IOT环境下网络实验课程群及实验综合平台建设

李 红， 贺章擎， 欧阳勇

(湖北工业大学 a.计算机科学与技术学院； b.电气与电子工程学院，湖北 武汉 430068)



IOT环境下网络实验课程群及实验综合平台建设

李 红a， 贺章擎b， 欧阳勇a

(湖北工业大学 a.计算机科学与技术学院； b.电气与电子工程学院，湖北 武汉 430068)

物联网(IOT)是下一代信息技术的核心，互联网是物联网的基础，在这种新形式下，承担网络知识模块的计算机网络课程群成为了高校信息类专业中最重要的专业课程群之一，但传统的实验教学模式与体系已经无法适应物联网环境下网络课程群建设的需要。本文通过对计算机网络课程群实验教学内容和特点的分析,针对目前课程群实验教学中存在的不足,根据“创新优先，能力主导，课程协同，项目驱动”的实验课程群教学模式，研究并提出一种分层次的网络实验课程群体系结构，构建了一套新的符合人才培养需求的综合实验平台，可以为师生提供一个高水平和高效率的教学科研平台。

IOT; 计算机网络； 课程群； 综合实验平台

0 引 言

作为互联网的延伸和扩展，物联网以其迅猛的发展势头和所带来的巨大经济效益，成为了下一个推动世界高速发展的重要生产力，同时也给高校带来了新的发展契机与挑战[1]。社会对网络技术人才数量和质量需求的不断增长，使得计算机网络课程群成为了高校信息类专业最重要的专业课程群之一。该课程群的研究对象主要包括网络的体系结构、网络设计与实现、网络应用与管理以及网络安全与防护等，既包含了一些偏重于理论课程，也包含一些偏重于实践的课程，具有知识覆盖范围广、内容丰富、理论抽象以及实践性强等特征[1]。

网络课程群中包含的互联网知识模块是物联网的基础和核心，在以物联网技术为发展趋势的信息时代，如何在网络课程群教学过程中体现物联网技术最重要的特色——能力与创新，是值得思考的问题。笔者依托湖北省级教研项目的支持和资助，以教学团队的形式对网络课程群的建设进行了一系列的研究和探索。提出了“创新优先，能力主导，课程协同，项目驱动”的网络课程群教学模式[2-4]。特别针对实验教学环节和实验室建设部分，探寻了在IOT环境下如何进行网络实验课程群建设与课程群综合实验平台的设计与搭建问题。旨在为教学和师生服务，提供一个高水平、高效率和高质量的教学科研平台。

1 网络课程群综合实验平台建设目标

1.1 传统课程群实验教学和实验室建设弊端

实验教学是提高学生动手能力和巩固理论知识最为有效的途径，也是综合能力培养和创新意识培养的重要环节，实验室为实验教学环节提供主要的场所和资源,同时也是学生和教师重要的学习与科研场所，实验室建设的水平是衡量学校科研水平和实践教学的重要标志[3]。然而，目前许多高校课程群的建设重点仍然偏重于理论部分，对实践部分的课程群体系建设未给予充分的重视，仍然采用了传统的实验教学方法与管理模式，导致出现了如下一些问题：

(1) 实验课程设置不合理。每门课虽然都有配套的实验环节，但是有些课程的实验学时设置并不能突出本课程的特点，有的课程偏重于实践，但是实验学时只占总学时的四分之一，一部分原因是在早期设置教学大纲过程中没有充分考虑课程的特点，一部分原因是受实验室设备的限制，一些应该开设的实验因为没有实验条件支持从而无法开设。

(2) 课程相互独立，没有形成课程群的体系。在实验内容的设置上没有提前进行规划，每门课程的指定负责老师只负责本门课程的实验教学大纲，和其他老师交流甚少，导致在教学内容上有密切关联的课程之间出现实验内容重叠的现象，各课程之间的实验内容既不协调也不连贯。

(3) 实验室建设规划零散，缺乏全局性的建设目标。专业实验室的建设主要是根据课程的需要来一个一个的建立，一方面是受到资金的限制，一方面是缺乏整体的建设规划，导致实验室设备零散无法统一管理与使用。

