新工科背景下的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)類課程實(shí)踐教學(xué)模式探索

唐燈平，凌興宏，魏 慧

（1.蘇州大學(xué)文正學(xué)院，江蘇 蘇州 215006；2.蘇州大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215006；3.江蘇省計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 蘇州 215006）

0 引 言

新工科建設(shè)要求創(chuàng)新工程教育方式與手段，落實(shí)以學(xué)生為中心的理念，增強(qiáng)師生互動(dòng)，改革教學(xué)方法和考核方式，形成以學(xué)習(xí)者為中心的工程教育模式。推進(jìn)信息技術(shù)和教育教學(xué)深度融合，充分利用虛擬仿真等技術(shù)創(chuàng)新工程實(shí)踐教學(xué)方式[1]。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)類課程在具體教學(xué)實(shí)施時(shí)往往面臨同樣的問題，即如何創(chuàng)造實(shí)驗(yàn)環(huán)境讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證理論，從而有利于學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的深入理解[2]。創(chuàng)建計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室是高校通常使用的方法。實(shí)踐證明，單獨(dú)運(yùn)用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室存在弊端，包括①需要專門的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所，并且對(duì)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所要求較高；②購(gòu)買設(shè)備資金投入較大，預(yù)算較高；③設(shè)備更新?lián)Q代較快，需要不斷更換設(shè)備；④長(zhǎng)時(shí)間被入門級(jí)學(xué)生使用設(shè)備容易損壞且維護(hù)麻煩，需要專人管理維護(hù)；⑤小組同學(xué)共享一套實(shí)驗(yàn)設(shè)備導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)效率差，學(xué)生時(shí)間浪費(fèi)嚴(yán)重；⑥實(shí)驗(yàn)時(shí)間和地點(diǎn)不靈活，學(xué)生只能在規(guī)定時(shí)間、固定地點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；⑦實(shí)驗(yàn)結(jié)束需要恢復(fù)設(shè)備配置，更改網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，工作量較大；⑧教師檢查實(shí)驗(yàn)結(jié)果麻煩，等等。種種弊端導(dǎo)致僅僅利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)很難達(dá)到預(yù)期效果。在網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)中靈活運(yùn)用仿真環(huán)境改變傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)類課程實(shí)踐教學(xué)模式，能夠有效解決計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室存在的弊端。實(shí)踐證明，靈活運(yùn)用仿真環(huán)境的新教學(xué)模式能夠達(dá)到較好的教學(xué)效果[3]。

1 以新工科為理念，合理利用網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室及各種仿真軟件長(zhǎng)處完成相應(yīng)實(shí)驗(yàn)

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)類課程常見的仿真平臺(tái)有：Boson NetSim、Packet Tracer、GNS3以及 EVENG等。Boson NetSim和Packet Tracer仿真軟件支持的命令有限，使用受到限制。終端計(jì)算機(jī)均需安裝軟件才能使用，管理工作量大，不能在線配置，只能滿足部分實(shí)驗(yàn)。Packet Tracer仿真平臺(tái)支持?jǐn)?shù)據(jù)包分析，使用簡(jiǎn)單[4]。

GNS3是一款具有圖形化界面可以運(yùn)行在多平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)虛擬軟件，能夠虛擬體驗(yàn)Cisco網(wǎng)際操作系統(tǒng)IOS，該平臺(tái)占用系統(tǒng)資源較大，仿真設(shè)備數(shù)量增加嚴(yán)重影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。軟件需要安裝后使用，工作量大、資源占用高，不能在線配置[5]。

EVE-NG仿真平臺(tái)基于B/S模式?；贐/S架構(gòu)在線網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)，由于管理方便，使用靈活，只要一臺(tái)能夠上網(wǎng)的機(jī)器就可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)。同時(shí)支持多用戶同時(shí)在線，滿足在線檢查實(shí)驗(yàn)結(jié)果。能夠?qū)Χ喾N廠商設(shè)備支持，對(duì)多種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類型支持，同時(shí)能夠仿真多種類型網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的復(fù)雜實(shí)驗(yàn)[6]。

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)類課程主要涉及計(jì)算機(jī)通信與網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)工程與組網(wǎng)技術(shù)以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)管理與維護(hù)3門課程。計(jì)算機(jī)通信與網(wǎng)絡(luò)課程涉及的實(shí)驗(yàn)見表1。

