計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)理實(shí)一體化教學(xué)改革與實(shí)踐研究

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)；理實(shí)一體；教學(xué)改革；實(shí)施過程；教學(xué)效果

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2024）26-0170-04開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID） ：

0 引言

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)作為高職電子信息專業(yè)的重要專業(yè)課，在其人才培養(yǎng)過程中具有重要的地位。然而，傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)模式在培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)和實(shí)踐能力方面存在局限性。大量的理論知識(shí)傳授和缺乏實(shí)際操作的問題，使得學(xué)生在真實(shí)場(chǎng)景中應(yīng)用所學(xué)知識(shí)時(shí)常常感到困惑和無(wú)力[1-3]。因此，急需對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程進(jìn)行教學(xué)改革，以更好地適應(yīng)時(shí)代的需求和學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。

在現(xiàn)代化的教學(xué)環(huán)境中，以傳統(tǒng)教室為中心的單向傳授已經(jīng)無(wú)法滿足學(xué)生的需求。學(xué)生需要更多的實(shí)踐機(jī)會(huì)，將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際問題的解決中，培養(yǎng)解決實(shí)際問題的能力和創(chuàng)新精神[4]。因此，理實(shí)一體化教學(xué)模式將成為推動(dòng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)改革的重要途徑之一。

本文旨在研究計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)理實(shí)一體化教學(xué)改革的有效性和可行性，以提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和實(shí)踐能力。通過將理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐操作相結(jié)合，構(gòu)建一個(gè)更加靈活、實(shí)用和創(chuàng)新的教學(xué)模式，能夠幫助學(xué)生更好地掌握計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程所需的知識(shí)和技能。通過研究的探索和實(shí)踐，希望為未來計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)模式的創(chuàng)新提供理論和實(shí)踐指導(dǎo)，并為高校教育改革提供新思路和實(shí)踐路徑，為教育改革的推進(jìn)貢獻(xiàn)力量。

1 理實(shí)一體化教學(xué)的概念與特點(diǎn)

理實(shí)一體化教學(xué)是將理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐操作有機(jī)融合，以培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力并提升其綜合素質(zhì)。具體而言，理實(shí)一體化教學(xué)包括以下兩個(gè)方面的內(nèi)容：

首先，理實(shí)一體化教學(xué)強(qiáng)調(diào)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程中的重要性。通過實(shí)踐操作，學(xué)生能夠更深入地理解和應(yīng)用所學(xué)的理論知識(shí)，從而加深對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理和技術(shù)的理解。針對(duì)不同難度和復(fù)雜度的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，應(yīng)設(shè)計(jì)一系列與課堂教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的實(shí)踐項(xiàng)目。這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)應(yīng)逐步增加難度和要求，幫助學(xué)生提升解決實(shí)際問題的能力，并促進(jìn)他們對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的深入思考和理解。為了支持學(xué)生的實(shí)踐操作，需要提供良好的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，配備必要的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和仿真軟件。同時(shí)，還應(yīng)提供實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書和在線資源，以幫助學(xué)生獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

其次，理實(shí)一體化教學(xué)強(qiáng)調(diào)了實(shí)踐能力培養(yǎng)的重要性與優(yōu)勢(shì)。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)行業(yè)，實(shí)踐能力對(duì)于就業(yè)至關(guān)重要，企業(yè)更加注重應(yīng)聘者的實(shí)際操作能力和問題解決能力。通過理實(shí)一體化教學(xué)，學(xué)生能夠積累豐富的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，提升自身在就業(yè)市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力。通過實(shí)踐操作，學(xué)生能夠接觸和解決真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)問題和挑戰(zhàn)，深入理解計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在實(shí)際場(chǎng)景中的應(yīng)用。這種實(shí)踐鍛煉使得學(xué)生能夠快速適應(yīng)工作環(huán)境，并迅速解決實(shí)際問題。此外，實(shí)踐操作通常需要學(xué)生進(jìn)行團(tuán)隊(duì)合作，與同學(xué)共同完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。通過實(shí)踐操作的團(tuán)隊(duì)合作，學(xué)生能夠培養(yǎng)良好的協(xié)作和溝通能力，并學(xué)會(huì)有效地與他人合作解決問題。

2 理實(shí)一體化教學(xué)實(shí)施案例——網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換NAT

