線上線下聯動《計算機網絡》課程實驗教學研究

鄒明亮

摘要：針對計算機網絡課程傳統實驗存在的不足，分析了目前開展該課程實驗的條件，探討了課程實驗的主要特點以及開展方式，依托在線平臺，創新實驗教學模式，融合虛擬仿真與實驗室物理設備，構建線上線下聯動的課程實驗教學方法。該方法既注重線上對實驗教學的支撐，又注重了線下實驗的靈活開展，以及實驗教學課時的充分利用，培養學生的實踐與創新能力。

關鍵詞：線上線下;計算機網絡;課程實驗;教學模式;虛擬仿真

中圖分類號：G434? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）26-0108-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Abstract： In view of the shortcomings of the traditional experiment of computer network course， this paper analyses the conditions for carrying out the experiment of computer network course at present， and discusses the main features and how to carry it out， relying on the online platform， innovating experimental teaching mode， integrating virtual simulation and laboratory physical equipment， constructing an experimental teaching method based on online and offline. This method not only pays attention to the support of online experimental teaching， but also pays attention to the flexible development of offline experiments， and the full use of experimental teaching hours， so as to cultivate students' practical and innovative abilities.

Key words： online and offline;? computer network;? course experiment;? teaching mode;? virtual simulation

計算機網絡課程是高校計算機類專業的一門重要的專業課程，是迅速發展并在信息社會中得到廣泛應用的一門綜合性學科，對實踐動手能力要求比較高。探索培養符合能力需求，適應社會發展的網絡技術人才，是計算機網絡課程教學中亟待解決的問題[1]。課程的實驗開展需要緊跟時代發展，線上線下聯動的開展實驗教學，學生可以通過線上獲得課程實驗的資源，對線下實驗的開展提供有效支撐，線下的實驗融合虛擬仿真，減少對使用物理設備的依賴，提高實驗室物理設備的使用效率，突破課程學時數的限制，并可通過線上平臺交互達到更好的教學效果。

1 計算機網絡實驗目前主要的開展方式及優缺點

1.1利用真實物理設備

專業實驗室提供的真實物理設備對于培養學生的實驗技能起著舉足輕重的作用，計算機網絡課程的實驗開展也離不開專業實驗室。其一，實驗室里面的真實物理設備能讓學生對設備的外觀有切身體會，如對于一款交換機，學生可以看到它外形、品牌標志、型號、接口等，從而形成一種直觀的認識。對于雙絞線、光纖等通信介質，除了感受外觀，還可以自己動手制作網線，測試連通性等。其二，通過對看得見的設備進行配置，并且觀察到配置效果，學生就能體驗到自己真正具備配置這種設備的能力，對于以后工作當中碰到同類設備時，能提升自己的自信心。其三，當實驗中遇到一些問題時，面對真實設備學生會更積極的想辦法解決，若采用的是虛擬仿真，學生一方面會考慮是不是自己確實錯了，另一方面也會懷疑仿真程序是不是有什么問題，這會給實驗帶來不確定性，心里缺乏踏實感。另外有些問題只有在使用真實設備時才能出現，在仿真環境中可能不會遇到，如網線接上了，但線路不通，在真實環境下可能由于網線中間有斷開或接口接觸不良等導致。利用真實物理設備開展實驗，也可以在Web 網頁上提供實驗室遠程登錄的連接，方便學生隨時隨地遠程訪問實驗設備，提高實驗資源的利用率[2]。

1.2利用虛擬仿真工具

將虛擬實驗教學融入現有計算機網絡實驗教學體系，是一個開放且重要的研究方向[3]。利用虛擬仿真開展計算機網絡實驗也有其特有的優勢。首先，開展虛擬仿真實驗學生只要利用PC機加上虛擬仿真工具就可以，不必在特定時間前往實驗室開展，因此不受時間、地點的限制。其次，不受設備的限制，開展網絡實驗，有時需要用到交換機、路由器、防火墻等多類多個設備，一般專業實驗室很難一次提供如此多的設備給單個學生使用。然后，開展虛擬仿真也能達到較好的實驗效果，同樣可以理解實驗過程，可以觀察實驗現象，也可以提高動手能力。目前開展虛擬仿真的條件也比較成熟，有如eNSP、Cisco Packet Tracer等可擴展、圖形化操作的網絡仿真工具供學生們選擇使用[4] [5]。

2 線上線下聯動《計算機網絡》課程實驗教學

本文將計算機網絡課程的實驗整合為協議分析類、設備互聯類、常用服務類、大型綜合類等，通過線上線下聯動的方式開展，線上給出實驗內容及要求，學生先自行探索，遇到困難可以線上尋求資源及幫助;線下開展實驗驗證，理解基本原理，完成驗證后通過線上教師給出的思考題，啟發學生深入探究存在的問題，引導學生在實踐中思考，也有助于科學思維的培養[6]。