(4) 缺乏统一完善的实验教学平台。主要表现在传统实验教学场所分配并不固定，每个学期排实验课程都是按照“填空”的规则，软件在不同的实验室之间重复安装，硬件资源共享利用率也并不充分；实验室管理欠缺，实验内容和时间必须固定，授课教师不能自由安排学生,无法满足开放实验的需求；实验设备管理混乱，缺乏友好的交互界面和快捷方便的切换方式，也没有完善的实验教学系统和技术支持[5-7]。

综上所述，传统的实验室建设情况和实验教学情况并不符合能力培养和创新思维培养的要求。

1.2 网络课程群综合实验平台建设目标

针对上述传统实验教学和实验室建设中的弊端和不足，近年来，我们经过广泛调研并结合专业培养目标、课程特点、课程群课程之间内在联系进行了研究、梳理和整合，明确了课程群 中的主干课程和各课程的实验内容，并将课程群中课程的实验环境进行总体规划和整合，提出了“创新优先，能力主导，课程协同，项目驱动”的网络课程群教学模式，以期达到以下建设目标：

(1) 以“课程协同，项目驱动”为推动力，搭建层次化网络课程群实验体系结构。在实验教学中引入课程群建设理念，充分考虑课程群内诸课程在结构、内容上的相互关系，对各门课程实验内容进行梳理和整合，探索层次化结构的实验课程群体系，从全局的角度来考虑实验内容的安排和规划，从而减少课程内容重复并保证内容连贯性与完整性。通过项目驱动的实验任务推动模式，使学生明确实验的应用情境和实验目的，围绕项目的要求展开学习，从而使学生主动建构探究、实践、思考、运用、解决的学习能力。

(2) 以“创新优先，能力主导”为培养目标，建立完善统一的综合实验教学平台。将零散的课程实验环境进行规划和部署，网络课程群集中在一个实验环境中，增加设备集约化和共享性，有利于实现各种应用场景的需求；把每个实践知识点模块化和规范化，各门课程实验可采取“项目+模块”的方式自由组合，打破课程之间的壁垒和约束，增加实验的灵活性[2]。同时，该平台还可以作为教师和学生的自主创新科研平台，同时为教学和科研服务。

2 网络课程群的课程实验体系

2.1 课程内容分析与设置

结合本校特点以及人才培养需求，目前我院的网络课程群包含的课程主要有“计算机网络”“网络互连技术”“TCP/IP协议原理”“网络编程与系统开发”以及“网络管理与安全”。每门课程都由理论学时和实验学时两部分组成，根据课程特点的不同，理论学时和实验学时的分配比例会有一定的差异，每门课程的实验内容经过梳理和整合，在实验内容上也各有侧重点，避免了出现重叠的情况，具体的设置情况如表1所示。

表1 网络课程群中的课程设置

我们希望通过上述一系列课程的理论和实践学习，培养学生对网络知识体系的理解、设计、实现、维护和应用等方面的能力，依据课程特点和知识体系提炼出各门课程的实验项目和实验侧重点，旨在形成一个以网络协议理解为基础，以网络规划与建设、网络编程与应用、网络安全与维护为提高，以能力培养和创新意识培养为目标的网络课程实验群体系。

2.2 分层次的网络课程群实验体系结构

网络课程群包含的课程内容丰富、知识覆盖面广，涉及众多的概念、原理、协议和技术，这些内容相互联系错综复杂的贯穿于每门课程之中，使得学生理解起来比较困难，学生也普遍反映在实验过程中难于上手。为了应对网络课程群的广度和复杂度，在对网络课程群实验内容统一规划和全局考虑基础上，借鉴分层次的计算机网络体系结构研究思路，我们提出了分层次的网络课程群实验体系结构教学思路，依据从简单到复杂、从理论到实践、从抽象到具体的原理，设计了针对课程知识点的层次模块化实验项目，从基础实验模块和进阶实验模块到专项实验模块和创新实验模块，满足了课程群实验覆盖面广、知识点多、难度大的教学需求，具体的分层次网络课程群实验体系结构如图1所示。

图1 分层次的网络课程群实验体系结构

从上图的层次结构中可看到，网络课程群实验体系分为4个层次，从下往上依次推进和深入，各层之间相互依赖又相对独立，下层是上层学习的基础，通过从下往上四个学习阶段的不断推进，学生的动手能力逐步提高，达到创新人才培养的目标[8-10]。

