軟硬件結合的計算機網絡實驗教學研究

韋忠亮 葛斌

摘要：同理論教學相比，計算機網絡實驗教學也是計算機網絡課程一個教學環節。在計算機網絡實驗教學中存在一些教學難點，例如計算機網絡的知識點眾多，學生對計算機網絡概念掌握存疑、學習本門課程的過程中興趣逐漸降低等現象。為提升計算機網絡課程總體的教學效果，加強學生的學習興趣，提出了軟硬件結合的實驗教學方案。通過課前布置軟件學習任務，課中利用硬件設備進行效果驗證，課后進行總結的方式，可以有效提升學生的學習效果。

關鍵詞：計算機網絡;實驗教學;軟硬件結合;教學方案;教學過程

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）36-0188-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Research on Experimental Teaching of Computer Networks Combining Software and Hardware

WEI Zhong-liang， GE Bin

（Anhui University of Science and Technology， Huainan 232001， China）

Abstract：Compared with theoretical teaching， computer network experimental teaching is also a teaching part of the computer network course. There are some teaching difficulties in the teaching of computer network experiments， such as the large number of knowledge points of computer networks， students' doubtful grasp of computer network concepts， and the gradual decrease of interest in the process of learning this course. In order to strengthen the overall teaching effect of the computer network course and deepen students' interest in learning， a practical teaching scheme combining software and hardware is proposed. By assigning software learning tasks before class， using hardware devices for effect verification during class and summarizing after class， students' learning effect can be effectively enhanced.

Key words：computer network; experimental teaching; the integration of hardware and software; teaching solution; teaching process

1 引言

計算機網絡課程是計算機科學與技術等相關專業的必修課程，也是被列入計算機學科專業基礎綜合全國統考的科目之一[1]。按新工科標準的要求，在計算機網絡課程的教學過程中包含了兩個組成部分，即理論教學和實驗教學。計算機網絡實驗教學，作為標準教學的組成部分，也需要給予足夠的重視。

理論教學的難點是理論知識較為枯燥，知識點繁多并要求學生掌握體系結構的組成;而計算機網絡的實驗教學需要結合工程知識讓學生對網絡的組建、網絡設備的使用等有一定的了解。它不是對理論教學進行重復，而是需要對理論教學進行很好地擴展和補充，兩者做到有機結合。同時，計算機網絡實驗知識量大且廣泛[2]，大多數學生無法掌握，這就進一步降低了學生學習的興趣，導致學習效果變差。此外，學生在學習的過程中由于課程設置、實驗室管理和實驗準備的原因，學生感覺實驗時間不夠，無法很好地把理論知識應用到實踐中，遇到問題無從下手，沒有獨立承擔網絡工程實踐的能力，很難達到工程認證的標準。

2 計算機網絡教學模式

計算機網絡實驗可以采用兩種形式開展：一種是利用軟件模擬器在虛擬的網絡平臺中完成概念化的網絡實驗，稱為軟件模式;另外一種是在具體的實驗室中利用真實設備完成組網的設計和實現，稱為硬件模式。

2.1 軟件模式

利用軟件模擬器在虛擬的網絡平臺中完成概念化的網絡實驗，這樣的好處是可以節省真實設備的購置費用，通過網絡指導書，學生可以跨越時間和空間，立刻進行實驗。

文獻[3]利用比較流行的軟件平臺即Boson NetSim來構建虛擬實驗室。這個軟件平臺的操作便捷，借助該軟件，學生可以方便地使用模擬設備，包括仿真路由器、仿真交換機以及仿真PC機等，而且軟件可以仿真的網絡連接方式比較多，比如PPPoE、以太網接入等。文獻[4]利用Ncomputing云終端來構建計算機網絡安全實訓實驗室，利用自帶的虛擬化軟件Vspace，在電腦主機上進行自動安裝。這種仿真PC上的資源比較豐富，可以虛擬出多個系統完成網絡配置，也支持多用戶多任務，使多個用戶利用該仿真PC登錄不同的賬戶。文獻[5]引入了華為模擬器eNSP，配置并設計實驗，引入二級機制。這樣做的好處是讓仿真平臺的操作更加類同于真實實驗環境，包括設備申請、仿真文檔審核等。

