计算机网络实验教学模式探析
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1002-4107（2015）10-0024-03
计算机网络是一门专业性极强的课程，涉及很多复杂、抽象的网络理论知识[1]，是一门公认的比较难教学的课程。目前很多专家和学者对计算机网络的实验教学方法和教学模式进行了深入的研究和探讨。如，引入仿真技术进行实验教学[2-3]，改革实验教学内容和方法[4-5]，综合利用多种软件改进实验教学[6]，将原始套接字编程加入到实验教学内容中[7]，以加强学生对网络原理的理解，提高实践技能等。各个高校的研究都取得了一定的成效，但由于网络实验教学涉及师资规模、教学目标、实验平台、教学模式、教学方法、实验内容等很多因素，仍存在一些问题。学校需要根据各自的情况，深入分析，不断探讨，更新实践教学理念，创新教学模式，设计新的实践教学环节，不断完善高校计算机网络实验教学模式。
一、计算机网络实验教学存在的问题
（一）课程设置不合理
实验教学作为课程的实践环节受课时的限制，只能开展一部分基础验证型实验。不能涵盖课程包含的重要原理和技术，导致学生实践能力不健全。更无法开展创新型、设计型的实验项目，学生创新型思维的培养受到限制。
（二）实验平台建设滞后
计算机网络实验包括软、硬件实验，对实验环境要求很高。基于真实环境的实验教学无法应对网络协议的升级、网络技术迅速更新的问题。基于仿真平台进行实验教学对于新技术的支持很好，但是学生以此建立起来的实践能力总有种处在云端的虚拟感。
（三）教学方法单一
传统的实验教学方法单一，难以充分利用仿真环境与真实环境的优势，无法充分调动学生的积极性，更难培养学生独立分析问题、解决问题的能力。
（四）实验内容匮乏
实验内容的设计上普遍存在实验项目种类单一，跟不上技术更新节奏的问题。计算机网络课程所涵盖的重要网络原理很多，并且技术更新很快，目前很多学校的网络教学无法涵盖所有重要的技术原理，也很难升级对新技术的支持。在创新实验、综合型实验的设置上也存在严重的不足，难以培养学生健全的实践能力，更无法培养创新型思维。
二、创新实验教学模式的策略
计算网络实验教学涉及的因素很多，包括客观因素，如师资力量、生源质量等，主观的因素包括实验教学方法、教学模式、实验教学内容设置等。开展计算机网络教学必须基于学校现有的客观条件，充分发挥主观能动性，改进方法，创新模式，合理设计实验内容，以提高实验教学质量，增强学生的实践技能，培养创新性思维。
（一）完善实验课程设置
目前大多数高校，包括很多985、211院校的计算网络实验只是作为实验环节，而不是一门单独的实验课程。这样的设置存在以下问题。
1.实验课时太少。例如，西北农林科技大学开设的计算机网络课程共56个学时，理论课时40个学时，实验课时仅16个学时，导致实验项目不能涵盖计算机网络的关键技术原理，由此造成学生实践动手能力不健全。
2.学生创新思维的培养受制约。创新性思维需在掌握扎实的基本理论基础上，在创新性实验中开拓思路，不断地分析问题、解决问题锻造出来。受制于实验课时的限制，创新性实验设计严重不足，不利于学生创新性思维的培养。
3.学生主观不重视。学生往往认为实验课程只是理论课程的补充，只是通过实验验证理论，加深对网络基本原理的理解掌握而已，因此思想上并不是很重视，甚至认为基本原理明白后实验不做也可以。
以上问题的根源是实验课程设置的问题，如果能够将计算机网络实验课程单独设置为一门实验课，可使学生从思想上给予重视，改变重理论轻实验的思想；有了课时的保障将能够对实验项目种类进行合理设计，努力使基本实验项目涵盖关键技术原理，增设创新性设计实验，对健全学生的实践动手能力，开拓学生的思路，吸引学生的兴趣有极大的帮助。
