计算机网络实验室建设与实验教学改革

边胜琴, 王建萍, 崔晓龙

(北京科技大学 计算机与通信工程学院， 北京 100083)

·实验室建设与科学管理·

计算机网络实验室建设与实验教学改革

边胜琴, 王建萍, 崔晓龙

(北京科技大学 计算机与通信工程学院， 北京 100083)

高校实验室是学生进行工程素质教育和实践能力培养的重要基地，在人才培养过程中占有重要地位。计算机网络实验室的建设从专业建设、实际需求和技术发展的角度出发，合理安排，全方位考虑，兼顾实用性和先进性，稳定性和开放性，既保证了日常教学的正常进行，又延缓了设备的更换周期。实验教学内容和教学方法也随着实验室的建设不断改进，展现技术发展方向，开发新的实验项目，提高学生学习兴趣，增加学生动手机会，提高设备使用率，在实践应用中取得了良好的效果。实验室建设和开放式教学模式的探索，将理论教学和实践应用相结合，为培养具有创新意识和创新能力的高素质人才奠定了基础。

计算机网络； 实验室建设； 实验教学； 创新能力

0 引 言

《计算机网络》是高校计算机相关专业的主干课程之一，理论性强、知识面宽、应用广泛，特别是随着物联网、云计算等新技术的出现，知识点不断增加，内容抽象，理论教学面临很大的难度。

计算机网络专业实验室的建设，可以为学生提供真实的网络环境，让学生认识和了解相关的网络设备及其应用环境，配置和调试设备，搭建各种网络环境，培养学生的分析、设计、管理与应用实验技能，加深对网络理论知识的理解与应用，从而达到对计算机网络懂、建、管、用的教学目标[1]。

我校计算机网络实验室成立于2006年，能满足1个自然班的实验教学，由于网络技术的发展，以及实验人数和实验学时的增加，在2015年本科实验教学设备修购任务中，添加一个实验室的网络设备，与原有设备一起使用，能同时满足2个自然班的实验教学。新旧实验设备的使用，管理平台的扩充，以及与其他实验设备的兼容，使得实验室的建设和规划变得尤其重要。

1 实验室建设目标

1.1 因地制宜规划实验环境

网络设备资源不足曾是制约课程建设的最大障碍，① 网络设备价格昂贵，资金受限；② 实验室面积有限，需要合理规划，才能既满足教师授课需求，有利于学生分组动手操作。由于计算机专业转入的学生人数较多，转出的人数较少，班级容量逐渐增大，原有实验室容量已经不满足实际需求，这次实验室建设对台式机容量进行了扩充，每个实验室后面放置6组机柜，计算机的“校园网”网卡与相应机柜的管理设备绑定，计算机的“网络实验”网卡延伸到机柜的网络配线架上。

1.2 实验室建设的实用性和先进性

设备选型前与任课教师进行了商讨，根据我校计算机专业的人才培养目标和发展方向，任课教师提出新设备需要满足边界路由协议BGP和下一代互联网IPV6协议的开展，所以每组机柜增设了RSR3044型号路由器2台；同时在设备厂商的联系下，参观了北京语言大学的网络实验室，就实际建设中的一些问题请教了相关的负责教师。根据以往经验，实验教学中学生都是零基础对设备进行操作，为了避免学生无意操作，引起设备端口的损害，实验机柜继续采用配线架接线，将网络设备的部分端口，引到配线架上，学生采用跳线在配线架上组建实验环境，节省了设备维护成本。

1.3 实验室建设的稳定性和开放性

由于实验课程安排紧密，学生误操作较多，为了保证实验教学正常运行，要求实验室环境稳定可靠，尽可能采用主流的产品和主流方案[2-7]，减少故障发生频率和处理的时间；同时，系统具有开放性，能够兼容其他品牌的设备，易于和各种公用网络连接，支持的协议类型丰富、配置灵活，随着网络技术的发展能够不断升级。实验室主要采用的是锐捷网络实验设备，还有部分思科的交换机和防火墙，这两种设备的配置命令十分相似，能够代表先进网络技术，也是工业界的主流产品，并且能够在一个管理机架下正常工作不产生干扰。

