一種適用的計算機網絡實驗教學平臺

　　摘要：針對目前計算機網絡實驗教學方法和平臺存在的不足，介紹筆者設計實現了一種適用的計算機網絡實驗教學平臺，該平臺集真實設備、虛擬模擬器、多媒體展示于一體，給學生提供了一個較為完整的實訓平臺。在此基礎上引入基于問題學習和協同學習相混合的實驗教學模式，通過規定項目的訓練，學生可以更好地掌握計算機網絡的基本工作原理和基本操作技能。
　　關鍵詞：基于問題學習；協同學習；實驗平臺；計算機網絡
　　
　　
　　在高等教育中，計算機網絡作為計算機科學、通信工程等相關專業的核心課程，具有發展快、知識點多、覆蓋面廣、應用案例變化多端、與其他計算機技術緊密相連等特點，是一門技術性與應用性很強的課程[1]。目前，高等教育中的計算機網絡教學一般分為課堂理論教學和實驗教學兩部分，在計算機網絡的課程教學中，通過對計算機網絡基本理論的教與學，學生應理解和掌握計算機通信和組網的基本原理、計算機網絡的分層體系結構、各層網絡協議的機理。在此基礎上，適量的實驗教學能使學生更好地理解計算機網絡的基本原理，并且具備一定的解決實際問題的能力。因此，實驗教學是計算機網絡課程理論教學的重要補充，是計算機網絡教學中不可缺少的重要環節。
　　然而，由于各方面因素的制約，目前不少高校的計算機網絡課程主要以理論教學為主。近幾年，雖然有些高校引入了多媒體教學形式，并且建立了基于單項技術的各種以驗證性和演示性實驗為主構成的實驗環節，甚至還有些高校還建立了計算機網絡虛擬實驗平臺[2-3]，但是從筆者多年的教學實踐來看，這些僅僅以演示和驗證為主的實驗環節以及虛擬實驗平臺雖然在一定程度上補充了理論教學的不足(例如遠程虛擬實驗平臺可以讓學生不受時間和地點的約束來完成相應的網絡實驗等)，但計算機網絡是一門工程性較強的課程，僅僅依靠演示性、驗證性和虛擬實驗難于滿足學生對實際工程訓練的需求。因此，總的
　　來說，目前的計算機網絡教學主要存在如下問題：1)理論脫離實際，學生沒有操作過實際設備，使得學生難于掌握實際設備的操作技能，進而難于勝任實際工作；2)實驗環節缺少實際設備的操作過程，學生做實驗缺乏主動性、創造性、獨立性，進而難于激發學生的實驗興趣。
　　為此，經過3年多努力，筆者構建了一個面向計算機網絡相關課程的適用性實驗教學平臺，通過近兩年的使用，取得了較好的教學效果，也得到了大部分學生的認可。本文主要就其中的實驗教學方法、實驗平臺的體系結構，針對計算機網絡課程的實驗內容的設計以及實驗平臺的使用效果進行討論。
　　1實驗教學平臺體系結構
　　1.1實驗教學目標
　　本著適應社會需要的原則，筆者認為計算機網絡實驗教學的目標可以定義為學生通過本課程的學習，理解和掌握計算機網絡的分層體系結構、各層網絡協議的機理，掌握常見的組網設備的使用，熟練掌握局域網的組網原理和方法，典型網絡操作系統的使用、配置和維護，具有組織構造系統應用環境的集成能力和故障排除的能力，學生能適應社會的需要。如何使學生能夠通過實驗教學環節達到上述目標？在教學實踐中，筆者采用了綜合基于問題的學習、多媒體演示和協作學習相結合的混合教學方法，使學生帶著實際應用問題在探索中學習，既能培養學生獨立分析問題、解決問題的能力，又能培養學生自主學習的能力和終身學習的思想。同時，在實驗手段上，采用了虛擬實驗教學與真實設備實驗教學相結合的教學模式，構建了一個適用的計算機網絡實驗教學平臺。
　　1.2體系結構
　　基于上述實驗教學目標和教學模式，計算機網絡實驗教學平臺采用了以小組為單位的構建方式，而對實驗平臺的管理則采用了基于Web的方式。學生可以不受時間、地點的限制來獲取相關的實驗任務和知識，甚至可以對部分實驗進行遠程操作。
