計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)課程體系探索

摘 要：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)的課程體系的建立必須符合實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程體系整體要求，體現(xiàn)通識(shí)基礎(chǔ)、技術(shù)應(yīng)用和專業(yè)技術(shù)多層次的特性，滿足多層次學(xué)生的不同需求，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理等課程的理論基礎(chǔ)上，不斷完善符合時(shí)代要求、緊跟網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容。本文介紹了我中心在此方面的探索經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)；網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)；課程體系

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

為了滿足學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)學(xué)習(xí)的多層次需求，適應(yīng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系列課程教學(xué)改革，探索能夠體現(xiàn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀的實(shí)驗(yàn)課程體系意義重大。以計(jì)算機(jī)學(xué)科實(shí)驗(yàn)課程體系為依托，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)應(yīng)采用多層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，建立通識(shí)基礎(chǔ)、技術(shù)應(yīng)用和專業(yè)技術(shù)多層次的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)課程體系。

1網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)課程體系的基礎(chǔ)

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)課程不是孤立的，必須和計(jì)算機(jī)教學(xué)課程體系以及其實(shí)驗(yàn)體系緊密結(jié)合[1]。計(jì)算機(jī)學(xué)科是實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，是以學(xué)科理論為基礎(chǔ)強(qiáng)調(diào)在理論指導(dǎo)下實(shí)踐的學(xué)科。為了滿足各層次學(xué)生學(xué)習(xí)的需要[2]，從層次劃分上來講基本包含通識(shí)基礎(chǔ)、技術(shù)應(yīng)用和專業(yè)技術(shù)三個(gè)層次。以清華大學(xué)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程體系為例，包括三個(gè)層次(如圖1)：通識(shí)基礎(chǔ)類實(shí)驗(yàn)課程、技術(shù)應(yīng)用類實(shí)驗(yàn)課程和專業(yè)技術(shù)類實(shí)驗(yàn)課程。從實(shí)驗(yàn)課程的內(nèi)容看，在各種類別的實(shí)驗(yàn)課程中都包含基本型、綜合型和研究創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

通識(shí)基礎(chǔ)類實(shí)驗(yàn)為全校各專業(yè)的學(xué)生打下了堅(jiān)實(shí)的計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)，我們又將其細(xì)分為應(yīng)用專題系列實(shí)驗(yàn)和公共基礎(chǔ)系列實(shí)驗(yàn)。應(yīng)用專題系列實(shí)驗(yàn)面向基礎(chǔ)相對(duì)薄弱的學(xué)生，目的是補(bǔ)基礎(chǔ)，提高通用工具的應(yīng)用技能；公共基礎(chǔ)系列實(shí)驗(yàn)面向全校學(xué)生，目的是為各自專業(yè)學(xué)習(xí)奠定計(jì)算機(jī)應(yīng)用的基礎(chǔ)，按照各專業(yè)學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)工具的不同程度的需求，開設(shè)不同的實(shí)驗(yàn)，將計(jì)算機(jī)工具充分地融合到其專業(yè)研究中，使計(jì)算機(jī)成為其科研、創(chuàng)新過程中不可或缺的工具。

技術(shù)應(yīng)用類實(shí)驗(yàn)的對(duì)象主體是理工類專業(yè)和所有需要計(jì)算機(jī)輔助的其他專業(yè)的學(xué)生，根據(jù)不同專業(yè)的需要，我們將其分為兩大系列：軟件技術(shù)應(yīng)用系列實(shí)驗(yàn)和硬件技術(shù)應(yīng)用系列實(shí)驗(yàn)。這些課程直接為相關(guān)專業(yè)學(xué)生服務(wù)，提高學(xué)生利用“人類通用智慧工具”分析和解決問題的能力，將計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)融入到各自專業(yè)中，進(jìn)而提升學(xué)生的綜合素質(zhì)和研究創(chuàng)新能力。

