计算机网络理实一体化教学改革与实践研究

关键词：计算机网络；理实一体；教学改革；实施过程；教学效果

中图分类号：G642 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）26-0170-04开放科学（资源服务）标识码（OSID） ：

0 引言

计算机网络作为高职电子信息专业的重要专业课，在其人才培养过程中具有重要的地位。然而，传统的计算机网络课程教学模式在培养学生的综合素质和实践能力方面存在局限性。大量的理论知识传授和缺乏实际操作的问题，使得学生在真实场景中应用所学知识时常常感到困惑和无力[1-3]。因此，急需对计算机网络课程进行教学改革，以更好地适应时代的需求和学生的学习需求。

在现代化的教学环境中，以传统教室为中心的单向传授已经无法满足学生的需求。学生需要更多的实践机会，将所学知识应用于实际问题的解决中，培养解决实际问题的能力和创新精神[4]。因此，理实一体化教学模式将成为推动计算机网络课程教学改革的重要途径之一。

本文旨在研究计算机网络理实一体化教学改革的有效性和可行性，以提升学生的学习效果和实践能力。通过将理论学习与实践操作相结合，构建一个更加灵活、实用和创新的教学模式，能够帮助学生更好地掌握计算机网络课程所需的知识和技能。通过研究的探索和实践，希望为未来计算机网络课程教学模式的创新提供理论和实践指导，并为高校教育改革提供新思路和实践路径，为教育改革的推进贡献力量。

1 理实一体化教学的概念与特点

理实一体化教学是将理论学习与实践操作有机融合，以培养学生实践能力并提升其综合素质。具体而言，理实一体化教学包括以下两个方面的内容：

首先，理实一体化教学强调了实验教学在计算机网络课程中的重要性。通过实践操作，学生能够更深入地理解和应用所学的理论知识，从而加深对计算机网络原理和技术的理解。针对不同难度和复杂度的实验项目，应设计一系列与课堂教学内容相关的实践项目。这些实验项目的设计应逐步增加难度和要求，帮助学生提升解决实际问题的能力，并促进他们对计算机网络的深入思考和理解。为了支持学生的实践操作，需要提供良好的实验环境，配备必要的网络设备和仿真软件。同时，还应提供实验指导书和在线资源，以帮助学生独立完成实验内容。

其次，理实一体化教学强调了实践能力培养的重要性与优势。在计算机网络行业，实践能力对于就业至关重要，企业更加注重应聘者的实际操作能力和问题解决能力。通过理实一体化教学，学生能够积累丰富的实际经验，提升自身在就业市场中的竞争力。通过实践操作，学生能够接触和解决真实的网络问题和挑战，深入理解计算机网络技术在实际场景中的应用。这种实践锻炼使得学生能够快速适应工作环境，并迅速解决实际问题。此外，实践操作通常需要学生进行团队合作，与同学共同完成实验项目。通过实践操作的团队合作，学生能够培养良好的协作和沟通能力，并学会有效地与他人合作解决问题。

2 理实一体化教学实施案例——网络地址转换NAT

2.1 案例介绍

网络地址转换（Network Address Translation，简称NAT） 是计算机网络中常用的一种网络技术，它主要用于实现私有网络与公共网络之间的通信。NAT技术允许将私有网络内部的IP地址转换为公共网络可识别的IP地址，从而实现了它们之间的互联。

NAT的基本概念是将私有网络内部使用的IP地址映射到公共网络上的IP地址。当私有网络中的主机要与外部网络进行通信时，NAT设备会对数据包进行修改，将私有地址替换为公共地址，以确保数据包能够在公共网络上正确传输。反之，在接收到来自公共网络的数据包时，NAT设备也会将目标IP地址转换成内部的私有地址，将数据包传递给相应的内部主机。

NAT涉及IP地址转换和网络通信原理，对于初学者来说，这些概念可能较为抽象和复杂。学生可能难以理解NAT的工作原理、转换过程以及与其他网络技术的关系。因此，在教学中，必须及时给学生提供实践机会，让学生亲自搭建一个企业网络，配置NAT设备以实现不同部门的互联通信，并观察实际数据包的转换过程，这样就可以有效地克服NAT教学的难点，提高学生对NAT的理解和应用能力。

2.2 教学模式和内容设计

2.2.1 教学模式

本研究采用翻转课堂和实践相结合的教学模式。具体而言，首先，教师提供线上微课教学资源，学生可提前学习网络地址转换（NAT） 的基本理论知识和实验操作步骤。在课堂教学中，教师先对重点知识进行串讲，随后要求学生进行与NAT相关的网络环境搭建和NAT设备配置等实验操作。

2.2.2 教学内容设计

理论学习：学生通过在线学习资源和教师的课堂重点讲授，学习NAT的工作原理、转换过程等知识。具体内容如下：

在图1所示的网络中，专用网上的用户主机都使用专用网的IP地址。那么专用网中的主机如何访问因特网上的服务器资源呢？专用网必须通过一个具备网络地址转换（NAT） 功能的路由器接入因特网。这种路由器称为NAT路由器，它拥有少量的全球公用IP 地址。当专用网的主机访问因特网上的服务器资源时，首先主机会将IP数据报发送给NAT路由器。在专用网上，IP数据报的源IP地址是主机的专用IP地址，目的地址是服务器的IP地址。当NAT路由器接收到这个IP数据报后，会修改专用地址，使用其中的一部分全球IP地址，将专用的源IP地址替换为公用的全球IP地址。同时，NAT路由器会记录公用IP地址和专用IP地址的对应关系，并转发这个IP数据报。换言之，经由NAT路由器修改IP地址后，在因特网上传输的IP 数据报的源地址变为修改后的公用IP 地址，而目的地址仍然是要访问的服务器的IP地址。

