計算機網絡技術混合式實驗教學改革

趙春鳳

（臨沂大學 教育學院，山東 臨沂 276000）

1 問題的提出

計算機網絡技術是教育技術學專業以及計算機專業的一門專業核心課程,課程內容涵蓋了網絡基本概念、網絡體系結構、常見網絡協議的工作原理、網絡互聯、網絡應用、網絡管理以及安全等知識[1],是一門理論性和實踐性并重的課程。該課程的目標要求學生掌握計算機網絡概念和原理、網絡體系結構和網絡協議的工作原理,并在掌握基本原理的基礎上,強調發展組建網絡、維護網絡、管理網絡等應用能力。課程在第四學期開設,共48學時,其中實驗教學16學時。通過課程開始時的調查,學生均有個人電腦,宿舍、教學樓均可上網,因此學生在課余時間具備虛擬實驗環境自主實驗的條件。

實驗教學在該課程中占有十分重要的位置,是一個重要的、必不可少的環節。通過實驗可以幫助學生理解計算機網絡的基本概念和協議工作原理,掌握計算機網絡通信和組網的相關操作[2],是培養學生創新思維和實踐能力的重要環節。傳統的計算機網絡課程理論教學與實驗教學相分離,學生在學習過程中很難將學到的抽象理論知識與實際網絡應用聯系起來。這導致理論課沒有結合實際網絡應用情況,而技能訓練又得不到理論指導。同時,真實實驗環境中很難開展大型的綜合性設計性實驗。在實驗教學中引入Wireshark軟件和Cisco Packet Tracer網絡模擬器,采用虛擬環境實驗和真實環境實驗相結合的實驗環境,能更好地培養學生的動手能力和創造能力。

該課程教學中還存在“課程學時數少,實驗學時數少”等問題,僅靠課堂的實驗學時是完全不夠的?；旌鲜綄W習(Blended Learning)是把傳統課堂面對面學習和在線學習結合、兩者優勢互補的一種學習方式[3]。借鑒這種線上線下混合學習的方式,采用課堂師生面對面教師指導的實驗和學生利用虛擬實驗環境自主實驗相結合的實驗形式,可以充分利用學生的課外時間,拓展實驗的時間和空間邊界。

2 計算機網絡技術混合式實驗教學設計

2.1 課程實驗項目的總體設計

首先根據計算機網絡技術課程教學大綱、課程內容、實驗大綱和實驗目標等,厘清實驗項目。分析每一章的知識點,厘清實驗內容,確定實驗項目,確定項目的實驗環境。計算機網絡技術混合式實驗項目結構見圖1。

根據學生需要達到的水平和實驗學時數,可以安排6個相對獨立的實驗項目,見表1。

2.2 混合式實驗教學的具體設計

逐一分析上述實驗項目的性質、特點和實驗目標,按照混合式實驗的基本理念,將上述實驗分別進行混合式實驗教學的具體設計,構成本課程實驗教學的基本框架。

表1 計算機網絡技術課程實驗安排

圖1 計算機網絡技術課程混合式實驗項目結構

2.2.1 混合式實驗教學項目的分析維度

根據實驗環境是真實還是虛擬的,實驗過程是教師指導還是學生自主,得出計算機網絡技術混合式實驗項目分析的基本架構,見圖2。為此,得出下列不同層級的實驗形式。

圖2 混合式實驗項目的分析框架

(1)虛擬實驗環境教師指導的實驗。在教師的演示指導下,學生在虛擬的實驗平臺親自搭建網絡,親手配置、調試網絡。在虛擬網絡實驗環境中,學生可以更直觀、全面地了解各種網絡設備配置運行情況,從配置、應用、協議、原理深化學生對計算機網絡的理解,從感性認識過渡到理性理解。

(2)真實實驗環境教師指導的實驗。虛擬實驗環境提供一個虛擬的環境,實驗缺少“實物感”。虛擬實驗環境很難仿真復雜的真實實驗環境、硬件設備可能的突發故障等。學生對網絡設備配置和運行過程的理解,對實驗原理的掌握還需在真實的網絡實驗室中進行,仍需在真實網絡實驗環境中體驗和培養。

