計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程實驗教學(xué)思路

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0引言

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)的專業(yè)核心課程，是一門兼具理論性和實踐性的課程。隨著該課程在計算機(jī)學(xué)科中的地位越來越重要，大部分高等院校的網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)將其總課時定在48~64學(xué)時，而其中的實驗課時定在12~16課時。計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的實驗課程與其他實驗課程不同，對實驗環(huán)境要求較高，對原理的理解非常重要。如何為學(xué)生們上好計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的實驗課程，成為許多高等院校教師們研究的重點課題。文章從兩個方面探討在網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)中計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實驗課程的教學(xué)改革。

（1）計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實驗課程不是一門獨立的課程。網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)中的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理課程是網(wǎng)絡(luò)安全、網(wǎng)絡(luò)工程、網(wǎng)絡(luò)編程等專業(yè)核心課程的前導(dǎo)課程，在網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)的課程體系中屬于專業(yè)基礎(chǔ)核心課程。同理，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實驗課程也是上述專業(yè)核心課程的實驗前導(dǎo)課程。因此，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實驗課程在課程內(nèi)容的設(shè)置上，應(yīng)摒棄大而全的指導(dǎo)思想，重點在于引導(dǎo)學(xué)習(xí)者理解計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理中體系結(jié)構(gòu)思想，了解網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)的課程體系結(jié)構(gòu)。

（2）計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的實驗課程應(yīng)協(xié)調(diào)與相應(yīng)原理課程的銜接，在內(nèi)容和模式上輔助學(xué)習(xí)者加深對網(wǎng)絡(luò)原理的認(rèn)知和理解。當(dāng)前，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理課程在教學(xué)模式與內(nèi)容上主要采用“自頂向下”和“自底向上”兩種方式，如果計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實驗課程同樣在內(nèi)容與模式上與原理課程相對應(yīng)，實驗課程的設(shè)置緊跟原理課程需求，不僅可以消除對計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理的抽象感，還可以使原理課程教學(xué)達(dá)到最好的效果。

1計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實驗課程在專業(yè)課程體系中的地位

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實驗課程是培養(yǎng)技能型、應(yīng)用型人才的基礎(chǔ)，也是網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)所有專業(yè)核心課程實驗的基礎(chǔ)。通過對大多數(shù)應(yīng)用型本科院校關(guān)于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)改革方面的文章進(jìn)行分析，可得出以下結(jié)論：應(yīng)用型高等院校在如何搞好計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)的過程中，大多采用建立寬口徑、分層次、突出前沿的實驗教學(xué)體系思路，將實驗類型設(shè)置成基礎(chǔ)驗證型實驗、配置操作型實驗、編程設(shè)計型實驗、綜合提高型實驗四大類，詳見表1。在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實驗課時非常有限的情況下，做到面面俱到是一件艱難的任務(wù)，即使采用網(wǎng)絡(luò)仿真模擬器的形式來增加學(xué)生課后練習(xí)的時間，也很難保證達(dá)到所要求的實驗效果。因此首先應(yīng)明確，無論是原理課程，還是實驗課程，高等院校網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程都屬于該專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程，一般開在第二學(xué)年的第四學(xué)期，或者第三學(xué)年的第五學(xué)期。它為后續(xù)學(xué)期的專業(yè)核心課程（如網(wǎng)絡(luò)工程技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)等）打下堅實基礎(chǔ)。仔細(xì)分析表1不難發(fā)現(xiàn)，第一大類基礎(chǔ)驗證型實驗中，部分實驗內(nèi)容可以放在網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)實驗課程中；第二大類配置操作型實驗中，部分實驗內(nèi)容可以放在網(wǎng)絡(luò)工程技術(shù)實驗課程中；第三大類編程設(shè)計型實驗，部分實驗內(nèi)容可以放在網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)課程中。許多應(yīng)用型本科院校在第四學(xué)年專門開設(shè)了一門綜合實訓(xùn)課程，表1中的第四大類實驗更是可以放在網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)的綜合實訓(xùn)課程中進(jìn)行。計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理課程的教學(xué)目的是使學(xué)習(xí)者了解計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的基本概念、網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)模型以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議工作原理等。因此，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實驗課程的設(shè)置，首先應(yīng)明確該門課程在整個網(wǎng)絡(luò)工程課程體系中的位置與作用；其次，應(yīng)結(jié)合該門課程原理課程的教學(xué)模式與內(nèi)容，以達(dá)到通過實驗輔助理論教學(xué)，提高學(xué)習(xí)者動手能力的目的。