專業(yè)技術(shù)類實(shí)驗(yàn)面向包括計(jì)算機(jī)系在內(nèi)的信息學(xué)院本科生，同時(shí)包括有突出計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰团d趣的其他專業(yè)學(xué)生。計(jì)算機(jī)專業(yè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)包括必修和選修環(huán)節(jié)，目標(biāo)是能夠?qū)W(xué)生培養(yǎng)成為合格的研究者和工程師，有突出的創(chuàng)新能力和意識(shí)。

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)課程的設(shè)立是以計(jì)算機(jī)理論課程為基礎(chǔ)的，是在理論基礎(chǔ)上的理性實(shí)踐。以清華大學(xué)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)課程為例，通識(shí)基礎(chǔ)類實(shí)驗(yàn)中的理論基礎(chǔ)課是“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及應(yīng)用基礎(chǔ)”，技術(shù)應(yīng)用類實(shí)驗(yàn)中的理論基礎(chǔ)課是“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”，專業(yè)技術(shù)類實(shí)驗(yàn)中的理論基礎(chǔ)課是“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理”。由于通識(shí)基礎(chǔ)類和技術(shù)應(yīng)用類實(shí)驗(yàn)主要是面向全校各專業(yè)學(xué)生的，對(duì)其理論先修課要求比較少，這里不贅述。對(duì)于專業(yè)技術(shù)類實(shí)驗(yàn)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)是必修課程[3]，其理論先修課有比較嚴(yán)格的要求(如圖2所示)。

2計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)課程體系

以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)理論課程為基礎(chǔ)，對(duì)應(yīng)計(jì)算機(jī)學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程體系，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)課程在層次上也劃分為通識(shí)基礎(chǔ)、技術(shù)應(yīng)用和專業(yè)技術(shù)類三個(gè)層次(如圖3所示)，以滿足全校不同專業(yè)對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的多層次需求。

在各層次計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)課程中，都包含基礎(chǔ)型、綜合型和研究創(chuàng)新型三種實(shí)驗(yàn)類型，實(shí)驗(yàn)的設(shè)置具體情況如表1~3所列。

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)專題訓(xùn)練是在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的提高，實(shí)驗(yàn)全部屬于研究創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要包括滑動(dòng)窗口設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、RIP設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、FTP設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)等，所有實(shí)驗(yàn)均需要學(xué)生根據(jù)RFC編寫程序，利用我們?cè)O(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的專用實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)實(shí)現(xiàn)的程序進(jìn)行驗(yàn)證。其他實(shí)驗(yàn)課程中實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)置不是本文的重點(diǎn)，這里不再贅述。

3計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新

由于計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速，知識(shí)更新快，因此我們一直在強(qiáng)調(diào)所有計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)課程必須每年都增加部分可選實(shí)驗(yàn)或新內(nèi)容，以便緊跟計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，擴(kuò)大選擇空間。學(xué)生也可以更多地根據(jù)興趣來選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，使實(shí)驗(yàn)個(gè)性化。尤其針對(duì)面向計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，最需要的是將國際最前沿的計(jì)算機(jī)技術(shù)引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，讓同學(xué)們能夠了解、學(xué)習(xí)前沿技術(shù)，同時(shí)盡可能在實(shí)踐中得到提高。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展正是計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)代表，這就促使我們不斷總結(jié)實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)所存在的問題，并注重科研成果迅速向?qū)嶒?yàn)轉(zhuǎn)化，來解決實(shí)驗(yàn)管理困難、實(shí)驗(yàn)設(shè)備落后等難題。

總結(jié)國內(nèi)外以往的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，特別是專用技術(shù)類實(shí)驗(yàn)教學(xué)，主要存在以下幾個(gè)不足：

1) 由于缺乏軟硬件支撐環(huán)境，通常會(huì)設(shè)計(jì)一些模擬實(shí)驗(yàn)來代替實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)。這樣做的缺點(diǎn)是學(xué)生缺乏對(duì)真實(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的感性認(rèn)識(shí)和理解，模擬實(shí)驗(yàn)中的一些難以避免的假象會(huì)影響學(xué)生對(duì)真實(shí)網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議的理解。

