利用模擬軟件改進高校計算機網絡實驗教學內容的初步實踐

1、北京師范大學北京1008752、北京師范大學北京100875

【摘要】實驗教學是計算機網絡課程的重要組成部分。然而，當前高校計算機網絡實驗教學的開展卻存在著實驗內容過于簡單、未與理論課配套等多種問題。本文結合筆者在計算機網絡實驗教學中的實踐經驗，描述了一些利用模擬軟件改進高校計算機網絡實驗教學內容的初步實踐。

【關鍵詞】計算機網絡，實驗內容，模擬軟件

【中圖分類號】G434 【文獻標識碼】B【論文編號】1009—8097（2007）07—0103—03

隨著信息技術的不斷發展，計算機網絡已經滲透到人們日常生活的方方面面，社會迫切需要大量掌握計算機網絡基本原理，熟悉網絡操作，實際動手能力強，能夠進行網絡規劃、設計、建設和運行維護的技術人員。高校計算機網絡課程設置的目標就是培養符合上述要求的人才，顯然，其中各項實踐能力的培養必須由實驗活動的開展完成。實驗內容的正確設置和順利開展還可以提高計算機網絡課堂教學的效果。計算機網絡的課堂教學主要是對各種基本概念、原理和術語的介紹，而對這些概念、原理的理解和應用，必須通過實驗來實現。因此計算機網絡實驗對于計算機網絡課程來說具有重要的意義，它應以促進學生對計算機網絡原理的理解和培養學生的動手能力為目標，其內容一定要與實際需要緊密結合，并通過實驗激發起學生對計算機網絡的興趣。

一、當前高校計算機網絡實驗內容現狀分析

雖然實驗教學的開展對于計算機網絡課程來說有著重要的意義，但由于實驗條件的限制，在實際開展網絡實驗教學時，往往不得不簡化、降低或者舍棄某些重要的實驗內容，而用一些簡單的或者對實驗條件要求低的實驗來代替，這就極大地削弱了實驗教學的效果，與理論課嚴重脫節。比如，有關交換機、路由器這些重要的網絡設備的實驗，由于這些設備都比較昂貴，學校基本是不可能給學生提供親手操作的機會的，所以這部分的實驗往往簡化為概念性的介紹，學生始終不知道如何具體進行配置。

筆者對目前市面上已出版的部分高校計算機網絡實驗指導書（已在文后列出[1-10]）和一些高校開設的計算機網絡實驗進行了調查，發現了大量的問題：

（一）實驗內容過于簡單、陳舊。

當前高校設置的計算機網絡實驗課中存在著大量簡單、陳舊的實驗內容，如簡單的Windows2000操作系統的安裝和設置[1，4，10]，Internet的訪問[1，2，4，7]，FTP、下載工具（NetAnts、FlashGet、CuteFTP等）、文件壓縮工具（WinZip、WinRar）、聊天工具（OICQ、ICQ）、電子郵箱的使用[2，6]等。我們知道，計算機網絡課程基本在電子類、計算機類、自動化、電子商務等本科專業二或三年級開設，這些專業的學生早就具備了這方面的知識，對這些內容已經很熟悉，再加上這些內容大部分已在一年級的計算機基礎課中實踐過，所以不需要特別地將其列為計算機網絡實驗的內容。

（二）實驗內容不符合計算機網絡應用的要求。

計算機網絡的培養目標是各類網絡規劃、設計、建設和維護人員，而不是程序設計人員。然而，當前的計算機網絡實驗內容中卻包含了大量的編程實驗，如網頁程序設計[2-5]，網絡通信程序設計[5，7-9]，異步串行通信編程實驗[3，7]，網絡協議編程實驗[3，7]，路由程序[3]等等。更有甚者，一些實驗指導書[3]中安排的編程實驗幾乎占整個實驗內容的一半。的確，通過進行一些通信或協議的編程實驗能夠使學生更好的理解信息傳輸的方式，但學生在進行這些內容的實驗時，會在程序設計上花費大量的精力，往往結果變成了更偏重于程序設計。另外，在實際工作中，本科生畢業之后能夠親自動手進行計算機網絡串口通信或協議編程的機會并不多。所以在計算機網絡實驗中，此類的內容可以包括但不宜過多。

