新工科背景下的计算机网络类课程实践教学模式探索

唐灯平，凌兴宏，魏 慧

（1.苏州大学文正学院，江苏 苏州 215006；2.苏州大学 计算机科学与技术学院，江苏 苏州 215006；3.江苏省计算机信息处理技术重点实验室，江苏 苏州 215006）

0 引 言

新工科建设要求创新工程教育方式与手段，落实以学生为中心的理念，增强师生互动，改革教学方法和考核方式，形成以学习者为中心的工程教育模式。推进信息技术和教育教学深度融合，充分利用虚拟仿真等技术创新工程实践教学方式[1]。计算机网络类课程在具体教学实施时往往面临同样的问题，即如何创造实验环境让学生通过实验来验证理论，从而有利于学生对理论知识的深入理解[2]。创建计算机网络实验室是高校通常使用的方法。实践证明，单独运用计算机网络实验室存在弊端，包括①需要专门的实验场所，并且对实验场所要求较高；②购买设备资金投入较大，预算较高；③设备更新换代较快，需要不断更换设备；④长时间被入门级学生使用设备容易损坏且维护麻烦，需要专人管理维护；⑤小组同学共享一套实验设备导致实验效率差，学生时间浪费严重；⑥实验时间和地点不灵活，学生只能在规定时间、固定地点进行实验；⑦实验结束需要恢复设备配置，更改网络拓扑，工作量较大；⑧教师检查实验结果麻烦，等等。种种弊端导致仅仅利用计算机网络实验室进行实验很难达到预期效果。在网络实验中灵活运用仿真环境改变传统计算机网络类课程实践教学模式，能够有效解决计算机网络实验室存在的弊端。实践证明，灵活运用仿真环境的新教学模式能够达到较好的教学效果[3]。

1 以新工科为理念，合理利用网络实验室及各种仿真软件长处完成相应实验

计算机网络类课程常见的仿真平台有：Boson NetSim、Packet Tracer、GNS3以及 EVENG等。Boson NetSim和Packet Tracer仿真软件支持的命令有限，使用受到限制。终端计算机均需安装软件才能使用，管理工作量大，不能在线配置，只能满足部分实验。Packet Tracer仿真平台支持数据包分析，使用简单[4]。

GNS3是一款具有图形化界面可以运行在多平台的网络虚拟软件，能够虚拟体验Cisco网际操作系统IOS，该平台占用系统资源较大，仿真设备数量增加严重影响整个系统的运行。软件需要安装后使用，工作量大、资源占用高，不能在线配置[5]。

EVE-NG仿真平台基于B/S模式。基于B/S架构在线网络仿真系统，由于管理方便，使用灵活，只要一台能够上网的机器就可以进行网络实验。同时支持多用户同时在线，满足在线检查实验结果。能够对多种厂商设备支持，对多种网络设备类型支持，同时能够仿真多种类型网络设备的复杂实验[6]。

计算机网络类课程主要涉及计算机通信与网络、网络工程与组网技术以及计算机网络管理与维护3门课程。计算机通信与网络课程涉及的实验见表1。

实验1双绞线的制作，需要学生真正动手实践才能掌握，实验室需要提供双绞线、水晶头、压线钳、测线仪。通过该实验学生能够掌握双绞线的工作原理，学会直通线和交叉线的制作过程。实验2、实验3以及实验4包括后面的实验7和实验8，有个共同的特点是分析数据包过程。这几个实验可以利用拥有众多优势的B/S架构仿真实验平台EVE-NG很好地完成。EVE-NG可以和抓包软件Wireshark组合使用，抓包效果和在实际工作环境中相同。

通过搭建2台路由器、2台电脑、3个网段的网络拓扑，配置网络相关参数，通过动态路由协议RIP将网络互连。设置通过Wireshark软件抓取路由器接口数据包，通过在PC机之间进行ping 测试，可以进行数据包的抓取。抓包如图1所示[7]。实验效果明显。

表1 计算机通信与网络课程实验教学安排

图1 在线仿真平台EVE-NG抓包过程

抓包实验同样可以利用仿真软件Packet Tracer完成，具体如图2所示。比较EVE-NG和Packet Tracer 这两款仿真软件在抓包实验中各有优劣，可以适当选择使用。EVENG优点主要表现在:①和真实抓包软件配合使用，模拟实际的抓包过程；②基于B/S架构，便于统一管理。缺点为显示结果不直观，需要仔细分析。Packet Tracer仿真软件优点表现在：使用方便，抓包结果显示清楚比较直观，适合初学者；缺点为抓包结果为仿真效果，和实际抓包显示结果有差别。

