基于網(wǎng)絡(luò)仿真平臺的《計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》實驗課程教學改革研究

曹園青

摘? ?要：文章針對高?！队嬎銠C網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》實驗課程教學中存在的典型問題，進行了教師層面和學生層面的探討和分析，提出了基于Cisco Packet Tracer網(wǎng)絡(luò)模擬仿真平臺的實驗課程教學改革思路，借助模擬軟件的低成本性和易操作性，強化學生對網(wǎng)絡(luò)知識的實踐能力，對改善實驗課程教學成效起到了積極作用。

關(guān)鍵詞：《計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》實驗課程;網(wǎng)絡(luò)模擬仿真平臺;教學改革

中圖分類號：TP393.0;G434 文獻標志碼：B 文章編號：1673-8454（2021）12-0043-04

一、引言

《計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》課程是高校計算機科學與技術(shù)專業(yè)的基礎(chǔ)課程，也是典型的強調(diào)實踐應(yīng)用能力的實驗課程。該課程的教學目的是使學生掌握計算機網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷史、基本概念、工作原理、實現(xiàn)方法和技術(shù)應(yīng)用等理論知識。與此同時，強化學生網(wǎng)絡(luò)技能的實踐能力也是考察學生對理論內(nèi)容掌握程度的一個主要方法。

但是，因為理論知識的抽象性、復(fù)雜性和難以實現(xiàn)性，導(dǎo)致學生對拓撲結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和算法原理的理解性較差，從而嚴重影響了學生對網(wǎng)絡(luò)知識學習的主動性。對于教師而言，限于實驗設(shè)備有限、組織網(wǎng)絡(luò)實驗的難度大、實驗效果不理想，導(dǎo)致整體教學效果很難達到預(yù)期目標。

二、前期研究

隨著計算機科技水平的發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進步，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算和人工智能等新興IT領(lǐng)域?qū)映霾桓F，這些領(lǐng)域的正常運作必須要依托于網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。然而，以服務(wù)社會為主要目標之一的高校，在《計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》課程教學中的實驗效果與社會需求、技術(shù)現(xiàn)狀產(chǎn)生嚴重脫節(jié)，《計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》課程的實驗教學改革勢在必行，也成為廣大一線教師近年來的研究熱點之一。

《計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》課程教學改革方法通常需要對兩種典型的教學模式（“自上而下”模式和“自下而上”模式）進行深入分析后再付諸實踐[1]。此外，還能以課程在不同技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用需求為導(dǎo)向，探究《計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》與專業(yè)技術(shù)課程間的相互聯(lián)系，并針對不同專業(yè)領(lǐng)域的《計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》課程進行差異化教學，即兩級N類教學模式[2]。除了應(yīng)用需求導(dǎo)向外，以技術(shù)問題和企業(yè)需求作為主要導(dǎo)向的“雙導(dǎo)向”教學模式改革，也能著重培養(yǎng)學生的操作能力[3]，還可以先調(diào)研教師和學生在《計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》實驗課程教學過程中遇到的幾種典型問題，再針對網(wǎng)絡(luò)實驗?zāi)繕?、實驗?nèi)容、實驗教學方法和實驗考核方式進行實驗教學改革[4]。

研究表明，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)專業(yè)學生畢業(yè)后從事的不同工作崗位所需要具備的計算機網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技能是不同的，若以此作為依據(jù)，重新設(shè)計《計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》實驗課程的教學方法、教學內(nèi)容和教學過程，然后再進行改革實踐和效果反饋，可有效改進教學效果[5]。

由于高校的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實驗室普遍存在物理設(shè)備短缺、型號更新周期慢、軟件版本陳舊等問題，基于教學管理工具的計算機網(wǎng)絡(luò)輔助教學遠程實驗平臺可以有效提高學生學習的積極性和主動性，并滿足基本的實驗教學需求[6]。

在當前各高校、各專業(yè)廣泛開展翻轉(zhuǎn)課堂教學改革的大環(huán)境下，將混合學習與深度學習的教學理論加以結(jié)合，并基于深度學習的《計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》實踐課程的混合教學方法，依據(jù)學生就業(yè)從事工作方向?qū)⒁延薪虒W內(nèi)容進行重新組織，構(gòu)建出翻轉(zhuǎn)課堂下的計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實驗教學新模型，促進了實驗性課程的教學改革[7]。