2.1協議分析類實驗

開展協議分析類實驗使學生掌握網絡協議相關的基本概念、了解協議的工作過程、加深理解協議的基本原理。實驗內容包括鏈路層EthernetV2 標準MAC 幀結構分析、網絡層IP數據報格式分析、傳輸層UDP和TCP報文格式分析、應用層HTTP、FTP等協議分析。實驗條件需要一款網絡封包分析軟件，常用的如Wireshark。根據這類實驗的特點，學生在課內課外都可以開展。教師在線上給出實驗內容、網絡封包分析軟件的使用說明，學生線下即可獨立開展實驗。相關的線上教學資源包括對各協議的介紹、網絡封包分析軟件安裝及基本操作視頻等。為了驗證實驗效果，可以在線上給出一些測試題，以IP數據報格式分析為例，測試題可分為兩種類別，一種類別是可以直接通過實驗觀察得到題目的結果，如請給出所觀察到的IP報文中各字段的信息。另一種類別是思考題，如請思考并給出能觀察到IP數據報分片現象的條件。通過線上測試，教師即可掌握學生實驗的開展情況。

2.2設備互聯類實驗

開展設備互聯類實驗使學生了解常用的網絡設備及其相關配置。實驗內容包括VLAN、靜態路由、RIP、OSPF、ACL、NAT等基本配置。實驗條件需要提供交換機、路由器等供實驗配置用的設備或虛擬仿真工具。根據這類實驗的特點，若實驗室不具備相應數量的真機時，采用虛擬仿真比較合適。虛擬仿真可以通過在線虛擬仿真平臺開展，這樣學生通過瀏覽器登錄至平臺即可開展虛擬仿真實驗，也可以離線開展，此時需要在PC機上安裝一款網絡仿真工具。相應的線上教學資源包括網絡仿真工具的使用、配置腳本、配置示例等。為了驗證實驗效果，可以要求學生線上提交配置腳本及測試結果，并給出相應的思考題，以VLAN配置為例，思考在什么情況下需要使用VLAN，如何實現VLAN之間的通信。

2.3常用服務類實驗

開展常用服務類實驗使學生了解常用的服務及其配置。實驗內容包括DHCP、DNS、WEB、FTP等。實驗條件需要操作系統的支持，此類實驗需要使用到多種操作系統，大多PC機上只安裝了一種操作系統，此時可以借助虛擬機技術，常用的虛擬機軟件如VMware[7]。這樣學生可以在單機上虛擬出各種類別的操作系統，然后進行各種服務的配置。相關的線上資源包括虛擬機軟件的使用，常用服務的工作原理、配置示例等。為了驗證實驗效果，可以要求學生線上提交服務運行測試效果圖。此外，教師在線上給出相應的思考題，以WEB為例，思考當前WEB廣泛用到的技術有哪些等問題。

2.4大型綜合類實驗

綜合性實驗包括兩方面的綜合，即對知識點的綜合以及在實驗手段上的綜合[8]。開展大型綜合類實驗使學生對所學網絡知識實現融會貫通，讓理論與實踐相結合，進一步提高學生的設計、思考、應用能力以及團隊合作能力。實驗內容為針對自己熟悉的學校或小型企業進行網絡建設方案設計及驗證，具體涉及網絡建設需求分析、拓撲結構圖繪制、設備選型、子網劃分、VLAN劃分，并在內部網提供DHCP、DNS、WEB、FTP等服務。綜合實驗涉及的知識點比較多，全部在實驗室完成需要占用較多課時，適合采用先仿真后實驗室驗證的方式。實驗室的網絡實驗設備一般按分組配置，即每個小組配置若干臺PC機、交換機、路由器、防火墻等，每個小組根據組網方案進行設備互聯、配置，然后驗證結果。具體實施分兩步走，第一步在實驗室外進行，首先小組每個成員做方案設計，其次小組討論確定本組的方案，然后進行虛擬仿真驗證可行性，最后將方案及仿真結果線上提交給教師審核。教師審核后進入下一步，在真機上進行方案驗證。此時可以按照之前仿真的方案進行設備連接、配置，然后測試運行情況。由于有了前期的方案仿真，可以大大縮短占用實驗室的時間，提高設備使用的效率。

3 結束語

采用線上線下聯動開展計算機網絡實驗，可以利用線上平臺對實驗的開展提供全方位的支持，融合虛擬仿真擺脫實驗時間地點的限制，提升實驗室設備使用的效率，調動學生參與實驗的積極性，加深對理論知識的理解。結合綜合實驗的開展，全面掌握計算機網絡的基本理論及實踐技能，對學生的團隊協作能力、創新能力也能得到有效地提高。

參考文獻：

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[3] 崔來中， 陸楠. 新工科背景下面向虛擬仿真實驗的計算機網絡課程實驗教學探索[J]. 計算機教育（03）：146-150.

[4] 孟祥成. 基于eNSP的防火墻仿真實驗[J]. 實驗室研究與探索， 2016，35（4）：95-100.

[5] 陸中武， 劉瀚， 劉俊. Cisco Packet Tracer軟件在計算機組網實驗教學中的應用[J]. 計算機工程與科學， 2016（A01）：163-166.

[6] 陳鳴， 謝鈞， 劉鵬，等. 計算機網絡課程中的科學思維訓練[J]. 中國大學教學， 2013（3）：62-64.

[7] 胡建興. VMware虛擬機在網絡專業課程中的應用[J]. 天津職業院校聯合學報， 2018， 20（4）：80-84.

[8] 陳黎， 饒堅， 孫界平， 琚生根. 雙創教育模式下計算機網絡綜合性實驗教學探討[J]. 實驗技術與管理， 2018，35（12）：195-198.

【通聯編輯：王力】