計算機網(wǎng)絡課程實驗教學的現(xiàn)狀探究
現(xiàn)在的計算機網(wǎng)絡課程教學活動中，改進了以往多以OSI參考模型為基礎，怎樣分析計算機網(wǎng)絡課程實驗教學的現(xiàn)狀?
計算機網(wǎng)絡是計算機技術與通信技術緊密結合的產(chǎn)物，網(wǎng)絡技術對信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生了深遠的影響。計算機網(wǎng)絡是一門理論性和實踐性都很強的課程，它的基本概念、技術設計以及大量的理論知識和網(wǎng)絡協(xié)議，都讓初學者感到生澀難懂。作為理論教學的重要補充，實驗教學是知識內化的有效途徑，有助于學生逐步深化對理論知識的理解和掌握，使認知結構不斷優(yōu)化，從而能夠熟練地應用所學知識進行創(chuàng)造性活動。因此，為了更好地理解并掌握計算機網(wǎng)絡知識，做好計算機網(wǎng)絡課程的實驗教學環(huán)節(jié)是非常重要的。
1計算機網(wǎng)絡課程實驗教學現(xiàn)狀
1.1實驗內容過于簡單、陳舊
當前大部分高校的計算機網(wǎng)絡實驗課中存在著大量簡單、陳舊的實驗內容，如Windows2000操作系統(tǒng)的安裝和配置、Internet的訪問、FTP站點的訪問、下載工具、文件壓縮工具、電子郵箱的使用等。現(xiàn)在，一般計算機、通信或電子等專業(yè)的同學在大一就已經(jīng)能夠很熟練地使用因特網(wǎng)上的各種工具來查找資料或做其他應用。因而，這些實驗對他們來說顯得過于簡單，沒有創(chuàng)造性，也造成了大部分人認為網(wǎng)絡的實驗教學沒有什么實際意義。這種實驗教學最大的缺點是，缺少協(xié)議分析實驗，不能很好地配合計算機網(wǎng)絡原理課程的教學重點，學生難以理解網(wǎng)絡協(xié)議工作過程。這樣，實驗教學就起不到應有的作用，理論教學結束后，學生不能真正明白所學內容，更難以與實際應用建立聯(lián)系。
1.2理論課與實驗課缺少關聯(lián)性
現(xiàn)在的計算機網(wǎng)絡課程教學活動中，改進了以往多以OSI參考模型為基礎，講述網(wǎng)絡層次結構、協(xié)議和計算機網(wǎng)絡原理的架構，引入了目前廣泛應用的TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議，但即便如此，學生在學習過程中仍然很難將學到的抽象理論知識與實際網(wǎng)絡應用聯(lián)系起來。雖然層次結構模型和協(xié)議的內容是非常枯燥且不易理解的，但如果能在理論課中穿插相關的實驗，使學生知道實際使用的網(wǎng)絡是如何工作的，學生就能更好地理解網(wǎng)絡的工作原理，提高其解決實際網(wǎng)絡問題的能力。
1.3專業(yè)網(wǎng)絡實驗室硬件要求高，實驗指導難度大
專業(yè)的網(wǎng)絡實驗室硬件要求比較高，需要配置的設備價格都比較高，比如服務器、交換機、路由器、中繼器、網(wǎng)橋等，并且設備的更新要求也很高，以至于有的學校不能承受。有的實驗要求學生更改實驗所用PC機或服務器的操作系統(tǒng)設置，這給實驗室的管理以及后續(xù)實驗帶來了不便[2]。有些實驗要求使用交換機、路由器、PC機搭建網(wǎng)絡并進行配置管理，在實際教學中卻難以做到每個人都親自配置一次，以至于達不到實驗的預期目標。并且，由于實驗設備復雜，使得實驗環(huán)境的準備工作難度加大，對于不太熟練的學生來說實驗中出現(xiàn)的問題會比較多，成功率低，造成學生的學習積極性不高。
1.4操作性強的實驗指導教材比較少
當前的計算機網(wǎng)絡實驗指導教材中，要么內容中包含了大量的編程實驗，如網(wǎng)頁程序設計、網(wǎng)絡通信程序設計、異步串行通信編程實驗、網(wǎng)絡協(xié)議編程實驗等;要么內容與計算機公共課教材實驗重復，實際上無需再將其列入專門的網(wǎng)絡實驗內容。總的說來，操作性強的實驗指導教材比較少。
2實驗教學的改進