通過以上相關(guān)研究不難看出，很多高校教學人員對《計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》實驗課程進行了教學改革方面的研究。其大多是關(guān)于實驗教學的內(nèi)容、方法、形式、考核機制、評價體系方面的改革，并且確實對提高實驗教學效率起到了一定的作用，但對于如何提高實驗設(shè)備利用率、解決網(wǎng)絡(luò)協(xié)議驗證的困難性、滿足網(wǎng)絡(luò)實驗操作過程的普適應(yīng)等問題的研究，還不夠深入和全面。

三、《計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》課程存在的問題及原因解析

《計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》課程是高校計算機類專業(yè)的基礎(chǔ)必修課程之一，也是網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)的主干核心課程，該課程涵蓋了網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)模塊、交換技術(shù)模塊、出口路由模塊、網(wǎng)絡(luò)安全模塊、無線局域網(wǎng)模塊和網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃模塊，每個模塊所占的課時百分比不等。該課程具有理論抽象性、技術(shù)靈活性、協(xié)議復(fù)雜性、難以操作性、版本更新性等特點，加大了學生學習的困難和教師組織教學的難度。以河套學院為例，《計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》課程采用理論知識教學和上機實驗操作相結(jié)合的混合教學模式。雖然實驗教學比例較以前有所提高，但還存在教學過程過于依賴機房的硬件設(shè)施和軟件條件，從而導(dǎo)致存在以下問題：

1.實驗耗時較長

在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)機房條件下，組織任何一次網(wǎng)絡(luò)實驗都要重復(fù)一些前置必備環(huán)節(jié)，如網(wǎng)絡(luò)布線、組網(wǎng)設(shè)備配置、客戶端IP地址設(shè)置、吞吐量測試等。這無疑會把大部分實驗時間浪費在前置準備上，而不是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的實踐和分析上。

2.設(shè)備數(shù)量有限

由于一個完整的網(wǎng)絡(luò)實驗是由基本網(wǎng)絡(luò)拓撲支撐的，而實驗拓撲的搭建就需要很多網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點對應(yīng)到現(xiàn)實環(huán)境就是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，特別當組網(wǎng)拓撲復(fù)雜時，設(shè)備數(shù)量就更加短缺。

3.設(shè)備型號少

對于異構(gòu)型的網(wǎng)絡(luò)實驗，單一的設(shè)備型號會妨礙實驗的正常進行，實驗室采購的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的品牌、版本、型號都滿足不了日益嚴格的實驗教學需求。

4.實驗耗資大

對于大部分高校而言，建設(shè)一個網(wǎng)絡(luò)實驗室的投資是多方面的，如網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、組網(wǎng)線材、客戶端電腦、外設(shè)耗材等。此外，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，設(shè)備的更新速度的加快，耗資隨之會與日俱增，與學校的客觀條件相悖，雖然有些高校采用虛實結(jié)合模擬網(wǎng)絡(luò)實驗室，在一定程度上緩解了硬件網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的成本，但是虛擬機宿主服務(wù)器的維護成本開銷不菲，也嚴重阻礙了計算機網(wǎng)絡(luò)實驗教學的發(fā)展。

5.網(wǎng)絡(luò)協(xié)議驗證的困難性

計算機技術(shù)是依托于各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議而存在的，而網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的驗證在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)實驗室只能依靠Wireshark軟件，或者是一些簡單的ping命令、tracert命令等來實現(xiàn)，這對于簡單的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議還能勉強使用，但隨著網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的越加復(fù)雜，這些工具無疑會力不從心。

通過對本校數(shù)學與計算機系物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的兩個班共80名學生和相關(guān)教師進行已修課程《計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》的調(diào)研和訪談。調(diào)研報告發(fā)現(xiàn)，對于學生而言，造成課程教學效果不好的原因有：理論抽象、算法紛雜、協(xié)議種類多、基礎(chǔ)不扎實、課外學習時間少等，如圖1所示。對于教師而言，造成課程教學效果不如預(yù)期的原因有：協(xié)議難以驗證、實驗耗時長、實驗設(shè)備短缺、實驗成本高、學生學習興趣激發(fā)困難等因素，如圖2所示。

四、基于模擬仿真器的教學改革

將計算機實驗教學過程中遇到的問題加以解決的方法之一就是利用網(wǎng)絡(luò)模擬仿真工具。網(wǎng)絡(luò)模擬工具是根據(jù)數(shù)學建模和對應(yīng)算法來仿真網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的工作原理和網(wǎng)絡(luò)行為，并通過構(gòu)建虛擬的網(wǎng)絡(luò)模型來搭設(shè)組網(wǎng)拓撲，很好地解決了物理環(huán)境的客觀因素限制，達到了優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和提高教學效果的目的。

