挑選出適合虛擬仿真又能實現多點訪問的實驗，比如ARP協議的廣播請求和應答。協議分析模塊各個實驗對應的教學方式見表3。

步驟8轉到應用開發模塊，通過此模塊的實驗，有助于學生加強對計算機網絡三要素當中的資源這一概念的理解，通信是實現計算機網絡的手段，協議是計算機網絡的語言，資源則是計算機網絡的目的，資源共享是由應用層體現出來的，應用開發模塊是為用戶層服務的，包含的實驗為常用的應用層服務配置。步驟9分析應用開發模塊中的各個實驗，從中選擇適用局域網操作的實驗，比如訪問控制列表配置實驗。步驟10選擇適合線上虛擬環境的實驗，比如WEB服務器配置實驗。步驟11根據實驗所需的網絡設備環境，從中適用虛擬仿真的實驗，DHCP服務器配置實驗。應用開發模塊各個實驗對應的教學方式見表4。

實際上，將現場實驗、線上虛擬環境和虛擬仿真三種實驗教學手段融為一體，形成“三位一體”的計算機網絡實驗課內容體系，充分考慮計算機網絡實驗課程特點和學生的學習規律，合理利用多元化教學資源和教學手段。“三位一體”的計算機網絡實驗課的學習是一次科學實踐和創新思維的迭代過程。網絡工程模塊從具體網絡實施入手，既鍛煉學生的實踐能力，又引起學生的學習興趣，還啟發學生對計算機網絡內部世界的思考。協議分析模塊引導學生從計算機網絡的網絡工程表象出發，探索計算機網絡的內部世界，獲得計算機網絡知識的提升，訓練了對計算機網絡內部世界認知的抽象邏輯思維。應用開發模塊是知識的學以致用，將計算機網絡知識用于實際問題的解決，在實踐中檢驗知識、原理和方法。一次迭代學習就是認識、知識和實踐的進階過程，經過一次迭代學習之后，再重新學習一次，實現不斷的迭代學習。

三? 計算機網絡實驗課程改革實踐

不同的高等院校其自身環境和實驗室條件各自不一樣。理工科院校一般都配置專門的計算機實驗室，提供給本專業或者是相關專業的學生使用共享實驗室，并且實驗課也由專門的實驗指導老師來上。理工科院校在硬件和軟件各個方面都給予了大力支持，從學生培養目標和課程受眾的規模效應來說，理工科院校對于計算機網絡實驗室和師資的投入是合理的，符合高等教育發展目標。而文科高校面臨的情形卻大不一樣，培養目標和辦學定位將計算機網絡課程作為一種輔助工具論，并沒有融合到本專業的培養方案中，甚至有部分文科專業教授反對在文科高校開設這種他們所認為的工具性質課程，甚至于經常宣稱“歪門邪術”影響到自己的本專業的“正道”的培養。這種無用的論調會減少文科高校對計算機網絡課程教學的投入，尤其實驗室的投入。

計算機網絡實驗教學內容復雜繁瑣，涉及到的路由器交換機等網絡設備設施都比較昂貴，并經常改變網絡拓撲結構和操作系統訪問權限。計算機網絡的改變網絡拓撲和訪問權限的實驗需求將會影響到其他計算機課程，即使在理工科院校，專業實驗室也不是專門為計算機網絡課程建設的，需要考慮其他課程的使用要求。改變網絡拓撲和網絡環境配置還會增添管理人員的排斥情緒，不利于計算機網絡實驗教學的開展。

不同的學生群體對計算機網絡知識存在不同的興趣點和學習特長，在長期的教學實踐中，可以發現有的學生擅長數據分析，有的學生專注配置操作，還有的學生積極嘗試學以致用。同樣的教學方法、教學內容和教學模式，培養的學生卻各有不同，不是所有學生都能夠掌握計算機網絡知識體系，這些情況都是值得思考的。考慮高等院校的辦學實際和計算機網絡實踐教學的特點，計算機網絡實踐教學改革需要聚焦學生自主解決網絡工程和應用領域中的實際問題，不僅要讓學生知道學什么，更重要的是要讓學生明白自己的專長，人盡其才，充分地激發學生的學習興趣和挖掘學生的自主學習能力。

四? 結束語

實踐教學是計算機網絡課程教學中的非常重要的環節，是計算機網絡課程學習的一個重要方面。“三位一體”的計算機網絡實驗課改革方案，針對高等院校的辦學實際和計算機網絡實踐教學的特點，將實驗內容分成三個模塊組，采用現場實驗、線上虛擬環境和虛擬仿真開展針對性的實踐教學，將利用學校教學資源、發揮學生專長和反復迭代學習結合起來，充分激發學生的學習熱情，努力培養學生的解決計算機網絡實際問題的能力，切實改善課程教學效果。

參考文獻：

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