软硬件结合的计算机网络实验教学研究

韦忠亮 葛斌

摘要：同理论教学相比，计算机网络实验教学也是计算机网络课程一个教学环节。在计算机网络实验教学中存在一些教学难点，例如计算机网络的知识点众多，学生对计算机网络概念掌握存疑、学习本门课程的过程中兴趣逐渐降低等现象。为提升计算机网络课程总体的教学效果，加强学生的学习兴趣，提出了软硬件结合的实验教学方案。通过课前布置软件学习任务，课中利用硬件设备进行效果验证，课后进行总结的方式，可以有效提升学生的学习效果。

关键词：计算机网络;实验教学;软硬件结合;教学方案;教学过程

中图分类号：G642        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）36-0188-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Research on Experimental Teaching of Computer Networks Combining Software and Hardware

WEI Zhong-liang， GE Bin

（Anhui University of Science and Technology， Huainan 232001， China）

Abstract：Compared with theoretical teaching， computer network experimental teaching is also a teaching part of the computer network course. There are some teaching difficulties in the teaching of computer network experiments， such as the large number of knowledge points of computer networks， students' doubtful grasp of computer network concepts， and the gradual decrease of interest in the process of learning this course. In order to strengthen the overall teaching effect of the computer network course and deepen students' interest in learning， a practical teaching scheme combining software and hardware is proposed. By assigning software learning tasks before class， using hardware devices for effect verification during class and summarizing after class， students' learning effect can be effectively enhanced.

Key words：computer network; experimental teaching; the integration of hardware and software; teaching solution; teaching process

1 引言

计算机网络课程是计算机科学与技术等相关专业的必修课程，也是被列入计算机学科专业基础综合全国统考的科目之一[1]。按新工科标准的要求，在计算机网络课程的教学过程中包含了两个组成部分，即理论教学和实验教学。计算机网络实验教学，作为标准教学的组成部分，也需要给予足够的重视。

理论教学的难点是理论知识较为枯燥，知识点繁多并要求学生掌握体系结构的组成;而计算机网络的实验教学需要结合工程知识让学生对网络的组建、网络设备的使用等有一定的了解。它不是对理论教学进行重复，而是需要对理论教学进行很好地扩展和补充，两者做到有机结合。同时，计算机网络实验知识量大且广泛[2]，大多数学生无法掌握，这就进一步降低了学生学习的兴趣，导致学习效果变差。此外，学生在学习的过程中由于课程设置、实验室管理和实验准备的原因，学生感觉实验时间不够，无法很好地把理论知识应用到实践中，遇到问题无从下手，没有独立承担网络工程实践的能力，很难达到工程认证的标准。

2 计算机网络教学模式

计算机网络实验可以采用两种形式开展：一种是利用软件模拟器在虚拟的网络平台中完成概念化的网络实验，称为软件模式;另外一种是在具体的实验室中利用真实设备完成组网的设计和实现，称为硬件模式。

2.1 软件模式

利用软件模拟器在虚拟的网络平台中完成概念化的网络实验，这样的好处是可以节省真实设备的购置费用，通过网络指导书，学生可以跨越时间和空间，立刻进行实验。

文献[3]利用比较流行的软件平台即Boson NetSim来构建虚拟实验室。这个软件平台的操作便捷，借助该软件，学生可以方便地使用模拟设备，包括仿真路由器、仿真交换机以及仿真PC机等，而且软件可以仿真的网络连接方式比较多，比如PPPoE、以太网接入等。文献[4]利用Ncomputing云終端来构建计算机网络安全实训实验室，利用自带的虚拟化软件Vspace，在电脑主机上进行自动安装。这种仿真PC上的资源比较丰富，可以虚拟出多个系统完成网络配置，也支持多用户多任务，使多个用户利用该仿真PC登录不同的账户。文献[5]引入了华为模拟器eNSP，配置并设计实验，引入二级机制。这样做的好处是让仿真平台的操作更加类同于真实实验环境，包括设备申请、仿真文档审核等。

但是模拟器的功能和真实的网络设备有一定的出入。计算机网络的理论知识和计算机网络的实验只是因为其侧重点不同，而重心不同，可能会导致学生在学习的过程中对计算机网络理论教学和实验教学的重视程度不同，无法学以致用。

2.2 硬件模式

软件模式的弊端也说明，在有条件的情况下，学生最好能使用真实设备完成实验内容，让学生可以真实地接触网络设备，学以致用。

文献[6]设计了一个综合布线系统，包含了路由器和交换机的组网方案，在当时取得了很好的示范效果。随着计算机网络的发展，该方案需要结合现代网络进行更新。文献[7]给出了一个现实环境和模拟环境相结合的解决方案，但是其主要针对的是模拟环境里面的实现，布线系统完全对学生屏蔽，导致学生不能直观地进行知识点学习。文献[8]提供了一个不错的计算机网络实验室的解决方案，利用了真实的各种设备，包括路由器、交换机、PC机等，但是其布线系统相对复杂，不利于该方案的推广和实现。

3 软硬件结合的计算机网络实验教学

3.1 实验教学内容

应用型本科院校大多采用谢希仁编著的教材《计算机网络》，该教材第一版到第六版采用“自底向上”的模式[9]。该教材的特点是糅合了现实中的TCP/IP体系[10]和OSI的七层模型，总结出了网络教学的5个层次，自底向上描述。为此，笔者设计了如下实验内容，共8个学时，每学时的内容如表1所示。

