計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

針對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)困難、教學(xué)效果不理想的教學(xué)現(xiàn)狀，分析了建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論，提出了一種基于建構(gòu)主義理論的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。新方法遵循學(xué)習(xí)的本質(zhì)規(guī)律，以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力為宗旨，通過選擇合適的實(shí)驗(yàn)主題，并采用層進(jìn)式的教學(xué)模式來激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)動(dòng)力，從而提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革建構(gòu)主義ARP協(xié)議計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)幾乎已經(jīng)成為當(dāng)今社會(huì)不可或缺的重要組成部分之一。我們很難想象，沒有計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的社會(huì)將會(huì)怎樣。由于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)不可替代的社會(huì)地位和重要性，《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》課程已經(jīng)成為各個(gè)高校普遍設(shè)置的基礎(chǔ)課程之一。尤其針對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)的本科學(xué)生而言，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程成為了一門重要的必修課。

然而，在該課程實(shí)踐教學(xué)當(dāng)中，教師和學(xué)生往往處于兩難的境地。究其原因?yàn)椤队?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》課程中涵蓋了大量枯燥難懂的理論、概念和算法。并且，這些網(wǎng)絡(luò)知識(shí)難點(diǎn)又具有強(qiáng)烈的“熟悉的陌生感”，“熟悉”指學(xué)生對(duì)這些概念和理論的網(wǎng)絡(luò)上層表象具有切身的體驗(yàn)；“陌生”指學(xué)生對(duì)網(wǎng)絡(luò)表象下的基礎(chǔ)概念幾乎一無所知。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是疏通“熟悉”和“陌生”兩者之間的最好方法。本文針對(duì)這種教學(xué)現(xiàn)狀，引入了建構(gòu)主義教學(xué)理論，設(shè)計(jì)有利于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，以創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)過程來激發(fā)學(xué)生對(duì)于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)理論和概念的學(xué)習(xí)興趣，輔助提高學(xué)習(xí)效果和解決網(wǎng)絡(luò)問題的能力。

一、建構(gòu)主義實(shí)驗(yàn)教學(xué)思想

建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為，學(xué)習(xí)是一種知識(shí)的建構(gòu)過程，這種建構(gòu)過程以學(xué)習(xí)者深層次的掌握相關(guān)知識(shí)并能將其應(yīng)用于創(chuàng)新實(shí)踐為最終目標(biāo)。普遍認(rèn)為，學(xué)習(xí)者是知識(shí)建構(gòu)的主體，通過學(xué)習(xí)者之間的交流和一系列具有明確目的性的自主實(shí)踐活動(dòng)，達(dá)到對(duì)目標(biāo)知識(shí)的切身體驗(yàn)和深刻認(rèn)識(shí)，從而達(dá)到知識(shí)為我所用的既定目標(biāo)。從以上闡述可見，建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論對(duì)于學(xué)習(xí)活動(dòng)的認(rèn)識(shí)主要有兩方面的傾向：

（1）學(xué)習(xí)過程是主動(dòng)的知識(shí)建構(gòu)而不是被動(dòng)的知識(shí)吸收；

（2）學(xué)習(xí)效果與知識(shí)構(gòu)建的環(huán)境有著密切的聯(lián)系。

根據(jù)建構(gòu)主義的學(xué)習(xí)理論，實(shí)驗(yàn)教學(xué)顯然是理論教學(xué)的重要組成部分。實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)是否合理，對(duì)課程的整體教學(xué)效果將會(huì)起到?jīng)Q定性的作用。為了達(dá)到課程的教學(xué)目標(biāo)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式必須以建構(gòu)主義理論為根基來設(shè)計(jì)。

二、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)案例

基于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論，本文下面將給出一個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的案例，以期更直觀的闡述本文提出的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。本實(shí)驗(yàn)以ARP協(xié)議欺騙為主題來設(shè)計(jì)，知識(shí)點(diǎn)涵蓋ARP協(xié)議、協(xié)議分層概念、局域網(wǎng)CSMA/CD協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包傳輸?shù)?。ARP欺騙是日常生活當(dāng)中，學(xué)生經(jīng)常碰到的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)問題。以該內(nèi)容為主題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

