計算機網(wǎng)絡課程實驗教學思路
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0引言
計算機網(wǎng)絡是網(wǎng)絡工程專業(yè)的專業(yè)核心課程，是一門兼具理論性和實踐性的課程。隨著該課程在計算機學科中的地位越來越重要，大部分高等院校的網(wǎng)絡工程專業(yè)將其總課時定在48~64學時，而其中的實驗課時定在12~16課時。計算機網(wǎng)絡的實驗課程與其他實驗課程不同，對實驗環(huán)境要求較高，對原理的理解非常重要。如何為學生們上好計算機網(wǎng)絡的實驗課程，成為許多高等院校教師們研究的重點課題。文章從兩個方面探討在網(wǎng)絡工程專業(yè)中計算機網(wǎng)絡實驗課程的教學改革。
（1）計算機網(wǎng)絡實驗課程不是一門獨立的課程。網(wǎng)絡工程專業(yè)中的計算機網(wǎng)絡原理課程是網(wǎng)絡安全、網(wǎng)絡工程、網(wǎng)絡編程等專業(yè)核心課程的前導課程，在網(wǎng)絡工程專業(yè)的課程體系中屬于專業(yè)基礎核心課程。同理，計算機網(wǎng)絡實驗課程也是上述專業(yè)核心課程的實驗前導課程。因此，計算機網(wǎng)絡實驗課程在課程內容的設置上，應摒棄大而全的指導思想，重點在于引導學習者理解計算機網(wǎng)絡原理中體系結構思想，了解網(wǎng)絡工程專業(yè)的課程體系結構。
（2）計算機網(wǎng)絡的實驗課程應協(xié)調與相應原理課程的銜接，在內容和模式上輔助學習者加深對網(wǎng)絡原理的認知和理解。當前，計算機網(wǎng)絡原理課程在教學模式與內容上主要采用“自頂向下”和“自底向上”兩種方式，如果計算機網(wǎng)絡實驗課程同樣在內容與模式上與原理課程相對應，實驗課程的設置緊跟原理課程需求，不僅可以消除對計算機網(wǎng)絡原理的抽象感，還可以使原理課程教學達到最好的效果。
1計算機網(wǎng)絡實驗課程在專業(yè)課程體系中的地位
計算機網(wǎng)絡實驗課程是培養(yǎng)技能型、應用型人才的基礎，也是網(wǎng)絡工程專業(yè)所有專業(yè)核心課程實驗的基礎。通過對大多數(shù)應用型本科院校關于計算機網(wǎng)絡實驗教學改革方面的文章進行分析，可得出以下結論：應用型高等院校在如何搞好計算機網(wǎng)絡實驗教學的過程中，大多采用建立寬口徑、分層次、突出前沿的實驗教學體系思路，將實驗類型設置成基礎驗證型實驗、配置操作型實驗、編程設計型實驗、綜合提高型實驗四大類，詳見表1。在計算機網(wǎng)絡實驗課時非常有限的情況下，做到面面俱到是一件艱難的任務，即使采用網(wǎng)絡仿真模擬器的形式來增加學生課后練習的時間，也很難保證達到所要求的實驗效果。因此首先應明確，無論是原理課程，還是實驗課程，高等院校網(wǎng)絡工程專業(yè)的計算機網(wǎng)絡課程都屬于該專業(yè)的核心基礎課程，一般開在第二學年的第四學期，或者第三學年的第五學期。它為后續(xù)學期的專業(yè)核心課程（如網(wǎng)絡工程技術、網(wǎng)絡安全技術、網(wǎng)絡編程技術、網(wǎng)絡操作系統(tǒng)等）打下堅實基礎。仔細分析表1不難發(fā)現(xiàn)，第一大類基礎驗證型實驗中，部分實驗內容可以放在網(wǎng)絡操作系統(tǒng)實驗課程中；第二大類配置操作型實驗中，部分實驗內容可以放在網(wǎng)絡工程技術實驗課程中；第三大類編程設計型實驗，部分實驗內容可以放在網(wǎng)絡編程技術課程中。許多應用型本科院校在第四學年專門開設了一門綜合實訓課程，表1中的第四大類實驗更是可以放在網(wǎng)絡工程專業(yè)的綜合實訓課程中進行。計算機網(wǎng)絡原理課程的教學目的是使學習者了解計算機網(wǎng)絡的基本概念、網(wǎng)絡體系結構模型以及網(wǎng)絡協(xié)議工作原理等。因此，計算機網(wǎng)絡實驗課程的設置，首先應明確該門課程在整個網(wǎng)絡工程課程體系中的位置與作用；其次，應結合該門課程原理課程的教學模式與內容，以達到通過實驗輔助理論教學，提高學習者動手能力的目的。