(3)虛擬實驗環境學生自主的實驗。對于教師指導的實驗,還存在理解不透徹、原理不明晰等問題,學生可以利用虛擬實驗環境課外時間自主實驗。實驗中遇到問題可以及時進行師生、生生交流和答疑,大大拓展了課堂的時間和空間邊界。

(4)真實實驗環境學生自主的實驗。利用學校的開放實驗室,學生可以在真實實驗環境中自主實驗。實驗內容可以是課程實驗項目中的內容,也可以是學生自主選擇的拓展性項目。

為了保證學生自主實驗的順利進行,學生自主實驗前,教師把虛擬實驗軟件、實驗項目、實驗要求、實驗指導手冊等上傳到Moodle網絡教學平臺,學生線上利用網絡教學平臺可以獲取相應信息。根據實驗要求和指導,學生利用虛擬實驗軟件動手實驗,遇到問題可以在Moodle網絡教學平臺中生生討論、師生討論。線下課堂中學生展示、交流實驗結果,分享收獲和疑問,教師針對學生實驗過程中的問題給予指導與答疑,總結反饋,重要知識點的強化等,見圖3。

圖3 混合式實驗結構

2.2.2 混合式實驗教學項目的構成

按照上述思路,對計算機網絡技術所有實驗項目進行分析,構成該課程混合式實驗的具體設計,見表2。

3 計算機網絡技術課程混合式實驗教學的實施

根據本課程的教學設計以及實驗需要解決的重點和難點,本課程的實驗教學過程主要采用混合式實驗教學、課堂理論教學及真實環境實驗與虛擬平臺實驗,教師指導實驗和學生自主實驗形成了相互支持的有機整體。通過這些活動,學生將對計算機網絡的基本概念及基本原理、計算機網絡的體系結構、常用網絡協議的工作原理、網絡應用與管理等有比較深入的理解。

3.1 加深學生對課程基本理論的理解

3.1.1 理論教學中有機融入實驗項目。

計算機網絡體系結構十分抽象,網絡協議的工作原理是計算機網絡課程的重點和難點?，F有的計算機網絡技術教材都針對網絡體系結構的每個層次(比如物理層、網絡層、傳輸層等)獨立成章[4]。學生在理論學習的過程中難以將抽象的理論與日常生活中的網絡應用聯系起來。因此,理論課沒有結合網絡實際應用,技能訓練又沒有理論的及時指導,學生的網絡知識和技能掌握不到位[5]。

為了更好地將理論和實驗結合起來,深化學生對理論知識的理解,理論教學中融合虛擬環境實驗,通過觀察、搭建、配置,學生能理解實際網絡是如何工作的,其組建、管理、維護實際網絡的能力也就提高了。實驗教學中引入了Wireshark軟件和Cisco Packet Tracer網絡模擬器,通過虛擬仿真技術,建立一個仿真的實驗環境,可以使實驗不受場地與設備的限制,無須考慮網絡設備運行及其連接的問題,提高學生完成實驗的效率和成功率,更好地將理論和實踐結合起來,更好地培養學生的動手能力和創造能力。

3.1.2 借助實驗項目解決課程難點。

計算機網絡技術知識點多,協議的工作原理抽象、不容易理解。計算機網絡體系結構和網絡協議的工作原理是這門課程的重點之一。要把計算機網絡體系結構和協議的工作原理和實際結合起來,需要將網絡體系結構中每一層涉及的主要協議的工作原理結合起來,尤其是將抽象復雜的網絡協議與網絡實際應用結合起來,提高學生實驗的積極性。

表2 計算機網絡技術課程混合式實驗情況

傳統的計算機網絡課程注重對通信協議的理論分析,詳細分析和講解網絡體系結構中每一層涉及的協議,但學生仍難以完全理解網絡的通信過程。借助Wireshark虛擬仿真軟件,可以仿真網絡通信的過程,獲取一次通信的全部數據包,然后按照網絡體系結構的層次解讀分析每一個數據包,學生就可以相對直觀全面地掌握協議、通信過程。