（三）實驗內容要求的實驗環境過于復雜。

計算機網絡實驗的內容必須符合一般高校的實際情況，但當前還是存在著大量的對硬件條件要求很高的實驗，如Linux系統的安裝和使用，交換機、路由器的相關配置和管理等。這些實驗有的要求學生更改實驗所用電腦的操作系統，有些要求使用交換機、路由器、PC機搭建網絡并進行配置管理。而大多數學校的硬件條件往往無法達到要求。因此，雖然這些內容在實驗教程或實驗計劃中列出，由于實驗條件的限制，在實際教學中或者忽略不做，或者由實驗指導教師進行演示，學生只能觀看，沒有機會親自動手嘗試，依然達不到實驗的預期目標。

二、利用模擬軟件改進高校計算機網絡實驗教學內容的初步實踐

通過對計算機網絡實驗內容設置現狀的分析可知，高校計算機網絡的實驗內容必須進行一定的變革，從而提高整個課程的教學效果。根據自己的教學實踐，我認為在計算機網絡實驗內容的設置和安排上，必須遵照下面的一些原則：

1．實驗教學的內容應必須與理論課同步，這樣既能及時將理論應用于實踐，有助于加深對理論的理解，又可以把實驗中遇到的問題帶到課堂中，在課堂討論中結合學過的各種理論來解釋；

2．對于同樣的實驗內容需要根據具體實驗條件的不同，安排不同的實驗方式，尤其是那些對實驗環境要求較高的實驗，可以安排真實環境和模擬環境兩種實驗方式。

3．任何一次實驗內容都需要給學生留出一定的探究空間，并實施形成性評價為主，評價的結果除了及時反饋給學生以外，還要作為下次實驗設計的依據，以保證整個實驗教學的系統性和完整性。

下面是筆者教學過程中安排的主要實驗內容，以及利用模擬軟件的實現方式：

（一）網絡原理部分。

該部分內容主要包括網線的制作和網絡數據包的捕獲及分析。網線的制作是一個基本技能實驗，實驗材料成本低，允許學生親自動手實驗，通過網線的制作，理解網線制作標準的應用，雙絞線的基本工作方式和使用條件，理解局域網的概念。通過使用Sniffer[10]軟件完成數據包的捕獲與分析，可以幫助學生很好地理解各層之間的關系，網絡節點通訊的具體過程，數據幀的封裝傳輸過程。這部分有許多值得學生探究的問題，如分析當前使用的是交換機還是集線器，ARP協議工作在網絡的第幾層等等，從而培養學生實際解決問題的能力。

（二）網絡的配置部分。

這部分應該作為實驗的重點內容。學生應在了解組網的基本技術和原理的基礎之上完成包括交換機、路由器的連接和配置。由于實際的實驗條件不可能為每個學生提供交換機或路由器進行操作，這時可以考慮使用模擬軟件（如Netsim[11]）完成實驗內容。Netsim軟件提供的界面和操作過程、結果與真實環境極其相似，學生在一臺模擬的交換機或路由器上進行配置時，就像給一臺真實的交換機或路由器進行配置一樣。該軟件主要提供Cisco系列路由器和交換機，這是當前網絡中應用較多的設備，當然，學生在學會了對它們的配置后，對于其他廠家的設備也可以很快地上手。在這部分可以鼓勵學生使用多臺、多種型號的設備，按自己的方式組建網絡，培養學生的創新能力。