1.4 实验室建设的多样性和完备性

计算机网络实验室的建设要立足现在，放眼未来，满足社会对信息技术发展的需求，既可以模拟宽带数据城域网，以及大型园区的组网方式，又可以构建各种类型的局域网和广域网；还要考虑不同厂家，不同技术的融合，实验室建设具有复杂性和多样性的特点[3-10]。

同时，实验设备应该具有完备性，覆盖网络体系结构的各个层面，给学生提供真实的数据环境；满足各类课程的验证性、综合性、和设计性实验的开展。实验设备包含接入层路由器、核心路由器、二层交换机、三层交换机、防火墙、VPN、无线网卡等，学生在实验室内可以进行各种实验项目，接触多种网络设备和网络技术。

2 实验室建设实施方案

计算机网络实验室以小组为单位，成立了12个实验台。每组实验台由1台设备控制服务器(简称RCMS)、4～6台路由器、2台二层交换机、2台三层交换机和6台双网卡计算机组成，功能型实验台添加了无线、安全、语音等模块，可以完成相应的扩充实验。设备控制服务器(简称RCMS)通过八爪线连接8～10台网络设备的配置端口，能实现实验室设备集中管理，以及设备的初始化操作，方便老师对实验过程进行管理、监督和检验。

每组实验台相对独立，组与组之间的成员不会互相干扰，避免了组成员之间误操作带来的伤害[8-11]。组内实验设备可以任意组合，既可以单独使用，也可以组建小型网络结构；如果模拟大型网络实验环境，还可以解除组与组的访问控制，实现不同实验台之间设备的组合。

交换机能够模拟构建三层模式网络，满足VLAN、RSTP、ACL、VRRP等实验的需求。

路由器的功能要求，含2个同步串行接口，支持以太口或串口两种连接方式，能模拟FrameRelay、VPN、NAT、QoS等广域网实验环境。图1为实验室拓扑。

按照功能划分成学生区、教师区、服务器区、出口区和实验教学区等部分，教师区是管理整个网络实验室的教师用机，通过一套教学管理软件可以实现排课、监控学生实验过程等功能；服务器区由Web服务器、FTP服务器等组成，为学生提供一个平台，可以通过校园网访问网路实验室；出口区通过防火墙和校园网连接，学生在宿舍区也可以远程配置网络设备；实验教学区是网络设备集中存放的区域，一共12组，是网络实验教学的核心区域。学生区按照网络布线也分成12组，每组6台电脑，每台电脑配有两块网卡：网卡1命名为校园网，网卡2 命名为网络实验。通过校园网这块网卡，可以连接相应的访问控制服务器(RCMS)，进而对网络设备进行操作；通过网络实验这块网卡，设置成实验项目所需地址，可以完成实验的验证，如图2所示，实线代表校园网环境，虚线代表实验拓扑图。

图1 计算机网络实验室拓扑图

图2 学生区电脑的双网卡连接方式

3 实验内容设计

实验内容通常分为：① 网络设备的工作原理、性能参数、选择方法；② IP地址的分配与聚合设计控制网络环境中的广播流量；③ 交换机的性能提升技术(堆叠、链路聚合)；④ 交换网络中的冗余链路；⑤ IP子网间的理由技术(静态路由、默认理由、动态路由)；⑥ 网络访问安全性技术(交换机端口安全、访问控制列表、加密传输、链路管理认证技术)；⑦ 常见网络故障分析与处理[12-13]。

结合实验室的环境和开放实验平台，将一些简单的不用连线的实验，作为预习实验，在开放实验平台下完成，比如：路由器、交换机的基本操作，单个交换机划分虚拟局域网，常用网络命令的熟悉和抓包软件的使用等；课内必修实验主要有8个实验内容，涉及交换机组网、路由技术、常用报文分析、传输层协议机制分析等部分，要求在课内实验设备上完成，并完成实验报告，对实验过程中遇到的问题和解决办法进行总结，教师和实验室老师在实验室进行指导并现场验收，结合实验报告给出实验成绩；一些扩展性实验项目，比如IPV6、负载均衡、VPN设置、无线网络等，为对网路感兴趣的同学提供，他们既可通过开放实验平台实践，也可到实验室预约，进行自主实验。实验内容见表1。

