线上线下联动《计算机网络》课程实验教学研究
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作者:邹明亮
摘要：针对计算机网络课程传统实验存在的不足，分析了目前开展该课程实验的条件，探讨了课程实验的主要特点以及开展方式，依托在线平台，创新实验教学模式，融合虚拟仿真与实验室物理设备，构建线上线下联动的课程实验教学方法。该方法既注重线上对实验教学的支撑，又注重了线下实验的灵活开展，以及实验教学课时的充分利用，培养学生的实践与创新能力。
关键词：线上线下;计算机网络;课程实验;教学模式;虚拟仿真
中图分类号：G434 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2019）26-0108-02
开放科学（资源服务）标识码（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
计算机网络课程是高校计算机类专业的一门重要的专业课程，是迅速发展并在信息社会中得到广泛应用的一门综合性学科，对实践动手能力要求比较高。探索培养符合能力需求，适应社会发展的网络技术人才，是计算机网络课程教学中亟待解决的问题[1]。课程的实验开展需要紧跟时代发展，线上线下联动的开展实验教学，学生可以通过线上获得课程实验的资源，对线下实验的开展提供有效支撑，线下的实验融合虚拟仿真，减少对使用物理设备的依赖，提高实验室物理设备的使用效率，突破课程学时数的限制，并可通过线上平台交互达到更好的教学效果。
1 计算机网络实验目前主要的开展方式及优缺点
1.1利用真实物理设备
专业实验室提供的真实物理设备对于培养学生的实验技能起着举足轻重的作用，计算机网络课程的实验开展也离不开专业实验室。其一，实验室里面的真实物理设备能让学生对设备的外观有切身体会，如对于一款交换機，学生可以看到它外形、品牌标志、型号、接口等，从而形成一种直观的认识。对于双绞线、光纤等通信介质，除了感受外观，还可以自己动手制作网线，测试连通性等。其二，通过对看得见的设备进行配置，并且观察到配置效果，学生就能体验到自己真正具备配置这种设备的能力，对于以后工作当中碰到同类设备时，能提升自己的自信心。其三，当实验中遇到一些问题时，面对真实设备学生会更积极的想办法解决，若采用的是虚拟仿真，学生一方面会考虑是不是自己确实错了，另一方面也会怀疑仿真程序是不是有什么问题，这会给实验带来不确定性，心里缺乏踏实感。另外有些问题只有在使用真实设备时才能出现，在仿真环境中可能不会遇到，如网线接上了，但线路不通，在真实环境下可能由于网线中间有断开或接口接触不良等导致。利用真实物理设备开展实验，也可以在Web 网页上提供实验室远程登录的连接，方便学生随时随地远程访问实验设备，提高实验资源的利用率[2]。
1.2利用虚拟仿真工具
将虚拟实验教学融入现有计算机网络实验教学体系，是一个开放且重要的研究方向[3]。利用虚拟仿真开展计算机网络实验也有其特有的优势。首先，开展虚拟仿真实验学生只要利用PC机加上虚拟仿真工具就可以，不必在特定时间前往实验室开展，因此不受时间、地点的限制。其次，不受设备的限制，开展网络实验，有时需要用到交换机、路由器、防火墙等多类多个设备，一般专业实验室很难一次提供如此多的设备给单个学生使用。然后，开展虚拟仿真也能达到较好的实验效果，同样可以理解实验过程，可以观察实验现象，也可以提高动手能力。目前开展虚拟仿真的条件也比较成熟，有如eNSP、Cisco Packet Tracer等可扩展、图形化操作的网络仿真工具供学生们选择使用[4] [5]。
2 线上线下联动《计算机网络》课程实验教学
本文将计算机网络课程的实验整合为协议分析类、设备互联类、常用服务类、大型综合类等，通过线上线下联动的方式开展，线上给出实验内容及要求，学生先自行探索，遇到困难可以线上寻求资源及帮助;线下开展实验验证，理解基本原理，完成验证后通过线上教师给出的思考题，启发学生深入探究存在的问题，引导学生在实践中思考，也有助于科学思维的培养[6]。 2.1协议分析类实验
开展协议分析类实验使学生掌握网络协议相关的基本概念、了解协议的工作过程、加深理解协议的基本原理。实验内容包括链路层EthernetV2 标准MAC 帧结构分析、网络层IP数据报格式分析、传输层UDP和TCP报文格式分析、应用层HTTP、FTP等协议分析。实验条件需要一款网络封包分析软件，常用的如Wireshark。根据这类实验的特点，学生在课内课外都可以开展。教师在线上给出实验内容、网络封包分析软件的使用说明，学生线下即可独立开展实验。相关的线上教学资源包括对各协议的介绍、网络封包分析软件安装及基本操作视频等。为了验证实验效果，可以在线上给出一些测试题，以IP数据报格式分析为例，测试题可分为两种类别，一种类别是可以直接通过实验观察得到题目的结果，如请给出所观察到的IP报文中各字段的信息。另一种类别是思考题，如请思考并给出能观察到IP数据报分片现象的条件。通过线上测试，教师即可掌握学生实验的开展情况。