　　1.2.1硬件體系結構
　　計算機網絡實驗教學平臺的硬件體系結構如圖1所示。整個平臺包括5個學生實驗組和一個互聯管理組。其中，每個學生實驗組由3臺路由、3臺交換機以及6臺具有雙網卡的計算機構成；互聯管理平臺包括一個交換、一個路由，一臺Web服務器，一臺教師用電腦以及一臺串口設備服務器，并且實現了與Internet的互聯。每臺學生用電腦都通過其中的一塊網卡與互聯管理平臺實現連接，而另一塊網卡實現與其所在組的交換機連接。從圖1中不難看出，與互聯管理組互連的計算機都可以通過串口設備服務器以Console方式對每個學生實驗組的路由和交換設備進行訪問。
　　
　　圖1計算機網絡實驗教學平臺硬件體系結構
　　1.2.2軟件體系結構
　　整個實驗平臺采用了B/S和C/S相結合的方式，其中在B/S架構中實現了用戶管理、實驗管理、設備管理、遠程虛擬實驗室、學習中心和BBS討論工具，因此，教師和實驗管理人員可以通過瀏覽器完成學生注冊、實驗安排、實驗評價、設備管理等操作，同時學生也可以基于瀏覽器進行與課程和實驗相關的內容的學習、基于遠程虛擬實驗室的遠程實驗以及利用BBS進行討論和提問等。同時，在實驗平臺的學生機上，學生可以根據教師的實驗安排利用基于超級終端網絡設備配置工具實現對所分配的相關實驗設備進行配置以構建自己的網絡環境，進而利用TCP/IP協議學習工具對所構建的網絡環境進行測試、協議分析和學習。
　　圖2計算機網絡實驗教學平臺軟件體系結構
　　1.3TCP/IP協議學習工具
　　多媒體教學是一種重要的教學形式，它能將文字、圖片、視頻、動畫、聲音等多種媒體形式集成在一起，綜合地展現教學內容，已被不少教師在其教學過程中使用，文獻[4]采用了多媒體教學形式來組織展示較為抽象的通信協議教學內容，學生更容易理解和掌握。同樣，計算機網絡課程中網絡體系結構和網絡協議內容都較為抽象，僅僅依靠以文字為基礎的教學形式學生較難接收，為此在實驗教學中，筆者引入了多媒體教學與具體實驗相結合的方式。其中多媒體教學內容分為兩部分，其一為對整個計算機網絡課程的知識介紹，該部分內容以Web形式通過學習中心向學生開放，方便學生任何時候、任何地點地進行信息檢索；其二是提供TCP/IP協議學習工具，首先利用多媒體教學形式將以太網通信原理、TCP/IP協議簇中的主要協議工作過程以Flash動畫的形式進行組織，同時可以輔助于聲音和文字信息，將數據的組織和傳輸過程可視化。在此基礎上，筆者還以Winpcap為基礎，將數據包的捕捉分析、各種協議數據包的傳送綜合在TCP/IP協議學習工具中，這樣，學習者可以在自己所組建的網絡中進行協議數據包的傳送和檢測分析，進一步其對各種協議工作過程的理解。圖3為TCP/IP協議學習工具的運行界面。
　　
　　圖3TCP/IP協議學習工具
　　1.3.1典型數據包工作過程動畫展示
　　在TCP/IP協議學習工具中，學生首先可以利用學習中心來掌握網絡體系結構、各種協議的工作過程。圖3和圖4分別為ARP協議和TCP協議的工作過程的多媒體展現方式。其中，在ARP協議工作過程的可視化展示中可以將ARP查詢數據包的封包過程和廣播過程、ARP響應數據包的封包過程和單播回傳過程以Flash動畫形式表現出來，輔之于文本信息解釋和語音說明；而TCP協議工作過程即分為三次握手的連接建立過程、數據傳輸過程以及四次握手的連接關閉過程，同時動畫過程中還將各TCP報文段中的序號、標志位等關鍵信息進行顯示。
　　1.3.2網絡數據包的捕捉、解析與分析