數據包的捕獲和分析實驗,只安排了2學時。課上學習軟件的安裝和使用方法,以抓取Ethernet II幀為例,了解如何抓取數據包,如何分析抓取的數據包。對計算機網絡體系結構中數據鏈路層、網絡層、傳輸層、應用層的重要網絡協議,如IP協議、ICMP協議、TCP協議和UDP協議、HTTP協議等,則沒有專門的課堂實驗時間進行抓取和分析。

在學習了每個層次涉及的重要協議之后,要求學生課后利用虛擬實驗環境進行相應的協議數據包獲取分析實驗,對抓取的數據包進行分析,各層主要協議基本原理和實現過程的抽象理論變得相對形象直觀,學生便于理解。數據包的捕獲與分析實驗項目的實驗詳情見表3。

3.2 強化學生實踐能力的培養

3.2.1 虛擬—真實—虛擬實驗環境的實驗訓練。

真實的計算機網絡實驗環境需要復雜的硬件設備,比如計算機、網卡、雙絞線、交換機、路由器、服務器、工作站等。這些硬件設備的復雜性和設備運行的不可控等問題,往往容易導致實驗失敗,且不容易找到實驗失敗的原因,最終會影響實驗的效果,影響學生實驗的信心和興趣。在復雜的實驗環境中,學生不容易理解實驗原理和網絡設備的工作過程。

同時,從理論的學習到實踐活動的開展,中間需要一個過渡,即學生在進入真實的網絡實驗室實驗之前,需要有一定的準備工作,對實驗設備的屬性、特征、基本配置、操作等有一個總體的把握,帶著這些必要的準備工作和知識儲備進入實驗室,才不至于無所適從。

在進入真實實驗環境前,學生先在虛擬的實驗平臺中親自搭建網絡,親手配置、調試網絡。在虛擬網絡實驗環境中,學生可以更直觀、全面地了解各種網絡設備配置運行情況,從配置、應用、協議、原理等方面深化學生對計算機網絡的理解,從感性認識過渡到理性理解。真實實驗環境后,學生進一步搭建網絡,并配置驗證,在真實實驗環境中發現問題、解決問題,提高實踐動手能力。學生針對真實環境實驗中的疑惑、思考,可以在虛擬實驗環境中再次實驗。課堂內外、真實和虛擬實驗環境形成一個有機整體,完成知識由整體感知、深入理解到鞏固內化,見圖4。

圖4 虛擬—真實—虛擬實驗流程

3.2.2 綜合性設計性實驗開展。

真實的實驗環境中,像設計校園網這種大型綜合性、設計性實驗很難開展。學生已經完成了真實實驗環境和虛擬實驗環境中小型局域網組建、交換機、路由器等實驗的訓練,如何把這些應用綜合起來,設計一個校園網,是提升學生綜合實踐能力的重要環節。

表3 數據包的捕獲與分析

本課程要求學生基于Cisco Packet Tracer設計一個校園網,實驗可以不受場地與設備的限制,無須考慮網絡設備運行及其連接的問題,提高學生完成實驗的成功率和效率。該實驗可以更好地把理論和實踐結合起來,提高學生綜合分析問題和解決問題的能力,更有利于培養學生的動手能力和創新能力。

4 結 語

混合式實驗在計算機網絡技術實驗課程教學中應用,取得了良好的效果。這種學習方式讓學生盡可能多地參與實驗前、實驗中、實驗后的各個環節,激發學生的學習興趣,提高學生的實驗參與度,學習效果有較顯著的提高。

為了解學生對課程教學的評價意見,在Moodle網絡教學平臺中開辟了討論區“談談你對計算機網絡技術課程教學的認識和體會”,讓學生發表意見。學生討論交流非常積極。通過瀏覽學生發表的詳細內容,發現學生對課程的教學改革、教師的教學方法、實驗教學改革等方面持認同、贊賞的態度。大部分學生認為,通過這種學習方式,可以根據自己的情況自主實驗,學生的動手能力提高了,對計算機網絡的工作原理理解比較透徹了。