（三）操作系統及應用。

對于Windows操作系統的安裝和使用學生已經比較熟悉，在實驗課上沒有必要單獨設立實驗內容。目前主流的高端服務器通常采用UNIX、LINUX系統，這是學生很少接觸的，實驗應該給學生提供熟悉這些系統的機會。考慮到學校的實驗室不允許學生重新安裝操作系統，這時可以使用VMware軟件[12]。這是一個虛擬機軟件，使用VMware可以在本地Windows環境下加載多臺虛擬機，它們可以運行自己的操作系統和應用程序。用戶可以在運行于桌面上的多臺虛擬機之間切換，通過一個網絡共享虛擬機(例如一個公司局域網)，掛起和恢復虛擬機以及退出虛擬機。這樣裝LINUX像Office一樣容易，卸載的時候只要簡單刪除一個文件夾就好了——這一切不會影響主機操作和任何操作系統或者它正在運行的應用程序。對于實驗老師來講，使用兩套系統來同時做測試和演示也非常方便。這部分可以設計一些應用性強，稍復雜的內容。如在Linux系統上架設各種服務器，包括Apach服務器，SMTP服務器，FTP服務器等，以提高學生的網絡應用能力，理解網絡服務器的作用和工作方式。

（四）網絡的綜合設計與配置。

在掌握了交換機、路由器的基本配置之后，學生就可以綜合利用這些設備構建網絡了，這部分實驗內容主要涉及VLAN劃分與實現、trunk技術、VTP的應用、NAT的配置、路由的設置、訪問控制列表的設定等。同樣可以利用上述所說的Netsim模擬軟件來實現。由于學生們的水平不同，對計算機網絡的興趣也各異，教學中可以安排一些較難的內容作為選做，以滿足學有余力的學生的需要。在進行完上述的內容之后，對于有興趣的學生可安排一個大的綜合性實驗，創設一個問題情境，讓學生根據需求設計一個網絡解決方案。

三、小結

按照上面所說的一些原則和方法，筆者完成了兩個教學班的實驗教學任務。通過對學生進行訪談并與其他教學班進行對比，發現自己班里的學生學習計算機網絡課程的興趣明顯提高了，并且更好地理解了計算機網絡的基礎理論，他們對使用虛擬軟件創設實驗環境進行教學和實驗非常滿意，以至于別班的學生也主動向老師要求安排相應的實驗內容，這也從某一方面驗證了本文內容的有效性。

參考文獻：

[1]來賓．計算機網絡原理與應用習題解析及上機指導（高等學校21世紀計算機教材）[M]．北京：冶金工業出版社，2004

[2]王建珍，韓雅鳴．計算機網絡應用基礎實驗指導[M]．北京：人民郵電出版社，2005

[3]張建忠．計算機網絡實驗指導書（21世紀大學本科計算機專業系列教材）[M]．北京：清華大學出版社，2005

[4]郭秋萍．計算機網絡實驗教程（高校計算機教學系列教材）[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2005

[5]劉兵．計算機網絡實驗教程(21世紀高等院校計算機系列教材) [M]．北京：中國水利水電出版社，2005

[6]楊金生．計算機網絡實驗(高等學校教材計算機科學與技術) [M]．北京：清華大學出版社，2005

[7]張基溫．計算機網絡實驗與實踐教程(高等院校計算機實驗與實踐系列示范教材) [M]．北京：清華大學出版社，2005

[8]張曾科、馬喜春、關敬敏．計算機網絡<第2版>習題解答與實驗指導(清華大學計算機基礎教育課程系列教材) [M]．北京：清華大學出版社，2005

[9] 張曾科、陽憲惠．計算機網絡習題解答與實驗指導(全國高等學校自動化專業系列教材) [M]．北京：清華大學出版社，2006

[10]http://download.chinaitlab.com/testdoc/files/7027.html [EB/OL]

[11]http://download.chinaitlab.com/testdoc/files/10774.html [EB/OL]

[12]http://download.chinaitlab.com/testdoc/files/7025.html [EB/OL]

Practice of the Reform of Computer Network Experiment Content Using Simulator

Li Na1 Fu Qian2

1. Beijing Normal University， Beijing， 1008752. Beijing Normal University， Beijing， 100875

Abstract: Experiment teaching is an important component of the computer network courses. However， there are some problems when carrying out computer network experiment course in most universities currently， such as some content is too simple， some doesn’t match with theories course. This paper describes some initial practice of using simulator to improve the experiment teaching content of the computer network， based on the context of the author's computer network laboratory teaching experience.

Keywords: Computer Network， Experiment Content， Simulator