計算機網(wǎng)絡實驗教學改革的系統(tǒng)性研究

王小妹,王建萍,張 爽,邊勝琴

(北京科技大學 計算機與通信工程學院,北京 100083)

計算機網(wǎng)絡實驗教學改革的系統(tǒng)性研究

王小妹,王建萍,張 爽,邊勝琴

(北京科技大學 計算機與通信工程學院,北京 100083)

計算機網(wǎng)絡實驗教學是計算機等多個相關專業(yè)教學體系中的重要組成部分。針對傳統(tǒng)實驗教學的不足,圍繞實驗平臺的應用,隨堂實驗、課程設計、大型實驗等實驗模塊,以及實驗考核新辦法三大方面,提出了一個系統(tǒng)性的實驗教學改革辦法。實踐表明,實驗教學改革成效顯著。

計算機網(wǎng)絡;實驗教學;教學改革

計算機網(wǎng)絡是高校計算機、通信等相關學科的主干課程,對于計算機和通信相關專業(yè)的學生來說,學好計算機網(wǎng)絡課程十分重要。從2009年起,教育部將計算機網(wǎng)絡作為計算機科學技術專業(yè)碩士研究生入學考試的一部分。計算機網(wǎng)絡課程雖然重要,但是教學過程中也有一定的難度[1]:涉及到的概念、名詞多,特別是新協(xié)議、新知識點不斷涌現(xiàn)且分散,學生在學習過程中難度大;計算機網(wǎng)絡課程涉及電子、通信眾多學科,同時面向計算機、通信、自動化、電子等多個專業(yè)學生,對授課中知識的難度把握、層次推進要求較高;對于路由器、交換機、防火墻等多種網(wǎng)絡設備的配置使用以及涉及的協(xié)議內(nèi)容,必須通過合理的實驗才能感性認識;計算機網(wǎng)絡發(fā)展迅速,教學也需緊跟學科發(fā)展。針對計算機網(wǎng)絡課程教學中的特點和難點,我們研究出了一套系統(tǒng)的、科學的計算機網(wǎng)絡教學模式和實驗教學模式[2-4],改革后的計算機網(wǎng)絡課程已經(jīng)進行了4個學期,效果顯著。

1 實驗環(huán)境

計算機網(wǎng)絡實驗室擁有一套LIMP教學實驗系統(tǒng)、一臺WEB服務器、一臺文件服務器、6組實驗機柜,其中基礎實驗臺3套,功能實驗臺3套。每套實驗臺由1臺設備控制服務器(RCMS)、4臺路由器、2臺二層交換機、2臺三層交換機組成,功能實驗臺添加了無線、安全、語音等模塊,可完成多種擴充實驗。RCMS通過八爪線連接網(wǎng)絡設備的配置端口,PC機具有雙網(wǎng)卡配置,能實現(xiàn)實驗室設備的集中管理,學生在校園網(wǎng)的任何終端都可遠程登錄實驗室的管理平臺,進行實驗的預習、設備配置和作業(yè)提交。

1.1 網(wǎng)絡環(huán)境

實驗室的每臺電腦配有2塊網(wǎng)卡:網(wǎng)卡1命名為校園網(wǎng),網(wǎng)卡2命名為網(wǎng)絡實驗。通過校園網(wǎng)這塊網(wǎng)卡,可以連接相應的訪問控制服務器,完成對網(wǎng)絡實驗設備的配置;通過網(wǎng)絡實驗這塊網(wǎng)卡,設置成實驗項目所需地址,可以完成實驗的驗證。網(wǎng)絡連接見圖1。

圖1 實驗室網(wǎng)絡連接示意圖

1.2 實驗平臺

學生使用學號和密碼登錄實驗平臺進行實驗預習、實驗臺選擇、設備命令行配置、提交實驗報告等操作。教師通過管理員身份對學生進行名單管理、實驗臺和設備分配以及實時觀摩學生設備操作界面。

2 一套改革后的系統(tǒng)性教學方法

2.1 理論與實踐比例的調(diào)整

以往計算機網(wǎng)絡課程由于實驗課時緊張,許多知識點只能一帶而過,或有所選擇地作為自學內(nèi)容,這樣安排的結(jié)果是學生在學習的時候囫圇吞棗,從而導致基礎不扎實,甚至影響后面的學習[5-6]。

針對這個問題,增加了理論和實驗學時[7]。改革前計算機網(wǎng)絡共45個學時,其中理論講授占37個學時,實驗課程占8個學時;改革后,總學時增加為64個學時,其中理論講授占48個學時,實驗課程占16個學時,同時增加了小學期的計算機網(wǎng)絡課程設計32個學時。通過學時的增加與調(diào)整,不僅增加了理論教學的授課時間,便于教師更加細致地講解知識點,而且增加了實驗教學的學時,給了學生更多動手實踐的機會。

