计算机网络课程实验教学改革探讨

周国军

摘要：针对计算机网络课程实验教学中网络设备不足、理论知识与实验脱节、实验课时偏少、教学方法单一等问题，提出利用仿真和协议分析软件搭建实验教学环境、采用“课内+课外”模式开展实验教学、根据理论教学和专业课程体系优化实验内容，并结合实际的教学案例，阐述运用反思性教学法开展实验教学的优点。

关键词：计算机网络；实验教学；教学改革；反思性教学

0.引言

计算机网络是计算机与电子信息类专业的一门基础课程，随着网络技术的快速发展，该课程在专业知识结构中显得越来越重要。计算机网络课程的理论知识多，既包含网络体系结构中各个层次的基本原理，又包含数据通信和网络安全的一些概念和技术。由于很多知识点抽象难懂，再加上网络技术不容易掌握，学生普遍感到学习难度大。

理论与实践是相互促进的，只有将理论与实验教学结合起来才能取得良好的教学效果。与理论教学相比，该课程的实验教学环节比较薄弱且普遍存在以下问题：①网络设备的数量和类型不能满足实验教学的需求，支持的实验项目很少，学生难以全面掌握实用的网络技术；②实验内容过于简单，实验教学与理论教学脱节，学生难以将所学理论应用于具体的实验项目中，不利于培养应用型网络人才；③实验课时偏少，学生在实验室上机练习的机会不多，难以提高学生的实践能力；④教学方法单一，实验教学的效果不好。针对这几个问题，本文对计算机网络实验教学的改革思路进行探讨，以期提高该课程的教学质量。

1.利用仿真和协议分析软件搭建实验教学环境

仿真软件可以模拟多种网络设备，解决了设备数量不足、类型单一的问题。与物理设备相比，仿真软件具有两个明显的优势：学生通过在自己的计算机上安装仿真软件，能够在课外随时动手实验，从而增加练习和操作的时间；大多数仿真软件都提供了简便的图形操作界面，用鼠标拖动需要的虚拟设备能快速建立网络拓扑结构，并且虚拟设备不会出现物理故障的问题，从而提高了实验效率。然而，要深入理解和掌握网络协议的工作原理，仅仅利用仿真软件进行实验是不够的，还要学会使用协议分析软件对网络中传输的数据包进行分析，因此，协议分析软件也是实验教学软件中不可缺少的一部分。

目前常用的网络仿真软件有PacketTracer、GNS3、VPCS、VitualBox等，常用的协议分析软件有Wtreshark、tepdump等，这些软件各有优缺点，综合利用多种软件可以满足不同实验项目的需要。利用PacketTracer、GNS3及其相关组件、Brmeshark搭建实验教学平台，能够实现无线局域网、校园网、小型企业网的解决方案，能够对TCP/IP协议栈进行抓包分析。可见，利用仿真和协议分析软件搭建实验教学环境是可行的。

2.采用“课内+课外”模式开展实验教学

（1）将实验内容分为课内实验和课外实验两部分，课内实验以验证性实验为主要内容，课外实验以设计性和综合性实验为主要内容。

（2）课内实验教学分为准备、上机、总结3个过程。在准备阶段，教师设计出实验项目，包括实验任务、实验拓扑、详细操作步骤、思考题等；学生根据教师给出的实验项目预习实验，明确实验目标，熟悉实验过程。在上机阶段，教师花少量时间对实验中的重点知识和容易出错的操作进行讲解和演示，指导学生上机操作。在总结阶段，学生写出实验报告，教师检查实验的完成情况，对实验教学的效果和存在的问题进行分析和改进。

（3）课外实验的教学过程如下：①教师给出具有探索性或综合性的实验任务；②学生自行设计实验方案，教师审核方案的可行陛并提供一些有针对性的参考资料，引导学生完成实验项目；③教师在实验课上对实验项目的完成情况进行评价。

课内实验加深了学生对所学理论知识的理解和掌握，课外实验给学生提供了更多操作练习和分析问题的时间，“课内+课外”模式培养了学生的动手能力和创新能力，有助于培养应用型和创新型网络人才。

3.结合理论教学和专业课程体系优化实验内容

计算机网络课程的实验内容多，学生在课内无法完成所有的验证性实验，而在课外布置过多的实验会增加学生的学习压力，这就要求教师对实验内容进行合理安排和优化，提高实验教学效果。实验教学的重点和难点是如何选取实验内容，不同专业有不同的专业课程体系，结合理论教学和专业课程体系制定合理的实验内容，优化方法如下：