1.ARP協(xié)議及其欺騙原理

ARP協(xié)議（Address Resolution Protocol），或稱地址解析協(xié)議，其主要功能為根據(jù)目標(biāo)主機(jī)的IP地址來查詢其對(duì)應(yīng)的MAC（Media Access Control）物理地址。ARP協(xié)議處于網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)層。根據(jù)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的定義，網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)報(bào)必須傳遞給數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行打包后才能發(fā)送給目的地。數(shù)據(jù)鏈路層需要獲取目的主機(jī)對(duì)應(yīng)的MAC地址才能MAC幀的打包任務(wù)。每當(dāng)網(wǎng)絡(luò)層有數(shù)據(jù)報(bào)要傳輸，并且又不知道目的主機(jī)MAC地址的時(shí)刻，ARP協(xié)議將啟動(dòng)來查詢目的IP地址對(duì)應(yīng)的MAC地址。在局域網(wǎng)中，所有接收到廣播方式ARP查詢響應(yīng)數(shù)據(jù)包的主機(jī)都將緩存查詢得到的IP地址和MAC地址對(duì)應(yīng)關(guān)系。主機(jī)中緩存這些地址對(duì)應(yīng)關(guān)系的緩存區(qū)稱為ARP高速緩存，即ARP列表。每當(dāng)局域網(wǎng)中主機(jī)想要打包MAC幀時(shí)，首先查詢ARP列表中是否存在目的主機(jī)MAC地址，如果存在對(duì)應(yīng)的信息，則直接存列表中獲取MAC地址進(jìn)行打包。否則，發(fā)起一輪新的ARP查詢，來獲取對(duì)應(yīng)的MAC地址信息。

ARP協(xié)議簡(jiǎn)單高效，但存在很大的安全隱患。ARP欺騙的原理可以簡(jiǎn)單的描述為：局域網(wǎng)中所有主機(jī)打包發(fā)送數(shù)據(jù)包都需要目的MAC地址信息。根據(jù)ARP協(xié)議的工作原理，主機(jī)獲取目的MAC地址的方式是查詢ARP列表或者進(jìn)行ARP查詢?；诖?，只要局域網(wǎng)中有一臺(tái)主機(jī)發(fā)送偽造的IP地址與MAC地址對(duì)應(yīng)關(guān)系，就將對(duì)局域網(wǎng)的通信情況造成干擾，即實(shí)現(xiàn)ARP欺騙。ARP欺騙的癥狀主要表現(xiàn)為：操作系統(tǒng)提示主機(jī)IP地址沖突、網(wǎng)絡(luò)中主機(jī)上不了網(wǎng)、主機(jī)之間的通信中斷等。

2.創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

首先，由于ARP協(xié)議原理較為簡(jiǎn)單，其又具備網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的大部分特征，作為一個(gè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)的協(xié)議案例從協(xié)議規(guī)模上來考慮是非常合理的。其次，ARP協(xié)議欺騙攻擊實(shí)現(xiàn)起來技術(shù)比較簡(jiǎn)單，產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)異常癥狀十分明顯，便于學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐操作。再次，學(xué)生日常生活中可能經(jīng)常碰到由于ARP欺騙攻擊造成的這種網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)象，容易引起學(xué)生的共鳴和興趣。所以，綜合上述考慮，作為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的主題之一是比較合適的。具體的實(shí)驗(yàn)效果也證實(shí)學(xué)生們對(duì)該主題的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容充滿了興趣和實(shí)踐動(dòng)力。

基于ARP欺騙這個(gè)實(shí)驗(yàn)主題，如何引入建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論，設(shè)計(jì)創(chuàng)新型的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和教學(xué)模式是問題的關(guān)鍵。經(jīng)過多年實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐，我們?cè)O(shè)計(jì)了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。新的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)以合適的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、建構(gòu)主義理論和創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式為基礎(chǔ)來開展，具體的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)采用層進(jìn)式推進(jìn)。創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)包含層進(jìn)關(guān)系的四大部分：驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)、提高型實(shí)驗(yàn)、綜合型實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)。下面，我們以ARP欺騙為實(shí)驗(yàn)主題，分別針對(duì)這4個(gè)部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和教學(xué)方法進(jìn)行闡述。

