計算機網絡理實一體化教學改革與實踐研究

關鍵詞：計算機網絡；理實一體；教學改革；實施過程；教學效果

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）26-0170-04開放科學（資源服務）標識碼（OSID） ：

0 引言

計算機網絡作為高職電子信息專業的重要專業課，在其人才培養過程中具有重要的地位。然而，傳統的計算機網絡課程教學模式在培養學生的綜合素質和實踐能力方面存在局限性。大量的理論知識傳授和缺乏實際操作的問題，使得學生在真實場景中應用所學知識時常常感到困惑和無力[1-3]。因此，急需對計算機網絡課程進行教學改革，以更好地適應時代的需求和學生的學習需求。

在現代化的教學環境中，以傳統教室為中心的單向傳授已經無法滿足學生的需求。學生需要更多的實踐機會，將所學知識應用于實際問題的解決中，培養解決實際問題的能力和創新精神[4]。因此，理實一體化教學模式將成為推動計算機網絡課程教學改革的重要途徑之一。

本文旨在研究計算機網絡理實一體化教學改革的有效性和可行性，以提升學生的學習效果和實踐能力。通過將理論學習與實踐操作相結合，構建一個更加靈活、實用和創新的教學模式，能夠幫助學生更好地掌握計算機網絡課程所需的知識和技能。通過研究的探索和實踐，希望為未來計算機網絡課程教學模式的創新提供理論和實踐指導，并為高校教育改革提供新思路和實踐路徑，為教育改革的推進貢獻力量。

1 理實一體化教學的概念與特點

理實一體化教學是將理論學習與實踐操作有機融合，以培養學生實踐能力并提升其綜合素質。具體而言，理實一體化教學包括以下兩個方面的內容：

首先，理實一體化教學強調了實驗教學在計算機網絡課程中的重要性。通過實踐操作，學生能夠更深入地理解和應用所學的理論知識，從而加深對計算機網絡原理和技術的理解。針對不同難度和復雜度的實驗項目，應設計一系列與課堂教學內容相關的實踐項目。這些實驗項目的設計應逐步增加難度和要求，幫助學生提升解決實際問題的能力，并促進他們對計算機網絡的深入思考和理解。為了支持學生的實踐操作，需要提供良好的實驗環境，配備必要的網絡設備和仿真軟件。同時，還應提供實驗指導書和在線資源，以幫助學生獨立完成實驗內容。

其次，理實一體化教學強調了實踐能力培養的重要性與優勢。在計算機網絡行業，實踐能力對于就業至關重要，企業更加注重應聘者的實際操作能力和問題解決能力。通過理實一體化教學，學生能夠積累豐富的實際經驗，提升自身在就業市場中的競爭力。通過實踐操作，學生能夠接觸和解決真實的網絡問題和挑戰，深入理解計算機網絡技術在實際場景中的應用。這種實踐鍛煉使得學生能夠快速適應工作環境，并迅速解決實際問題。此外，實踐操作通常需要學生進行團隊合作，與同學共同完成實驗項目。通過實踐操作的團隊合作，學生能夠培養良好的協作和溝通能力，并學會有效地與他人合作解決問題。

2 理實一體化教學實施案例——網絡地址轉換NAT

2.1 案例介紹

網絡地址轉換（Network Address Translation，簡稱NAT） 是計算機網絡中常用的一種網絡技術，它主要用于實現私有網絡與公共網絡之間的通信。NAT技術允許將私有網絡內部的IP地址轉換為公共網絡可識別的IP地址，從而實現了它們之間的互聯。

NAT的基本概念是將私有網絡內部使用的IP地址映射到公共網絡上的IP地址。當私有網絡中的主機要與外部網絡進行通信時，NAT設備會對數據包進行修改，將私有地址替換為公共地址，以確保數據包能夠在公共網絡上正確傳輸。反之，在接收到來自公共網絡的數據包時，NAT設備也會將目標IP地址轉換成內部的私有地址，將數據包傳遞給相應的內部主機。