2.1 案例介紹

網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換（Network Address Translation，簡(jiǎn)稱NAT） 是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中常用的一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它主要用于實(shí)現(xiàn)私有網(wǎng)絡(luò)與公共網(wǎng)絡(luò)之間的通信。NAT技術(shù)允許將私有網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的IP地址轉(zhuǎn)換為公共網(wǎng)絡(luò)可識(shí)別的IP地址，從而實(shí)現(xiàn)了它們之間的互聯(lián)。

NAT的基本概念是將私有網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部使用的IP地址映射到公共網(wǎng)絡(luò)上的IP地址。當(dāng)私有網(wǎng)絡(luò)中的主機(jī)要與外部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信時(shí)，NAT設(shè)備會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行修改，將私有地址替換為公共地址，以確保數(shù)據(jù)包能夠在公共網(wǎng)絡(luò)上正確傳輸。反之，在接收到來自公共網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包時(shí)，NAT設(shè)備也會(huì)將目標(biāo)IP地址轉(zhuǎn)換成內(nèi)部的私有地址，將數(shù)據(jù)包傳遞給相應(yīng)的內(nèi)部主機(jī)。

NAT涉及IP地址轉(zhuǎn)換和網(wǎng)絡(luò)通信原理，對(duì)于初學(xué)者來說，這些概念可能較為抽象和復(fù)雜。學(xué)生可能難以理解NAT的工作原理、轉(zhuǎn)換過程以及與其他網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的關(guān)系。因此，在教學(xué)中，必須及時(shí)給學(xué)生提供實(shí)踐機(jī)會(huì)，讓學(xué)生親自搭建一個(gè)企業(yè)網(wǎng)絡(luò)，配置NAT設(shè)備以實(shí)現(xiàn)不同部門的互聯(lián)通信，并觀察實(shí)際數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)換過程，這樣就可以有效地克服NAT教學(xué)的難點(diǎn)，提高學(xué)生對(duì)NAT的理解和應(yīng)用能力。

2.2 教學(xué)模式和內(nèi)容設(shè)計(jì)

2.2.1 教學(xué)模式

本研究采用翻轉(zhuǎn)課堂和實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)模式。具體而言，首先，教師提供線上微課教學(xué)資源，學(xué)生可提前學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換（NAT） 的基本理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)操作步驟。在課堂教學(xué)中，教師先對(duì)重點(diǎn)知識(shí)進(jìn)行串講，隨后要求學(xué)生進(jìn)行與NAT相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境搭建和NAT設(shè)備配置等實(shí)驗(yàn)操作。

2.2.2 教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

理論學(xué)習(xí)：學(xué)生通過在線學(xué)習(xí)資源和教師的課堂重點(diǎn)講授，學(xué)習(xí)NAT的工作原理、轉(zhuǎn)換過程等知識(shí)。具體內(nèi)容如下：

在圖1所示的網(wǎng)絡(luò)中，專用網(wǎng)上的用戶主機(jī)都使用專用網(wǎng)的IP地址。那么專用網(wǎng)中的主機(jī)如何訪問因特網(wǎng)上的服務(wù)器資源呢？專用網(wǎng)必須通過一個(gè)具備網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換（NAT） 功能的路由器接入因特網(wǎng)。這種路由器稱為NAT路由器，它擁有少量的全球公用IP 地址。當(dāng)專用網(wǎng)的主機(jī)訪問因特網(wǎng)上的服務(wù)器資源時(shí)，首先主機(jī)會(huì)將IP數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)送給NAT路由器。在專用網(wǎng)上，IP數(shù)據(jù)報(bào)的源IP地址是主機(jī)的專用IP地址，目的地址是服務(wù)器的IP地址。當(dāng)NAT路由器接收到這個(gè)IP數(shù)據(jù)報(bào)后，會(huì)修改專用地址，使用其中的一部分全球IP地址，將專用的源IP地址替換為公用的全球IP地址。同時(shí)，NAT路由器會(huì)記錄公用IP地址和專用IP地址的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并轉(zhuǎn)發(fā)這個(gè)IP數(shù)據(jù)報(bào)。換言之，經(jīng)由NAT路由器修改IP地址后，在因特網(wǎng)上傳輸?shù)腎P 數(shù)據(jù)報(bào)的源地址變?yōu)樾薷暮蟮墓肐P 地址，而目的地址仍然是要訪問的服務(wù)器的IP地址。

