計算機網(wǎng)絡教材試驗設計探究

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本文作者：付雪峰 劉有珠 徐文飛 鄧少波 單位：南昌工程學院計算機科學與技術系

隨著Internet的迅猛發(fā)展,計算機網(wǎng)絡極大的影響人們的生產(chǎn)、生活和學習,5計算機網(wǎng)絡6已經(jīng)成為高等學校計算機專業(yè)普遍開設的核心專業(yè)課程,是計算機專業(yè)學生技術基礎的主干理論課程之一,計算機網(wǎng)絡技術已成為計算機學科中一個相當重要的研究領域和發(fā)展方向,然而計算機網(wǎng)絡課程中涉及了大量的概念、定義和協(xié)議等,這些內(nèi)容抽象、空洞,僅僅通過理論教學很難讓學生理解和掌握。網(wǎng)絡實驗是掌握這些理論的最好方法,但由于計算機網(wǎng)絡原理本身的復雜性等原因,目前高校大多數(shù)的網(wǎng)絡實驗都偏向于網(wǎng)絡操作系統(tǒng)應用方面的實驗,缺乏完全覆蓋計算機網(wǎng)絡技術主要層次的網(wǎng)絡實驗體系和網(wǎng)絡課程設計[1],特別是在協(xié)議理解與設計方面。同時國家網(wǎng)絡管理員、網(wǎng)絡工程師考試逐年加重實踐環(huán)節(jié)的考查,學生就業(yè)更強調(diào)實踐動手的能力,因而借助于一定的軟、硬件手段來完善現(xiàn)有的計算機網(wǎng)絡實驗課程迫在眉睫。

一實驗教學的現(xiàn)狀

計算機網(wǎng)絡實驗室的建設困難,計算機網(wǎng)絡實驗所需的軟件和硬件短缺,主要的硬件設備只有電腦,據(jù)統(tǒng)計,直到2000年左右,國內(nèi)大多數(shù)學校沒有專用的計算機網(wǎng)絡實驗環(huán)境和實驗室[2]。由于實驗條件的制約,使計算機網(wǎng)絡的教學長期徘徊在課堂講授和書本上,學生很少有實際動手實驗的機會。他們只能從書本上了解計算機網(wǎng)絡,因此動手能力差,不能適應社會對計算機網(wǎng)絡人才的需求。而實驗條件差的主要原因在于:一是由于計算機網(wǎng)絡實驗相關的設備比較昂貴,如交換機、路由器等,而且計算機硬件的更新?lián)Q代的速度太快,高校很難跟上設備的發(fā)展速度;二是缺乏適應各自學校特點的計算機網(wǎng)絡實驗環(huán)境建設方案,缺乏綜合性、設計性的實驗。這樣學生缺乏能動性,對網(wǎng)絡的認識和理解僅限于PC機,個別基礎比較差的學生甚至把計算機網(wǎng)絡等同于一些通訊軟件,如QQ等。在考慮這兩方面原因的基礎上,應把教學探討的主要著重點放在實驗設計這部分。

二實驗內(nèi)容

由于各高校的實驗室設備不同,配置的軟件不同,師資力量不同,學科研究方向不同,使得各高校所開設的網(wǎng)絡實驗內(nèi)容不盡相同。但大體上,針對本科生開設的網(wǎng)絡實驗內(nèi)容可分為以下幾個方面的實驗:驗證性實驗、綜合性實驗和設計性實驗[3]。

1.驗證性實驗

驗證性實驗主要用于驗證網(wǎng)絡的各種協(xié)議,開設目的是讓學生更形象地理解理論知識。主要實驗有:以太網(wǎng)幀的構成、IP地址分類與數(shù)據(jù)包組成、IP地址轉(zhuǎn)換協(xié)議、ARP和IP控制管理協(xié)議、ICMP和UDP數(shù)據(jù)報的傳送、TCP數(shù)據(jù)通信、SNMP協(xié)議與網(wǎng)絡管理和應用層協(xié)議、HTTP協(xié)議、WINDOWS網(wǎng)絡應用、應用層協(xié)議、TELNET、SNMP及其他。