NAT涉及IP地址轉換和網絡通信原理，對于初學者來說，這些概念可能較為抽象和復雜。學生可能難以理解NAT的工作原理、轉換過程以及與其他網絡技術的關系。因此，在教學中，必須及時給學生提供實踐機會，讓學生親自搭建一個企業網絡，配置NAT設備以實現不同部門的互聯通信，并觀察實際數據包的轉換過程，這樣就可以有效地克服NAT教學的難點，提高學生對NAT的理解和應用能力。

2.2 教學模式和內容設計

2.2.1 教學模式

本研究采用翻轉課堂和實踐相結合的教學模式。具體而言，首先，教師提供線上微課教學資源，學生可提前學習網絡地址轉換（NAT） 的基本理論知識和實驗操作步驟。在課堂教學中，教師先對重點知識進行串講，隨后要求學生進行與NAT相關的網絡環境搭建和NAT設備配置等實驗操作。

2.2.2 教學內容設計

理論學習：學生通過在線學習資源和教師的課堂重點講授，學習NAT的工作原理、轉換過程等知識。具體內容如下：

在圖1所示的網絡中，專用網上的用戶主機都使用專用網的IP地址。那么專用網中的主機如何訪問因特網上的服務器資源呢？專用網必須通過一個具備網絡地址轉換（NAT） 功能的路由器接入因特網。這種路由器稱為NAT路由器，它擁有少量的全球公用IP 地址。當專用網的主機訪問因特網上的服務器資源時，首先主機會將IP數據報發送給NAT路由器。在專用網上，IP數據報的源IP地址是主機的專用IP地址，目的地址是服務器的IP地址。當NAT路由器接收到這個IP數據報后，會修改專用地址，使用其中的一部分全球IP地址，將專用的源IP地址替換為公用的全球IP地址。同時，NAT路由器會記錄公用IP地址和專用IP地址的對應關系，并轉發這個IP數據報。換言之，經由NAT路由器修改IP地址后，在因特網上傳輸的IP 數據報的源地址變為修改后的公用IP 地址，而目的地址仍然是要訪問的服務器的IP地址。

當服務器接收到訪問請求并向主機返回相關數據時，在因特網上傳輸的IP數據報的源地址應為服務器的IP地址，而目的地址應為NAT路由器之前轉換的公用IP地址。當路由器接收到服務器發送的IP數據報時，它會查詢自身的轉換表，以確定這個公用IP 地址對應的專用地址是什么。在將數據報轉發到內部網絡時，路由器會將公用地址重新替換為專用地址。因此，內部網絡設備能夠通過這個專用地址正確將IP數據報發送到目標主機（見圖2） 。

當內網或專用網絡中有多臺主機需要訪問服務器時，NAT路由器將會建立多個內網地址與公網地址之間的對應關系。然而，這種轉換方法存在一個問題：如果NAT路由器擁有N個全球IP地址，那么最多只能有N個內網主機能夠同時與因特網上的主機進行通信。如何解決這個問題呢？鑒于絕大多數網絡應用都使用了運輸層協議TCP或UDP來傳輸數據，因此可以利用運輸層的端口號和IP地址進行聯合轉換。通過這種方式，一個全球IP地址就可以使多個擁有內網地址的主機同時與因特網上的主機進行通信。這種將端口號和IP地址一同轉換的技術被稱為網絡地址和端口號轉換（NAPT） 。圖3 中的路由器是一個NAPT路由器，它只有一個全球公網IP地址，并且具有一個NAPT轉換表。在這個轉換表中，記錄了內網地址、端口號和公網地址、端口號之間的對應關系。通過這種方式，一個公網地址可以同時為內網的多個主機提供服務，滿足它們連接因特網、訪問因特網的需求。