當(dāng)服務(wù)器接收到訪問請(qǐng)求并向主機(jī)返回相關(guān)數(shù)據(jù)時(shí)，在因特網(wǎng)上傳輸?shù)腎P數(shù)據(jù)報(bào)的源地址應(yīng)為服務(wù)器的IP地址，而目的地址應(yīng)為NAT路由器之前轉(zhuǎn)換的公用IP地址。當(dāng)路由器接收到服務(wù)器發(fā)送的IP數(shù)據(jù)報(bào)時(shí)，它會(huì)查詢自身的轉(zhuǎn)換表，以確定這個(gè)公用IP 地址對(duì)應(yīng)的專用地址是什么。在將數(shù)據(jù)報(bào)轉(zhuǎn)發(fā)到內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)時(shí)，路由器會(huì)將公用地址重新替換為專用地址。因此，內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能夠通過這個(gè)專用地址正確將IP數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)送到目標(biāo)主機(jī)（見圖2） 。

當(dāng)內(nèi)網(wǎng)或?qū)Ｓ镁W(wǎng)絡(luò)中有多臺(tái)主機(jī)需要訪問服務(wù)器時(shí)，NAT路由器將會(huì)建立多個(gè)內(nèi)網(wǎng)地址與公網(wǎng)地址之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。然而，這種轉(zhuǎn)換方法存在一個(gè)問題：如果NAT路由器擁有N個(gè)全球IP地址，那么最多只能有N個(gè)內(nèi)網(wǎng)主機(jī)能夠同時(shí)與因特網(wǎng)上的主機(jī)進(jìn)行通信。如何解決這個(gè)問題呢？鑒于絕大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用都使用了運(yùn)輸層協(xié)議TCP或UDP來傳輸數(shù)據(jù)，因此可以利用運(yùn)輸層的端口號(hào)和IP地址進(jìn)行聯(lián)合轉(zhuǎn)換。通過這種方式，一個(gè)全球IP地址就可以使多個(gè)擁有內(nèi)網(wǎng)地址的主機(jī)同時(shí)與因特網(wǎng)上的主機(jī)進(jìn)行通信。這種將端口號(hào)和IP地址一同轉(zhuǎn)換的技術(shù)被稱為網(wǎng)絡(luò)地址和端口號(hào)轉(zhuǎn)換（NAPT） 。圖3 中的路由器是一個(gè)NAPT路由器，它只有一個(gè)全球公網(wǎng)IP地址，并且具有一個(gè)NAPT轉(zhuǎn)換表。在這個(gè)轉(zhuǎn)換表中，記錄了內(nèi)網(wǎng)地址、端口號(hào)和公網(wǎng)地址、端口號(hào)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過這種方式，一個(gè)公網(wǎng)地址可以同時(shí)為內(nèi)網(wǎng)的多個(gè)主機(jī)提供服務(wù)，滿足它們連接因特網(wǎng)、訪問因特網(wǎng)的需求。

實(shí)驗(yàn)操作：采用實(shí)驗(yàn)室設(shè)備和虛擬仿真環(huán)境，進(jìn)行NAT網(wǎng)絡(luò)環(huán)境搭建、NAT設(shè)備配置以及數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換觀察等實(shí)驗(yàn)操作。同時(shí)，學(xué)生需要分析并解決實(shí)驗(yàn)過程中可能出現(xiàn)的各種問題。具體步驟如下：

步驟一：在思科模擬器中搭建如下網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌▓D4） ，其包含兩臺(tái)主機(jī)、1臺(tái)交換機(jī)、兩臺(tái)路由器和1臺(tái)服務(wù)器。

步驟二：為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲械母髟O(shè)備配置IP地址、子網(wǎng)掩碼和默認(rèn)網(wǎng)關(guān)。詳見表1。

步驟三：為路由器配置靜態(tài)路由，具體配置詳情見圖5所示。

步驟四：在路由器Router0上配置動(dòng)態(tài)NAPTNAPT的配置只能采用命令行的方式進(jìn)行，具體配置命令如下（//后面的內(nèi)容為對(duì)相應(yīng)命令的中文注釋）：

步驟五：觀察網(wǎng)絡(luò)間主機(jī)的通信及地址轉(zhuǎn)換過程。

通過PC0向Server0發(fā)送一個(gè)ICMP請(qǐng)求報(bào)文，通過連續(xù)點(diǎn)擊Simulation Panel 面板中的Capture/For?ward，不難觀察到：當(dāng)ICMP請(qǐng)求報(bào)文到達(dá)Router0時(shí)，從PDU Information at Device： Router0面板（圖6） 可以看出源IP地址在此處進(jìn)行了轉(zhuǎn)換，由192.168.0.1轉(zhuǎn)換為10.0.0.1。相反的，當(dāng)Server0發(fā)回ICMP響應(yīng)報(bào)文到達(dá)Router0 時(shí)，目的IP 地址在此處進(jìn)行了轉(zhuǎn)換，由10.0.0.1轉(zhuǎn)換為192.168.0.1。