2.綜合性實驗

綜合性實驗目的是為了讓學生更好地應用網(wǎng)絡知識,提高實踐能力。綜合性實驗又可分為基礎實驗和高級實驗兩大類。主要實驗有:(1)基礎實驗。包括雙機互連、以太網(wǎng)組網(wǎng)實驗、常用網(wǎng)絡服務的配置及操作、交換機和路由器的了解,TCP/IP診斷實用程序、流媒體的認識與應用,SSL實現(xiàn)安全數(shù)據(jù)傳輸?shù)睦谩?2)高級實驗。包括虛擬局域網(wǎng)的配置、路由器的使用、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包的監(jiān)聽和分析,網(wǎng)絡故障仿真及分析,管理TCP/IP網(wǎng)絡互聯(lián)環(huán)境、配置IP路由協(xié)議和廣域網(wǎng)絡、IP流量管理和安全控制配置,IPX網(wǎng)絡互聯(lián)配置,PPP串行連接,配置幀中繼網(wǎng)絡。

3.設計性實驗

主要是用SOCKET套接字進行網(wǎng)絡程序設計。目的是讓學生進一步掌握UDP及TCP協(xié)議的工作原理;掌握SOCKET編程的基本方法;學習應用Ja-va、C#進行簡單的面向連接的網(wǎng)絡程序設計,實現(xiàn)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸。主要實驗包括異步串行通信編程實驗、實現(xiàn)利用停等協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)文件、編寫簡單的C/S程序、編寫簡單的SMTP郵件服務器并觀察其通信過程,建立一個網(wǎng)絡API函數(shù)庫、編制一個多服務的服務器、設計一個時鐘同步協(xié)議和一個滑動窗口協(xié)議[4]?，F(xiàn)在,越來越多高校把網(wǎng)絡實驗從理論課程中抽離出來,獨立開設課程,以便傳授盡可能多的網(wǎng)絡實驗內(nèi)容,讓學生更好地掌握網(wǎng)絡知識。

三搭建實驗平臺與設計實驗項目

計算機專業(yè)的網(wǎng)絡課程隸屬于計算機網(wǎng)絡教研室,計算機網(wǎng)絡教研室搭配有計算機網(wǎng)絡實驗室與一個學生創(chuàng)新實驗室。計算機網(wǎng)絡實驗室主要有計算機、華為路由器、交換機、雙絞線、壓線鉗、網(wǎng)絡測試器等計算機網(wǎng)絡實驗相關的主干設備。由于計算機網(wǎng)絡課程學生人數(shù)比較多,路由器與交換機的數(shù)量不足,因而在實驗項目的設計上,使用真實的機器做實驗的講解、分析,采用軟件模擬器的方式完成網(wǎng)絡實驗的實踐。根據(jù)上面的分析以及參照計算機網(wǎng)絡實驗室的實際情況和參考其他成熟的院校計算機網(wǎng)絡實驗設計的基礎上,將計算機網(wǎng)絡實驗作如下安排。

(1)物理層實驗:雙絞線的制作;實驗設備(雙絞線、制線鉗、網(wǎng)線測試器)。

(2)以太網(wǎng)鏈路層幀格式分析;實驗相關軟件(Ethereal分析協(xié)議數(shù)據(jù)包、Snifer抓包軟件)。

(3)網(wǎng)絡層:ARP協(xié)議分析;實驗相關軟件(Ethereal分析協(xié)議數(shù)據(jù)包、Snifer抓包軟件)。

(4)IP協(xié)議分析。

(5)IP組網(wǎng)實驗。

(6)TCP協(xié)議分析及基于TCP的通訊程序設計,簡單的通訊程序設計不再使用基于C++的套接字的方式,采用對Sockeet封裝得更好的Java或者C#的編程方式。

(7)DNS協(xié)議分析與設置。

(8)DHCP協(xié)議分析與設置。

(9)局域網(wǎng)工作原理與實驗。

(10)虛擬局域網(wǎng)Vlan的劃分。采用相關的路由器仿真軟件來實現(xiàn),這類軟件有很多,如專用于華為產(chǎn)品的華為點點通、Cisco路由器、交換機模擬程序BosonNetsim等。