（二）创新实验平台
仿真技术近年来在网络工程技术实验中广泛应用，对于资金缺乏和场地有限的院校是一个非常好的选择。目前成熟的网络仿真软件如，UC Berkeley大学开发的NS（Network Simulator）仿真软件，Cisco公司开发的Packet Tracer和华为公司的eNSP（Enterprise Network Simulation Platform）等。
基于网络仿真软件开展实验教学，主要具有如下优点。
第一，仿真平台不受时间和空间的限制，使学生有充分的自主权，有利于学生创新能力的培养。第二，建立平台的成本低，损耗小，投入产出高，并且可以模拟实施成本高，甚至难以实施的破坏性较强的实验。第三，仿真平台升级容易，拆除方便，生命周期长，并且实验过程中装配方便，实验效率高，有利于学生集中时间和精力专心研究实验的原理和方法，提高学生的学习兴趣和创新精神。第四，虚拟实验平台抽象层次高，可视化效果好，能够对实验的整体逻辑结构和数据流向有一个全局的认识，有利于学生对实验原理的掌握。
但是，基于仿真平台开展实验教学也存在一些缺点和不足。
第一，学生缺乏对真实实验设备、实验平台的直接感受和操作经验，因此基于仿真平台锻炼出来的实践能力相对于真实条件下的实践技能有一种不踏实的虚拟感。第二，学生如果只是基于仿真平台做实验，就会缺乏应对这些突发状况的能力，造成实践技能的虚拟化。因此，最好的实现方案是将网络仿真实验平台与真实的实验平台相结合，相辅相成，充分发挥各自的优势。虚实结合的实验模式最大的特点是，可以根据学校自身的财力状况和不同专业的特点灵活设计组合。并且能够非常方便地升级对新技术的支持，使学生紧跟技术发展的步伐。 （三）整合课堂实验与开放实验
实验课程受制于课时的限制，能够开展的实验项目毕竟有限。因此限制了学生做实验积极性的发挥，同时也阻碍了学生创新能力的培养。因此可以考虑将课上时间和课下时间相结合，充分合理地利用真实实验平台、仿真平台和学生的空余时间等各项资源，利求资源的优化配置，取得最好的实验教学效果。
首先，将计算机网络实验的所有的实验项目进行分类设计。如图1所示。从每个类别的实验项目中挑选出来一个或几个实验项目在实验课上进行。实验课教师理清实验思路，进行关键技术点的讲解，然后学生做实验，最后进行现场答疑和技术交流。其他类别内的扩展实验学生可以通过仿真实验平台在课下进行。仿真平台不受时间和空间的限制，学生可以自主安排实验时间，有利于调动学生的积极性，培养学生的兴趣。学生也可以到网络上进行预约，通过预约系统安排真实实验平台的使用时间和使用权限，开展基于真实平台的网络实验。以西北农林科技大学为例，实验项目可分类设计（如图1所示），也可以依照此实验设计思路，根据学校自身情况单独设定。
（四）创新实验项目设计
基于虚实结合的实验平台和课上与课下结合的实验模式，必须对实验项目进行创新设计以配套整个实验教学模式的开展。实验项目的设计必须考虑以下几个因素。
第一，必须涵盖开放系统互联参考模型每个层次的关键的技术原理或重要协议。目的是保证学生网络知识结构的完整，由此锻炼的网络实践能力才能健全。
第二，实验项目的设计应层次分明，实验难度成阶梯状。在基本实验的基础上，指明进阶的方向，从而调动学生的学习热情，激发学生的内在学习动力。
第三，实验项目的设计类型应多样化。从实验项目类型的角度分析，应包含基础验证型实验、软件开发型实验、综合设计型实验等几类。从实验内容的角度分析，应包含网络工程技术、网络协议分析、网络协议开发等内容。通过进行各种类型项目的实验，使学生熟练掌握纷繁复杂的网络技术原理，在实践中探索各技术原理的内在关系，从而建立一个完整的知识体系。由浅入深，由点到面，循序渐进地培养学生的实践能力和创新思维。