当服务器接收到访问请求并向主机返回相关数据时，在因特网上传输的IP数据报的源地址应为服务器的IP地址，而目的地址应为NAT路由器之前转换的公用IP地址。当路由器接收到服务器发送的IP数据报时，它会查询自身的转换表，以确定这个公用IP 地址对应的专用地址是什么。在将数据报转发到内部网络时，路由器会将公用地址重新替换为专用地址。因此，内部网络设备能够通过这个专用地址正确将IP数据报发送到目标主机（见图2） 。

当内网或专用网络中有多台主机需要访问服务器时，NAT路由器将会建立多个内网地址与公网地址之间的对应关系。然而，这种转换方法存在一个问题：如果NAT路由器拥有N个全球IP地址，那么最多只能有N个内网主机能够同时与因特网上的主机进行通信。如何解决这个问题呢？鉴于绝大多数网络应用都使用了运输层协议TCP或UDP来传输数据，因此可以利用运输层的端口号和IP地址进行联合转换。通过这种方式，一个全球IP地址就可以使多个拥有内网地址的主机同时与因特网上的主机进行通信。这种将端口号和IP地址一同转换的技术被称为网络地址和端口号转换（NAPT） 。图3 中的路由器是一个NAPT路由器，它只有一个全球公网IP地址，并且具有一个NAPT转换表。在这个转换表中，记录了内网地址、端口号和公网地址、端口号之间的对应关系。通过这种方式，一个公网地址可以同时为内网的多个主机提供服务，满足它们连接因特网、访问因特网的需求。

实验操作：采用实验室设备和虚拟仿真环境，进行NAT网络环境搭建、NAT设备配置以及数据包转换观察等实验操作。同时，学生需要分析并解决实验过程中可能出现的各种问题。具体步骤如下：

步骤一：在思科模拟器中搭建如下网络拓扑（图4） ，其包含两台主机、1台交换机、两台路由器和1台服务器。

步骤二：为网络拓扑中的各设备配置IP地址、子网掩码和默认网关。详见表1。

步骤三：为路由器配置静态路由，具体配置详情见图5所示。

步骤四：在路由器Router0上配置动态NAPTNAPT的配置只能采用命令行的方式进行，具体配置命令如下（//后面的内容为对相应命令的中文注释）：

步骤五：观察网络间主机的通信及地址转换过程。

通过PC0向Server0发送一个ICMP请求报文，通过连续点击Simulation Panel 面板中的Capture/For⁃ward，不难观察到：当ICMP请求报文到达Router0时，从PDU Information at Device： Router0面板（图6） 可以看出源IP地址在此处进行了转换，由192.168.0.1转换为10.0.0.1。相反的，当Server0发回ICMP响应报文到达Router0 时，目的IP 地址在此处进行了转换，由10.0.0.1转换为192.168.0.1。

2.2.3 教学过程

教学过程分为以下几个阶段：

a） 学生预习：学生在课前通过在线学习资源预习网络地址转换（NAT） 的基本理论知识和实验操作步骤。

b） 理论学习：教师通过课堂讲授，对网络地址转换（NAT） 的重点知识进行详细讲解。

c） 实验操作：学生利用实验室设备和虚拟仿真环境，进行NAT的网络环境搭建、NAT设备配置以及数据包转换观察等实验操作。

d） 学生团队合作：学生分为小组，展开实验项目合作，共同解决实验过程中可能出现的各种问题。实验结束后，小组以单位进行汇报，展示他们的实验成果。

2.3 课堂成绩评价

如图7所示，学生课堂成绩由线上成绩和小组实验成绩两部分组成，具体为：课堂成绩=线上成绩×30%+小组实验成绩×70%；线上成绩主要是由课程视频学习成绩、主题讨论成绩及线上作业成绩三部分组成；小组实验成绩主要是由教师评价成绩、小组互评成绩和生生互评成绩三部分组成。

3 理一体化教学改革的效果评估

在过去三年中，我们对262位参加混合教学的同学（分别为2020年的90位、2021年的87位和2022年的85位）的学习结果进行了统计分析。实施了理实一体化教学模式后，优秀人数和优秀率两个指标都有显著提高。以2020年为例，优秀率达到62.3%，相较于2019 年未采用混合式教学的23.5%，提高了38.8%。此外，学生的整体平均分数也增加了2%，说明采用理实一体化教学方法后，学生对知识的掌握和应用能力显著提升。

近三年来，学生的期末考试平均成绩和综合平均成绩都有明显提高。在2021年，我们对实验项目内容进行了改进，使得综合平均成绩提高至81.8。在此基础上，我们进一步优化了线上学习和小组学习的内容，使得2022年的综合平均成绩达到84.3，较2021年提高了2.5%。图8展示了近三年来学生的期末考试平均成绩和综合平均成绩的变化趋势，进一步证明了教学改革后学生对知识的掌握程度和问题解决能力的显著提高。

4 结论

通过实施计算机网络理实一体化教学改革，我们取得了以下成果和主要发现：在实施理实一体化教学后，学生在学术成绩、知识掌握和实践操作方面都取得了显著的进步。他们对计算机网络的理论知识有了更深入的理解，并能够运用所学知识解决实际问题。通过团队合作项目和实践操作的实施，学生的创新能力、团队协作能力和问题解决能力得到了培养和提高。他们学会了运用所学知识进行创新，并能够独立思考和解决实际的网络技术问题。