實(shí)驗(yàn)1雙絞線的制作，需要學(xué)生真正動(dòng)手實(shí)踐才能掌握，實(shí)驗(yàn)室需要提供雙絞線、水晶頭、壓線鉗、測(cè)線儀。通過該實(shí)驗(yàn)學(xué)生能夠掌握雙絞線的工作原理，學(xué)會(huì)直通線和交叉線的制作過程。實(shí)驗(yàn)2、實(shí)驗(yàn)3以及實(shí)驗(yàn)4包括后面的實(shí)驗(yàn)7和實(shí)驗(yàn)8，有個(gè)共同的特點(diǎn)是分析數(shù)據(jù)包過程。這幾個(gè)實(shí)驗(yàn)可以利用擁有眾多優(yōu)勢(shì)的B/S架構(gòu)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)EVE-NG很好地完成。EVE-NG可以和抓包軟件Wireshark組合使用，抓包效果和在實(shí)際工作環(huán)境中相同。

通過搭建2臺(tái)路由器、2臺(tái)電腦、3個(gè)網(wǎng)段的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌渲镁W(wǎng)絡(luò)相關(guān)參數(shù)，通過動(dòng)態(tài)路由協(xié)議RIP將網(wǎng)絡(luò)互連。設(shè)置通過Wireshark軟件抓取路由器接口數(shù)據(jù)包，通過在PC機(jī)之間進(jìn)行ping 測(cè)試，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)包的抓取。抓包如圖1所示[7]。實(shí)驗(yàn)效果明顯。

表1 計(jì)算機(jī)通信與網(wǎng)絡(luò)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)安排

圖1 在線仿真平臺(tái)EVE-NG抓包過程

抓包實(shí)驗(yàn)同樣可以利用仿真軟件Packet Tracer完成，具體如圖2所示。比較EVE-NG和Packet Tracer 這兩款仿真軟件在抓包實(shí)驗(yàn)中各有優(yōu)劣，可以適當(dāng)選擇使用。EVENG優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在:①和真實(shí)抓包軟件配合使用，模擬實(shí)際的抓包過程；②基于B/S架構(gòu)，便于統(tǒng)一管理。缺點(diǎn)為顯示結(jié)果不直觀，需要仔細(xì)分析。Packet Tracer仿真軟件優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在：使用方便，抓包結(jié)果顯示清楚比較直觀，適合初學(xué)者；缺點(diǎn)為抓包結(jié)果為仿真效果，和實(shí)際抓包顯示結(jié)果有差別。

實(shí)驗(yàn)5、實(shí)驗(yàn)6關(guān)于靜態(tài)路由和動(dòng)態(tài)路由實(shí)驗(yàn)可以利用EVE-NG仿真平臺(tái)和Packet Tracer，EVE-NG在線仿真平臺(tái)基于B/S模式，可以統(tǒng)一管理，Packet Tracer需要每臺(tái)電腦進(jìn)行安裝，不方便管理。

網(wǎng)絡(luò)工程與組網(wǎng)技術(shù)課程涉及的實(shí)驗(yàn)見表2。這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可以利用EVE-NG和Packet Tracer仿真軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

表2 網(wǎng)絡(luò)工程與組網(wǎng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)安排

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)管理與維護(hù)課程涉及的實(shí)驗(yàn)見表3。由于GNS3能夠虛擬體驗(yàn)Cisco網(wǎng)際操作系統(tǒng)IOS，并且能夠橋接物理電腦，所以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)管理與維護(hù)利用GNS3進(jìn)行仿真，搭建計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)管理與維護(hù)仿真平臺(tái)如圖3所示，仿真出的效果和實(shí)際網(wǎng)絡(luò)管理相同。仿真網(wǎng)絡(luò)管理效果如圖4所示?？梢栽谠摲抡嫫脚_(tái)上完成該課程的實(shí)驗(yàn)[8-10]。

表3 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)管理與維護(hù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)安排

圖3 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)管理與維護(hù)仿真平臺(tái)

圖4 SNMPc網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)管理效果

2 以新工科為理念將仿真環(huán)境引入課堂

在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)類課程教學(xué)過程中，老師們主要以理論講解為主，詳細(xì)分析其工作原理，深?yuàn)W的理論原理講解枯燥乏味，學(xué)生理解比較困難，甚至有些工作原理已經(jīng)過時(shí)并且脫離目前實(shí)際的應(yīng)用，最終導(dǎo)致教學(xué)效果并不理想。原理是和應(yīng)用相結(jié)合的，在課堂上引入實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛑庇^地反應(yīng)相關(guān)原理工作過程，達(dá)到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論，理論促進(jìn)實(shí)驗(yàn)，兩者相輔相成互相促進(jìn)。將實(shí)驗(yàn)引入課堂并非易事，實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭建需要涉及多種設(shè)備，以及構(gòu)造繁瑣的拓?fù)洵h(huán)境，這導(dǎo)致老師們花費(fèi)大量時(shí)間做實(shí)踐前的準(zhǔn)備工作。另外在實(shí)際的課堂教學(xué)中，經(jīng)常出現(xiàn)各種問題如設(shè)備損壞、拓?fù)浯罱ǔ鰡栴}等導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)演示不能達(dá)到預(yù)期效果。