当计算机网络的理论课程教学进入到网络层时，所储备的知识即IP地址的相关概念和简单设置，即可满足开展上述实验。每个实验的详细描述如下：

（1）第1学时的实验内容是常用网络测试命令，包括Ping、Route和Net等。通过常用网络命令的学习，使学生初步掌握整个网络的测试方法。

（2）第2学时开展简单组网实验，学生可以学习如何使用路由器、交换机等设备进行网络组建，同时还可以结合计算机网络的理论教学去理解这些设备的工作原理。

（3）第3学时开展交换机VLAN划分實验，使学生在第2学时基础上理解交换机不仅仅可以完成计算机之间的连通，还能够进行更多的访问控制。

（4）第4学时开展多交换机之间的跨交换机相同VLAN互访，通过增加更多的网络设备，完成VLAN的扩展，使学生进一步理解局域网的组网规则。

（5）第5学时开展路由器静态路由的配置，这个实验是理论教学中最重要的应用，结合IP地址和路由转发协议，使学生加深跨越网络互访的概念。

（6）第6学时开展通过独臂路由实现VLAN之间的互访，结合第3、第4、第5学时的知识进一步完成局域网的扩充并逐步加深对广域网的认知。

（7）第7学时开展动态路由配置协议之一的RIP，通过本次实验，使学生理解动态路由的基本概念，结合理论教学，能加深学生的理解。

（8）第8学时开展动态路由配置协议之一的OSPF，通过本次实验，使学生可以对动态路由协议进行比较，更加深入地理解RIP和OSPF的优缺点。

3.2 软硬件结合的实验教学设计

为完成以上实验，结合计算机网络课程组历年的资源积累，笔者设计了软硬件结合的实验教学方案。在课前通过软件的形式做学习和设计，课中通过硬件的方式验证和实现。

（1）软件方面

软件方面采用华为网络仿真平台eNSP，该平台通用性较好。和硬件资源相比，它可以很方便地完成组网的设计和布线，一个静态路由实验设计如图1所示：

（2）硬件方面

在计算机实验室建设过程中需投入硬件设备，确保了实验室建设工作的顺利进行，为学生提供一个安全、高效的实验环境，为教师提供良好的教学、科研平台。图2展示的计算机网络的真实实验环境。

结合近十年的课程建设，为了完成实验内容，所需的实验设备包括实验室机架控制和管理服务器5台，路由器10台，V.35电缆5根，三层交换机5台，二层交换机5台，含以太网卡的计算机20台，可同时容纳40人进行网络实验。

（3）软硬件结合的教学设计

在实际的课堂教学中，教师应当及时关注学生的学习动态，把教学活动分成课前、课中、课后三个部分，互相促进。

课前布置eNSP软件学习任务，结合实验内容和eNSP软件的实验指导，给出定量评价标准。这一步非常关键，因为没有目的的计算机网络实验学习更加容易让学生产生迷茫。课中时刻关注学生的学习效果，随时进行贴身指导。在教学活动中还要注意对新知识点的引入和扩展，比如学完组网设计后对路由的概念进行扩展学习，给学生指明下一步的学习方向。课后对学生提交的报告进行及时总结，促进知识点的巩固和提高。比如可以利用课后视频录制讲解常见网络问题排错的手段，让学生及时把握住重心，并指明下一步的研究方向，例如增加Socket编程或者网页设计等知识的介绍。

通过软硬件结合的实验手段，预计达到的目标是：在新工科的背景下，突出学生实践技能的培养，在培养网络管理员、网络工程师、网络规划师的职业体系中，做出贡献。

4 结论

单纯地使用软件模式或者硬件模式都会有一些弊端，本文根据计算机网络的实验内容，设计了一套计算机网络实验方案，硬件系统可以直观地展示网络间的连接，模拟器可以作为辅助手段帮助学生理解相关命令的使用。软硬件结合，在计算机网络实验教学中达到了更好的教学效果。

参考文献：

[1] 王昊鹏，王卫东，王娜，等.基于深度学习的计算机网络原理混合教学设计[J].山东师范大学学报（自然科学版），2016，31（3）：47-54，59.

[2] 张启蕊，王鹤娴，周华英.计算机网络课程教学研究[J].电脑知识与技术， 2012，8（18）：4382-4383.

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[4] 邵志晨.基于"云计算"虚拟化技术中职学校计算机网络安全实训实验室的构建与研究[J].计算机产品与流通，2020（8）：143.

[5] 谢天异丹，张卫东，朱缘，等.基于QQ群的计算机网络实验室开放实践[J].西南科技大学高教研究， 2018，34（4）：75-78.

[6] 方贤进，郑诚.TCP/IP网络综合实验室建设方案[J].安庆师范学院学报（自然科学版），2005（2）：75-78.

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[8] 杨建清.计算机网络项目化教学在网络实验室中的实践[A].中国职工教育和职业培训协会秘书处.中国职协2016年度优秀科研成果获奖论文集（学校二等奖）[C].北京：中国职工教育和职业培训协会秘书处， 2016：993-1005.

[9] 张万礼.计算机网络实验教学改革[J].阴山学刊（自然科学版），2017，31（3）：126-128.

[10] 巫强.计算机网络中TCP/IP传输协议的时效性研究[J].电脑知识与技术，2019，15（1）：57-58.

【通联编辑：王力】