2.2 通過隨堂驗證,促進學生主觀能動性

針對計算機網(wǎng)絡課程的內(nèi)容知識點多的特點,我們在課程改革中充分考慮了縮小基本實驗和課程設計的跨度問題,改善基本實驗和課本理論知識以及拓展實驗之間的契合度[8-9]。

(1) 將隨堂實驗的實驗內(nèi)容增加,引入“Wireshark抓包實驗”、“訪問控制列表”、“利用NAT實現(xiàn)內(nèi)部源地址轉(zhuǎn)換”3個實驗,重點突出,使學生能夠在課堂理論的進行過程中隨堂進行基本實驗,這樣學生對剛學過知識的掌握就會有立竿見影的效果。

(2) 隨堂實驗的難度稍作提高,學生做實驗過程中既不死板做實驗，又能易于實現(xiàn)。實驗內(nèi)容不僅局限于以前的網(wǎng)絡設備配置和命令的使用以及簡單的連線,引入的3個實驗需要更多的動手能力和對協(xié)議的理解,提高了學生的學習興趣和動手興趣。

(3) 隨堂實驗由“測”變?yōu)椤白觥?增加了思考題的題量,由以前的簡單的驗證實驗現(xiàn)象,變?yōu)閷W生帶著各種問題進行實驗。實驗過程中教師會故意設置一些“實驗故障”,反過來讓學生體會錯誤出現(xiàn)的理論依據(jù),促進學生學習的主觀能動性。

改革后的隨堂實驗內(nèi)容見表1。

表1 隨堂實驗模塊表

2.3 安排課程設計,提高學生創(chuàng)新能力

學生在對于計算機和網(wǎng)絡設備有了初步的認識和配置技能以后,對于理論知識的理解需要進一步加深,更要有實際操作能力和創(chuàng)造力[10]。學生在進行驗證性實驗的過程中,基本上是按照實驗步驟對理論知識直觀驗證,缺乏舉一反三的能力。因此,在教改中,借助LIMP實驗平臺,開發(fā)了設計性的實驗內(nèi)容,要求學生在驗證性實驗完成的基礎上,觸類旁通,完成設計要求,并將自己設計的實驗拓撲圖先使用CISCO仿真軟件進行調(diào)試,然后在LIMP平臺上完成實際連線和設備配置。例如RIP路由協(xié)議的網(wǎng)絡拓撲設計,在PC 機上配置靜態(tài)路由,在路由器上配置RIP 協(xié)議,使設計的網(wǎng)絡內(nèi)所有結(jié)點能互相訪問。圖2中,我們給出了一個典型的實驗設計的網(wǎng)絡拓撲圖。

圖2 RIP路由協(xié)議配置拓撲圖

學生可以設計各種網(wǎng)絡拓撲圖,使用RIP協(xié)議,并使整個網(wǎng)絡連通。

(1) 在完成設計的過程中,學生首先在配線架上找到對應的PC 機、交換機和路由器的接口,使用直連雙絞線將PC 機、交換機和路由器的接口參考拓撲圖進行連接;

(2) 設計網(wǎng)絡地址以及PC 機接口、三層交換機虛接口和路由器的接口地址;

(3) 配置2臺PC 機的IP 地址、2臺路由器的IP 地址,包括以太網(wǎng)接口和串行口;

(4) 配置交換機的VLAN,將交換機的2個接口劃分到2個VLAN 中,配置交換機虛接口的IP 地址;

(5) 在2臺路由器上配置RIP 路由協(xié)議。

在課設中,允許學生根據(jù)學習過的理論知識及理解的深度自由發(fā)揮,鼓勵學生設計涵蓋知識點更多的、更復雜的實驗拓撲,學有余力的學生還可以多組設備共用[11]。從網(wǎng)絡設備選用、拓撲設計到設備操作的實現(xiàn),完全由學生小組成員獨立完成,既鍛煉了學生間的協(xié)同性,又能各自分工負責,在設計過程中對理論知識反芻,真正理解書本上的各個知識點。

此外,在設計驗證中利用軟件公式實現(xiàn)仿真設計的過程中,也使得學生熟練了對軟件的操作應用,這就為平時學生學習計算機網(wǎng)絡課的各種動手設計奠定了操作基礎。

2.4 組織大型實驗,建立知識整體概念

網(wǎng)絡是由若干節(jié)點和連接這些節(jié)點的鏈路組成的,我們的實驗室就是由計算機、路由器、交換機這些設備通過網(wǎng)線連接成了一個小型的網(wǎng)絡。我們在改革中思考如何使學生更深刻地理解網(wǎng)絡的協(xié)議和層次劃分,理解網(wǎng)絡設備、劃分VLAN等這些技術的現(xiàn)實作用。針對這些需求,我們設計了大型的“OSPF路由協(xié)議實驗”,實驗實現(xiàn)了多個實驗臺互聯(lián),將實驗室32臺PC機聯(lián)通,需要學時為4學時。通過大型實驗的鍛煉,學生建立了對于網(wǎng)絡的整體概念,有利于對于計算機網(wǎng)絡這門課程的全面理解。圖3為實驗拓撲圖。