在計算機網(wǎng)絡精品課程建設過程中，我們針對上述問題對計算機網(wǎng)絡的實驗教學做了一些改進。
2.1將網(wǎng)絡仿真軟件應用于實驗教學
大多數(shù)的網(wǎng)絡實驗需要很多硬件設備的支持，而學校現(xiàn)有的條件難以配合課堂理論教學。由于網(wǎng)絡實驗本身涉及到系統(tǒng)底層實現(xiàn)，在真實環(huán)境中進行模擬實驗具有很大困難。再者主機和路由器等網(wǎng)絡節(jié)點的協(xié)議棧實現(xiàn)有所不同，各個協(xié)議的原理、功能和實現(xiàn)也不相同。還有在實際應用中，都有上百臺的路由器互聯(lián)組成網(wǎng)絡，這些是實驗室的硬件無法實現(xiàn)的。因此我們需要網(wǎng)絡仿真軟件配置出與實際網(wǎng)絡工程類似的實驗環(huán)境，幫助學生深入理解網(wǎng)絡協(xié)議的原理。
目前使用比較多的網(wǎng)絡仿真實驗軟件有NetRiver實驗系統(tǒng)、NS2仿真軟件和OPNET網(wǎng)絡仿真軟件。
NetRiver實驗系統(tǒng)是輔助清華大學計算機網(wǎng)絡課程教學實驗開發(fā)的一套網(wǎng)絡實驗平臺系統(tǒng)，由一臺或多臺測試服務器、一套客戶端軟件和一套實驗管理軟件構成。經(jīng)過兩年的測試使用，受到了好評。
NS2((NetworkSimulator))是UNIX/linux環(huán)境下以IP網(wǎng)絡為主的仿真軟件，是面向對象的、離散事件驅動的網(wǎng)絡環(huán)境模擬器。它能夠執(zhí)行多種網(wǎng)絡協(xié)議和路由算法，對固定、無線和混合等多種網(wǎng)絡進行仿真，是一個應用廣泛的網(wǎng)絡層仿真工具，主要用于解決網(wǎng)絡研究方面的問題。NS2使用了一套整C++類庫，實現(xiàn)了絕大多數(shù)常見的網(wǎng)絡協(xié)議以及鏈路層的模型。利用這些類的實例，我們可以很輕松地搭建實驗網(wǎng)絡模型，而且包括詳盡的細節(jié)設計。NS2是一個免費的、開源的多協(xié)議網(wǎng)絡仿真軟件，學生完全可以在單機環(huán)境中模擬整個網(wǎng)絡的各個元素。
OPNET也是通信協(xié)議建模和仿真工具，可以進行網(wǎng)絡結構、設備和應用的設計、分析和建設、管理。OPNET提供三層建模機制，全面反映網(wǎng)絡的相關特性，最底層是Process模型，以狀態(tài)機來描述協(xié)議，其次為Node模型，主要是對應的協(xié)議模型，反映設備的特性，最上層是網(wǎng)絡模型;提供了一個包含路由器、交換機、服務器、客戶機、ATM設備、DSL設備等比較齊全的基本模型庫;采用離散事件驅動的模擬機制，計算效率與時間驅動相比得到了很大的提高;采用混合建模機制，仿真中各個模塊之間通過事件中斷方式傳遞事件信息;具有豐富的統(tǒng)計量收集和分析功能，可以直接收集各網(wǎng)絡層次的性能統(tǒng)計參數(shù)。
2.2理論課上合理利用協(xié)議分析實驗幫助學生理解分層理論
網(wǎng)絡協(xié)議分析十分抽象，是計算機網(wǎng)絡課程的重點和難點，現(xiàn)有的教材一般都是針對每個層次比如物理層、網(wǎng)絡層、傳輸層等獨立成章，可見協(xié)議在網(wǎng)絡中的重要性。傳統(tǒng)的教學方法是通過類比實際的事例和配合使用多媒體的動畫演示幫助學生理解，如分析信件郵遞的過程等，但實際效果不是很理想。協(xié)議分析類實驗主要是使用協(xié)議分析工具(如Etherea1、Sniffer、Natxray、Iris等)，或專門的協(xié)議分析儀(如Optiview)，對TCP/IP層次結構中應用層、傳輸層、網(wǎng)絡層、鏈路層的重要網(wǎng)絡協(xié)議進行分析，如HTTP協(xié)議、DNS協(xié)議、IP協(xié)議、RIP協(xié)議。在學習完協(xié)議棧的每個層次之后，進行相應的協(xié)議分析實驗，對截獲的數(shù)據(jù)報進行分析，加深學生對各層主要協(xié)議基本原理和實現(xiàn)過程的理解。