2“自底向上”的教學模式與實驗課程的結合
目前，計算機網(wǎng)絡原理課程普遍采用兩種教學模式：“自底向上”和“自頂向下”，即基于OSI參考模型和TCP/IP參考模型的混合層次結構，由底層（物理層）向高層（應用層），或者由高層（應用層）向底層（物理層）展開講解。兩種教學模式各有特點?！白缘紫蛏稀苯虒W模式一般采用Tanenbaum編著的教材《ComputerNetworks（4thEdition）》是計算機網(wǎng)絡的經(jīng)典教材之一，屬于典型的“自底向上”教學組織形式。該模式的特點在于強調通信原理，注重物理層與數(shù)據(jù)鏈路層的具體實現(xiàn)技術，注重計算機網(wǎng)絡發(fā)展歷史，內容包含較為全面。因此，在此基礎上的計算機網(wǎng)絡實驗課程的內容設置，從底層的基礎實驗作為起點較為符合原理課程的需求。“自底向下”的教學模式對學習者的基礎理論要求較高，強調通信原理基礎理論的重要性。網(wǎng)絡工程專業(yè)學生尚未學習過，或者剛剛開始學習通信原理課程，在對底層基礎技術細節(jié)理解中感覺難度較大，實驗驗證的難度也較大。因此，第一次實驗內容建議以增強學生的自信心和興趣為主，例如網(wǎng)線制作與網(wǎng)絡連接實驗，鼓勵學生大膽嘗試用自己動手制作的網(wǎng)線進行電腦間的連接。實驗雖然簡單，但卻非常容易激發(fā)學生的興趣，同時也引導學生了解計算機網(wǎng)絡誕生的目的。第二次實驗開始于原理課程講解數(shù)據(jù)鏈路層的知識，重點在于理解數(shù)據(jù)幀的概念以及了解網(wǎng)絡中間設備的知識。建議實驗內容以計算機網(wǎng)絡的中間設備以及數(shù)據(jù)幀的概念為主，例如采用多臺電腦通過網(wǎng)線接入集線器或交換機，進行交換機配置。使學生了解到數(shù)據(jù)幀既可以在總線結構的網(wǎng)絡上進行總線廣播，使總線上所有的終端都可以接收到數(shù)據(jù)幀；也可以通過網(wǎng)絡中間設備進行轉發(fā)，使互連的多臺電腦可以接收到數(shù)據(jù)幀。當原理課程進入到網(wǎng)絡層知識的講解時，協(xié)議分析的重要性凸顯出來。第三次實驗內容建議以使用協(xié)議分析器進行數(shù)據(jù)包捕獲、流量監(jiān)控、IP報頭分析為主，直觀地將復雜與抽象的網(wǎng)絡協(xié)議展現(xiàn)在學生面前，強調網(wǎng)絡協(xié)議在計算機網(wǎng)絡體系結構中的重要性，加深對計算機網(wǎng)絡理論知識的理解。當“自底向上”的原理課程講解到網(wǎng)絡傳輸層時，原理課程重點在于介紹TCP協(xié)議與UDP協(xié)議的各自特點，因此，第四次實驗設置建議使用協(xié)議分析器捕獲HTTP協(xié)議，分析其中的TCP三次握手的連接過程的，以及四次握手的關閉過程，幫助學生理解TCP協(xié)議與UDP協(xié)議二者之間的相同與不同之處。計算機網(wǎng)絡的最后一層是應用層，建議第五次實驗內容重點分析應用層的協(xié)議，例如通過Socket的基本知識與某種高級語言結合，去實現(xiàn)某個經(jīng)常使用的應用軟件或命令，比如實現(xiàn)Ping命令。鼓勵學生通過實驗了解如何用程序實現(xiàn)Ping命令的運行過程，尤其是實現(xiàn)Ping請求與應答報文，進一步加深理解網(wǎng)絡通信的具體實現(xiàn)過程。通過上述每一層的實驗內容設置，可以較好地幫助學生從底層開始，逐步向上深入理解計算機網(wǎng)絡的體系結構與協(xié)議的重要性，理解計算機網(wǎng)絡的基本知識與工作原理，使實驗課程和原理課程的教學模式達到良好契合。
