计算机网络技术混合式实验教学改革

赵春凤

（临沂大学 教育学院，山东 临沂 276000）

1 问题的提出

计算机网络技术是教育技术学专业以及计算机专业的一门专业核心课程,课程内容涵盖了网络基本概念、网络体系结构、常见网络协议的工作原理、网络互联、网络应用、网络管理以及安全等知识[1],是一门理论性和实践性并重的课程。该课程的目标要求学生掌握计算机网络概念和原理、网络体系结构和网络协议的工作原理,并在掌握基本原理的基础上,强调发展组建网络、维护网络、管理网络等应用能力。课程在第四学期开设,共48学时,其中实验教学16学时。通过课程开始时的调查,学生均有个人电脑,宿舍、教学楼均可上网,因此学生在课余时间具备虚拟实验环境自主实验的条件。

实验教学在该课程中占有十分重要的位置,是一个重要的、必不可少的环节。通过实验可以帮助学生理解计算机网络的基本概念和协议工作原理,掌握计算机网络通信和组网的相关操作[2],是培养学生创新思维和实践能力的重要环节。传统的计算机网络课程理论教学与实验教学相分离,学生在学习过程中很难将学到的抽象理论知识与实际网络应用联系起来。这导致理论课没有结合实际网络应用情况,而技能训练又得不到理论指导。同时,真实实验环境中很难开展大型的综合性设计性实验。在实验教学中引入Wireshark软件和Cisco Packet Tracer网络模拟器,采用虚拟环境实验和真实环境实验相结合的实验环境,能更好地培养学生的动手能力和创造能力。

该课程教学中还存在“课程学时数少,实验学时数少”等问题,仅靠课堂的实验学时是完全不够的。混合式学习(Blended Learning)是把传统课堂面对面学习和在线学习结合、两者优势互补的一种学习方式[3]。借鉴这种线上线下混合学习的方式,采用课堂师生面对面教师指导的实验和学生利用虚拟实验环境自主实验相结合的实验形式,可以充分利用学生的课外时间,拓展实验的时间和空间边界。

2 计算机网络技术混合式实验教学设计

2.1 课程实验项目的总体设计

首先根据计算机网络技术课程教学大纲、课程内容、实验大纲和实验目标等,厘清实验项目。分析每一章的知识点,厘清实验内容,确定实验项目,确定项目的实验环境。计算机网络技术混合式实验项目结构见图1。

根据学生需要达到的水平和实验学时数,可以安排6个相对独立的实验项目,见表1。

2.2 混合式实验教学的具体设计

逐一分析上述实验项目的性质、特点和实验目标,按照混合式实验的基本理念,将上述实验分别进行混合式实验教学的具体设计,构成本课程实验教学的基本框架。

表1 计算机网络技术课程实验安排

图1 计算机网络技术课程混合式实验项目结构

2.2.1 混合式实验教学项目的分析维度

根据实验环境是真实还是虚拟的,实验过程是教师指导还是学生自主,得出计算机网络技术混合式实验项目分析的基本架构,见图2。为此,得出下列不同层级的实验形式。

图2 混合式实验项目的分析框架

(1)虚拟实验环境教师指导的实验。在教师的演示指导下,学生在虚拟的实验平台亲自搭建网络,亲手配置、调试网络。在虚拟网络实验环境中,学生可以更直观、全面地了解各种网络设备配置运行情况,从配置、应用、协议、原理深化学生对计算机网络的理解,从感性认识过渡到理性理解。

(2)真实实验环境教师指导的实验。虚拟实验环境提供一个虚拟的环境,实验缺少“实物感”。虚拟实验环境很难仿真复杂的真实实验环境、硬件设备可能的突发故障等。学生对网络设备配置和运行过程的理解,对实验原理的掌握还需在真实的网络实验室中进行,仍需在真实网络实验环境中体验和培养。

(3)虚拟实验环境学生自主的实验。对于教师指导的实验,还存在理解不透彻、原理不明晰等问题,学生可以利用虚拟实验环境课外时间自主实验。实验中遇到问题可以及时进行师生、生生交流和答疑,大大拓展了课堂的时间和空间边界。

(4)真实实验环境学生自主的实验。利用学校的开放实验室,学生可以在真实实验环境中自主实验。实验内容可以是课程实验项目中的内容,也可以是学生自主选择的拓展性项目。

为了保证学生自主实验的顺利进行,学生自主实验前,教师把虚拟实验软件、实验项目、实验要求、实验指导手册等上传到Moodle网络教学平台,学生线上利用网络教学平台可以获取相应信息。根据实验要求和指导,学生利用虚拟实验软件动手实验,遇到问题可以在Moodle网络教学平台中生生讨论、师生讨论。线下课堂中学生展示、交流实验结果,分享收获和疑问,教师针对学生实验过程中的问题给予指导与答疑,总结反馈,重要知识点的强化等,见图3。

图3 混合式实验结构

2.2.2 混合式实验教学项目的构成

按照上述思路,对计算机网络技术所有实验项目进行分析,构成该课程混合式实验的具体设计,见表2。

3 计算机网络技术课程混合式实验教学的实施

根据本课程的教学设计以及实验需要解决的重点和难点,本课程的实验教学过程主要采用混合式实验教学、课堂理论教学及真实环境实验与虚拟平台实验,教师指导实验和学生自主实验形成了相互支持的有机整体。通过这些活动,学生将对计算机网络的基本概念及基本原理、计算机网络的体系结构、常用网络协议的工作原理、网络应用与管理等有比较深入的理解。

