計算機網(wǎng)絡線上實驗教學平臺的構建

陳春生，劉桂江，胡浪濤

（安慶師范大學計算機與信息學院，安徽安慶246133）

計算機網(wǎng)絡是本科階段工科專業(yè)的重要課程，是計算機專業(yè)學生的必修課[1]，也是電子信息工科類專業(yè)學生的必選課[2,3]，有著很大的受眾。計算機網(wǎng)絡的應用性、技術性很強[4]，實驗教學主要面臨2個方面的挑戰(zhàn)。

第一、實驗資源獲取。實驗教學資源受設備、場地、時間等物理條件的限制，學生開展實踐性學習嚴重受限，缺乏足夠的靈活性，更缺乏充足的時間保障。這在很大程度上限制了實驗資源種類及數(shù)量的持續(xù)增長。特別是疫情防控期間，在“停課不停學”的要求下，各個學校開展線上教學活動，但受條件限制，實驗教學的開展和指導得不到保障。

第二、學習效果評估。形成性評價是當前實驗效果評估的主要評價趨勢[5]。形成性評價高度依賴于學習過程及成效的數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)實驗教學模式難以為科學分析學生學習行為及成效提供細粒度的過程性數(shù)據(jù)，這導致學生學習效果評價或者非常困難，或者過于粗糙，特別是難以精確量化。

國內(nèi)對計算機網(wǎng)絡實驗教學的研究頗多，但基本都是關于實驗教學改革[6]、硬件實驗平臺建設[7]、虛擬仿真技術的應用等。目前還沒有專門針對線上實驗教學的研究，因此結合現(xiàn)在的國內(nèi)形勢，有必要利用現(xiàn)代化的教學手段，建設開放的線下線上虛實結合的實驗教學平臺。

1 線上實驗平臺建設目標與方案

計算機網(wǎng)絡線上實驗平臺的建設主要研究在線實驗教學的新模式，以滿足任何人、任何時間、任何地點均可以開展實踐性學習為目標，突破硬件實驗設備網(wǎng)絡化使用的技術瓶頸，建設計算機網(wǎng)絡在線軟硬件綜合實驗環(huán)境及在線實驗體系，形成為專業(yè)、地區(qū)乃至全國提供基于互聯(lián)網(wǎng)的在線實驗資源與服務的核心能力，實現(xiàn)基于硬件實驗向在線實驗的轉型。

計算機網(wǎng)絡在線實驗平臺以“虛實結合、能實不虛”為建設原則，以“將真實的網(wǎng)絡實驗室部署到互聯(lián)網(wǎng)上”為目標。綜合設備硬件環(huán)境、網(wǎng)絡通信、多媒體、數(shù)據(jù)庫等技術，通過硬件實驗設備綜合集成，使學生能夠遠程在線完成各類實驗項目，不受時間、空間和內(nèi)容限制。實現(xiàn)學生在宿舍在家里進行網(wǎng)絡實驗，完成遠程組網(wǎng)、網(wǎng)絡協(xié)議分析、網(wǎng)絡組建設計等實驗內(nèi)容，并能夠實現(xiàn)多人異地聯(lián)合實驗和教師遠程同步指導與考核。

2 線上實驗平臺實驗環(huán)境

整個平臺由服務器集群與安全防護、在線實驗設備組、在線實驗管理系統(tǒng)三部分組成。

2.1 線上實驗平臺硬件環(huán)境

服務器集群由若干臺服務器組成，服務器集群上運行的計算資源管理系統(tǒng)、管理虛擬機等計算資源對接用戶預約請求，保證虛擬機合理分配。安全防護部分主要包括部署防火墻、入侵檢測系統(tǒng)和安全審計系統(tǒng)，保證整個平臺的安全性。

在線實驗硬件部分可以有多個設備組，每組設備包括：虛擬機4臺、交換機2臺、路由器2臺和連線組網(wǎng)設備1臺。每臺虛擬機通過console線直接連接交換設備。通過Vmware Workstation軟件的遠程共享虛擬化技術，對每組虛擬機進行遠程共享，從而實現(xiàn)數(shù)名學生異地遠程在線聯(lián)合實驗，教師也可以同步遠程在線對學生進行指導和考查。計算機網(wǎng)絡線上實驗平臺硬件結構如圖1。

圖1 計算機網(wǎng)絡線上實驗平臺硬件結構

2.2 線上實驗平臺軟件環(huán)境

在線網(wǎng)絡實驗管理系統(tǒng)是整個平臺的核心部分，由用戶權限管理、實驗資源管理、實驗預約和實驗編排等功能模塊組成。實驗平臺軟件環(huán)境有以下主要特點。

（1）管理系統(tǒng)采用B/S架構模式，系統(tǒng)部署在本地服務器，升級及維護方便，學生通過瀏覽器登陸實驗平臺。

（2）實驗全過程數(shù)字化管理。管理系統(tǒng)記錄每個學生的實驗過程，并以圖表的形式可視化展示給教師，其中包括每個實驗步驟的消耗時間、每個實驗的總完成時間，以及在線實驗時間分布等，完整匯集了學生在整個培養(yǎng)階段的學習過程數(shù)據(jù)。