但是模擬器的功能和真實的網絡設備有一定的出入。計算機網絡的理論知識和計算機網絡的實驗只是因為其側重點不同，而重心不同，可能會導致學生在學習的過程中對計算機網絡理論教學和實驗教學的重視程度不同，無法學以致用。

2.2 硬件模式

軟件模式的弊端也說明，在有條件的情況下，學生最好能使用真實設備完成實驗內容，讓學生可以真實地接觸網絡設備，學以致用。

文獻[6]設計了一個綜合布線系統，包含了路由器和交換機的組網方案，在當時取得了很好的示范效果。隨著計算機網絡的發展，該方案需要結合現代網絡進行更新。文獻[7]給出了一個現實環境和模擬環境相結合的解決方案，但是其主要針對的是模擬環境里面的實現，布線系統完全對學生屏蔽，導致學生不能直觀地進行知識點學習。文獻[8]提供了一個不錯的計算機網絡實驗室的解決方案，利用了真實的各種設備，包括路由器、交換機、PC機等，但是其布線系統相對復雜，不利于該方案的推廣和實現。

3 軟硬件結合的計算機網絡實驗教學

3.1 實驗教學內容

應用型本科院校大多采用謝希仁編著的教材《計算機網絡》，該教材第一版到第六版采用“自底向上”的模式[9]。該教材的特點是糅合了現實中的TCP/IP體系[10]和OSI的七層模型，總結出了網絡教學的5個層次，自底向上描述。為此，筆者設計了如下實驗內容，共8個學時，每學時的內容如表1所示。

當計算機網絡的理論課程教學進入到網絡層時，所儲備的知識即IP地址的相關概念和簡單設置，即可滿足開展上述實驗。每個實驗的詳細描述如下：

（1）第1學時的實驗內容是常用網絡測試命令，包括Ping、Route和Net等。通過常用網絡命令的學習，使學生初步掌握整個網絡的測試方法。

（2）第2學時開展簡單組網實驗，學生可以學習如何使用路由器、交換機等設備進行網絡組建，同時還可以結合計算機網絡的理論教學去理解這些設備的工作原理。

（3）第3學時開展交換機VLAN劃分實驗，使學生在第2學時基礎上理解交換機不僅僅可以完成計算機之間的連通，還能夠進行更多的訪問控制。

（4）第4學時開展多交換機之間的跨交換機相同VLAN互訪，通過增加更多的網絡設備，完成VLAN的擴展，使學生進一步理解局域網的組網規則。

（5）第5學時開展路由器靜態路由的配置，這個實驗是理論教學中最重要的應用，結合IP地址和路由轉發協議，使學生加深跨越網絡互訪的概念。

（6）第6學時開展通過獨臂路由實現VLAN之間的互訪，結合第3、第4、第5學時的知識進一步完成局域網的擴充并逐步加深對廣域網的認知。

（7）第7學時開展動態路由配置協議之一的RIP，通過本次實驗，使學生理解動態路由的基本概念，結合理論教學，能加深學生的理解。

（8）第8學時開展動態路由配置協議之一的OSPF，通過本次實驗，使學生可以對動態路由協議進行比較，更加深入地理解RIP和OSPF的優缺點。

3.2 軟硬件結合的實驗教學設計

為完成以上實驗，結合計算機網絡課程組歷年的資源積累，筆者設計了軟硬件結合的實驗教學方案。在課前通過軟件的形式做學習和設計，課中通過硬件的方式驗證和實現。

（1）軟件方面

軟件方面采用華為網絡仿真平臺eNSP，該平臺通用性較好。和硬件資源相比，它可以很方便地完成組網的設計和布線，一個靜態路由實驗設計如圖1所示：

（2）硬件方面

在計算機實驗室建設過程中需投入硬件設備，確保了實驗室建設工作的順利進行，為學生提供一個安全、高效的實驗環境，為教師提供良好的教學、科研平臺。圖2展示的計算機網絡的真實實驗環境。