1.網(wǎng)絡(luò)仿真軟件

主流的網(wǎng)絡(luò)仿真器包括eNSP、Cisco Packet Tracer和OPNET等，具體性能如下：

（1）eNSP（Enterprise Network Simulation Platform）是一款由華為提供的免費的、可擴展的、圖形化操作的網(wǎng)絡(luò)仿真工具平臺，主要對企業(yè)網(wǎng)絡(luò)路由器、交換機進行軟件仿真，完美呈現(xiàn)真實設(shè)備實景，支持大型網(wǎng)絡(luò)模擬，讓廣大用戶有機會在沒有真實設(shè)備的情況下能夠模擬演練，學習網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

（2）Cisco Packet Tracer 是由Cisco公司發(fā)布的一個輔助學習工具，為學習思科網(wǎng)絡(luò)課程的初學者去設(shè)計、配置、排除網(wǎng)絡(luò)故障提供了網(wǎng)絡(luò)模擬環(huán)境。用戶可以在軟件的圖形用戶界面上直接使用拖曳方法建立網(wǎng)絡(luò)拓撲，并可提供數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中行進的詳細處理過程，觀察網(wǎng)絡(luò)實時運行情況。

（3）網(wǎng)絡(luò)仿真軟件OPNET 是美國MIL3 公司的產(chǎn)品，目前OPNET 是世界上較先進的網(wǎng)絡(luò)仿真開發(fā)和應(yīng)用平臺，在第三方權(quán)威機構(gòu)（如Network World 等）評選的“世界級網(wǎng)絡(luò)仿真軟件”排名中位居前列。

綜合對比以上三款網(wǎng)絡(luò)模擬仿真軟件的性能，如表1所示，Cisco Packet Tracer由于其易部署、界面簡單、操作容易等優(yōu)點，更適合用在網(wǎng)絡(luò)實驗室，在《計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》課程中輔助學生進行網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的學習和組網(wǎng)協(xié)議的模擬仿真。下面，筆者基于這款軟件進行課程教學改革的設(shè)計。

2.教學目的改革

物理網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)模擬軟件兩者之間的關(guān)系不是矛盾對立的，而是相輔相成的。但以網(wǎng)絡(luò)仿真工具為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)實驗室具有可以突破物理條件有限的限制，可以更加合理地規(guī)劃教學目的。比如，由于物理設(shè)備短缺造成的學生對知識點的“理解”層面的教學目標，可以提升到“掌握”的層次。教學改革前和改革后的效果提升顯著。此外，可以對仿真軟件的功能模塊進行擴展，從而靈活提高對應(yīng)教學目標。比如，對于IPv6這類協(xié)議復(fù)雜但實際應(yīng)用較少的知識點，可以將教學目標設(shè)置為“理解”。對于VLAN這類無論在工程組網(wǎng)還是在理論方面都比較多的技術(shù)，應(yīng)將教學目標設(shè)為“掌握”。為了完成預(yù)期的教學目標，還需對教學過程進行相應(yīng)的調(diào)整。

3.教學方法改革

（1）合理調(diào)整教學先后順序

很多計算機網(wǎng)絡(luò)教材的知識點排布基本都是按照二層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、三層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、局域網(wǎng)技術(shù)、廣域網(wǎng)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)等順序編排，或者按照OSI七層參考模型自下而上的順序進行編寫，這樣很多教師的傳統(tǒng)教學就遵循教材的知識點順序來組織。但基于網(wǎng)絡(luò)模擬仿真器的實驗教學過程，必須從實踐組網(wǎng)工程的角度出發(fā)，從仿真器的工作原理角度考慮，理論結(jié)合實踐去重新編排教學順序、組織教學過程。一方面，有利于學生熟練仿真軟件的操作;另一方面，由易到難的以工程案例為導(dǎo)向的教學過程，為學生以后進行更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)實驗打下了堅實的基礎(chǔ)。

（2）靈活安排實驗教學和理論教學的時間比例

對于網(wǎng)絡(luò)課程的實驗課與理論課的排布方式有兩種，分別是交叉式和集中式。交叉式指的是上一節(jié)理論課，再穿插一節(jié)實驗課，這樣做的優(yōu)點是學生可以趁熱打鐵，及時把剛學到的網(wǎng)絡(luò)知識應(yīng)用到實驗環(huán)節(jié)，缺點就是各知識點之間的串接和融會貫通比較差，容易產(chǎn)生知識碎片。集中式指的是上半學期上理論課，下半學期上實踐課，集中式的優(yōu)點是學生的理論知識系統(tǒng)性強，連貫性好，實驗技能因為時間比較集中，所以對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的操作也比較熟練，但缺點就是學習到的網(wǎng)絡(luò)知識得不到及時的實驗練習，導(dǎo)致到了后半學期的實驗教學環(huán)節(jié)，大部分網(wǎng)絡(luò)知識點已經(jīng)遺忘而無從下手。而網(wǎng)絡(luò)模擬仿真軟件可以很好地克服上述缺點，不用受刻板老套的課程表和有限的機房實驗物理環(huán)境的限制，可以讓學生很好地利用自己的課外時間來完成實驗課，從而營造出良好的“學中有做，做中有學”的教學環(huán)境。