实验5、实验6关于静态路由和动态路由实验可以利用EVE-NG仿真平台和Packet Tracer，EVE-NG在线仿真平台基于B/S模式，可以统一管理，Packet Tracer需要每台电脑进行安装，不方便管理。

网络工程与组网技术课程涉及的实验见表2。这些实验项目可以利用EVE-NG和Packet Tracer仿真软件进行实验。

表2 网络工程与组网技术实验教学安排

计算机网络管理与维护课程涉及的实验见表3。由于GNS3能够虚拟体验Cisco网际操作系统IOS，并且能够桥接物理电脑，所以计算机网络管理与维护利用GNS3进行仿真，搭建计算机网络管理与维护仿真平台如图3所示，仿真出的效果和实际网络管理相同。仿真网络管理效果如图4所示。可以在该仿真平台上完成该课程的实验[8-10]。

表3 计算机网络管理与维护实验教学安排

图3 计算机网络管理与维护仿真平台

图4 SNMPc网络管理系统的网络管理效果

2 以新工科为理念将仿真环境引入课堂

在传统计算机网络类课程教学过程中，老师们主要以理论讲解为主，详细分析其工作原理，深奥的理论原理讲解枯燥乏味，学生理解比较困难，甚至有些工作原理已经过时并且脱离目前实际的应用，最终导致教学效果并不理想。原理是和应用相结合的，在课堂上引入实验能够直观地反应相关原理工作过程，达到实验验证理论，理论促进实验，两者相辅相成互相促进。将实验引入课堂并非易事，实验环境搭建需要涉及多种设备，以及构造繁琐的拓扑环境，这导致老师们花费大量时间做实践前的准备工作。另外在实际的课堂教学中，经常出现各种问题如设备损坏、拓扑搭建出问题等导致实验演示不能达到预期效果。

将仿真技术引入课堂可以很好地解决这个问题。仿真环境主要体现以下优点：①对环境要求低，每位同学只需一台能够联入校园网的机器即可；②同学之间不需要共享设备，每位同学都可以独立完成整个实验过程；③实验环境搭建灵活方便；④方便管理，一人一台机器避免小组同学之间互相闲聊；⑤不需要对设备进行管理维护，只需要维护仿真服务器即可；⑥不需要对实验拓扑进行物理的手动繁琐更改，只需通过鼠标拖拽即可；⑦实验结果随时保存，灵活方便。传统的仿真软件往往需要在终端电脑上安装，如Packet Tracer、GNS3等，目前广泛使用的基于B/S架构的仿真环境EVE-NG，终端电脑只需安装浏览器即可。无论在校园网中的哪个教室的哪台教师机上都可以通过浏览器访问该仿真环境平台进行实践。该仿真环境仿真的效果和实际几乎一致，所以能够达到很好的教学效果[11]。

3 以新工科为理念搭建在线仿真实验平台，对学生实践过程进行动态管理

传统的实践教学中老师对学生实践过程不能进行动态管理，不能详细分析学生实践过程。学生在有限的实践时间内没有完成实践全部过程，后续也不能继续完成剩下的实践过程。如果要继续完成，下次课必须重新开始实践，这样的实践状况严重影响学生实践效果。

基于B/S架构EVE-NG在线仿真实验平台，能够对学生实践过程进行动态管理，后续没有完成的工作可以在其他场合其他终端电脑上继续完成，老师可以在后台对学生的实践过程进行全方位动态监控，这样大大提高了学生实践积极性，取得很好的实践效果[12]。

4 以新工科为理念改变传统的以教师教为主为学生主动学为主的实践教学模式

新的计算机网络类课程实践教学模式开发基于B/S架构计算机网络在线实验平台，为学生提供灵活的实践教学环境，充分调动学生实践积极性和主动性，提高了学生的动手能力。

该教学模式的开展大幅度提高了实验课程开课率，甚至达到90%以上。打破实验场所固定、实验时间固定，以及小组学生共享实验平台导致实验效率低的传统实验方案。充分利用第二课堂大幅度提高学生实践水平，同时能够显著提高学生动手实践能力，最终充分体现应用型本科院校学生职场优势[13-14]。

5 提高教师的工作效率及工作效果

传统实验中教师对学生实验结果的检查需要在现场进行，时间短，任务紧，导致检查不仔细。新的教学模式通过在线仿真实验平台教师可以在线对学生实验结果进行检查批阅以及评价。评价时间以及地点非常灵活，改变了传统的实验平台对实验结果检查麻烦的种种弊端，大大提高了教师的工作效率及工作效果。

6 结 语

以新工科为理念的计算机网络类课程实践教学模式能够提高计算机网络类课程实践教学质量，在创新教育领域有借鉴推广的应用价值，对各个专业的其他课程设计教学有较好的借鉴和推广价值，为高校其他课程实践教学模式探索提供了借鉴意义。