虚实结合的“计算机网络通信实验”课程教学改革探索

吴家兴，陈 雯，唐章彬，曾艳玲

(东华大学 信息科学与技术学院，上海 201620)

网络通信是通过网络将各个孤立的设备连接起来，通过信息交换实现人与人、人与计算机、计算机与计算机之间的通信。目前许多高校在本科生和研究生教育中都开设“计算机网络通信实验”课程，旨在培养学生掌握网络通信技术，为以后的工作和学习奠定基础，并推动网络通信新技术的发展。由于“计算机网络通信实验”是一门理论与实践性很强的课程，教学质量直接影响学生的应用水平。因此需要根据新时代人才需求，结合当前网络通信行业的发展趋势，对该课程进行改革探索，提高课程教学质量，使其适应网络通信行业发展和技术进步，培养行业需要的人才。

一、“计算机网络通信实验”课程教学存在的问题

1. 课程设计的片面性

计算机网络课程的内容复杂多样[1]，教师在教学时常常把晦涩难懂的学术知识拆分为若干知识点，使问题变得简单，学生易于理解。然而计算机网络系统的知识体系是一环扣一环的。比如，要保证网络层的连通性，必须建立在物理层连通基础之上，所以将物理层实验和网络层实验分开教学存在一定弊端。虽然教学时将知识点拆分可简化知识的复杂程度，但导致学生片面地理解计算机网络知识，不能从全局了解整个计算机网络以及每个知识点间的联系。因此，以拆分知识点的方式教学会使学生对计算机网络课程知识理解存在片面性，无法从宏观上系统地学习知识并真正认知计算机网络。

2. 实验教学存在限制

(1) 我校(东华大学)信息科学与技术学院有关网络的实验教学学时，本科生平均每学期不超过28学时，研究生为32学时。教师要在有限的时间内传授相关知识较为困难，只能压缩教学内容。

(2) 在实践教学方面，由于学生较多，设备数量不充足，学生的实验需求与时间限制产生矛盾，实验室只能协调安排各类实验，使学生每次实验的时间跨度较大，平均1周左右，导致学生实验时对上一次实验内容有所遗忘，影响教学质量。

(3) 实验设备固定，学生只能在实验室做实验，学生的实验需求与实验空间产生矛盾。此外，网络技术发展迅速，设备更新快，而实验室设备常常不能及时更新，使学生做实验时不能及时接触到最新技术和设备。

针对上述问题，我们对“计算机网络通信实验”课程进行了教学改革，以提高学生学习效率。

二、“计算机网络通信实验”虚实结合教学新方案

1. 综合性实际案例教学

在过去的教学中，往往是将每个知识点分开讲解并进行实验，如RIP基础实验、OSPF基础实验等。虽然这样的做法可将晦涩难懂的计算机网络知识体系分解成各知识点逐一讲解，使学生容易接受。但是这也影响了每个知识点间的联系，大部分学生不会将知识点串联起来，在做一些较复杂的实验时无从下手。

针对上述情况，我们采用案例教学法，增加综合性实验分析案例，充分利用学校现有的实验条件，模拟企业综合性组网方案，使学生学会运用系统的整体思维分析网络的设计、开发、应用、管理与维护等问题。新增实验有企业网的规划与设计、防火墙配置和地址转换方案、IPv6协议通信解决方案、校园网Web和Telnet服务器搭建方案、交换机链路故障的备份方案、广播风暴问题的解决方案等。这些综合性实验的开设提升了学生综合解决问题的能力，因地制宜，与时俱进，反映了当今科技进步，对培养综合能力强的高素质创新人才具有重要作用。

2. 更新实验设备

新颖的实体(物理)设备可以运用最新的技术。2019年2月，学院投入大量资金更新了网络通信实验室[2]的一些设备。在不改变实验室搭建好的网络拓扑的前提下，以华为H3C30-20为基础的交换路由设备替换了过去的H3C设备。这次设备更新不仅提升了硬件的计算速度、通信速率和存储容量，还提高了设备的兼容性和鲁棒性，在进行综合性实验时，设备间的协调能力大幅度改善。学生使用最新的设备，避免做实验时出现人为因素以外的设备问题。在这些新设备上可以让学生使用当前的最新技术，提升了他们的专业技能。一流工科人才的培养离不开一流的实验室，目前我校的主要网络通信实验设备已经达到国内一流水平，接近国际先进水平，良好的硬件条件有助于培养学生的创新能力和实践能力。