2.2.3 教學(xué)過程

教學(xué)過程分為以下幾個(gè)階段：

a） 學(xué)生預(yù)習(xí)：學(xué)生在課前通過在線學(xué)習(xí)資源預(yù)習(xí)網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換（NAT） 的基本理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)操作步驟。

b） 理論學(xué)習(xí)：教師通過課堂講授，對(duì)網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換（NAT） 的重點(diǎn)知識(shí)進(jìn)行詳細(xì)講解。

c） 實(shí)驗(yàn)操作：學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)室設(shè)備和虛擬仿真環(huán)境，進(jìn)行NAT的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境搭建、NAT設(shè)備配置以及數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換觀察等實(shí)驗(yàn)操作。

d） 學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作：學(xué)生分為小組，展開實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目合作，共同解決實(shí)驗(yàn)過程中可能出現(xiàn)的各種問題。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，小組以單位進(jìn)行匯報(bào)，展示他們的實(shí)驗(yàn)成果。

2.3 課堂成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)

如圖7所示，學(xué)生課堂成績(jī)由線上成績(jī)和小組實(shí)驗(yàn)成績(jī)兩部分組成，具體為：課堂成績(jī)=線上成績(jī)×30%+小組實(shí)驗(yàn)成績(jī)×70%；線上成績(jī)主要是由課程視頻學(xué)習(xí)成績(jī)、主題討論成績(jī)及線上作業(yè)成績(jī)?nèi)糠纸M成；小組實(shí)驗(yàn)成績(jī)主要是由教師評(píng)價(jià)成績(jī)、小組互評(píng)成績(jī)和生生互評(píng)成績(jī)?nèi)糠纸M成。

3 理一體化教學(xué)改革的效果評(píng)估

在過去三年中，我們對(duì)262位參加混合教學(xué)的同學(xué)（分別為2020年的90位、2021年的87位和2022年的85位）的學(xué)習(xí)結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。實(shí)施了理實(shí)一體化教學(xué)模式后，優(yōu)秀人數(shù)和優(yōu)秀率兩個(gè)指標(biāo)都有顯著提高。以2020年為例，優(yōu)秀率達(dá)到62.3%，相較于2019 年未采用混合式教學(xué)的23.5%，提高了38.8%。此外，學(xué)生的整體平均分?jǐn)?shù)也增加了2%，說明采用理實(shí)一體化教學(xué)方法后，學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握和應(yīng)用能力顯著提升。

近三年來，學(xué)生的期末考試平均成績(jī)和綜合平均成績(jī)都有明顯提高。在2021年，我們對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容進(jìn)行了改進(jìn)，使得綜合平均成績(jī)提高至81.8。在此基礎(chǔ)上，我們進(jìn)一步優(yōu)化了線上學(xué)習(xí)和小組學(xué)習(xí)的內(nèi)容，使得2022年的綜合平均成績(jī)達(dá)到84.3，較2021年提高了2.5%。圖8展示了近三年來學(xué)生的期末考試平均成績(jī)和綜合平均成績(jī)的變化趨勢(shì)，進(jìn)一步證明了教學(xué)改革后學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握程度和問題解決能力的顯著提高。

4 結(jié)論

通過實(shí)施計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)理實(shí)一體化教學(xué)改革，我們?nèi)〉昧艘韵鲁晒椭饕l(fā)現(xiàn)：在實(shí)施理實(shí)一體化教學(xué)后，學(xué)生在學(xué)術(shù)成績(jī)、知識(shí)掌握和實(shí)踐操作方面都取得了顯著的進(jìn)步。他們對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的理論知識(shí)有了更深入的理解，并能夠運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題。通過團(tuán)隊(duì)合作項(xiàng)目和實(shí)踐操作的實(shí)施，學(xué)生的創(chuàng)新能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和問題解決能力得到了培養(yǎng)和提高。他們學(xué)會(huì)了運(yùn)用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行創(chuàng)新，并能夠獨(dú)立思考和解決實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)問題。