计算机网络原理课程实验教学体系的改革

阮晓龙 许成刚 贺路路

河南中医药大学信息技术学院 河南郑州 450008

计算机网络原理课程是高校计算机科学与技术及相关专业的核心专业课程[1]，该课程主要包括计算机网络的基本概念与组成、体系结构、TCP/IP协议等，是网络类课程体系的基础。计算机网络原理是基础原理类课程，应以理论讲解与验证为主，实验教学更应该以进行理论验证和协议分析为主。

本次计算机网络原理课程实验教学体系的改革以此思路为核心，辅助教学手段与方法提升实验教学质量，加深学生对计算机网络原理的理解。

1 实验教学存在的问题

1.1 实验设备不能满足教学要求

计算机网络原理实验中需要具体的设备实现网络相关操作，但网络设备厂商较多，各厂商的网络配置操作不尽相同[2]。而且，学校采购的网络设备型号单一、质量参差不齐、操作难度不一，不利于实验教学工作的开展。

1.2 实验考核不能精准有效评判

实验考核是实验教学效果的判定与验证标准，精准的实验考核可以有效提升实验教学效果[3]。但目前的实验考核没有统一的评分标准，教师常常根据学生实验报告册的撰写情况给出总体分数，没有依据实验问题按照实验步骤给出分值，实验考核缺乏说服力。

1.3 实验报告不能满足学习需求

实验教学中学生需要将实验过程、实验结果、实验疑问等撰写至实验报告册中，完成实验的记录与分析。但学生在进行实验报告册填写时，需要抄写大量题目、步骤等信息，个人的理解或对实验的疑问不能很好地记录和解决。

2 实验教学改革探究与实践

鉴于实验教学过程中存在的各种问题和计算机网络原理实验教学的总体思路[4]，笔者对计算机网络原理实验教学体系进行了改革研究与探索，主要包括实验内容、实验教学方式、实验考核方式三方面，具体内容如下。

2.1 实验内容改革

2.1.1 强化网络原理实践

进行计算机网络原理实验教学需要落地计算机网络的理论部分，强化原理类实验，让学生在实验中弄清楚具体的网络原理，而不是将重点放在网络技术的应用与实践上，并将此类实验放到后续课程教学中进行。既能保证学生在网络原理的实验中切实了解到网络原理的内容，夯实基础原理知识，又能为后续课程的开展奠定一定的基础。

2.1.2 强化报文结构分析

计算机网络原理中存在着大量的协议分析内容，在计算机的网络体系结构中各层级之间均通过服务进行处理与协调，其中存在着大量的报文[5]，这些报文可直观地展示出计算机网络中传输的数据结构。强化报文结构分析可以帮助学生深刻地理解计算机网络中的报文结构，加深对基础原理的掌握。

2.1.3 增加通信过程分析

在进行计算机网络教学实验内容设计时增加了通讯过程分析，如UDP，TCP协议分析以及DNS分析等。学生可通过抓包清晰地看到建立TCP连接时的三次握手机制[6](如图1所示)。通讯过程分析可以帮助学生深入理解网络中请求、响应的通讯过程。

图1 抓取TCP报文

2.1.4 强化实验层次结构

在传统的课程体系下，计算机网络原理课程实验项目之间的关联不紧密，关联性不够强[7]，实验教学体系改革前的实验项目列表见表1。

表1 原实验项目列表

此次改革对计算机网络原理课程实验体系进行了统一的规划，具体实验项目列表如表2所示。

表2 实验教学体系改革后实验项目列表

其中,实验一和实验二为基于GNS3仿真的组网类实验，实验三和实验四为路由类实验，实验五至实验九为报文分析类实验，强化了对报文结构的分析[8]。将整个计算机网络原理的实验划分为不同层次和不同阶段，结构清晰，内容充实。

2.2 实验教学方式改革

2.2.1 实验采用单人单机模式

计算机网络原理是原理类课程，讲究面面俱到，因此在进行实验教学的时候要让每个学生都能上手操作，进行实验。本次改革中采用单人单机的实验教学模式，让每个学生都有机会全程参与实验学习。

2.2.2 实验采用虚拟仿真技术

在计算机网络原理的实验教学中，本次改革放弃使用物理交换机、路由器，全面采用GNS3进行虚拟仿真教学[9]，使用虚拟仿真技术可以有效地解决实验教学中存在的以下3个问题。