結合近十年的課程建設，為了完成實驗內容，所需的實驗設備包括實驗室機架控制和管理服務器5臺，路由器10臺，V.35電纜5根，三層交換機5臺，二層交換機5臺，含以太網卡的計算機20臺，可同時容納40人進行網絡實驗。

（3）軟硬件結合的教學設計

在實際的課堂教學中，教師應當及時關注學生的學習動態，把教學活動分成課前、課中、課后三個部分，互相促進。

課前布置eNSP軟件學習任務，結合實驗內容和eNSP軟件的實驗指導，給出定量評價標準。這一步非常關鍵，因為沒有目的的計算機網絡實驗學習更加容易讓學生產生迷茫。課中時刻關注學生的學習效果，隨時進行貼身指導。在教學活動中還要注意對新知識點的引入和擴展，比如學完組網設計后對路由的概念進行擴展學習，給學生指明下一步的學習方向。課后對學生提交的報告進行及時總結，促進知識點的鞏固和提高。比如可以利用課后視頻錄制講解常見網絡問題排錯的手段，讓學生及時把握住重心，并指明下一步的研究方向，例如增加Socket編程或者網頁設計等知識的介紹。

通過軟硬件結合的實驗手段，預計達到的目標是：在新工科的背景下，突出學生實踐技能的培養，在培養網絡管理員、網絡工程師、網絡規劃師的職業體系中，做出貢獻。

4 結論

單純地使用軟件模式或者硬件模式都會有一些弊端，本文根據計算機網絡的實驗內容，設計了一套計算機網絡實驗方案，硬件系統可以直觀地展示網絡間的連接，模擬器可以作為輔助手段幫助學生理解相關命令的使用。軟硬件結合，在計算機網絡實驗教學中達到了更好的教學效果。

參考文獻：

[1] 王昊鵬，王衛東，王娜，等.基于深度學習的計算機網絡原理混合教學設計[J].山東師范大學學報（自然科學版），2016，31（3）：47-54，59.

[2] 張啟蕊，王鶴嫻，周華英.計算機網絡課程教學研究[J].電腦知識與技術， 2012，8（18）：4382-4383.

[3] 付凡成，譚曉芳，龔瑋瑋.基于VR的開放式計算機網絡虛擬實驗室的有效性探究[J].計算機產品與流通， 2019（10）：36.

[4] 邵志晨.基于"云計算"虛擬化技術中職學校計算機網絡安全實訓實驗室的構建與研究[J].計算機產品與流通，2020（8）：143.

[5] 謝天異丹，張衛東，朱緣，等.基于QQ群的計算機網絡實驗室開放實踐[J].西南科技大學高教研究， 2018，34（4）：75-78.

[6] 方賢進，鄭誠.TCP/IP網絡綜合實驗室建設方案[J].安慶師范學院學報（自然科學版），2005（2）：75-78.

[7] 洪文圳，黃曉峰，陳玉琴.綜合型計算機網絡實驗室建設與研究[J].實驗科學與技術， 2017，15（2）： 148-151.

[8] 楊建清.計算機網絡項目化教學在網絡實驗室中的實踐[A].中國職工教育和職業培訓協會秘書處.中國職協2016年度優秀科研成果獲獎論文集（學校二等獎）[C].北京：中國職工教育和職業培訓協會秘書處， 2016：993-1005.

[9] 張萬禮.計算機網絡實驗教學改革[J].陰山學刊（自然科學版），2017，31（3）：126-128.

[10] 巫強.計算機網絡中TCP/IP傳輸協議的時效性研究[J].電腦知識與技術，2019，15（1）：57-58.

【通聯編輯：王力】