以任务为本的网络基础课程仿真实验项目的设计与实现

柳秀清

摘要：针对网络基础课程硬件实验条件不足、网络通信概念抽象等问题，该文结合网络基础课程教学任务及教学目标，利用网络仿真软件设计并实现多个实验项目，并在实际的教学活动中进行了实践。实践证明，这些以任务为本的仿真实验项目对学生理解网络基础的相关概念有很大帮助，也取得了良好的教学效果。

关键词：网络基础；仿真实验；任务为本

中图分类号：G642 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）11-0055-02

1 背景

利用仿真软件设计实验项目是目前高校计算机网络课程中普遍采用的实验手段[1]。Packet Tracer就是Cisco公司开发的一款仿真教学软件，用来设计、配置及进行网络故障排除的仿真模拟软件，该软件是思科网络技术学院中最流行、操作很简单、最接近真实网络环境的模拟工具，也是目前国内高校中计算机网络类课程中使用较多的实验工具软件。

将Packet Tracer软件用于计算机网络实验中，根据实验要求和目的，学生可以自定义选择所需要的路由器、交换机、集线器、无线AP、无线宽带路由器、计算机、服务器和各种线缆等设备，然后对使用的设备进行配置，进行性能测试[2]。通过可视化的仿真界面和灵活方便的配置窗口，学生可以在几乎与真实的场景没有差别的仿真环境中进行实验。并且，学生可以重复再现网络运行的任何细节，更有效地学习网络协议、分析网络的性能，更加深入理解网络中的复杂行为。

2 网络基础实验项目现状分析

《网络基础与Internet应用》多年来一直是非电专业学生所开设的一门计算机网络基础知识的入门课程，也是一门实践性较强的专业基础课程。

该课程的课程大纲所涉及的主要内容包括：计算机网络相关概念、局域网、广域网与Internet、Internet应用、网络接入方式及网络安全等内容。该大纲的设置符合对网络基础知识及Internet应用的需求。课程的学习目的在于培养学生在信息化社会里所必备的网络基础知识，了解计算机网络的基本工作原理，掌握应用Internet的基本技能，并掌握Internet上常用软件基本使用方法[3]。

上述课程内容中涉及一些网络基本原理及概念，而且网络体系结构复杂，要深入理解和学习该课程，并实现课程的学习目标，最好的方法就是进行计算机网络实验。但是，计算机网络实验涉及交换机、路由器、计算机等大量硬件设备，这些设备不仅十分昂贵，而且更新换代速度很快，学校的硬件条件基本达不到进行计算机网络实验的技术要求。受实验条件的限制，之前学校在该课程的实验项目设置上多集中在浏览器使用、电子邮件系统、下载工具及网页编辑等软件纯应用类实验项目。这些项目的设置有利于学生掌握Internet应用的基本技能及Internet常用软件基本使用方法，但在掌握必要的网络基础知识、理解计算机网络的基本工作原理等方面对学生并没有很大帮助。

为了解决以上现状，课题组将Packet Tracer网络仿真软件引入网络基础课程的实验教学，这样不仅可以减少实验设备的投入成本，培养学生的动手能力和创造能力，还可以帮助教师提高教学和教研的能力，具有重要的理论和实际意义。

目前已有的Packet Tracer实验项目对于非电专业学生来说或者过于简单，或者过于复杂，简单的实验会导致学生理解问题不到位，过于复杂的实验一般只适用于计算机专业学生的学习。因此，课题组利用Packet Tracer软件设计了几组适合于本校非电专业学生的若干网络实验项目，既能满足课程教学大纲需求，又能便于学生对网络基本工作原理等内容的理解和掌握[4-6]。

3 以任务为本的课程实验设计与实现

结合《网络基础与Internet应用》课程的教学任务及教学目标，课题组目前利用Packet Tracer软件设计并实现了三组实验项目，包括对等网络的构建、VLAN的构建及配置，及应用层及传输层协议分析实验。

3.1 構建对等网络实验

对等网络是局域网中结构非常简单，又非常常见的网络。这组实验项目的设计是考虑在学生已经学过IP、子网掩码和网关设置等内容的基础上，进行相应的实践以帮助学生进一步理解相关概念。

对等网络实验内容主要包括，制作双绞线、有线对等网络构建、无线对等网络构建、网络设备连接、IP地址配置及组网验证等。图1所示为有线及无线对等网络的基本拓扑结构示例图，实验项目具体包括：交换机、路由器的选择、不同传输介质的选择、无线网卡及各终端设备IP地址的配置。完成网络构建后，测试网络联通性等。

该实验项目的设计目标主要包括，帮助学生了解双绞线的标准线序（对等线与交叉线），并了解交叉线的制作过程；熟悉和了解网卡的用途，理解网络组建所需要的硬件设备以及网络协议的基本配置；掌握有线及无线对等网的组建，能运用多种方法对网络连通性进行测试，实践对等网组建的过程，掌握组网的基本技术方法。