圖3 OSPF路由協(xié)議配置拓撲圖

2.5 實驗成果評估,促進學生主觀能動性

傳統(tǒng)的實驗考核方式是學生做完實驗后在規(guī)定的時間內(nèi)提交實驗報告,教師批改實驗報告給出成績,主要側(cè)重格式是否規(guī)范、步驟是否詳細、是否獨立正確完成各項實驗操作并得出期望的實驗結(jié)果，以及對于課后思考題能否給出正確的答案。這種在課程結(jié)束前由任課教師主要根據(jù)實驗報告來評定成績的考核方式有一定的局限性,一些主觀的因素難免會影響到實驗成績的公正性,不能真正使實驗成績?nèi)娴睾饬繉W生對于整體課程的掌握情況,不能反映出學生的真實能力。

實驗考核方式的改革是實驗教學改革中的一個重要組成部分,采取科學有效的考核方式,不僅能考查學生的學習情況,還能有力地促進學生學習的主觀能動性,教師也可在實驗驗收過程中不斷總結(jié)經(jīng)驗,不斷改進[12]。我們主要采取了以下的學生實驗評估方式:

(1) 以學生實驗表現(xiàn)為主。教師會全程跟蹤學生的實驗過程,注重實驗過程學生對問題的提出、解決能力,以及動手能力和創(chuàng)新能力,而不是像以前僅僅批改實驗報告。

(2) “平時+報告+操作”的考核方式。“平時”注重對學生獨立實驗能力和科研能力的培養(yǎng);“報告”強調(diào)對過程推導的嚴謹性、實驗數(shù)據(jù)的科學性以及對實驗結(jié)果的理解分析;“操作”考查學生動手能力、故障排除能力和創(chuàng)新能力。

3 改革成果

該教改方案實施2年來,學生的理論課程成績大幅度提高,在學習過程中由原來的被動完成任務轉(zhuǎn)變?yōu)閷嶒炚n程積極踴躍地參與,始終以一名網(wǎng)絡設計師的標準要求自己,并最終能在課程設計環(huán)節(jié)很好地完成設計任務。課程結(jié)束后,學生對該課程提出了很多問題和思考,設計的網(wǎng)絡拓撲圖也是奇思妙想、精彩紛呈。經(jīng)統(tǒng)計,學生在課程設計時能夠較好完成任務的比例達90%,理論課程部分的考試成績提高了10%,實驗課程部分的綜合成績提高了12%。在收集學生對這門課程改革效果的感受評價中,有35%的學生說這門課程是他們投入精力最多的一門課,85%的學生反映他們感覺從這門課中學習的知識非常有用?？傊?學生感覺從計算機網(wǎng)絡這門課程中的收獲很大,他們對課程的評價是很喜歡、很難忘。

4 結(jié)束語

我校的計算機網(wǎng)絡教學面向?qū)W生多、專業(yè)廣,計算機網(wǎng)絡實驗教學課時翻倍增加,這對實驗教學提出了很大的挑戰(zhàn)。實驗教學體系和教學方法等方面的改革是計算機網(wǎng)絡實驗教學改革的重點和難點。我們的計算機網(wǎng)絡教學團隊對實驗平臺、實驗模塊、實驗考核等方面進行了深入的研究與實踐,改革后,計算機網(wǎng)絡實驗模塊增加到15個,包括近百個實驗,其中設計性、綜合性實驗的比例大幅提高,實驗體系更加完整、系統(tǒng)。在創(chuàng)新性實驗教學理論的指導下,我們還將進一步建立立體化的創(chuàng)新實驗教學模式,不斷改進教學方法和一系列配套環(huán)境,使實驗教學在培養(yǎng)學生技能的同時,更能培養(yǎng)學生的綜合素質(zhì),為學生的后續(xù)課程和實習就業(yè)夯實基礎。

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Systematic research on innovation of computer network experimental teaching

Wang Xiaomei,Wang Jianping,Zhang Shuang,Bian Shengqin

(School of Computer and Communication Engineering,Beijing University of Science and Technology,Beijing 100083,China)

The experimental teaching of computer network is an important part of the computer science and many other related major teaching systems. Aiming at the deficiency of the traditional experimental teaching and centering on the application of experimental platform,such as experimental modules like classroom experiment,course design and large-scale experiment,and the new assessment methods,this paper puts forward one systematic innovation idea for experimental teaching. The practice shows that the outcome of the innovation for experimental teaching is outstanding.

computer network;experimental teaching;teaching reform

2014- 07- 10 修改日期：2014- 07- 31

王小妹(1982—),女,山東萊州,軍事學碩士,工程師,主要從事計算機網(wǎng)絡和網(wǎng)絡安全方向的研究.

E-mail：wangxiaomei@ustb.edu.cn

642.0

B

1002-4956(2015)1- 0209- 03