（1）根据理论教学的重点、难点选取和整合实验内容。以网络层的实验教学为例：网络层理论教学的重点是IPv4协议、划分子网、CIDR、ARP协议、ICMP协议、RIP协议、OSPF协议、IPv6协议，理论教学的难点是划分子网、IPv6协议。考虑到在路由器上配置RIP、OSPF协议的基本步骤相差不大，但OSPF的链路开销值比RIP的距离值复杂，因此，选取OSPF协议的配置作为课内实验，将RIP协议的配置包含在其他实验项目中；由于对IP、ICMP、ARP协议的分析都使用GNS3和Wireshark软件，均可以采用由两台路由器相连构成实验拓扑，并且ICMP数据包是基于IP协议的，因此，对这3个协议的分析可以合并为一个课内实验；由于划分子网、NAT都是基本的组网技术，可以将其合并为一个课外实验。根据整合后的实验内容设计出4个实验项目，见表1。

从表1可以看出，优化后的所有实验内容可以在6课时内完成，达到了用少量实验项目覆盖大量理论知识的目标，能够使学生在相同的课时内掌握更多的网络技术。

（2）根据专业课程体系删减实验内容，避免实验内容重复。以笔者任教的信息与计算科学专业为例，该专业开设信息安全技术、Linux系统应用、Java、c、ASRNET等专业课程，其中，信息安全技术课程包含了密码体制、数字签名实验，Java、c撑课程包含了Socket编程实验，ASRNET课程包含了IIS服务器搭建实验，Linux系统应用课程包含了FTP服务器安装实验，这些内容就不再作为计算机网络课程的实验教学内容。

4.运用反思性教学法提高实验教学的效果

反思性教学是指教学主体借助行动不断探究与解决实际问题、努力提升教学实践合理性的过程，这个过程可以用“计划—行动一观察一反思”模型来表示。下面结合笔者的教学实践，以OSPF协议的实验教学为例来说明运用反思性教学法开展实验教学的过程。

（1）计划阶段。根据课内实验的要求设计实验项目，给出实验的详细步骤、配置命令、思考题等。实验的拓扑结构如图1所示，主要步骤如下。

步骤1：建立实验拓扑，设置主机PCI、PC2的IP地址和网关。

步骤2：对路由器R1NR6配置IP地址、OSPF协议。

步骤3：测试PCI与PC2是否能够正常通信，查看R1的路由表，查看R2的邻居。

思考题1：从PCI到PC2的ICMP报文经过了哪些路由器，为什么？

步骤4：将连接R2与R5的两个端口的链路开销值改为150，查看R1更新后的路由表。

步骤5：将Packet Tracer切换到simulation模式，在PCI上ping PC2的IP地址，观察ICMP报文的传输路径。

思考题2：如果要使从PCI到PC2的回应请求报文只能经过R3、不能经过R4，采用什么方法可以满足这个要求？

（2）行动、观察阶段。组织实验教学。首先，讲解实验的主要内容，以R2为例，重点讲解几个配置命令：启动OSPF进程routerospf 100，宣告直连网络network10.12.0.0 0.0.255.255 area 0.0.0.1.查看路由表show ip route，查看OSPF邻居show ip ospf neighbor，修改开销值ip ospf cost 150。接下来，指导学生做实验，观察实验过程中出现的问题。在实验中发现的问题：PCI与PC2不能通信，路由器端口的IP地址设置混乱不清，子网掩码设置错误，网段所在的区域号设置错误，没有正确修改指定端口的开销值，而是修改了其他端口的开销值。此外，有几位学生对OSPF的链路开销值计算不清楚，还有一些学生没有完成实验任务。

（3）反思阶段。分析出现问题的原因并改进。根据学生反馈的情况，实验任务不能顺利完成的主要原因有两个：路由器的个数太多、网段太多、子网掩码的位数不统一，导致端口的IP地址设置错误、网段所属的区域号设置错误；没有理解OSPF链路开销的度量方法，错误地认为OSPF的开销值与RIP的距离是相同的概念。分析原因后作以下改进：减少两个路由器和3个网段，网络号统一为16位，区域标识由点分十进制表示改为由一个十进制数表示，改进后的实验拓扑如图2所示；为了能更好地理解OSPF链路的开销值，增加一个步骤：将连接R2与R3的两个端口的带宽改为128 kbps，并讲解修改端口带宽的命令bandwidth、查看OSPF详细信息的命令show ip ospfinterfaceo

计算机网络实验教学的难度较大，在教学过程中会遇到较多的问题，采用反思性教学法可以及时发现教学中出现的问题，有助于不断提高实验教学的效果。

5.结语

实践证明，利用仿真和协议分析软件在实验室搭建实验教学平台，满足了多个专业的实验教学需求；采用“课内+课外”模式开展实验教学，将反思性教学法应用于实验教学中，结合理论教学和专业课程体系优化各个章节的实验内容，建立较为全面的实验项目，这些措施使得教学效果不断提高。然而，P2P技术的广泛应用、无线网络和云计算技术的快速发展、IPv4向IPv6的逐步过渡等，这些将对实验教学环境和教学方法提出更高要求。如何才能更有效地对这些新技术开展实验教学，还有待我们进一步探索和实践。