實驗操作：采用實驗室設備和虛擬仿真環境，進行NAT網絡環境搭建、NAT設備配置以及數據包轉換觀察等實驗操作。同時，學生需要分析并解決實驗過程中可能出現的各種問題。具體步驟如下：

步驟一：在思科模擬器中搭建如下網絡拓撲（圖4） ，其包含兩臺主機、1臺交換機、兩臺路由器和1臺服務器。

步驟二：為網絡拓撲中的各設備配置IP地址、子網掩碼和默認網關。詳見表1。

步驟三：為路由器配置靜態路由，具體配置詳情見圖5所示。

步驟四：在路由器Router0上配置動態NAPTNAPT的配置只能采用命令行的方式進行，具體配置命令如下（//后面的內容為對相應命令的中文注釋）：

步驟五：觀察網絡間主機的通信及地址轉換過程。

通過PC0向Server0發送一個ICMP請求報文，通過連續點擊Simulation Panel 面板中的Capture/For?ward，不難觀察到：當ICMP請求報文到達Router0時，從PDU Information at Device： Router0面板（圖6） 可以看出源IP地址在此處進行了轉換，由192.168.0.1轉換為10.0.0.1。相反的，當Server0發回ICMP響應報文到達Router0 時，目的IP 地址在此處進行了轉換，由10.0.0.1轉換為192.168.0.1。

2.2.3 教學過程

教學過程分為以下幾個階段：

a） 學生預習：學生在課前通過在線學習資源預習網絡地址轉換（NAT） 的基本理論知識和實驗操作步驟。

b） 理論學習：教師通過課堂講授，對網絡地址轉換（NAT） 的重點知識進行詳細講解。

c） 實驗操作：學生利用實驗室設備和虛擬仿真環境，進行NAT的網絡環境搭建、NAT設備配置以及數據包轉換觀察等實驗操作。

d） 學生團隊合作：學生分為小組，展開實驗項目合作，共同解決實驗過程中可能出現的各種問題。實驗結束后，小組以單位進行匯報，展示他們的實驗成果。

2.3 課堂成績評價

如圖7所示，學生課堂成績由線上成績和小組實驗成績兩部分組成，具體為：課堂成績=線上成績×30%+小組實驗成績×70%；線上成績主要是由課程視頻學習成績、主題討論成績及線上作業成績三部分組成；小組實驗成績主要是由教師評價成績、小組互評成績和生生互評成績三部分組成。

3 理一體化教學改革的效果評估

在過去三年中，我們對262位參加混合教學的同學（分別為2020年的90位、2021年的87位和2022年的85位）的學習結果進行了統計分析。實施了理實一體化教學模式后，優秀人數和優秀率兩個指標都有顯著提高。以2020年為例，優秀率達到62.3%，相較于2019 年未采用混合式教學的23.5%，提高了38.8%。此外，學生的整體平均分數也增加了2%，說明采用理實一體化教學方法后，學生對知識的掌握和應用能力顯著提升。

近三年來，學生的期末考試平均成績和綜合平均成績都有明顯提高。在2021年，我們對實驗項目內容進行了改進，使得綜合平均成績提高至81.8。在此基礎上，我們進一步優化了線上學習和小組學習的內容，使得2022年的綜合平均成績達到84.3，較2021年提高了2.5%。圖8展示了近三年來學生的期末考試平均成績和綜合平均成績的變化趨勢，進一步證明了教學改革后學生對知識的掌握程度和問題解決能力的顯著提高。

4 結論

通過實施計算機網絡理實一體化教學改革，我們取得了以下成果和主要發現：在實施理實一體化教學后，學生在學術成績、知識掌握和實踐操作方面都取得了顯著的進步。他們對計算機網絡的理論知識有了更深入的理解，并能夠運用所學知識解決實際問題。通過團隊合作項目和實踐操作的實施，學生的創新能力、團隊協作能力和問題解決能力得到了培養和提高。他們學會了運用所學知識進行創新，并能夠獨立思考和解決實際的網絡技術問題。