创新型计算机网络实验教学体系研究

徐守志　覃　颖　张红卫

摘要:由于计算机网络技术更新快、理论体系复杂,如何进行实验教学改革是网络实验教学面临的新问题。本文结合教学实践,介绍了计算机网络实验教学体系改革的基本原则,提出相应层次型教学体系,并为每个层次的实验教学提出并设计了相应的实验教学内容,为从事计算机网络实验的研究和发展提供相应的参考方案。

关键词:计算机网络;实验教学体系;教学改革

中图分类号:G642 文献标识码:B

1引言

随着计算机网络技术的迅速发展,当今社会需要大量熟练掌握计算机网络知识、网络系统规划、设计、建设和维护的专业技术人员。学生通过计算机网络实验课程的学习,提高在计算机网络方面的技能,才能适应社会的需要。计算机网络是一门实践性很强的专业课程,其实验教学与实践环节不仅仅是对理论教学的深化和补充,而且对培养学生综合运用所学知识、解决实际问题的能力也起着非常重要的作用。因此网络实验教学必须有利于优化学生的知识结构、培养学生的实践能力、科研能力和创新能力。网络实验教学本来没有现成的模式,需要进行认真的研究和探索。

2计算机网络实验教学现状

随着网络的普及,社会对网络人才的需求也在不断增加。目前,许多高校都设立了计算机网络这门课程,特别是对于计算机专业的学生来说,它已经成为一门重要的专业课,但传统的课程教学注重理论知识的学习,学生掌握大量的理论,却缺乏应有实践锻炼。计算机网络实验是有效提高学生实践能力的主要手段,目前网络实验教学尚处于探索发展阶段。目前国外一些大学都比较重视网络实验教学,且各有其特点,例如美国的Houston大学侧重于网络管理方面的教学,Canegie Mellon University侧重于网络测量等内容的教学,英国的Cambridge University侧重于网络安全和Internet技术的教学。我国清华大学的网络实验室主要侧重网络维护、网络协议编程等方面的实验教学。华中科技大学侧重于网络组建、网络安全以及新型网络技术应用等。全国各高校都在积极探索网络实验教学的教学体系和教学方法。一些高校资金相对雄厚,为学生提供了很好的实验环境,但还有相当多的学校投入不足,或者有一定的投入,但由于教学管理跟不上或师资不足等原因,造成网络实验教学质量难以提高。总体上看,计算机网络实验教学目前存在的主要问题有以下几点:

(1) 重理论,轻实践。实验内容以操作系统的网络配置和简单的网络协议配置为主,而这些实验几乎没有涉及新型网络技术。

(2) 重基础,轻技术。许多学校只能安排演示性、验证性实验,而让学生亲自动手的机会很少。还有一些学校利用一些模拟软件来做网络实验,无法达到真实实践的效果。

(3) 重验证,轻创新。很多高校的网络实验只是一些重复性的验证实验,难以锻炼学生的创新能力。

这些问题已经得到关注,为了更好地帮助学生理解网络工作原理、提高计算机网络应用和维护的技能,一些学校积极进行计算机网络实验教学改革,以培养具有动手能力强的网络人才作为教学目标。有必要针对不同层次的需要进行不同层次的教学,以满足社会各行各业对网络技术的需要。

3网络实验教学体系改革的原则

针对目前计算机网络的发展情况和网络实验教学的现状,进行网络实验教学改革要重点注意培养学生的实践能力和创新能力,应该遵循以下几个原则。

(1) 实践性与实用性。 在现代网络工程应用中,很多环节是需要思考、设计和规划的,说明我们本科教育的计算机网络实验不仅仅要求理论的验证和理解,更重要的是通过对网络的实际操作,培养学生对网络的分析、设计、管理与应用的实践技能,从而加深对网络理论知识的理解与应用。

(2) 内容体系的时代性。网络实验教学的目的除了加强理论知识以外,主要是促进学生的实践能力。网络技术更新快,而网络实验课时有限,加上实验条件限制,不可能在实验课程中学习太多的网络技术,但对于热门的网络应用技术,要尽可能地让学生有所体验,内容教学体系要融入先进的网络技术。