將仿真技術(shù)引入課堂可以很好地解決這個(gè)問題。仿真環(huán)境主要體現(xiàn)以下優(yōu)點(diǎn)：①對(duì)環(huán)境要求低，每位同學(xué)只需一臺(tái)能夠聯(lián)入校園網(wǎng)的機(jī)器即可；②同學(xué)之間不需要共享設(shè)備，每位同學(xué)都可以獨(dú)立完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程；③實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭建靈活方便；④方便管理，一人一臺(tái)機(jī)器避免小組同學(xué)之間互相閑聊；⑤不需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行管理維護(hù)，只需要維護(hù)仿真服務(wù)器即可；⑥不需要對(duì)實(shí)驗(yàn)拓?fù)溥M(jìn)行物理的手動(dòng)繁瑣更改，只需通過鼠標(biāo)拖拽即可；⑦實(shí)驗(yàn)結(jié)果隨時(shí)保存，靈活方便。傳統(tǒng)的仿真軟件往往需要在終端電腦上安裝，如Packet Tracer、GNS3等，目前廣泛使用的基于B/S架構(gòu)的仿真環(huán)境EVE-NG，終端電腦只需安裝瀏覽器即可。無論在校園網(wǎng)中的哪個(gè)教室的哪臺(tái)教師機(jī)上都可以通過瀏覽器訪問該仿真環(huán)境平臺(tái)進(jìn)行實(shí)踐。該仿真環(huán)境仿真的效果和實(shí)際幾乎一致，所以能夠達(dá)到很好的教學(xué)效果[11]。

3 以新工科為理念搭建在線仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)學(xué)生實(shí)踐過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理

傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)中老師對(duì)學(xué)生實(shí)踐過程不能進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理，不能詳細(xì)分析學(xué)生實(shí)踐過程。學(xué)生在有限的實(shí)踐時(shí)間內(nèi)沒有完成實(shí)踐全部過程，后續(xù)也不能繼續(xù)完成剩下的實(shí)踐過程。如果要繼續(xù)完成，下次課必須重新開始實(shí)踐，這樣的實(shí)踐狀況嚴(yán)重影響學(xué)生實(shí)踐效果。

基于B/S架構(gòu)EVE-NG在線仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，能夠?qū)W(xué)生實(shí)踐過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理，后續(xù)沒有完成的工作可以在其他場(chǎng)合其他終端電腦上繼續(xù)完成，老師可以在后臺(tái)對(duì)學(xué)生的實(shí)踐過程進(jìn)行全方位動(dòng)態(tài)監(jiān)控，這樣大大提高了學(xué)生實(shí)踐積極性，取得很好的實(shí)踐效果[12]。

4 以新工科為理念改變傳統(tǒng)的以教師教為主為學(xué)生主動(dòng)學(xué)為主的實(shí)踐教學(xué)模式

新的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)類課程實(shí)踐教學(xué)模式開發(fā)基于B/S架構(gòu)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為學(xué)生提供靈活的實(shí)踐教學(xué)環(huán)境，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生實(shí)踐積極性和主動(dòng)性，提高了學(xué)生的動(dòng)手能力。

該教學(xué)模式的開展大幅度提高了實(shí)驗(yàn)課程開課率，甚至達(dá)到90%以上。打破實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所固定、實(shí)驗(yàn)時(shí)間固定，以及小組學(xué)生共享實(shí)驗(yàn)平臺(tái)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)效率低的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方案。充分利用第二課堂大幅度提高學(xué)生實(shí)踐水平，同時(shí)能夠顯著提高學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力，最終充分體現(xiàn)應(yīng)用型本科院校學(xué)生職場(chǎng)優(yōu)勢(shì)[13-14]。

5 提高教師的工作效率及工作效果

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中教師對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)果的檢查需要在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，時(shí)間短，任務(wù)緊，導(dǎo)致檢查不仔細(xì)。新的教學(xué)模式通過在線仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)教師可以在線對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行檢查批閱以及評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)時(shí)間以及地點(diǎn)非常靈活，改變了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果檢查麻煩的種種弊端，大大提高了教師的工作效率及工作效果。

6 結(jié) 語(yǔ)

以新工科為理念的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)類課程實(shí)踐教學(xué)模式能夠提高計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)類課程實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量，在創(chuàng)新教育領(lǐng)域有借鑒推廣的應(yīng)用價(jià)值，對(duì)各個(gè)專業(yè)的其他課程設(shè)計(jì)教學(xué)有較好的借鑒和推廣價(jià)值，為高校其他課程實(shí)踐教學(xué)模式探索提供了借鑒意義。