基础实验模块位于整个课程群实验体系结构的最底层，是其他各层次实验模块的基础部分，学生通过完成此层次的实验，能够理解互联网的工作原理和基本的网络互连知识，对主要的IPV4协议具备基本的分析能力，能通过交换机和路由器搭建小型网络，并学习信息安全中的密码学基础内容。此模块知识内容是学生必须熟练掌握的基本技能，相对于其他实验模块难度也是最小的。

进阶实验模块在基础实验模块的基础上无论从广度或深度上都有所提高，在IPV4协议分析基础上加入了IPV6协议的分析，在小型园区网搭建的基础上加入了园区网的安全策略配置，在有线网络的基础上加入了无线网络的内容，学生通多此层次实验项目的训练，能够扩展对互联网的认识，增强对园区网综合设计以及完整搭建的意识，并增加无线网络的知识。此模块内容是学生需要掌握的网络知识，有一定的难度。

通过基础模块和进阶模块的学习，学生在协议理解、网络搭建、信息安全以及无线网络方面已经具备了一定的分析问题和解决问题的能力，专项实验模块则从专业技术层面上来细分，实验内容更有针对性，体现专业方向的差异性，主要的子方向有网络编程、网络工程和网络管理与安全。此模块内容可以根据学生所选方向不同而灵活设置，偏重点可以根据需要有所不同[11-13]。

创新实验模块是在底下三层实验模块基础上的提升与综合应用，希望通过一些综合性的实验项目来启发学生的思维，培养他们综合应用和创新思维能力，每个综合项目的设计中都融合了课程群中的多门课程内容，也是对前面实验模块实践效果的检验。

3 多平台融合的综合实验室建设

从早期的离散式网络实验室到中期的集中式网络实验室，再到现在的综合型网络实验室，高校网络实验室的发展建设过程一直伴随着教学改革的步伐，遵循着为教学科研服务的宗旨[13]。2014年下半学期，为了提高实践教学质量，并配合网络课程群省级教学研究项目的建设需求，我院投入大量资金开始筹备规划建设综合型网络实验平台，经过征集课程群老师们的意见和广泛调研，依托锐捷网络、中软吉大等知名高校合作企业的协助，对原计算机网络实验室进行升级和改造，于2015年3月建成网络综合实验平台。

实现了将原有的多个独立实验平台融合在一个实验室平台的目标，硬件资源和软件资源都能实现最大的共享，并能根据课程和实验项目方便的进行切换，不仅可以支持网络课程群中课程的的绝大部分实验内容，而且可以实现实验室的全面建设与管理。网络综

合实验平台组成如图2所示：

图2 多平台融合的综合实验室

3.1 硬件平台的设计与部署

3.1.1 实验室硬件拓扑结构

结合实验室的面积大小和形状特点，实验室的硬件平台拓扑结构结合了常见的“背靠背”和“一字型”框架形式，中间是8组操作平台，采用“背靠背”的形式摆放，每组有8台pc机，靠左右两侧墙边按照“一字型”安放有8组实验设备机柜，靠实验室后方有两个综合机柜，分别是网络协议、信息安全与网络编程数据交换中心以及网络工程实验系统交换中心。

我院实验室采用的设备主要是锐捷和中软吉大的产品，其中网络工程实验设备主要由锐捷网络提供，协议分析、网络编程、信息安全等实验设备主要由中软吉大提供，虽然两套设备体系在组织架构、硬件配置和软件配置上不尽相同，但是在实验室管理平台的服务层面上，我们经过合理的规划和设计将两套体系通过机架和中控设备融合起来，能方便的实现不同实验平台之间的切换，硬件资源和软件资源都可以实现最大程度的共享。实验室的硬件拓扑结构图如图3所示。

图3 硬件拓扑结构图

3.1.2 各个子平台的硬件架构与部署

网络工程实验平台分为5个部分，教师机区域、学生机区域、网络设备区域、数据交换区域以及Limp实验室服务器管理系统，他们由数据交换区域连接起来，见图4所示。实验台区域由8组机架(RACK)构成，每组至少包括一台RCMS设备、4台交换机(二层交换机和三层交换机)和4台路由器，具备完成最基本的园区网搭建功能，为了进阶实验和创新实验需求，在一些机架中有增加了一些特别的功能设备，能完成如网络存储、融合通信、无线通信、万兆核心交换、防火墙、VPN等高级实验。