学生在本实验中需要解决的关键问题包括，双绞线的制作方法、网络的配置过程及网络组建的基本思想；如何实现无线对等网络的构建，如何选择及配置相应的网络设备，以及检测网络连通性。

3.2 设计并配置VLAN网络

VLAN划分、VLAN间通信等相关技术可以提高网络的性能、可管理性和安全性，在实际网络工程中已得到广泛应用。利用Packet Tracer设计并配置交换机、路由器等设备实现VLAN划分、VLAN间通信等相关实验教学，不仅可以促进学生对相关理论知识的理解，还对增强学生的实际运用能力有很大帮助。

该组实验项目的内容主要包括，构建交换式网络，如图2所示，交换机与终端控制台（Console口）的连接和配置、了解并熟悉交换机的基本配置命令、通过交换机实现VLAN的配置、测试及删除等操作。

实验设计的目标主要包括，帮助学生掌握VLAN技术在交换机和路由器等实验设备上的具体实现；学生能够独立完成实验，提高学生的计算机网络设计与组建能力；虚拟局域网应用能力、交换机路由器等设备的配置能力，提高学生的局域网理论认识水平和实践操作能力。

可网管交换机的设置及VLAN技术是计算机网络课程的重难点内容之一，不仅理论知识比较抽象，对实验环境的硬件要求也很高。本组实验的设计难易程度适中，学生需要解决问题就是通过实验理解VLAN相关技术，掌握VLAN设置的基本方法。

3.3 应用层及传输层协议实验

计算机网络学习的核心及重要内容就是对网络体系结构及网络协议的学习。Internet中终端的通讯过程通过分层的体系结构来实现。分层体系结构便于系统的分层实现，分层管理，提高了系统的兼容性和应用的多样性，同时也方便了对计算机通信的研究和理解。TCP/IP分层体系结构是Internet中最基本的、也是Internet应用的基础，其中最重要的两个协议是网络层的IP协议和传输层的TCP协议。在这两个协议的支持下，Internet在应用层完成了很多重要的服务，例如，HTTP浏览器服务、SMTP邮件服务、DNS域名服务等等。基于Packet Tracer设计应用层服务，通过服务的实现过程，抓取网络通信过程中各个网络分层及各层协议的数据包，对学生理解和掌握网络体系结构及相关网络协议有非常重要的作用。

本实验项目的内容主要包括，构建及配置客户服务器模型网络；利用ping命令，捕捉查看相关协议数据包；配置及测试HTTP服务和DNS服务；利用HTTP服务，捕捉及查看网络数据包；分析查看网络分层结构等，如图3所示。

本实验项目的设计目标包括，帮助学生学习相关服务的配置过程，例如HTTP服务、DNS服务等；通过查看数据包传输过程，让学生理解分层的网络体系结构；通过数据包的传输过程，了解相关协议的通信过程，例如，TCP协议、IP协议等，还可以查看不同协议的封包过程和内容，进一步学习相关协议。

网络体系结构及网络协议是网络课程的核心内容，也是难点内容之一，理论知识比较抽象。通过应用层和传输层实验，有助于学生理解网络分层、网络协议等相关概念，掌握网络通信的基本过程。

4 项目实践及结论

课题组所设计的三组實验项目在2017-2018学年两个学期180位的学生中进行了实际的实践，学生普遍反映，对所学过的网络基础知识、网络通信模型、网络体系结构、网络协议等都有了更深刻的理解，对比2016-2017学年的学生，学生成绩普遍有20%的提高。

实践证明，以学习目标和学习任务为导向，利用仿真软件设计适当的仿真实验项目，能够有效地解决网络实验课硬件条件不足等问题，可有效帮助学生理解网络基础中所涉及的相关概念及技术。在实践检验中，也取得了良好的教学效果。

在后续课程实践中，课题组将继续设计网络安全及网络新技术相关的实验项目，进一步帮助学生理解相关概念。

参考文献：

[1] 李永. NAT仿真实验设计与实现[J]. 实验技术与管理， 2018（4）： 132-135.

[2] 张鹤飞， 云红艳， 张德祥， 等. 基于Packet Tracer的校园网设计与仿真[J]. 实验室研究与探索， 2017， 36（10）： 127-130.

[3] 侯申， 李健. 计算机基础课程混合教学模式研究[J]. 计算机教育， 2016， 2（2）： 30-33.

[4] PM Magolda， GJ Platt. Untangling Web 2.0s Influences on Student Learning[J]. Australia： Abacus， 2014， 14（3）： 10-16.

[5] Spady W G. Outcome-Based Education： Critical Issues and Answers. Arlington， VA： American Association of School Administrators， 1994.

[6] Robin Fogarty. Designs for Cooperative Interactions[M]. USA： IRI/Skylight Training and Publishing Inc， 1990.

【通联编辑：谢媛媛】