3. 利用华为模拟器eNSP

虚拟实验平台是对实体实验的补充。eNSP[3]为华为公司推出的图形化网络仿真平台，该平台通过对真实网络设备的仿真模拟，帮助ICT(信息与通信产业)从业者和客户快速熟悉华为数码通信系列产品，了解并掌握相关产品的操作和配置，提升对企业ICT网络的规划、建设和运行维护能力，从而帮助企业构建更加高效、优质的ICT网络。eNSP高度仿真软件拥有强大的仿真功能，可模拟华为AR路由器、x7系列交换机的大部分特性，还可模拟PC终端、Hub、云、帧中继交换机等实体设备。通过使用模拟实体设备对其进行组网，得到所需的网络连接。该模拟器自带仿真设备配置功能，可快速学习华为命令行。该模拟器还自带接口抓包工具，能抓取网络接口端的数据包，直接展示协议交互过程。eNSP对外免费开放，可直接通过官网下载安装，无需申请许可，而且门槛低，适用范围广，适合初学者、专业人员、学生、教师及技术人员使用。

4. 虚实结合教学

学习是一种真实情景的体验[4]。为了提升学生的计算机网络综合水平，我们在原有的教学内容中增添了具有一定难度的综合性实验。为了突破课时和实验环境的限制，要求学生在课后安装华为eNSP虚拟实验软件，利用课余时间，既可以对课堂知识进行及时复习，也可以为下次课程做好预习。学生合理利用课余时间，线下线上相结合，充分利用实验资源，虚实结合，可以快速提升网络实验动手能力。对于基础较好的学生，甚至可以不受场合和时间的限制，让他们自由发挥对网络的学习和创新，提升他们的实践能力和创新能力。

图1所示为在eNSP模拟器上搭建的关于防火墙配置和地址转换实验的网络拓扑图。下面进行虚实结合的对比。(1)在eNSP模拟器上组网较为方便，如同网络拓扑结构组建即可。但是由于设备不同，指令上与H3C有所差异。(2)在华为H3C实验设备上组网时，由于实验设备的连接拓扑结构是固定的，需要根据拓扑信息在交换机上进行相应的配置，划分VLAN，形成逻辑上的连接。

图1 防火墙配置和地址转换实验网络拓扑图

如图1所示，该拓扑图分为两个网段，其中PC1、PC2、Switch和FireWall化为一个网段，Router和FireWall化为另一个网段。PC1、PC2对应各自的网段设置不同的IP地址、子网掩码和网关；Router和FireWall对应的端口设置不同的IP地址。本实验采用NAT对跨网段的地址进行转换，并且在FireWall上设置防火墙，满足下列要求：①在FireWall上启用NAT功能，使PC1能够访问到Router；②在FireWall上启用Firewall功能，禁止PC2访问Router。组网配置结束后，使用ping命令验证实验结果。结果表明，内网的PC1和PC2分别ping外网的Router，PC1能与Router通信，而PC2不能与Router通信，实现了防火墙对PC2与Router通信的限制作用。

充分、合理地利用资源，将虚实结合起来，做好线下线上的综合教学，让学生可以更扎实地掌握复杂的网络基础知识，有效提升学生的综合应用能力和创新能力。

三、结语

本文提出了一种以实体设备平台为主、虚拟实验平台为辅的“计算机网络通信实验”课程教学新方案。课上教师主要进行基础理论知识教学，课后让学生使用华为eNSP模拟器自行实验。网络实验室教学以综合性实验为主，让学生在实验中牢固地掌握计算机网络技术。当然，利用华为eNSP模拟器也可以搭建综合性实验，在课后进行总结与补充。采用虚实结合的教学方法，学生可以灵活地利用自己的课余时间学习网络知识，突破了传统实验教学的空间和时间限制，使他们能够学习系统、完整的知识体系，以系统的思维看待网络的设计、开发、应用、管理与维护等问题。学院对学生开放网络实验室，通过实验室案例教学，使学生接触实体设备，体验真实系统，为以后的学习和工作打下坚实的基础。培养学生的创新能力是高等教育的重要目标，结合eNSP虚拟实验，提高了学生的创新能力，培养了学生的科学素质。