　　TCP/IP協議學習工具為學生了解各種具體協議的數據包的封包過程，以及協議的工作過程提供了支持。學生可以通過選擇構成局域網的網卡，在此基礎上開始捕捉本機輸入輸出的各種以太網數據幀，而數據幀內容區域將詳細顯示被選中的數據包的詳細構成。
　　
　　圖5TCP協議工作過程演示
　　1.3.3典型數據包的組織發送
　　在TCP/IP協議學習工具的數據包發送區域，工具提供了多種典型協議的數據包，主要包括ARP、ICMP、IP、UDP、TCP等。學生可以在系統提供的定義對話框中定制自己的數據包，然后通過選定的網卡發送出去。例如定義一個查詢本地網中某臺主機的MAC地址的ARP數據包并發送，該主機收到后將單播回送ARP響應數據包，查詢和響應ARP數據包都將被捕捉，進而學生可以深入理解ARP協議的工作過程。而對于UDP和TCP數據的傳輸，在TCP/IP協議學習工具提供了UDP和TCP服務器，用于回傳其所接收到UDP和TCP數據，同時TCP連接將關閉。因此，學生通過定制UDP和TCP數據包的發送，進而分析所捕捉的數據包，可以詳細了解UDP和TCP的數據傳輸過程。
　　2實驗教學內容設計
　　根據計算機網絡實驗教學平臺所提供的軟硬件資源，結合計算機網絡課程的教學目標和教學內容組織，筆者設計了以下6個實驗項目：
　　1) 雙絞線的制作與常見網絡命令的使用。
　　通過該實驗，使學生掌握雙絞線的制作方法，同時熟悉常見網絡命令的使用。
　　2) 網絡原理編程。
　　通過該實驗，學生可以通過對計算機網絡中關鍵算法的編程模擬實現，進一步了解算法的工作原理。
　　3) 交換機實驗。
　　利用該實驗，學生可以掌握常見的交換機操作命令和VLAN的配置方法，同時同一小組的學生可以協作完成對規定的VLAN的配置，并且利用TCP/IP協議學習工具對所配置的VLAN進行測試分析。
　　4) 路由器實驗。
　　掌握路由器的常用命令，理解路由表，熟悉靜態路由、動態路由的配置方法，并在此基礎上完成規定的網絡配置，在此基礎上利用TCP/IP協議學習工具對所配置的網絡進行測試分析。
　　5) 小型網絡規劃設計。
　　利用Packet Tracer模擬器完成規定網絡的規劃、設計、配置和驗證。
　　6) 局域網構建。
　　在本實驗平臺所提供的每個小組3臺路由、3臺交換機、6臺計算機的基礎上組建兩個局域網，每個局域網選用一臺計算機作為服務器安裝Linux，配置Web服務和FTP服務。測試其正確性和了解其工作過程。
　　從上述實驗內容不難看出，筆者采用了實際設備和虛擬設備混合實驗的方式，同時大部分實驗都是讓學生帶著問題進入實驗室，在實驗過程解決問題，使學生能更好地了解、掌握計算機網絡的工作原理和基本操作技能。
　　3教學效果評估
　　為了更好地了解實驗項目的設置效果，筆者對近兩屆兩個班的學生針對實驗項目的難易程度和實驗
　　效果進行了統計，其中難易程度分為4個等級(容易1、一般2、較難3、很難4)，實驗效果分為5個等級(沒效果1、基本沒效果2、一般3、較好4、很好5)。6個實驗項目的平均得分如表1所示。
　　
　　
　　從表1不難看出，學生對這6個實驗項目還是比較認可的。
　　4結語
　　計算機網絡實驗教學是計算機網絡課程教學的重要補充，然而由于設備、師資等因素的影響，各校的實驗教學內容和教學方法難于用統一標準進行衡量。本文只是對我校的計算機網絡實驗教學改革的相關內容進行了介紹和總結，雖然我們在計算機網絡實驗教學方面已經取得了一定的教學效果，然而如何使計算機網絡課程的理論和實驗安排得更科學合理，設備使用更加合理，仍然需要不斷探索和改進。
　　
　　參考文獻：
　　[1]