2“自底向上”的教學(xué)模式與實驗課程的結(jié)合

目前，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理課程普遍采用兩種教學(xué)模式：“自底向上”和“自頂向下”，即基于OSI參考模型和TCP/IP參考模型的混合層次結(jié)構(gòu)，由底層（物理層）向高層（應(yīng)用層），或者由高層（應(yīng)用層）向底層（物理層）展開講解。兩種教學(xué)模式各有特點?！白缘紫蛏稀苯虒W(xué)模式一般采用Tanenbaum編著的教材《ComputerNetworks（4thEdition）》是計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)典教材之一，屬于典型的“自底向上”教學(xué)組織形式。該模式的特點在于強(qiáng)調(diào)通信原理，注重物理層與數(shù)據(jù)鏈路層的具體實現(xiàn)技術(shù)，注重計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展歷史，內(nèi)容包含較為全面。因此，在此基礎(chǔ)上的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實驗課程的內(nèi)容設(shè)置，從底層的基礎(chǔ)實驗作為起點較為符合原理課程的需求?！白缘紫蛳隆钡慕虒W(xué)模式對學(xué)習(xí)者的基礎(chǔ)理論要求較高，強(qiáng)調(diào)通信原理基礎(chǔ)理論的重要性。網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)學(xué)生尚未學(xué)習(xí)過，或者剛剛開始學(xué)習(xí)通信原理課程，在對底層基礎(chǔ)技術(shù)細(xì)節(jié)理解中感覺難度較大，實驗驗證的難度也較大。因此，第一次實驗內(nèi)容建議以增強(qiáng)學(xué)生的自信心和興趣為主，例如網(wǎng)線制作與網(wǎng)絡(luò)連接實驗，鼓勵學(xué)生大膽嘗試用自己動手制作的網(wǎng)線進(jìn)行電腦間的連接。實驗雖然簡單，但卻非常容易激發(fā)學(xué)生的興趣，同時也引導(dǎo)學(xué)生了解計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)誕生的目的。第二次實驗開始于原理課程講解數(shù)據(jù)鏈路層的知識，重點在于理解數(shù)據(jù)幀的概念以及了解網(wǎng)絡(luò)中間設(shè)備的知識。建議實驗內(nèi)容以計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的中間設(shè)備以及數(shù)據(jù)幀的概念為主，例如采用多臺電腦通過網(wǎng)線接入集線器或交換機(jī)，進(jìn)行交換機(jī)配置。使學(xué)生了解到數(shù)據(jù)幀既可以在總線結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行總線廣播，使總線上所有的終端都可以接收到數(shù)據(jù)幀；也可以通過網(wǎng)絡(luò)中間設(shè)備進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，使互連的多臺電腦可以接收到數(shù)據(jù)幀。當(dāng)原理課程進(jìn)入到網(wǎng)絡(luò)層知識的講解時，協(xié)議分析的重要性凸顯出來。第三次實驗內(nèi)容建議以使用協(xié)議分析器進(jìn)行數(shù)據(jù)包捕獲、流量監(jiān)控、IP報頭分析為主，直觀地將復(fù)雜與抽象的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議展現(xiàn)在學(xué)生面前，強(qiáng)調(diào)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中的重要性，加深對計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)理論知識的理解。當(dāng)“自底向上”的原理課程講解到網(wǎng)絡(luò)傳輸層時，原理課程重點在于介紹TCP協(xié)議與UDP協(xié)議的各自特點，因此，第四次實驗設(shè)置建議使用協(xié)議分析器捕獲HTTP協(xié)議，分析其中的TCP三次握手的連接過程的，以及四次握手的關(guān)閉過程，幫助學(xué)生理解TCP協(xié)議與UDP協(xié)議二者之間的相同與不同之處。計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的最后一層是應(yīng)用層，建議第五次實驗內(nèi)容重點分析應(yīng)用層的協(xié)議，例如通過Socket的基本知識與某種高級語言結(jié)合，去實現(xiàn)某個經(jīng)常使用的應(yīng)用軟件或命令，比如實現(xiàn)Ping命令。鼓勵學(xué)生通過實驗了解如何用程序?qū)崿F(xiàn)Ping命令的運行過程，尤其是實現(xiàn)Ping請求與應(yīng)答報文，進(jìn)一步加深理解網(wǎng)絡(luò)通信的具體實現(xiàn)過程。通過上述每一層的實驗內(nèi)容設(shè)置，可以較好地幫助學(xué)生從底層開始，逐步向上深入理解計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)與協(xié)議的重要性，理解計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的基本知識與工作原理，使實驗課程和原理課程的教學(xué)模式達(dá)到良好契合。