（3）實驗資源管理。教師能夠自建實驗項目，導入、導出實驗資源，并進行后臺預覽和標記分類。以MOOC課程理念梳理和組織實驗模塊和知識點，通過課程文案的設計、課程視頻的錄制、在線習題、在線實驗、考試題庫等的設計，構建完善的在線網(wǎng)絡實驗教學資源庫。有力地支持了MOOC 實驗課程的開設，將初步形成一個比較完整的在線網(wǎng)絡實驗體系。

（4）實驗作業(yè)管理。教師布置的實驗任務可以包含任意多個實驗；教師能夠從后臺進入學生正在進行的實驗項目，遠程同步指導或檢查；支持教師在線評閱實驗報告、撰寫評閱意見和評分。

（5）全方位支持在線考試。一場考試任意多套試卷，支持按照“IP地址”或者“學號”分發(fā)試卷。并支持IP地址綁定、訪問控制、替考檢測等。

（6）便捷的輔助功能。包括根據(jù)知識點分布、難度分布、使用頻度的自動抽題組卷功能，自動評分功能，一鍵下載學生答卷、導出成績單的一鍵歸檔功能，可以將歷次作業(yè)、實驗、考試、平時成績進行加權匯總的功能等。

圖2 計算機網(wǎng)絡線上實驗管理系統(tǒng)

3 線上實驗平臺實驗內(nèi)容

計算機網(wǎng)絡實驗教學作為專業(yè)人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)之一，針對其技術復雜、發(fā)展迅速、工程性實踐性強的特點，構建多層次的實驗內(nèi)容，強化學生對課程知識的理解，掌握關鍵技術。課程重點培養(yǎng)學生網(wǎng)絡技術核心知識理解與應用能力、工程實踐能力、網(wǎng)絡協(xié)議的理解與應用能力、網(wǎng)絡協(xié)議的設計與開發(fā)能力。

針對網(wǎng)絡實驗教學的要求，構建三個層次的實驗內(nèi)容：

（1）基礎認知階段，主要是基本原理實驗，包括入門實驗、鏈路層、網(wǎng)絡層等，在此階段重點培養(yǎng)學生對網(wǎng)絡技術核心知識的理解和學生實際應用能力；

（2）進階綜合實驗階段，主要是研究型實驗，包括RIP協(xié)議、OSPF協(xié)議等，重點培養(yǎng)學生對網(wǎng)絡協(xié)議的理解與應用能力和網(wǎng)絡工程實踐能力；

（3）高階創(chuàng)新階段，分創(chuàng)新型實驗和創(chuàng)新實踐兩個層次，包括組播、Ipv6、無線網(wǎng)絡、復雜網(wǎng)絡組建等實驗，主要培養(yǎng)少數(shù)優(yōu)秀學生對網(wǎng)絡協(xié)議的研究與設計能力。

實驗項目如表1所示，實驗一到七的內(nèi)容涉及計算機網(wǎng)絡的基本原理，實驗八到十一為綜合與創(chuàng)新實驗部分。實際教學中可以根據(jù)教學需求選擇實驗項目?？梢栽L問遠程在線計算機網(wǎng)絡實驗平臺，遠程預約實驗設備，通過遠程組網(wǎng)、配置交換機、路由器、分析截獲報文等方式完成實驗。

表1 計算機網(wǎng)絡實驗內(nèi)容

4 結束語

針對計算機網(wǎng)絡面臨的挑戰(zhàn)，結合現(xiàn)代化技術，建設開放性虛實結合的線上實驗平臺，利用網(wǎng)絡平臺建設完整的教學資源，支持課程建設，建成一個比較完整的在線網(wǎng)絡實驗體系。

根據(jù)線上實驗平臺的開放性和共享性特點，能夠取得如下實驗效果：

（1）形成師生之間互助的學習生態(tài)網(wǎng)絡。學生利用碎片化的時間來學習，實驗學習投入顯著增加，提高了時間的利用率。利用在線實驗平臺良好的互操作性，建立遠程在線實時互動機制，安排教師和助教遠程在線實時指導，鼓勵學生之間互助探討。有利于形成一個學生之間、師生之間互助的學習生態(tài)網(wǎng)絡。

（2）為學生行為的大數(shù)據(jù)分析提供基礎?；谟嬎銠C網(wǎng)絡在線實驗平臺和MOOC課程，可以獲得學生網(wǎng)絡實驗的細粒度學習行為數(shù)據(jù)，通過對微觀教學活動數(shù)據(jù)進行持續(xù)量化分析，追蹤學生的能力培養(yǎng)過程，使獲得學生專業(yè)能力培養(yǎng)規(guī)律性認識成為可能。這有助于微觀量化分析的教學研究方法的形成。