3“自頂向下”的教學模式與實驗課的結合
“自頂向下”的教學模式從計算機網(wǎng)絡的體系結構上來看，內容組織形式正好相反，從網(wǎng)絡的體系結構概述開始，依次到網(wǎng)絡的應用層、運輸層、網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層，較為經(jīng)典的教材是Kurose&Ross編著的《ComputerNetworking：ATop-DownApproach（5thEdition）》，屬于典型的“自頂向下”教學組織形式?！白皂斚蛳隆苯虒W模式的特點是注重應用，以Internet為對象，強調理論聯(lián)系實際應用，內容重點突出。實驗內容的設置以結合Internet應用為主，教學方式以激發(fā)學生熱情，提高學生學習熱情為目的。本著實驗的目的是為了理論知識學習服務的指導思想，筆者所在學校的網(wǎng)絡工程專業(yè)，在采用“自頂向下”的教學模式前提下，第一次實驗內容的設置通常是利用某種高級語言，結合Socket函數(shù)，設計大多數(shù)學生在Internet應用中曾經(jīng)用過的應用軟件。例如用于文件處理的FTP客戶端應用程序設計，實驗題目看似較難，但對于已經(jīng)是本科三年級的學生來說，在學習計算機網(wǎng)絡課程之前通常已經(jīng)學過高級語言程序設計、面向對象程序設計、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫原理等課程，只需在實驗課上稍微補充一些Socket函數(shù)的知識，并且不需要復雜的網(wǎng)絡底層知識，在簡單的硬件設備（例如PC）上，就可以實現(xiàn)該實驗。在實驗教師的指導下，學生們自己動手設計并實現(xiàn)了一個網(wǎng)絡應用程序，并且該網(wǎng)絡應用與現(xiàn)實生活中的網(wǎng)絡應用結合，極大地激發(fā)了學生對計算機網(wǎng)絡后續(xù)課程學習的熱情與興趣。通過第一次實驗，學生對網(wǎng)絡應用層的理論知識也有了初步理解，例如學生們在設計FTP客戶端程序時，注意到FTP服務器使用熟知端口來提供服務，而客戶端使用臨時端口來發(fā)送請求，在程序設計過程中，需仔細設計不同的端口號。同時，對應用層的其他協(xié)議也能很好地掌握，學習能力較好的學生甚至利用課余時間練習設計其他協(xié)議的客戶端，如HTTP、POP3等。隨著原理課程的逐步深入，同第二節(jié)中“自底向上”的教學模式一樣，每一層設計一個實驗內容，緊隨原理課程的進度與要求。實驗內容的設置遵循3個原則：①實驗不求多而全，但要力求使每個實驗有代表性和啟發(fā)性，能夠啟發(fā)學生解決一類問題或能觸類旁通，促進學生思考；②每個實驗都緊緊圍繞原理課程的知識進行設計，爭取做到邊講解邊做實驗驗證；③實驗項目的設計雖然有一定的難度，但能增加學生學習的自信心與興趣。
4結語
計算機網(wǎng)絡是理論與實踐結合非常緊密的課程，其中實驗課程又是培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際的重要環(huán)節(jié)。筆者提出并實踐了上述實驗課程的改革內容，從學生的反饋來看，普遍對實驗內容設置較為滿意，同時也提出了不少意見和建議。我們在文中所提方案可以運用在普通高等院校網(wǎng)絡工程專業(yè)的計算機網(wǎng)絡實驗課程中，對實驗教學質量的提高提供有益補充。
作者：胡靜 趙雷 王小剛 單位：上海電機學院電子信息學院