3.1 加深学生对课程基本理论的理解

3.1.1 理论教学中有机融入实验项目。

计算机网络体系结构十分抽象,网络协议的工作原理是计算机网络课程的重点和难点。现有的计算机网络技术教材都针对网络体系结构的每个层次(比如物理层、网络层、传输层等)独立成章[4]。学生在理论学习的过程中难以将抽象的理论与日常生活中的网络应用联系起来。因此,理论课没有结合网络实际应用,技能训练又没有理论的及时指导,学生的网络知识和技能掌握不到位[5]。

为了更好地将理论和实验结合起来,深化学生对理论知识的理解,理论教学中融合虚拟环境实验,通过观察、搭建、配置,学生能理解实际网络是如何工作的,其组建、管理、维护实际网络的能力也就提高了。实验教学中引入了Wireshark软件和Cisco Packet Tracer网络模拟器,通过虚拟仿真技术,建立一个仿真的实验环境,可以使实验不受场地与设备的限制,无须考虑网络设备运行及其连接的问题,提高学生完成实验的效率和成功率,更好地将理论和实践结合起来,更好地培养学生的动手能力和创造能力。

3.1.2 借助实验项目解决课程难点。

计算机网络技术知识点多,协议的工作原理抽象、不容易理解。计算机网络体系结构和网络协议的工作原理是这门课程的重点之一。要把计算机网络体系结构和协议的工作原理和实际结合起来,需要将网络体系结构中每一层涉及的主要协议的工作原理结合起来,尤其是将抽象复杂的网络协议与网络实际应用结合起来,提高学生实验的积极性。

表2 计算机网络技术课程混合式实验情况

传统的计算机网络课程注重对通信协议的理论分析,详细分析和讲解网络体系结构中每一层涉及的协议,但学生仍难以完全理解网络的通信过程。借助Wireshark虚拟仿真软件,可以仿真网络通信的过程,获取一次通信的全部数据包,然后按照网络体系结构的层次解读分析每一个数据包,学生就可以相对直观全面地掌握协议、通信过程。

数据包的捕获和分析实验,只安排了2学时。课上学习软件的安装和使用方法,以抓取Ethernet II帧为例,了解如何抓取数据包,如何分析抓取的数据包。对计算机网络体系结构中数据链路层、网络层、传输层、应用层的重要网络协议,如IP协议、ICMP协议、TCP协议和UDP协议、HTTP协议等,则没有专门的课堂实验时间进行抓取和分析。

在学习了每个层次涉及的重要协议之后,要求学生课后利用虚拟实验环境进行相应的协议数据包获取分析实验,对抓取的数据包进行分析,各层主要协议基本原理和实现过程的抽象理论变得相对形象直观,学生便于理解。数据包的捕获与分析实验项目的实验详情见表3。

3.2 强化学生实践能力的培养

3.2.1 虚拟—真实—虚拟实验环境的实验训练。

真实的计算机网络实验环境需要复杂的硬件设备,比如计算机、网卡、双绞线、交换机、路由器、服务器、工作站等。这些硬件设备的复杂性和设备运行的不可控等问题,往往容易导致实验失败,且不容易找到实验失败的原因,最终会影响实验的效果,影响学生实验的信心和兴趣。在复杂的实验环境中,学生不容易理解实验原理和网络设备的工作过程。

同时,从理论的学习到实践活动的开展,中间需要一个过渡,即学生在进入真实的网络实验室实验之前,需要有一定的准备工作,对实验设备的属性、特征、基本配置、操作等有一个总体的把握,带着这些必要的准备工作和知识储备进入实验室,才不至于无所适从。

在进入真实实验环境前,学生先在虚拟的实验平台中亲自搭建网络,亲手配置、调试网络。在虚拟网络实验环境中,学生可以更直观、全面地了解各种网络设备配置运行情况,从配置、应用、协议、原理等方面深化学生对计算机网络的理解,从感性认识过渡到理性理解。真实实验环境后,学生进一步搭建网络,并配置验证,在真实实验环境中发现问题、解决问题,提高实践动手能力。学生针对真实环境实验中的疑惑、思考,可以在虚拟实验环境中再次实验。课堂内外、真实和虚拟实验环境形成一个有机整体,完成知识由整体感知、深入理解到巩固内化,见图4。

图4 虚拟—真实—虚拟实验流程

3.2.2 综合性设计性实验开展。

真实的实验环境中,像设计校园网这种大型综合性、设计性实验很难开展。学生已经完成了真实实验环境和虚拟实验环境中小型局域网组建、交换机、路由器等实验的训练,如何把这些应用综合起来,设计一个校园网,是提升学生综合实践能力的重要环节。

表3 数据包的捕获与分析

本课程要求学生基于Cisco Packet Tracer设计一个校园网,实验可以不受场地与设备的限制,无须考虑网络设备运行及其连接的问题,提高学生完成实验的成功率和效率。该实验可以更好地把理论和实践结合起来,提高学生综合分析问题和解决问题的能力,更有利于培养学生的动手能力和创新能力。

4 结 语

混合式实验在计算机网络技术实验课程教学中应用,取得了良好的效果。这种学习方式让学生尽可能多地参与实验前、实验中、实验后的各个环节,激发学生的学习兴趣,提高学生的实验参与度,学习效果有较显著的提高。

为了解学生对课程教学的评价意见,在Moodle网络教学平台中开辟了讨论区“谈谈你对计算机网络技术课程教学的认识和体会”,让学生发表意见。学生讨论交流非常积极。通过浏览学生发表的详细内容,发现学生对课程的教学改革、教师的教学方法、实验教学改革等方面持认同、赞赏的态度。大部分学生认为,通过这种学习方式,可以根据自己的情况自主实验,学生的动手能力提高了,对计算机网络的工作原理理解比较透彻了。