计算机网络线上实验教学平台的构建

陈春生，刘桂江，胡浪涛

（安庆师范大学计算机与信息学院，安徽安庆246133）

计算机网络是本科阶段工科专业的重要课程，是计算机专业学生的必修课[1]，也是电子信息工科类专业学生的必选课[2,3]，有着很大的受众。计算机网络的应用性、技术性很强[4]，实验教学主要面临2个方面的挑战。

第一、实验资源获取。实验教学资源受设备、场地、时间等物理条件的限制，学生开展实践性学习严重受限，缺乏足够的灵活性，更缺乏充足的时间保障。这在很大程度上限制了实验资源种类及数量的持续增长。特别是疫情防控期间，在“停课不停学”的要求下，各个学校开展线上教学活动，但受条件限制，实验教学的开展和指导得不到保障。

第二、学习效果评估。形成性评价是当前实验效果评估的主要评价趋势[5]。形成性评价高度依赖于学习过程及成效的数据。传统实验教学模式难以为科学分析学生学习行为及成效提供细粒度的过程性数据，这导致学生学习效果评价或者非常困难，或者过于粗糙，特别是难以精确量化。

国内对计算机网络实验教学的研究颇多，但基本都是关于实验教学改革[6]、硬件实验平台建设[7]、虚拟仿真技术的应用等。目前还没有专门针对线上实验教学的研究，因此结合现在的国内形势，有必要利用现代化的教学手段，建设开放的线下线上虚实结合的实验教学平台。

1 线上实验平台建设目标与方案

计算机网络线上实验平台的建设主要研究在线实验教学的新模式，以满足任何人、任何时间、任何地点均可以开展实践性学习为目标，突破硬件实验设备网络化使用的技术瓶颈，建设计算机网络在线软硬件综合实验环境及在线实验体系，形成为专业、地区乃至全国提供基于互联网的在线实验资源与服务的核心能力，实现基于硬件实验向在线实验的转型。

计算机网络在线实验平台以“虚实结合、能实不虚”为建设原则，以“将真实的网络实验室部署到互联网上”为目标。综合设备硬件环境、网络通信、多媒体、数据库等技术，通过硬件实验设备综合集成，使学生能够远程在线完成各类实验项目，不受时间、空间和内容限制。实现学生在宿舍在家里进行网络实验，完成远程组网、网络协议分析、网络组建设计等实验内容，并能够实现多人异地联合实验和教师远程同步指导与考核。

2 线上实验平台实验环境

整个平台由服务器集群与安全防护、在线实验设备组、在线实验管理系统三部分组成。

2.1 线上实验平台硬件环境

服务器集群由若干台服务器组成，服务器集群上运行的计算资源管理系统、管理虚拟机等计算资源对接用户预约请求，保证虚拟机合理分配。安全防护部分主要包括部署防火墙、入侵检测系统和安全审计系统，保证整个平台的安全性。

在线实验硬件部分可以有多个设备组，每组设备包括：虚拟机4台、交换机2台、路由器2台和连线组网设备1台。每台虚拟机通过console线直接连接交换设备。通过Vmware Workstation软件的远程共享虚拟化技术，对每组虚拟机进行远程共享，从而实现数名学生异地远程在线联合实验，教师也可以同步远程在线对学生进行指导和考查。计算机网络线上实验平台硬件结构如图1。

图1 计算机网络线上实验平台硬件结构

2.2 线上实验平台软件环境

在线网络实验管理系统是整个平台的核心部分，由用户权限管理、实验资源管理、实验预约和实验编排等功能模块组成。实验平台软件环境有以下主要特点。

（1）管理系统采用B/S架构模式，系统部署在本地服务器，升级及维护方便，学生通过浏览器登陆实验平台。

（2）实验全过程数字化管理。管理系统记录每个学生的实验过程，并以图表的形式可视化展示给教师，其中包括每个实验步骤的消耗时间、每个实验的总完成时间，以及在线实验时间分布等，完整汇集了学生在整个培养阶段的学习过程数据。

（3）实验资源管理。教师能够自建实验项目，导入、导出实验资源，并进行后台预览和标记分类。以MOOC课程理念梳理和组织实验模块和知识点，通过课程文案的设计、课程视频的录制、在线习题、在线实验、考试题库等的设计，构建完善的在线网络实验教学资源库。有力地支持了MOOC 实验课程的开设，将初步形成一个比较完整的在线网络实验体系。

（4）实验作业管理。教师布置的实验任务可以包含任意多个实验；教师能够从后台进入学生正在进行的实验项目，远程同步指导或检查；支持教师在线评阅实验报告、撰写评阅意见和评分。

（5）全方位支持在线考试。一场考试任意多套试卷，支持按照“IP地址”或者“学号”分发试卷。并支持IP地址绑定、访问控制、替考检测等。

（6）便捷的辅助功能。包括根据知识点分布、难度分布、使用频度的自动抽题组卷功能，自动评分功能，一键下载学生答卷、导出成绩单的一键归档功能，可以将历次作业、实验、考试、平时成绩进行加权汇总的功能等。

图2 计算机网络线上实验管理系统

3 线上实验平台实验内容

计算机网络实验教学作为专业人才培养的重要环节之一，针对其技术复杂、发展迅速、工程性实践性强的特点，构建多层次的实验内容，强化学生对课程知识的理解，掌握关键技术。课程重点培养学生网络技术核心知识理解与应用能力、工程实践能力、网络协议的理解与应用能力、网络协议的设计与开发能力。

针对网络实验教学的要求，构建三个层次的实验内容：

（1）基础认知阶段，主要是基本原理实验，包括入门实验、链路层、网络层等，在此阶段重点培养学生对网络技术核心知识的理解和学生实际应用能力；

（2）进阶综合实验阶段，主要是研究型实验，包括RIP协议、OSPF协议等，重点培养学生对网络协议的理解与应用能力和网络工程实践能力；

（3）高阶创新阶段，分创新型实验和创新实践两个层次，包括组播、Ipv6、无线网络、复杂网络组建等实验，主要培养少数优秀学生对网络协议的研究与设计能力。

实验项目如表1所示，实验一到七的内容涉及计算机网络的基本原理，实验八到十一为综合与创新实验部分。实际教学中可以根据教学需求选择实验项目。可以访问远程在线计算机网络实验平台，远程预约实验设备，通过远程组网、配置交换机、路由器、分析截获报文等方式完成实验。

表1 计算机网络实验内容

4 结束语

针对计算机网络面临的挑战，结合现代化技术，建设开放性虚实结合的线上实验平台，利用网络平台建设完整的教学资源，支持课程建设，建成一个比较完整的在线网络实验体系。

根据线上实验平台的开放性和共享性特点，能够取得如下实验效果：

（1）形成师生之间互助的学习生态网络。学生利用碎片化的时间来学习，实验学习投入显著增加，提高了时间的利用率。利用在线实验平台良好的互操作性，建立远程在线实时互动机制，安排教师和助教远程在线实时指导，鼓励学生之间互助探讨。有利于形成一个学生之间、师生之间互助的学习生态网络。

（2）为学生行为的大数据分析提供基础。基于计算机网络在线实验平台和MOOC课程，可以获得学生网络实验的细粒度学习行为数据，通过对微观教学活动数据进行持续量化分析，追踪学生的能力培养过程，使获得学生专业能力培养规律性认识成为可能。这有助于微观量化分析的教学研究方法的形成。