（3）采用以項目驅(qū)動為導(dǎo)向的教學方法

在傳統(tǒng)的計算機網(wǎng)絡(luò)教學模式中，通常采用灌輸式方法將抽象的難以理解的網(wǎng)絡(luò)知識傳授給學生，這樣“重教輕學”的教學方法不利于學生對知識的接收，更難以培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。因此，構(gòu)建主義學者提出應(yīng)該增強學生學習主動性的觀點，認為學生是在自己已有知識和經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，建立自己新知識體系的過程。項目驅(qū)動教學法就是在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，項目設(shè)計就是這種教學方法的核心。

項目設(shè)計的基本原則如下：首先，對項目進行可行性的評估判斷，且以學生的實際知識體系為出發(fā)點，進行項目難易程度的設(shè)定;其次，確保項目的經(jīng)典性。項目中設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議必須和教學重點契合，且和人才培養(yǎng)方案保持一致;最后，項目的設(shè)計難度需要有梯度性。由易到難，從簡單的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議項目到復(fù)雜的組網(wǎng)工程項目，讓學生由淺入深地進行項目實驗。

4.教學評價改革

所謂教學評價，是指依據(jù)教學目標，對合理的評價標準進行制定，并將所有可以利用的技術(shù)手段加以運用，對整個教學過程中出現(xiàn)的問題、現(xiàn)象以及教學效果進行客觀的評定和判斷，從而為教師提供教學反饋的過程。依據(jù)評價內(nèi)容進行分類，可把教學評價分為兩類，即過程性評價和成果性評價。過程性評價指的是學生的出勤、作業(yè)、小組討論、實驗報告和綜合性課程設(shè)計等環(huán)節(jié)的表現(xiàn)。成果性評價指的是學生的期中考試和期末考試成績。

在傳統(tǒng)的課程教學體系中，通常將過程性評價和成果性評價的比例設(shè)置為七比三（?？平虒W），或者是一比一（本科教學）。但基于網(wǎng)絡(luò)模擬仿真軟件的計算機課程教學評價方法，應(yīng)該在傳統(tǒng)的評價方法基礎(chǔ)上進行調(diào)整和改革。具體調(diào)整方法如下：

（1）教學評價的主要內(nèi)容應(yīng)該更加多樣化，如將學生的課前預(yù)習程度、課堂教學參與程度、實踐項目的完成情況、團隊合作情況、組織協(xié)調(diào)情況、實驗成果完成情況和匯報能力等納入過程考核范疇。

（2）教學評價的方法應(yīng)該更具靈活性，比如除了傳統(tǒng)的作業(yè)、考勤方法之外，應(yīng)該適當加入隨堂問題、課程測驗、項目演示、實驗報告等評價方法。

（3）靈活調(diào)整評價比例，可以考慮將平時成績的比例設(shè)置較高（由之前的50%調(diào)整為60%），將期末考試成績設(shè)低一些（由之前的50%調(diào)整為40%），教學評價改革前后的總評成績組成占比如圖3所示。其中，平時成績的詳細比例應(yīng)設(shè)為：項目參與情況由之前的30%調(diào)整為50%，出勤情況由之前的30%調(diào)整為10%，作業(yè)情況由之前的20%調(diào)整為10%，課堂參與情況由之前的20%調(diào)整為30%，教學評價改革前后的平時成績組成占比如圖4所示。

五、結(jié)語

《計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》課程是高校計算機類專業(yè)的基礎(chǔ)必修課，針對課程實驗教學環(huán)節(jié)出現(xiàn)的典型問題，進行了教學改革的初探，通過相關(guān)的實踐表明，基于網(wǎng)絡(luò)模擬仿真軟件的《計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》課程教學改革，不僅有助于提升教學效果，也利于學生掌握理論知識的同時加強網(wǎng)絡(luò)項目實踐能力，為其他計算機實驗類課程提供了良好的借鑒。

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（編輯：李曉萍）