虛實結合的“計算機網絡通信實驗”課程教學改革探索

吳家興，陳 雯，唐章彬，曾艷玲

(東華大學 信息科學與技術學院，上海 201620)

網絡通信是通過網絡將各個孤立的設備連接起來，通過信息交換實現人與人、人與計算機、計算機與計算機之間的通信。目前許多高校在本科生和研究生教育中都開設“計算機網絡通信實驗”課程，旨在培養(yǎng)學生掌握網絡通信技術，為以后的工作和學習奠定基礎，并推動網絡通信新技術的發(fā)展。由于“計算機網絡通信實驗”是一門理論與實踐性很強的課程，教學質量直接影響學生的應用水平。因此需要根據新時代人才需求，結合當前網絡通信行業(yè)的發(fā)展趨勢，對該課程進行改革探索，提高課程教學質量，使其適應網絡通信行業(yè)發(fā)展和技術進步，培養(yǎng)行業(yè)需要的人才。

一、“計算機網絡通信實驗”課程教學存在的問題

1. 課程設計的片面性

計算機網絡課程的內容復雜多樣[1]，教師在教學時常常把晦澀難懂的學術知識拆分為若干知識點，使問題變得簡單，學生易于理解。然而計算機網絡系統(tǒng)的知識體系是一環(huán)扣一環(huán)的。比如，要保證網絡層的連通性，必須建立在物理層連通基礎之上，所以將物理層實驗和網絡層實驗分開教學存在一定弊端。雖然教學時將知識點拆分可簡化知識的復雜程度，但導致學生片面地理解計算機網絡知識，不能從全局了解整個計算機網絡以及每個知識點間的聯(lián)系。因此，以拆分知識點的方式教學會使學生對計算機網絡課程知識理解存在片面性，無法從宏觀上系統(tǒng)地學習知識并真正認知計算機網絡。

2. 實驗教學存在限制

(1) 我校(東華大學)信息科學與技術學院有關網絡的實驗教學學時，本科生平均每學期不超過28學時，研究生為32學時。教師要在有限的時間內傳授相關知識較為困難，只能壓縮教學內容。

(2) 在實踐教學方面，由于學生較多，設備數量不充足，學生的實驗需求與時間限制產生矛盾，實驗室只能協(xié)調安排各類實驗，使學生每次實驗的時間跨度較大，平均1周左右，導致學生實驗時對上一次實驗內容有所遺忘，影響教學質量。

(3) 實驗設備固定，學生只能在實驗室做實驗，學生的實驗需求與實驗空間產生矛盾。此外，網絡技術發(fā)展迅速，設備更新快，而實驗室設備常常不能及時更新，使學生做實驗時不能及時接觸到最新技術和設備。

針對上述問題，我們對“計算機網絡通信實驗”課程進行了教學改革，以提高學生學習效率。

二、“計算機網絡通信實驗”虛實結合教學新方案

1. 綜合性實際案例教學

在過去的教學中，往往是將每個知識點分開講解并進行實驗，如RIP基礎實驗、OSPF基礎實驗等。雖然這樣的做法可將晦澀難懂的計算機網絡知識體系分解成各知識點逐一講解，使學生容易接受。但是這也影響了每個知識點間的聯(lián)系，大部分學生不會將知識點串聯(lián)起來，在做一些較復雜的實驗時無從下手。

針對上述情況，我們采用案例教學法，增加綜合性實驗分析案例，充分利用學校現有的實驗條件，模擬企業(yè)綜合性組網方案，使學生學會運用系統(tǒng)的整體思維分析網絡的設計、開發(fā)、應用、管理與維護等問題。新增實驗有企業(yè)網的規(guī)劃與設計、防火墻配置和地址轉換方案、IPv6協(xié)議通信解決方案、校園網Web和Telnet服務器搭建方案、交換機鏈路故障的備份方案、廣播風暴問題的解決方案等。這些綜合性實驗的開設提升了學生綜合解決問題的能力，因地制宜，與時俱進，反映了當今科技進步，對培養(yǎng)綜合能力強的高素質創(chuàng)新人才具有重要作用。

2. 更新實驗設備

新穎的實體(物理)設備可以運用最新的技術。2019年2月，學院投入大量資金更新了網絡通信實驗室[2]的一些設備。在不改變實驗室搭建好的網絡拓撲的前提下，以華為H3C30-20為基礎的交換路由設備替換了過去的H3C設備。這次設備更新不僅提升了硬件的計算速度、通信速率和存儲容量，還提高了設備的兼容性和魯棒性，在進行綜合性實驗時，設備間的協(xié)調能力大幅度改善。學生使用最新的設備，避免做實驗時出現人為因素以外的設備問題。在這些新設備上可以讓學生使用當前的最新技術，提升了他們的專業(yè)技能。一流工科人才的培養(yǎng)離不開一流的實驗室，目前我校的主要網絡通信實驗設備已經達到國內一流水平，接近國際先進水平，良好的硬件條件有助于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和實踐能力。