3“自頂向下”的教學(xué)模式與實驗課的結(jié)合

“自頂向下”的教學(xué)模式從計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)上來看，內(nèi)容組織形式正好相反，從網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)概述開始，依次到網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用層、運輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層，較為經(jīng)典的教材是Kurose&Ross編著的《ComputerNetworking：ATop-DownApproach（5thEdition）》，屬于典型的“自頂向下”教學(xué)組織形式?！白皂斚蛳隆苯虒W(xué)模式的特點是注重應(yīng)用，以Internet為對象，強(qiáng)調(diào)理論聯(lián)系實際應(yīng)用，內(nèi)容重點突出。實驗內(nèi)容的設(shè)置以結(jié)合Internet應(yīng)用為主，教學(xué)方式以激發(fā)學(xué)生熱情，提高學(xué)生學(xué)習(xí)熱情為目的。本著實驗的目的是為了理論知識學(xué)習(xí)服務(wù)的指導(dǎo)思想，筆者所在學(xué)校的網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)，在采用“自頂向下”的教學(xué)模式前提下，第一次實驗內(nèi)容的設(shè)置通常是利用某種高級語言，結(jié)合Socket函數(shù)，設(shè)計大多數(shù)學(xué)生在Internet應(yīng)用中曾經(jīng)用過的應(yīng)用軟件。例如用于文件處理的FTP客戶端應(yīng)用程序設(shè)計，實驗題目看似較難，但對于已經(jīng)是本科三年級的學(xué)生來說，在學(xué)習(xí)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程之前通常已經(jīng)學(xué)過高級語言程序設(shè)計、面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫原理等課程，只需在實驗課上稍微補(bǔ)充一些Socket函數(shù)的知識，并且不需要復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)底層知識，在簡單的硬件設(shè)備（例如PC）上，就可以實現(xiàn)該實驗。在實驗教師的指導(dǎo)下，學(xué)生們自己動手設(shè)計并實現(xiàn)了一個網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，并且該網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用與現(xiàn)實生活中的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用結(jié)合，極大地激發(fā)了學(xué)生對計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)后續(xù)課程學(xué)習(xí)的熱情與興趣。通過第一次實驗，學(xué)生對網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層的理論知識也有了初步理解，例如學(xué)生們在設(shè)計FTP客戶端程序時，注意到FTP服務(wù)器使用熟知端口來提供服務(wù)，而客戶端使用臨時端口來發(fā)送請求，在程序設(shè)計過程中，需仔細(xì)設(shè)計不同的端口號。同時，對應(yīng)用層的其他協(xié)議也能很好地掌握，學(xué)習(xí)能力較好的學(xué)生甚至利用課余時間練習(xí)設(shè)計其他協(xié)議的客戶端，如HTTP、POP3等。隨著原理課程的逐步深入，同第二節(jié)中“自底向上”的教學(xué)模式一樣，每一層設(shè)計一個實驗內(nèi)容，緊隨原理課程的進(jìn)度與要求。實驗內(nèi)容的設(shè)置遵循3個原則：①實驗不求多而全，但要力求使每個實驗有代表性和啟發(fā)性，能夠啟發(fā)學(xué)生解決一類問題或能觸類旁通，促進(jìn)學(xué)生思考；②每個實驗都緊緊圍繞原理課程的知識進(jìn)行設(shè)計，爭取做到邊講解邊做實驗驗證；③實驗項目的設(shè)計雖然有一定的難度，但能增加學(xué)生學(xué)習(xí)的自信心與興趣。

4結(jié)語

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是理論與實踐結(jié)合非常緊密的課程，其中實驗課程又是培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際的重要環(huán)節(jié)。筆者提出并實踐了上述實驗課程的改革內(nèi)容，從學(xué)生的反饋來看，普遍對實驗內(nèi)容設(shè)置較為滿意，同時也提出了不少意見和建議。我們在文中所提方案可以運用在普通高等院校網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實驗課程中，對實驗教學(xué)質(zhì)量的提高提供有益補(bǔ)充。

作者：胡靜 趙雷 王小剛 單位：上海電機(jī)學(xué)院電子信息學(xué)院