在實驗預習時教師可以給出明確的實驗目標，要求具體分析協(xié)議的哪些方面，學生通過協(xié)議分析理解和掌握什么內容等。例如針對TCP協(xié)議的實驗，通過對捕獲到數(shù)據(jù)包中TCP分組的分析，學生可以逐一清楚看到TCP協(xié)議的三次握手過程和報文分段的工作原理，可以和應用程的HTTP協(xié)議相比較，還可以通過觀察重傳時TCP連接的跟蹤記錄，加深學生對TCP的可靠數(shù)據(jù)傳輸特性的理解。有了類似的指導，學生就能夠做到條理清晰、全面地分析各個協(xié)議，進一步掌握網(wǎng)絡分層和協(xié)議族的原理。
2.3合理應用現(xiàn)有設備
工程類實驗有制作網(wǎng)線實驗、組建局域網(wǎng)實驗、VLAN實驗、路由器的使用實驗等。這類實驗使學生了解計算機網(wǎng)絡是怎樣搭建的，需要使用到哪些設備和技術，各種網(wǎng)絡設備有什么功能，是如何配置的。工程類實驗需要相關的硬件和設備支持，需要充分利用實驗室的具體條件，突出工程化的特點，使學生能真正以網(wǎng)絡管理者的身份介入網(wǎng)絡，理解協(xié)議的實際運用，積累一定的實際工程經(jīng)驗，提高理論應用于實際的能力，縮短所學與所用的距離。由于學院設備數(shù)量的限制，建議在這種工程類實驗教學當中，分小組進行實驗，力求讓每個同學都有動手實踐的機會，改變過去那種教師演示，學生參觀的實驗現(xiàn)象。
2.4開展創(chuàng)新型課程實驗
目前提倡的創(chuàng)新型實驗一般是綜合性實驗，需要在充分掌握計算機網(wǎng)絡原理的基礎上對知識進行綜合運用，一個實驗往往是多個知識點的融合，要求學生對于網(wǎng)絡的相關協(xié)議有較深入的理解，無法在短短幾個課時內完成，因此可以將創(chuàng)新型實驗作為計算機網(wǎng)絡課程的配套課程設計。
在具體操作上，可由教師給出多個不同的課題，由學生根據(jù)自己的興趣愛好選擇相關課題。這類實驗包括網(wǎng)卡的驅動程序、網(wǎng)絡流量的分析、RIP協(xié)議的仿真、簡單的端口掃描、電子郵件用戶代理的編程實現(xiàn)、滑動窗口協(xié)議的模擬等。以設計RIP協(xié)議仿真
實驗為例，以往的路由仿真實驗大部分是事先設定簡單的網(wǎng)絡拓撲圖(如12臺路由器連接23個網(wǎng)絡)，在單機環(huán)境中模擬實現(xiàn)路由表的更新。在設計RIP協(xié)議的仿真綜合實驗時，教師可以要求每45名同學為一組，每臺計算機模擬一個路由器，RIP協(xié)議仿真程序需要根據(jù)加入網(wǎng)絡的路由器數(shù)量實時調整網(wǎng)絡拓撲結構圖，并且根據(jù)虛擬設定線路時延來自動更新各個仿真路由器的路由表。實驗小組的主機同時運行，通過每臺主機的運行驗證各自的路由表更新和路由選擇功能。最后根據(jù)實驗小組的方案設計、編程調試和實驗結果得出結論，形成小組的實驗報告。由于這些課題具有一定的難度和較大的工作量，對學生的動手能力和自學能力是一個考驗，可培養(yǎng)學生綜合運用知識解決問題的能力，讓他們把網(wǎng)絡知識融會貫通到實驗中。通過實踐，學生就對網(wǎng)絡傳輸中的任何一個環(huán)節(jié)都知道如何著手，并且能順利編程實現(xiàn)，為后繼的網(wǎng)絡程序設計課程打下堅實的基礎。作為鼓勵，學生完成這些實驗后可修得相應的學分。
3結語
計算機網(wǎng)絡類課程實驗教學的研究和設計涉及面比較廣、發(fā)展速度快，必須根據(jù)學生的狀況、學校實驗條件和教材的實際情況，進行系統(tǒng)的、一系列的改革。我們要不斷學習新方法，采用新思路，以適應計算機網(wǎng)絡的快速發(fā)展;更要緊密地結合實際，及時跟新實驗教學內容，提高學生的學習興趣，不斷進步。
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