（1）驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)。首先明確實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)知識(shí)點(diǎn)，設(shè)定實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證內(nèi)容和方法，進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。在ARP欺騙實(shí)驗(yàn)中，給出ARP協(xié)議相關(guān)的理論和概念、介紹ARP欺騙的原理及其應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)工具軟件Wireshark的使用方法。給出明確的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，先讓學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的步驟完成驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

（2）提高型實(shí)驗(yàn)。在完成基礎(chǔ)知識(shí)的驗(yàn)證以后，教師可以提出一些具有思考性的問題，引導(dǎo)學(xué)生自己探尋問題答案。例如，學(xué)生驗(yàn)證了ARP欺騙的原理和方法，教師可以在此基礎(chǔ)上提問：“針對(duì)欺騙攻擊方法，我們有什么方法可以進(jìn)行欺騙的發(fā)現(xiàn)和防御？”這樣，在品嘗驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中獲取的網(wǎng)絡(luò)攻擊成就感的同時(shí)，學(xué)生將會(huì)充滿興趣的去尋找問題的答案。通過這個(gè)階段的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以對(duì)前面學(xué)習(xí)的知識(shí)點(diǎn)有個(gè)更深入的認(rèn)識(shí)。

（3）綜合型實(shí)驗(yàn)。前面兩個(gè)階段實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的開展，都借助于現(xiàn)有的一些工具軟件來實(shí)現(xiàn)。這個(gè)階段將結(jié)合網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)和相關(guān)的硬件知識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生編寫網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，仿真實(shí)現(xiàn)類似于前面的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。例如，可以基于WinPcap開發(fā)包，編寫相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)程序來實(shí)現(xiàn)接收和發(fā)送ARP數(shù)據(jù)包的功能。通過編程實(shí)現(xiàn)，學(xué)生將會(huì)對(duì)協(xié)議的細(xì)節(jié)有個(gè)直觀的了解，可以更具體的感知協(xié)議的原理及其現(xiàn)實(shí)存在。

（4）創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)。建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為，學(xué)習(xí)知識(shí)的最終目標(biāo)是解決一些新的實(shí)踐問題。在這個(gè)階段，教師可以引導(dǎo)性的提出一些實(shí)踐思路，讓學(xué)生自己設(shè)定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，發(fā)現(xiàn)一些有趣的新問題，并通過實(shí)踐來解決問題。通過這個(gè)過程的實(shí)驗(yàn)，可以讓學(xué)生體驗(yàn)到網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)理論知識(shí)的重要性，并提高學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。例如，教師可以提出引導(dǎo)性的問題：“基于ARP協(xié)議原理，我們是否能夠自主設(shè)計(jì)新的攻擊策略？”“是否可以根據(jù)我們前面學(xué)習(xí)的網(wǎng)絡(luò)知識(shí)，思考其它協(xié)議的漏洞，提出攻擊及其防御的策略？”等等。

三、結(jié)語

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)，是學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)理論知識(shí)必不可少的實(shí)踐活動(dòng)，是課堂教學(xué)的有益補(bǔ)充。遵循學(xué)習(xí)規(guī)律的本質(zhì)來設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，是提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的重要途徑。本文基于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論，提出了一種新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式和方法。新方法通過選擇合適的實(shí)驗(yàn)主題，采用層進(jìn)式的教學(xué)模式，并采用問題啟發(fā)和興趣激勵(lì)的模式來激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)動(dòng)力，最終培養(yǎng)解決問題的創(chuàng)新能力。通過多年的教學(xué)實(shí)踐表明，該方法普遍受到學(xué)生的認(rèn)可，能夠取得預(yù)期的教學(xué)效果。

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基金項(xiàng)目：浙江省實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)項(xiàng)目資助；項(xiàng)目編號(hào)：SB1105001-E。