网络协议分析实验平台、网络程序设计实验平台以及信息安全实验平台的硬件架构都融合在一个系统中，主要由主控中心平台、组控设备、智能网络设备、综合接入网关、无线组控设备、网络设备控制器等组成，依据实验项目不同可形成多种硬件设备组合方式，实验拓扑结构可以根据实验内容需求灵活改变，达到在满足产品实验需求的基础上充分实现硬件设备的共享的要求。在此综合平台中，为了能真实的模拟数据包发送与分析、攻击与防范的应用场景，我们采用的是两人一小组的实验方式，具体的小组硬件架构如图5所示[14]：

图4 网络工程实验平台硬件架构

图5 协议分析、程序设计以及信息安全实验平台的小组硬件架构

从上面的硬件平台架构分析来看，实验室学生PC机是全面共享的，因此其网络配置是比较复杂的。每台学生机都装有3块网卡，分别用于和各个实验平台环境的连通、锐捷网络工程实验的测试以及中软吉大网络协议分析、网络编程与信息安全实验的测试。

3.2 软件平台的设计与部署

在硬件平台搭建的基础上，为不同的实验子平台设置了服务器并安装了相应的服务器端和学生机端软件，在软件平台在部署中引入了“形象思维”的教学理念，通过改进实验指导书的表达形式将抽象的知识直观化、过程可视化，并采用虚拟与现实相结合的网络实践教学环境[14]。

以网络程序设计实验子平台为例，当教师配置好服务器软件环境并切换到相应的硬件环境后，学生在终端打开相应的实验模块软件时，系统能提供良好的实验交互界面，学生可以浏览整个实验目录进行项目选择，系统提供实验前的预习知识和详细的实验步骤，并配备相应的实验思考题和实验小结，使得较难上手的实验内容变得简单直观，提高了学生动手的信心和学习兴趣。网络程序设计实验软件平台如图6所示：

图6 网络程序设计实验软件平台

4 结 语

在物联网环境中，计算机网络课程群作为IOT的基础和核心，在信息类专业中具有特别的地位。由于计算机网络课程群具有内容覆盖面广和理论概念繁多抽象等特征,因此实验教学是学生理解网络知识的关键环节，我们提出的一种分层次网络实验课程群体系结构和规划部署的一套网络实验综合平台，实现了从教学理念到具体教学实施过程的转化，基于此实验综合平台开展实验教学工作，不仅可以使实验教学过程变的灵活方便，更重要的是能够提高学生的综合素质和创新能力。

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The Construction and Implementation of Network Experiment Curriculum Group and Integrated Experimental Platform under IOT

LIHonga，HEZhang-qingb,OUYang-yonga

(a. College of Computer Science and Technology; b. College of Electrical and Electronic Engineering, Hubei University of Technology, Wuhan 430068, China)

Internet of things (IOT) is the core of the next generation of information technology, and the Internet is the foundation of IOT, therefore the computer network curriculum group has become the most important professional course of the information engineering specialty which undertakes the task of teaching knowledge of the network module. However, the traditional teaching model of experimental system could not keep the pace with the construction of the network curriculum group under IOT. This paper proposes a hierarchical architecture for network experiment curriculum group and builds an integrated experimental platform simultaneously according to the teaching conception of innovation priority, capability-driven, curriculum coordination and project-driven to meet the needs of talents cultivation through analyzing the contents and characteristics of the experimental teaching in computer network curriculum group, aiming at solving the problems which exist in the experiment teaching.

IOT; computer network; curriculum group; integrated experimental platform

2015-10-12

湖北省教育厅教学研究与改革项目(2013282，2014277，2014287)；2015湖北省教育科学规划重点课题(2015GA018)

李 红(1981-)，女，湖北孝感人，博士在读，讲师，计算机协会会员,研究方向为计算机网络、数据库与实时系统。

Tel.：13407113025；E-mail：lilyhong420@126.com

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A

1006-7167(2016)09-0191-05