計算機網絡實驗課程體系探索

摘 要：計算機網絡實驗的課程體系的建立必須符合實驗教學課程體系整體要求，體現通識基礎、技術應用和專業技術多層次的特性，滿足多層次學生的不同需求，在計算機網絡應用和計算機網絡原理等課程的理論基礎上，不斷完善符合時代要求、緊跟網絡技術發展的實驗課程內容。本文介紹了我中心在此方面的探索經驗。

關鍵詞：計算機；網絡實驗；課程體系

中圖分類號：G642 文獻標識碼：B

為了滿足學生對計算機網絡技術學習的多層次需求，適應計算機網絡系列課程教學改革，探索能夠體現計算機網絡技術發展現狀的實驗課程體系意義重大。以計算機學科實驗課程體系為依托，計算機網絡實驗應采用多層次的實驗教學模式，建立通識基礎、技術應用和專業技術多層次的網絡實驗課程體系。

1網絡實驗課程體系的基礎

計算機網絡實驗課程不是孤立的，必須和計算機教學課程體系以及其實驗體系緊密結合[1]。計算機學科是實踐性很強的學科，是以學科理論為基礎強調在理論指導下實踐的學科。為了滿足各層次學生學習的需要[2]，從層次劃分上來講基本包含通識基礎、技術應用和專業技術三個層次。以清華大學計算機實驗教學課程體系為例，包括三個層次(如圖1)：通識基礎類實驗課程、技術應用類實驗課程和專業技術類實驗課程。從實驗課程的內容看，在各種類別的實驗課程中都包含基本型、綜合型和研究創新型實驗項目。

通識基礎類實驗為全校各專業的學生打下了堅實的計算機應用基礎，我們又將其細分為應用專題系列實驗和公共基礎系列實驗。應用專題系列實驗面向基礎相對薄弱的學生，目的是補基礎，提高通用工具的應用技能；公共基礎系列實驗面向全校學生，目的是為各自專業學習奠定計算機應用的基礎，按照各專業學生對計算機工具的不同程度的需求，開設不同的實驗，將計算機工具充分地融合到其專業研究中，使計算機成為其科研、創新過程中不可或缺的工具。

技術應用類實驗的對象主體是理工類專業和所有需要計算機輔助的其他專業的學生，根據不同專業的需要，我們將其分為兩大系列：軟件技術應用系列實驗和硬件技術應用系列實驗。這些課程直接為相關專業學生服務，提高學生利用“人類通用智慧工具”分析和解決問題的能力，將計算機科學與技術融入到各自專業中，進而提升學生的綜合素質和研究創新能力。

專業技術類實驗面向包括計算機系在內的信息學院本科生，同時包括有突出計算機實驗能力和興趣的其他專業學生。計算機專業技術實驗包括必修和選修環節，目標是能夠將學生培養成為合格的研究者和工程師，有突出的創新能力和意識。

計算機網絡實驗課程的設立是以計算機理論課程為基礎的，是在理論基礎上的理性實踐。以清華大學計算機網絡實驗課程為例，通識基礎類實驗中的理論基礎課是“計算機網絡技術及應用基礎”，技術應用類實驗中的理論基礎課是“計算機網絡”，專業技術類實驗中的理論基礎課是“計算機網絡原理”。由于通識基礎類和技術應用類實驗主要是面向全校各專業學生的，對其理論先修課要求比較少，這里不贅述。對于專業技術類實驗，計算機網絡實驗是必修課程[3]，其理論先修課有比較嚴格的要求(如圖2所示)。

2計算機網絡實驗課程體系

以計算機網絡理論課程為基礎，對應計算機學科實驗教學課程體系，計算機網絡實驗課程在層次上也劃分為通識基礎、技術應用和專業技術類三個層次(如圖3所示)，以滿足全校不同專業對計算機網絡技術的多層次需求。

在各層次計算機實驗課程中，都包含基礎型、綜合型和研究創新型三種實驗類型，實驗的設置具體情況如表1~3所列。

計算機網絡專題訓練是在計算機網絡原理實驗基礎上的提高，實驗全部屬于研究創新型實驗，實驗項目主要包括滑動窗口設計與實現、RIP設計與實現、FTP設計與實現等，所有實驗均需要學生根據RFC編寫程序，利用我們設計實現的專用實驗系統對實現的程序進行驗證。其他實驗課程中實驗項目的設置不是本文的重點，這里不再贅述。

