新工科背景下基于Packet Tracer的計算機通信與網絡課程實踐教學方法探索*

廣州工商學院工學院 廖伯勛

計算機通信與網絡課程強調實踐和應用能力的培養，但由于高校計算機網絡實驗室存在多種弊端，如實驗設備的不足、實驗場所有限、實驗設備維護麻煩、實驗效率低、教師檢查實驗結果工作量大等問題，高校通常難以滿足學生對實驗室的需求。為解決以上問題，提出基于Packet Tracer的計算機通信與網絡課程仿真實踐教學方法，激發學生的學習興趣，幫助學生完成從被動學習到主動學習的轉變。

新工科建設要求創新工程教育方式與手段,落實以學生為中心的理念，增強師生互動，改革教學方法和考核方式，形成以學習者為中心的工程教育模式。推進信息技術和教育教學深度融合，充分利用虛擬仿真等技術創新工程實踐教學方式[1]。計算機通信與網絡是一門理論性、系統性和實踐性很強的課程，概念術語多，原理抽象，學生學習興趣不高，容易感到枯燥。

1 Packet Tracer簡介

Packet Tracer是思科公司專門為網絡學習者開發的一款可用于學習網絡原理、搭建網絡拓撲、配置網絡設備、排除網絡故障的網絡模擬器軟件[2]。Packet Tracer有一個活動向導（Activity Wizard）的工具，該工具允許教師創建可自動評分的實驗項目，既可用于平時實驗考核，也可用于期末課程考試。教師通過Activity Wizard，搭建實驗的初始網絡（Initial Network）和答案網絡（Answer Network）[3]。學生在初始網絡中，按照老師發布的任務說明書（Instructions）進行實驗操作，完成實驗設備之間的連線以及實驗設備的配置。Activity自動對學生的操作進行實時評估，顯示實驗完成進度，給出錯誤提示，自動評分。本文基于Packet Tracer的Activity Wizard工具，提出一套適用于不同學習階段的實踐教學方法。使用Activity Wizard進行實踐教學活動的步驟如下：（1）教師制作實踐活動的任務說明書（Instructions）；（2）教師制作初始網絡，學生稍后答題時在初始網絡中進行實操；（3）教師制作答案網絡，學生操作后的初始網絡將與答案網絡進行比對；（4）教師設置考核點和每個考核點的得分[4]；（5）教師將該活動的文檔（擴展名為.pka）發給學生；（6）學生實操答題，完成后提交給教師；（7）教師查看自動評分的結果。

2 基礎階段的實踐教學

在教學的前期階段，學生對計算機網絡的術語比較陌生，對網絡的原理普遍感到過于抽象，容易枯燥，失去學習的興趣和信心。在這一階段，最重要的是激發學生的學習興趣。教師可設計簡單的并且大部分學生都容易完成的實驗。基礎階段的實驗內容，以TCP/IP協議棧中的第一層物理層和第二層數據鏈路層為主。

如圖1所示的實驗，可以訓練學生如何使用合適的線纜連接各種各樣的網絡設備。在這個實驗中，最容易的是選擇要連接的端口（實驗說明已明確給出），稍難的是如何選擇合適的線纜（需要對直通線和交叉線的使用有正確的認知）以及增加一臺設備作為調試終端并使用RS232串口線連接交換機（實驗說明未詳細給出），較難的是路由器之間需要下電更換模塊，然后重新上電啟動（實驗說明中未提及）。

圖1 基礎階段實驗項目的初始網絡和答案網絡Fig.1 The initial network and answer network of the experimental project in the basic stage

在如圖2所示中，學生可以查看實驗當前的完成進度，學生每做一次正確的操作，完成進度均有一定的增加。這種正向激勵，可以讓學生處于興奮的狀態中，激勵學生不斷克服困難，向100%的完成度不斷前進。當Completion達到100%時，學生將獲得很大的成就感。

圖2 完成一個正確的實驗操作后的Completion前后對比Fig.2 Completion before and after completion of a correct experimental operation

倘若學生遇到某些關卡實在做不出來，可以點擊實驗說明的小窗口下面的Activity Result按鈕，切換到Assessment Items標簽頁，查看詳細的完成情況。綠色√標記的是已正確完成的操作，紅色×標記的是未做或者未正確的操作。比較難的操作的Feedback欄還顯示了老師給出的提示，如路由器連接Serial接口的類型有“請確認端口模塊是否正確”的提示，如圖3所示。

圖3 Assessment Items窗口Fig.3 Assessment Items window

Activity可以自動對學生的操作進行評分，老師只須將擴展名為.pka的實驗文件發給學生，學生完成實驗后將文件交給老師，老師就能直接查看學生的實驗得分。不會出現漏打分，錯打分的情況，大大減輕了老師的工作量。如圖4所示為Activity自動評分的結果。