(1)学习时间、地域限制的问题

实验课中学生需要根据教师的讲解进行仿真实验，但实验教学的开展不应该仅仅限制于课堂时间，还需要学生在课下进行持续的研究与实验。使用虚拟仿真技术可以有效地打破学习时间、地域限制，让学生课上课下都可学。

(2)设备陈旧的问题

在进行虚拟仿真实验中，可选择不同品牌、不同型号的设备镜像进行实验，学生可充分地理解各种型号网络设备的操作方式，可及时接触最新的网络设备，有效解决物理设备品牌单一、型号唯一、设备陈旧落后的问题。

(3)抓包困难的问题

抓包分析是计算机网络中最常用的分析模式，在使用物理设备进行实验时，抓包分析就变得十分困难，不利于教学的开展。通过虚拟仿真软件进行组网类、路由类实验时可非常方便地进行抓包分析，为本次实验内容中的报文分析提供环境基础。

2.2.3 实验采用Wireshark进行报文分析

本次实验教学使用Wireshark对各种协议的报文数据进行抓取分析，帮助学生深入理解和掌握网络分层的概念以及协议的工作原理。Wireshark软件可将各数据包层层剥开，能够直观、具体地将数据报文的首部及其携带的数据展示出来，如图2为使用Wireshark软件抓取的UDP报文[10]。

图2 抓取UDP报文

2.3 实验考核方式改革

2.3.1 调整报告模式

对计算机网络原理实验教学中实验报告册进行了改革，抛弃了传统手抄报告册的形式，而是将实验报告册进行统一整理并印刷。实验报告册中按照实验要求与步骤设置填写内容，学生在使用时只记录相关过程、结果与思考即可，使整个实验过程解放了学生的双手，学生将更多的注意力放到实验内容本身，有更多的时间去思考和分析实验内容。

2.3.2 制订考核方案

为计算机网络原理实验教学中实验报告册制订了详细的撰写标准与评分标准，使用分值来区别难点和重点，强化了实验目的性，帮助学生有针对性地学习。同时实验报告册评分标准的制定也能促进教学评价的透明、公平、公正。

2.3.3 增设实验思考

每次实验最后都增加了1～3个思考题，提出本次实验中涉及的一些可深入探讨的问题。虽然这些实验思考题的量并不多，但对学生深入理解原理、提升学生独立思考问题能力和创新能力有着明显的效果。

3 取得的成效

3.1 提高课程的考核通过率

通过对实验考核形式、实验内容、实验分组、教学方式的探究与改革，使学生在实验教学中加深了对计算机网络原理的理解，更促使学生的期末成绩有所提高。近五年学生期末成绩分析如图3和图4所示。

图3 近五年平均成绩

图4 近五年成绩分析

3.2 增加学生对教师认可度

学生对教师的认可度评判大多是通过教师的讲课风格、所讲内容是否容易理解与接受进行的。当学生在进行具体实验时，对计算机网络中的原理、协议、结构进行了验证，直观地看到了网络的结构与组成，对原理的理解更加深刻，认识更加清晰。学生能够对所学的知识有所收获和理解，对教师的认可度自然增加。

3.3 提升学生对课程满意度

计算机网络原理内容较为枯燥和抽象，学生学习时比较吃力难懂。实验教学中让学生通过相应的协议分析，查看协议的结构与内容，让学生对所学的知识有了新的认识，加深对知识的理解，从而也让学生能够“学得会，学得深”，提高学生对本课程的认可度。

3.4 促进人才培养方向

本课程为网络类的基础专业课程，此次实验教学的调整弱化了组网类等网络应用与实践课程的内容，规范了计算机网络原理的教学内容与教学体系，并在此基础上深化和挖掘网络类教学的内涵与意义，为后续的计算机网络应用技术、网络技术实训等课程的设计奠定基础。同时，以此为基础确定了网络管理与数据中心运行维护人才的培养方向，并促进了整个学科的课程体系改革。

4 结语

计算机网络原理实验教学体系的改革有效解决了计算机网络原理实验教学中存在的问题，成为计算机网络原理理论教学的有效补充。协议分析和虚拟仿真技术的引入[12]，使计算机网络原理内容变得直观而生动，有效地解决现今实验教学的不足，解决了传统实验教学内容抽象、难以理解、无法操作和缺乏实践的问题，让学生有了更深入的理解，提高了学生的学习兴趣，提升了教学质量。