對網(wǎng)絡實驗教學的進一步完善是加強計算機網(wǎng)絡實訓環(huán)節(jié),網(wǎng)絡實訓作為對課程整體的考查在整個實驗課程體系中占有非常重要的地位,它能夠全方位的考查學生對整個知識體系的掌握程度[5]。實訓環(huán)節(jié)應安排到課程末或?qū)W期末,用專門的時間由專門教師指導完成計算機網(wǎng)絡課程的專項技能訓練。實訓題目的設計應該多樣化,網(wǎng)絡實訓的題庫正在設計中,主要設計一套能夠綜合運用網(wǎng)絡知識體系的方案,如構建一個局域網(wǎng)絡,在這個網(wǎng)絡中有各種網(wǎng)絡的硬件設備,如交換機、路由器等。有各種不同的服務器,如HTTP,EMAIL和FTP等。實驗的目的就是將以前學過的知識運用到實際工作中去,這個實驗需要以組為單位大家共同完成[6]。這個實驗的另一個目的就是要求同學通過以前學過的知識,利用任務驅(qū)動把它連接起來。讓學生完成網(wǎng)絡的拓撲圖,管理好網(wǎng)絡的運行、維護和安全等,從實踐應用的角度培養(yǎng)學生的工程意識,發(fā)揮教師實踐經(jīng)驗豐富的優(yōu)勢,讓學生動手解決從實踐應用抽象出的題目,更好地理解網(wǎng)絡理論知識。在實際應用方面,依托于學生創(chuàng)新實驗室,采用/網(wǎng)絡小組0校內(nèi)的橫向聯(lián)合。像現(xiàn)在高校內(nèi)部都建設有校園網(wǎng),這是一個現(xiàn)成的,不需要任何再投入的“網(wǎng)絡實驗室”。網(wǎng)絡專業(yè)的教學完全可以和校園網(wǎng)的建設、管理結合起來,充分利用現(xiàn)有資源。在網(wǎng)絡管理員和老師的指導下,讓學生參與校園網(wǎng)的建設,既讓學生增加了實踐機會,增強了動手能力,又可以為學校節(jié)約人工成本。例如,現(xiàn)在很多辦公室的計算機管理存在很大的漏洞,安全性不高,出了問題只能找網(wǎng)絡管理中心解決,不僅效率低,也加大了網(wǎng)絡管理中心的工作量,把大量時間消耗在簡單重復的勞動上。如果可以挑選部分計算機專業(yè)高年級的優(yōu)秀學生,分配到各個相關部門,在課余或?qū)嵙晻r間,幫助管理計算機,維護系統(tǒng)安全,無疑能夠提高他們的網(wǎng)絡技能掌握水平。

四教學效果與總結

計算機網(wǎng)絡課程是計算機專業(yè)的基礎課程,更是計算機網(wǎng)絡專業(yè)的重點課程,在計算機網(wǎng)絡的理論教學過程中配合網(wǎng)絡實驗教學,強化實驗在網(wǎng)絡課程中的地位,以網(wǎng)絡工程師、網(wǎng)絡管理員為一個測試點,經(jīng)過幾個學期的教學,學生在深入理解協(xié)議工作原理的基礎上,其創(chuàng)造性思維也得到提高,能夠?qū)⑺鶎W的理論知識聯(lián)系實際,獨立完成網(wǎng)絡的協(xié)議分析與設計。同時網(wǎng)絡工程師與網(wǎng)絡管理員的通過率也有了明顯的提高。將實驗教學依托于華為網(wǎng)絡學院,近年來學校華為3Com的網(wǎng)絡工程師的認證通過率一直在80%以上。著名的建構主義專家DavidH.Jonassen認為:學習者建造自己的現(xiàn)實,至少是基于以往的經(jīng)驗來解釋現(xiàn)實的。因此,一個人的知識是在個人經(jīng)驗、思維結構以及對事物的不斷摸索的基礎上形成的,鼓勵學生自己動手做實驗就是這樣一種集三者于一體的有效的探究方式。實驗教學的初步實踐表明,在網(wǎng)絡技術飛速發(fā)展的今天,理論聯(lián)系實際顯得很重要。目前的實驗是考慮到學生的平均水平而單獨設立各實驗,將來可嘗試結合所學的網(wǎng)絡知識進一步安排綜合性實驗。愛因斯坦曾說過:“發(fā)展獨立思考和獨立判斷能力,應當始終放在首位”,綜合性實驗和設計性實驗是培養(yǎng)學生獨立工作能力的重要途徑,并能為學生主動學習、獨立研究和全面發(fā)展提供空間。中國有句古話:“授人以魚,不如授人以漁”,計算機專業(yè)的飛速發(fā)展導致課堂的教學與學校教學的實驗設備跟不上它的更新速度,因而鍛煉學生自主的學習能力在大學教育特別是計算機專業(yè)的教育中尤為重要。另外,應鼓勵學生積極參與一些應用課題和研究項目的調(diào)研及開發(fā)工作,使學生形成合理的專業(yè)知識結構,提高他們的綜合實踐能力。當然教學過程中教師的言傳身教、穿針引線以及在學生的學習方法、思維方式、科學觀念的培養(yǎng)上也是至關重要的。