在每个具体的小的类别的实验项目设计中，又要满足课上课下的教学模式，因此具体实验设计如下。
1.基础验证型实验。基础验证型实验涵盖了计算机网络大部分的基本原理和技术。网络工程技术类共设计17个实验项目。学校可以根据自身的情况选择6至8个实验项目在实验课上进行，其他实验项目课下通过仿真平台由学生自行完成。详细实验项目如图2所示。
网络协议分析类共设计16个实验项目，基本涵盖了计算机网络中重要的协议。详细设置如图3所示。同样，可以根据学校自身的情况选择4―6个实验在课上进行，其他实验项目学生可以基于仿真平台在课下完成。
通过Windows2003服务器自带的IIS组件，搭建Web、Ftp、Dns等服务器。为了实验方便，在每台主机上安装Vmware虚拟机，在虚拟机中安装Windows2003操作系统，基于IIS组件搭建服务器。将虚拟机设置为桥接模式，这样虚拟机和宿主机组成一个局域网络。然后在宿主机上安装Ethereal 抓包分析软件，分析各种协议进行通信时的数据包，深入理解协议的运行原理。
2.设计型实验。设计型实验是在学生掌握基本原理和技术的基础上进行的，通过设计型实验加强学生对重要网络原理和技术的理解，提高学生的实践能力。详细设计如图4所示。网络设计型实验通过网络工程中一些常用的重要技术，如VLAN间路由、地址转换等技术，提高学生工程实际解决问题的能力。协议开发型实验基于Wincap和Libnet函数库设计，使学生在理解网络基本原理的基础上，能够独立开发程序对网络中的数据包进行抓包分析；掌握开发程序对数据包进行构造、发送，进行通信的能力。通过协议开发类实验，培养学生创新性的思维，锻炼学生创造性地解决问题的能力。
3.综合型实验。综合型实验分为组网建网综合型实验和网络开发型综合实验。综合设计型实验主要目的是为了锻炼学生综合运用所学知识解决实际问题的能力，使学生能够根据用户的需求，设计解决方案，并将实现方案付诸实际，如搭建一个功能完备的园区网络或者开发一个局域网数据分析与内容监控系统等。具体综合实验项目可根据学校自身情况设置3至4个即可。
三、实验教学模式的实施效果
西北农林科技大学信息工程学院的计算机网络实验教学，在实验平台、实验方法和实验项目设计上进行了部分的创新实践，取得了很好的实验效果。实验项目涵盖了几乎所有的基本网络技术原理，通过这些实验项目的练习，加强了学生对网络原理的理解，掌握了一定的网络实践技能。通过如图4的设计型实验，开创了学生的思路，培养了学生独立分析问题和解决问题的能力。
通过后期对学生进行追踪和调查发现，学生学习计算机网络的积极性明显提高，创新能力得到了加强，对于学习后续课程或参加科研活动和竞赛发挥着重要的作用。但是受实验课时的限制，部分实验项目还未开展，一些创新的实验方法还没有真正应用到实践中，还需平衡各方因素，切实将以上创新模式应用到具体教学实践中，进一步提升学生的创新实践技能。
实践教学是加深学生对重要网络原理的理解，提升学生实践能力，培养创新性思维的重要环节。本文分析了当前计算机网络实验教学存在的问题，探讨了在计算机网络实验教学中培养学生创新能力的思路和方法，主要从实验课程设置，实验平台建设，实验方法和实验内容设计等方面来探讨学生创新能力的培养模式，通过采用多样化的实验类型设计、综合化的实验方法设计和一体化的课内外实验设计等，逐步加强学生的实践能力，培养创新思维和创新技能。目前部分创新成果应用到了具体教学实践中，已取得了阶段性的成果。接下来将继续深化实验教学改革，以期取得更大的成果。
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