3計算機網絡實驗創新

由于計算機技術發展迅速，知識更新快，因此我們一直在強調所有計算機實驗課程必須每年都增加部分可選實驗或新內容，以便緊跟計算機技術的快速發展，擴大選擇空間。學生也可以更多地根據興趣來選擇實驗內容，使實驗個性化。尤其針對面向計算機專業學生的實驗教學，最需要的是將國際最前沿的計算機技術引入到實驗教學中，讓同學們能夠了解、學習前沿技術，同時盡可能在實踐中得到提高。計算機網絡相關技術的發展正是計算機技術發展的一個代表，這就促使我們不斷總結實驗教學經驗，發現網絡實驗所存在的問題，并注重科研成果迅速向實驗轉化，來解決實驗管理困難、實驗設備落后等難題。

總結國內外以往的計算機網絡實驗教學，特別是專用技術類實驗教學，主要存在以下幾個不足：

1) 由于缺乏軟硬件支撐環境，通常會設計一些模擬實驗來代替實際的網絡實驗。這樣做的缺點是學生缺乏對真實網絡環境的感性認識和理解，模擬實驗中的一些難以避免的假象會影響學生對真實網絡和協議的理解。

2) 由于常用的操作系統只提供應用層的網絡編程接口，學生只能做網絡應用實驗。基于網絡編程接口的應用層實驗雖然能夠鍛煉學生網絡編程的能力，但卻不容易幫助學生理解底層協議的原理和工作流程，進而忽視計算機網絡原理的核心內容和教學目標。

3) 缺乏網絡核心協議的實驗。由于經費和規模的限制，很難保證每個學生都能單獨分配到一臺交換機和路由器。然而理解網絡核心協議，例如BGP和OSPF，需要能夠進行組網實驗。大量學生同時進行網絡核心協議的實驗受到了很大的限制。

4) 網絡實驗的管理和維護非常困難。做網絡實驗的學生多、實驗項目多。通常在每次實驗之前，實驗管理人員

和助教需要花費大量的時間調整網絡來滿足實驗要求。

我們充分利用清華大學計算機網絡學科在國內的領先優勢和CERNET網絡中心位于清華的有利條件，努力先進的科研成果轉化為先進的實驗教學資源。經過兩年的努力，在榮獲國家科技進步二等獎的“IPv6核心路由器”成果的基礎上研究開發出了支持全協議棧自動測試的計算機網絡實驗系統NetRiver。

計算機網絡實驗系統NetRiver包括客戶端、測試服務器和管理服務器三個組成部分，提供可控真實的全協議棧網絡實驗環境、支持實驗代碼編輯、編譯和調試的集成編譯環境、可視化的協議報文捕捉與行為分析、面向因材施教的多層次實驗手段、基于腳本語言的可擴展的實驗描述和執行、基于協調測試法的自動實驗測試和功能豐富的實驗管理平臺。

利用NetRiver網絡實驗系統，學生可以方便地完成網絡協議編程、調試、可視化執行和自動測試。在此平臺上，學生無需關心系統對實驗的影響，能夠直接編寫和測試協議相關的核心內容。完全解決了以往計算機網絡實驗中存在的困難，使學生增強了感性認識；深入理解網絡原理；大大提高網絡實驗興趣；充分調動積極性，極大地提高了動手能力。從而實現了準確對應知識點、有限時間內完成、公平有效的實驗評價、因材施教等實驗教學目標。

目前，計算機網絡原理實驗以及計算機網絡專題訓練所開設的實驗都是在此平臺上開發、設立的。

4總結

計算機網絡實驗的課程體系的建立必須符合實驗教學課程體系整體要求，體現通識基礎、技術應用和專業技術多層次的特性，滿足多層次學生的不同需求。由于計算機技術發展迅速，知識更新快，計算機網絡實驗技術需要不斷完善，因此需要依靠科研力量，注重將科研成果快速轉化到實驗中，以保證計算機網絡實驗符合時代要求、緊跟網絡技術發展。

參考文獻：

[1] 全成斌，楊士強，趙有健. 計算機工程實踐教學的改革與探索[J]. 計算機教育，2008，(4):100-102.

[2] 李赫男，陳松喬. 計算機網絡實驗課程體系的設計[J]. 湖南第一師范學報，2007，(4):32-34.

[3] 計算機系教學辦公室. 清華大學計算機科學與技術專業培養方案與課程設置[EB/OL]. http://www.cs.tsinghua.edu.cn/ teaching/courses.htm.