4 开放实验平台建设

由于实验设备匮乏、场地有限、实验项目单一等因素，实验室设置了Web和FTP服务器，教师定期更新和管理网站内容，进行信息发布，并提供相关课件和软件的下载；在Web网页上有实验室远程登录的连接，方便学生远程访问实验平台，开放实验项目也会不断调整和更新。每个实验室都配置了无线路由，方便学生使用笔记本的连接网路。

开放性实验的开展在一定程度上解决了实验资源紧张的问题，进一步提高了实验室资源的使用效率，增加了学生实践的机会，大大提高了学生的动手能力，而且方便学生社团和兴趣小组活动。另外，实验室开放，为学生提供了一个自主学习的宽松环境，使学生能够根据自身的兴趣和爱好，最大限度地挖掘自身潜能，不断提高实践能力；任课教师可以方便地熟悉实验室的设备，进行备课或者课堂演示。

在学生对真实网络设备的熟悉和熟练应用的基础上，实验室的FTP服务器提供多种网络模拟软件的下载，借助网络仿真软件Cisco Packet Tracer、NetRiver、NS2(Network Simulator)等学生可以进行复杂网络的搭建和学习。校园网、银行、医院、电子商务等部门，不同需求其解决的方案也不同，反映到网络拓扑结构图中，设备的选型和线路的配置也不同，学生根据自己的兴趣或特长，针对具体安全的需求，自主设计实施方案，在仿真软件上模拟真实网络环境，完成设备选型、配置、测试等操作，有助于培养学生解决实际问题的能力。

表1 实验内容设计

5 结 语

计算机网络实验室利用暑假一个月的时间完成建设目标，并于2015～2016学年第一学期投入正常使用，实现了2个自然班同时进行实验教学的实际需求，开放式实验平台的应用和教学内容的调整，调动了学生学习的积极性，基础性实验教学质量大大提高，但是教学内容和教学方式还需不断改进、不断完善，在实践教学中不断积累经验，通过设计性和综合性实验提高学生解决问题的能力。

计算机网络实验又有其独特的方法，与其他学科既有联系又有区别，包括观察、实验、实施、测试、查错和对比，以及理论分析、设计实现、测试分析，综合验证等，在实验教学中注意教学方法的总结和改进，才能有效地提高教学效果。实验室建设和管理逐渐信息化、网络化和开放化，最大限度地实现优质资源共享，才能实现高等教育和教学的人性化、定制化，才能培养学生的自主学习能力，激发学习兴趣和潜能，真正实现素质教育，提高人才的培养质量和核心竞争力。

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Construction of Computer Network Laboratory and Reform of Experimental Teaching

BIANShengqin,WANGJianping,CUIXiaolong

(School of Computer and Communication Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

University laboratory is an important base for students to carry out engineering quality education and practical ability training, and plays an important role in the process of personnel training. The construction of computer network laboratory should start with the perspective of professional construction, actual demand and technology development, should reasonably arrange and fully consider the practical requirement and advanced instrument, stability and openness. It should ensure the normal teaching and delay the replacement cycle of equipment. Experimental teaching content and teaching methods also should be improved with the construction of laboratory, showing the technology development and the direction of new experimental projects, improving students' learning interest and increasing the students' mobile. It was also important to increase the utilization rate of equipment. Good results have been achieved in practice. The exploration of laboratory construction and open teaching mode should combine theory teaching with practice application, and training high quality talents with innovative consciousness and innovative ability.

computer network; laboratory construction; experimental teaching; innovation ability

2016-08-15

2015年北京科技大学教改项目(JG2015M29)

边胜琴(1977-)，女，河北保定人，博士，工程师，主要研究方向：计算机网络。Tel.：010-62334983；E-mail：xiaobian@ustb.edu.cn

G 642.0

A

1006-7167(2017)02-0259-04