(3) 利于培养学生的创新能力。在掌握规定的实验教学内容后,可以对实验教学内容进行筛选、补充、综合,增设一些综合性、设计性和创新性的实验项目。增加新的实验内容,使实验教学能覆盖网络技术的基本内容,使实验教学体系科学和合理。在培养学生基本技能的同时,也要培养学生获取新知识的能力。

4实验教学体系改革的研究

计算机网络实验教学的改革要从教学体系改革入手,根据市场需要改革教学体系,并完善教学内容,让学生学有所用。

(1) 建立层次化的网络实验教学体系。针对目前网络教学的现状,进行网络实验教学的改革,要建立科学的网络实验教学体系,注重培养学生的网络应用能力、工程实践能力、编程设计能力和创新能力。分3层次建立网络实验教学体系。第一层次实验主要面向“计算机网络基础”课程开设网络基本技能实验课程,包括网络资源的搜索和使用、网络的基本接入实验、网络基本故障的判断和定位;第二层次实验是面向“计算机网络原理”课程开设网络协议仿真实验,加深学生对计算机网络原理课程的理解;第三层次实验面向“网络工程和网络管理”课程开设网络工程和网络管理系列实验项目。第一层次实验主要培养学生的网络的应用能力;第二层次实验主要培养学生对网络原理的理解和应用能力;第三层次实验培养学生的工程实践能力、编程能力和创新能力。经过3个层次的实验教学,使学生具备网络工程设计和施工的基本能力,掌握网络的应用、安装维护、故障排除、网络监控、网络编程和网络设计等实践技能。

(2) 完善网络实验教学内容。计算机网络覆盖主要计算机硬件、软件和通信等几个方面,是一个复杂的系统,也是一门理论性很强的课程。通过实验操作,培养学生对网络的分析、设计、管理与应用的技能,加深对计算机网络理论知识的理解与应用。网络实验教学中的实验与实验之间相互紧密关联,往往后续实验要在以前实验的平台上实现,实验的知识跨度大、综合性强,这给实验的教学实施提出了很高的要求。实验内容的设计是整个实验教学改革中最重要的一环,是实验教学改革的重点和突破口。对于计算机专业学生而言,计算机网络技术实验内容应具有新颖、实用、综合和可操作的特点。应该尽量将最新的、最实用的网络技术渗透进入实验教学当中,通过综合性的实验提高学生综合实践能力,以适应社会的需要。要形成完整、科学的实验教学课程体系。如果计算机网络实验作为独立实验课,就必须有完整的实验教学大纲、实验教学计划、实验教材以及实验教学参考书。单独设定学分,规定计划实验学时,建立考核评价体系。按照大纲,根据现有的实验条件,制定出切实可行的实验教学内容,在实验中体现和贯穿理论知识,保证实验内容先进、实验操作可行,设置必做与选做等多种层次实验项目,进行多层次的、灵活的、科学的实验教学。

从实践上看,实验内容还受到实验环境的限制,在设计实验内容时充分考虑实验条件,保证实验的可操作性。从实验室实际出发,围绕实验教学目标,按照验证型实验、设计型实验、研究型实验三个层次组织实施实验教学。具体而言,主要实验内容如下:

(1) 验证型的实验。根据计算机网络课程教学的需要,对基础理论进行验证性试验,面向的对象是理工类各种专业的学生。目前主要开设的主要实验包括:

① 网络组建和配置。如双绞线,同轴电缆接头的制作,网卡、HUB、MODEM等一些常用设备的安装,设置及使用;交换机的基本配置;路由器基本配置;VLAN组建和路由器配置。由于交换机及路由器这些设备比较昂贵,数量有限,首先通过使用模拟软件 (如BosonNetSim)来让学生熟悉交换机和路由器的配置,然后再让学生使用交换机和路由器等设备搭建网络进行配置和测试。通过这些实验使学生理解网络的拓扑结构、常用网络设备的工作原理,掌握一些常用网络工具的使用、交换机和路由器的基本配置。