3. 利用華為模擬器eNSP

虛擬實驗平臺是對實體實驗的補充。eNSP[3]為華為公司推出的圖形化網絡仿真平臺，該平臺通過對真實網絡設備的仿真模擬，幫助ICT(信息與通信產業(yè))從業(yè)者和客戶快速熟悉華為數碼通信系列產品，了解并掌握相關產品的操作和配置，提升對企業(yè)ICT網絡的規(guī)劃、建設和運行維護能力，從而幫助企業(yè)構建更加高效、優(yōu)質的ICT網絡。eNSP高度仿真軟件擁有強大的仿真功能，可模擬華為AR路由器、x7系列交換機的大部分特性，還可模擬PC終端、Hub、云、幀中繼交換機等實體設備。通過使用模擬實體設備對其進行組網，得到所需的網絡連接。該模擬器自帶仿真設備配置功能，可快速學習華為命令行。該模擬器還自帶接口抓包工具，能抓取網絡接口端的數據包，直接展示協(xié)議交互過程。eNSP對外免費開放，可直接通過官網下載安裝，無需申請許可，而且門檻低，適用范圍廣，適合初學者、專業(yè)人員、學生、教師及技術人員使用。

4. 虛實結合教學

學習是一種真實情景的體驗[4]。為了提升學生的計算機網絡綜合水平，我們在原有的教學內容中增添了具有一定難度的綜合性實驗。為了突破課時和實驗環(huán)境的限制，要求學生在課后安裝華為eNSP虛擬實驗軟件，利用課余時間，既可以對課堂知識進行及時復習，也可以為下次課程做好預習。學生合理利用課余時間，線下線上相結合，充分利用實驗資源，虛實結合，可以快速提升網絡實驗動手能力。對于基礎較好的學生，甚至可以不受場合和時間的限制，讓他們自由發(fā)揮對網絡的學習和創(chuàng)新，提升他們的實踐能力和創(chuàng)新能力。

圖1所示為在eNSP模擬器上搭建的關于防火墻配置和地址轉換實驗的網絡拓撲圖。下面進行虛實結合的對比。(1)在eNSP模擬器上組網較為方便，如同網絡拓撲結構組建即可。但是由于設備不同，指令上與H3C有所差異。(2)在華為H3C實驗設備上組網時，由于實驗設備的連接拓撲結構是固定的，需要根據拓撲信息在交換機上進行相應的配置，劃分VLAN，形成邏輯上的連接。

圖1 防火墻配置和地址轉換實驗網絡拓撲圖

如圖1所示，該拓撲圖分為兩個網段，其中PC1、PC2、Switch和FireWall化為一個網段，Router和FireWall化為另一個網段。PC1、PC2對應各自的網段設置不同的IP地址、子網掩碼和網關；Router和FireWall對應的端口設置不同的IP地址。本實驗采用NAT對跨網段的地址進行轉換，并且在FireWall上設置防火墻，滿足下列要求：①在FireWall上啟用NAT功能，使PC1能夠訪問到Router；②在FireWall上啟用Firewall功能，禁止PC2訪問Router。組網配置結束后，使用ping命令驗證實驗結果。結果表明，內網的PC1和PC2分別ping外網的Router，PC1能與Router通信，而PC2不能與Router通信，實現了防火墻對PC2與Router通信的限制作用。

充分、合理地利用資源，將虛實結合起來，做好線下線上的綜合教學，讓學生可以更扎實地掌握復雜的網絡基礎知識，有效提升學生的綜合應用能力和創(chuàng)新能力。

三、結語

本文提出了一種以實體設備平臺為主、虛擬實驗平臺為輔的“計算機網絡通信實驗”課程教學新方案。課上教師主要進行基礎理論知識教學，課后讓學生使用華為eNSP模擬器自行實驗。網絡實驗室教學以綜合性實驗為主，讓學生在實驗中牢固地掌握計算機網絡技術。當然，利用華為eNSP模擬器也可以搭建綜合性實驗，在課后進行總結與補充。采用虛實結合的教學方法，學生可以靈活地利用自己的課余時間學習網絡知識，突破了傳統(tǒng)實驗教學的空間和時間限制，使他們能夠學習系統(tǒng)、完整的知識體系，以系統(tǒng)的思維看待網絡的設計、開發(fā)、應用、管理與維護等問題。學院對學生開放網絡實驗室，通過實驗室案例教學，使學生接觸實體設備，體驗真實系統(tǒng)，為以后的學習和工作打下堅實的基礎。培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力是高等教育的重要目標，結合eNSP虛擬實驗，提高了學生的創(chuàng)新能力，培養(yǎng)了學生的科學素質。