2.2设备互联类实验
开展设备互联类实验使学生了解常用的网络设备及其相关配置。实验内容包括VLAN、静态路由、RIP、OSPF、ACL、NAT等基本配置。实验条件需要提供交换机、路由器等供实验配置用的设备或虚拟仿真工具。根据这类实验的特点，若实验室不具备相应数量的真机时，采用虚拟仿真比较合适。虚拟仿真可以通过在线虚拟仿真平台开展，这样学生通过浏览器登录至平台即可开展虚拟仿真实验，也可以离线开展，此时需要在PC机上安装一款网络仿真工具。相应的线上教学资源包括网络仿真工具的使用、配置脚本、配置示例等。为了验证实验效果，可以要求学生线上提交配置脚本及测试结果，并给出相应的思考题，以VLAN配置为例，思考在什么情况下需要使用VLAN，如何实现VLAN之间的通信。
2.3常用服务类实验
开展常用服务类实验使学生了解常用的服务及其配置。实验内容包括DHCP、DNS、WEB、FTP等。实验条件需要操作系统的支持，此类实验需要使用到多种操作系统，大多PC机上只安装了一种操作系统，此时可以借助虚拟机技术，常用的虚拟机软件如VMware[7]。这样学生可以在单机上虚拟出各种类别的操作系统，然后进行各种服务的配置。相关的线上资源包括虚拟机软件的使用，常用服务的工作原理、配置示例等。为了验证实验效果，可以要求学生线上提交服务运行测试效果图。此外，教师在线上给出相应的思考题，以WEB为例，思考当前WEB广泛用到的技术有哪些等问题。
2.4大型综合类实验
综合性实验包括两方面的综合，即对知识点的综合以及在实验手段上的綜合[8]。开展大型综合类实验使学生对所学网络知识实现融会贯通，让理论与实践相结合，进一步提高学生的设计、思考、应用能力以及团队合作能力。实验内容为针对自己熟悉的学校或小型企业进行网络建设方案设计及验证，具体涉及网络建设需求分析、拓扑结构图绘制、设备选型、子网划分、VLAN划分，并在内部网提供DHCP、DNS、WEB、FTP等服务。综合实验涉及的知识点比较多，全部在实验室完成需要占用较多课时，适合采用先仿真后实验室验证的方式。实验室的网络实验设备一般按分组配置，即每个小组配置若干台PC机、交换机、路由器、防火墙等，每个小组根据组网方案进行设备互联、配置，然后验证结果。具体实施分两步走，第一步在实验室外进行，首先小组每个成员做方案设计，其次小组讨论确定本组的方案，然后进行虚拟仿真验证可行性，最后将方案及仿真结果线上提交给教师审核。教师审核后进入下一步，在真机上进行方案验证。此时可以按照之前仿真的方案进行设备连接、配置，然后测试运行情况。由于有了前期的方案仿真，可以大大缩短占用实验室的时间，提高设备使用的效率。
3 结束语
采用线上线下联动开展计算机网络实验，可以利用线上平台对实验的开展提供全方位的支持，融合虚拟仿真摆脱实验时间地点的限制，提升实验室设备使用的效率，调动学生参与实验的积极性，加深对理论知识的理解。结合综合实验的开展，全面掌握计算机网络的基本理论及实践技能，对学生的团队协作能力、创新能力也能得到有效地提高。
参考文献：
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[3] 崔来中， 陆楠. 新工科背景下面向虚拟仿真实验的计算机网络课程实验教学探索[J]. 计算机教育（03）：146-150.
[4] 孟祥成. 基于eNSP的防火墙仿真实验[J]. 实验室研究与探索， 2016，35（4）：95-100.
[5] 陆中武， 刘瀚， 刘俊. Cisco Packet Tracer软件在计算机组网实验教学中的应用[J]. 计算机工程与科学， 2016（A01）：163-166.
[6] 陈鸣， 谢钧， 刘鹏，等. 计算机网络课程中的科学思维训练[J]. 中国大学教学， 2013（3）：62-64.
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[8] 陈黎， 饶坚， 孙界平， 琚生根. 双创教育模式下计算机网络综合性实验教学探讨[J]. 实验技术与管理， 2018，35（12）：195-198.
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