2) 由于常用的操作系統(tǒng)只提供應(yīng)用層的網(wǎng)絡(luò)編程接口，學(xué)生只能做網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)?；诰W(wǎng)絡(luò)編程接口的應(yīng)用層實(shí)驗(yàn)雖然能夠鍛煉學(xué)生網(wǎng)絡(luò)編程的能力，但卻不容易幫助學(xué)生理解底層協(xié)議的原理和工作流程，進(jìn)而忽視計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理的核心內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo)。

3) 缺乏網(wǎng)絡(luò)核心協(xié)議的實(shí)驗(yàn)。由于經(jīng)費(fèi)和規(guī)模的限制，很難保證每個(gè)學(xué)生都能單獨(dú)分配到一臺(tái)交換機(jī)和路由器。然而理解網(wǎng)絡(luò)核心協(xié)議，例如BGP和OSPF，需要能夠進(jìn)行組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)。大量學(xué)生同時(shí)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)核心協(xié)議的實(shí)驗(yàn)受到了很大的限制。

4) 網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)的管理和維護(hù)非常困難。做網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)的學(xué)生多、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目多。通常在每次實(shí)驗(yàn)之前，實(shí)驗(yàn)管理人員

和助教需要花費(fèi)大量的時(shí)間調(diào)整網(wǎng)絡(luò)來滿足實(shí)驗(yàn)要求。

我們充分利用清華大學(xué)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)學(xué)科在國內(nèi)的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)和CERNET網(wǎng)絡(luò)中心位于清華的有利條件，努力先進(jìn)的科研成果轉(zhuǎn)化為先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。經(jīng)過兩年的努力，在榮獲國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)的“IPv6核心路由器”成果的基礎(chǔ)上研究開發(fā)出了支持全協(xié)議棧自動(dòng)測(cè)試的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)NetRiver。

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)NetRiver包括客戶端、測(cè)試服務(wù)器和管理服務(wù)器三個(gè)組成部分，提供可控真實(shí)的全協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)環(huán)境、支持實(shí)驗(yàn)代碼編輯、編譯和調(diào)試的集成編譯環(huán)境、可視化的協(xié)議報(bào)文捕捉與行為分析、面向因材施教的多層次實(shí)驗(yàn)手段、基于腳本語言的可擴(kuò)展的實(shí)驗(yàn)描述和執(zhí)行、基于協(xié)調(diào)測(cè)試法的自動(dòng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試和功能豐富的實(shí)驗(yàn)管理平臺(tái)。

利用NetRiver網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，學(xué)生可以方便地完成網(wǎng)絡(luò)協(xié)議編程、調(diào)試、可視化執(zhí)行和自動(dòng)測(cè)試。在此平臺(tái)上，學(xué)生無需關(guān)心系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，能夠直接編寫和測(cè)試協(xié)議相關(guān)的核心內(nèi)容。完全解決了以往計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)中存在的困難，使學(xué)生增強(qiáng)了感性認(rèn)識(shí)；深入理解網(wǎng)絡(luò)原理；大大提高網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)興趣；充分調(diào)動(dòng)積極性，極大地提高了動(dòng)手能力。從而實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)知識(shí)點(diǎn)、有限時(shí)間內(nèi)完成、公平有效的實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)、因材施教等實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)。

目前，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理實(shí)驗(yàn)以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)專題訓(xùn)練所開設(shè)的實(shí)驗(yàn)都是在此平臺(tái)上開發(fā)、設(shè)立的。

4總結(jié)

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)的課程體系的建立必須符合實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程體系整體要求，體現(xiàn)通識(shí)基礎(chǔ)、技術(shù)應(yīng)用和專業(yè)技術(shù)多層次的特性，滿足多層次學(xué)生的不同需求。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速，知識(shí)更新快，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)技術(shù)需要不斷完善，因此需要依靠科研力量，注重將科研成果快速轉(zhuǎn)化到實(shí)驗(yàn)中，以保證計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)符合時(shí)代要求、緊跟網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展。

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