圖 4 自動評分結果 Fig.4 Automatic scoring results

3 進階階段的實踐教學

這一階段的時間教學應體現一定的高階性，具備一定挑戰度。經過了前期的學習，學生對基本概念、術語、原理已有比較清晰認知，已基本能運用網絡協議理論去指導實踐了。這一階段的實踐教學內容對應TCP/IP協議棧中的第三層網絡層、第四層運輸層以及第五層應用層，涉及的具體實踐內容包括VLAN、IP地址、ARP、靜態路由、RIP、OSPF、DNS、DHCP等。以靜態路由的配置實驗為例。

3.1 實驗目的

（1）掌握PC接口IP地址信息的配置。

（2）掌握路由器接口IP地址信息的配置。

（3）掌握靜態路由的配置。

3.2 實驗內容

（1）為各PC配置合適的IP地址信息，為后期測試做準備。

（2）為路由器接口配置合適的IP地址信息，以實現直連網段互通。

（3）為各路由器配置正確的靜態路由，以實現全網互通。

3.3 實驗拓撲

靜態路由配置實驗拓撲結構如圖5所示。

圖5 靜態路由配置實驗拓撲Fig.5 Static route configuration experimental topology

3.4 IP地址規劃

在本階段將考核學生對所學理論知識的靈活運用。例如表1所示配置PC的IP地址時，實驗說明只給出了PC所屬的網段，并未直接給出具體的IP地址。以配置PC1的IP地址信息為例，學生需要根據分配給PC1的網絡地址塊172.16.11.0/25，首先計算出子網掩碼為255.255.255.128，將網絡地址172.16.11.0與掩碼255.255.255.128做與運算，得出網絡地址為172.16.11.0；根據25bit網絡位計算出主機位為7bit，最小可指派IP為172.16.11.1，最大可指派IP地址為172.16.11.126，在這個范圍內任意取一個地址指派給PC1，取另一個地址指派給R1的F0/0接口。為了實現跨越網絡的通信，PC1還必須設置網關（實驗指導書未明確說明）為R1的F0/0接口的IP地址。因為以上計算出來的IP地址并非唯一答案，所以要求老師在設計活動向導的時候，必須使用正則表達式對答案的范圍進行限定，在某一范圍內的值均正確。這樣設計出來的實驗項目，具有很大的靈活度。

表1 設備所屬網段規劃Tab.1 Planning of the network segment to which the device belongs

學生雖然通過計算得到正確的值，但不一定能一次就正確地完成實驗。Packet Tracer模擬器的活動向導提供了調試功能，學生在任何時候都可以通過相關的命令對實驗配置進行測試。例如，可以使用ping命令測試連通性，通過show ip route查看路由表，通過show ip interface brief查看路由器接口的IP地址信息。

4 期末階段的實踐考試

這一階段應體現學生對所學知識的綜合運用能力。老師可通過Packet Tracer模擬器的活動向導功能，設計綜合性的實驗測試題，來考核學生的綜合實操能力。考核的內容應涵蓋TCP/IP協議棧中五個層次的內容。與上一階段不同的是，在考試的Activity中，必須設置鎖定“View Assessment Items”，禁止學生查看得分情況，同時鎖定“Reset Activity”，以免學生誤觸該按鈕導致Activity被重置。為了防止學生拷貝其他同學的Activity，可在Instructions中插入代碼“”（test1是事先定義的隨機變量），以隨機生成“試卷編號”。

5 結語

新工科建設對計算機通信與網絡課程的實踐教學提出了更高的要求，根據多年的教學和研究，提出基于Packet Tracer的Activity Wizard工具進行實踐教學項目設計的方法，滿足基礎、進階和考試等不同階段的不同教學需求。Packet Tracer的Activity Wizard也有不足的地方，它一般只能制作驗證型和綜合型的實踐項目，在設計性實驗方面存在短板。今后努力的方向是如何更好地開發設計型的實驗項目。

引用

[1]唐燈平,凌興宏,魏慧.新工科背景下的計算機網絡類課程實踐教學模式探索[J].計算機教育,2019(1):72-75.

[2]姚友軍.制作Packet Tracer行動向導實例指導實驗實現自動評價[J].現代信息科技,2020,4(22):177-184.

[3]陳濱.基于思科模擬器構建網絡實驗課程考核系統的探索[J].信息與電腦,2019(14):55-57.

[4]宋白玉,曹燕.淺談Cisco Packet Tracer的Activity Wizard功能在網絡類課程實訓中的應用[J].電腦知識與技術,2018,14(35):102-105.