② 网络服务的应用。在Windows和Linux平台上分别安装和配置 DHCP、DNS、WEB和FTP等网络服务。这些实验主要要求学生掌握这些网络服务的安装和配置,通过实验加深对这些服务的工作原理的理解,增强应用能力。

③ 对等网的实验。结合本校的情况,介绍本校的网络拓扑结构,通过网络协议的安装、对等网的设置、服务器的设置及登录访问,实现资源共享的目的,从而使学生理解局域网的互连及特点,理解网络拓扑结构的原理。

(2) 设计型实验。目的在于加强计算机网络技术的实践能力,主要面向的对象是计算机、通信等专业的学生。目前主要开设的主要实验包括:

① 路由选择协议、VLAN、IP访问控制列表及网络地址转换实验。这些实验可以让学生对路由设置、IP访问控制等操作以提高其网络应用水平和设计能力,培养学习的综合网络工作设计能力。

② 服务器的安全管理。实现在Windows平台上服务器的安装和调试,通过对用户帐号的安全管理、服务器的安全管理、常见的攻击软件的使用,让学生了解并掌握常见攻击与防范,如ARP攻击、禁止死网关、MAC地址与交换机端口的绑定等。

③ 网络安全与管理。通过学习和掌握一些网络管理软件和网络分析软件,使学生具备基本的网络分析和排除网络故障的能力。通过防火墙的配置,增强网络安全意识及了解网络安全的相关技术。通过这些实验使得学生理解到网络管理的必要性,了解网络管理的方法和手段及如何保护网络的安全。

(3) 创新型实验。目的在于强化学生的网络方案的设计能力、网络理论的系统运用、工程实践能力和团体项目的创造能力。目前开设的实验包括:

① 要求学生根据实际情况设计一些网络解决方案,如宿舍组网、办公室组网、实验室机房组网和网吧组网等解决方案,提高学生网络知识的综合应用能力。

② IPV6实验。结合网络实验室的条件,让学生实验IPV6协议的安装、IPV6局域网的互连、IPV4与IPV6的转换及互连、服务器的设置及登录访问、服务的应用等。

5结论与展望

开设网络实验课程的目的主要是促进对计算机网络主要理论的理解,培养实践能力和创新思维。在设备资源受限、学时量较少的情况下,如何合理地进行计算机网络实验教学改革,落实具体改革措施,有效地完成教学任务,是当前计算机网络实践教学的一项紧迫任务。教学内容和教学方法是实验教学的两个关键因素,经过近几年理论和实践的探索,呈现出一些共同的发展趋势:

(1) 网络实验教学体系层次化。学生的专业方向不同,接受能力不同,爱好兴趣不同,因此需要有针对性地进行多层次的教学。总的来说,实验教学的内容可以分为以下几个层次:

① 基础实验教学:重点要求学生掌握基本的知识和理论。

② 提高型实验教学:重点培养学生动手操作能力和综合设计的能力。

③ 研究创新型实验教学:引导学生探索未知领域,培养开拓精神与科研能力。

(2) 改革实验教学方法,提高实验教学水平。

① 改变被动教学式为积极引导方式为主,重视学生的主动性和学习能力。

② 针对不同层次的学习对象,采用不同的教学方法。基础型以验证性方法为主,引导学生思考相关的理论问题。提高型实验主要面对专业方向相关的学生,如计算机专业、通信专业等,以开设网络实用新技术、网络工程项目为主,引导学生团队进行综合设计和综合实践。创新型实验主要面对学习兴趣浓厚且具有一定理论水平和实践能力的学生,可以根据网络实验条件和网络技术发展趋势,引导学生进行新技术的实验或设计、开发。

本文结合教学改革的发展方向,分析实验教学体系和内容的改革措施。随着计算机网络的发展及新的网络技术提高,实验教学内容也将是一个动态的过程,计算机网络实验教学体系也必然是一个不断更新的体系,相关的老师也需要不断的探讨和提高,以适应教学的需要。

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