新建本科院校“计算机网络”课程实验教学探讨

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摘要:针对新建本科院校在师资力量、人才培养目标和实践性教学等方面的特点,本文分析了“计算机网络”课程实验教学所具有的优势及存在的不足,制定了相应的教学内容和实验室建设方案。该研究对新建本科院校计算机专业教学改革和人才培养方案的制定具有一定的意义。

关键词:计算机网络课程;实验教学;教学改革;实验室建设

中图分类号:G642 文献标识码:B

1引言

近年来,随着我国高等教育的快速发展,大量高校通过加强学科建设,扩展学科领域,提高了自身的核心竞争力,提升了办学水平和办学层次。期间,部分优秀的专科学校升格为本科院校,成为普通高校中的新成员――新建本科院校。由于在专业设置、人才类型、教学计划、课程体系、教学内容、教学方式、培养途径等方面与本科院校、专科学校之间存在着较大的差异,对新建本科院校来说,既要立足其办学传统(专科学校),又要考虑其办学现状(本科院校),从实际出发来制定符合自身特点的人才培养方案。计算机专业领域较宽,而且社会对不同层次计算机专业人才的需求较大,所以大部分新建本科院校都设有计算机专业;“计算机网络”是计算机专业的必修课程,而实验是该课程内容的重要组织部分。对于新建本科院校来说,如何立足实际来制定“计算机网络”课程实验教学方案,关系到人才培养的质量。

2新建本科院校“计算机网络”课程实验教学的特点

2.1新建本科院校“计算机网络”课程实验教学的优势

专科教育以应用为主,培养的是具备某一专门技能的应用型人才。长期以来专科学校在教师知识结构、实验设施、教学内容和教学方法等方面都非常重视对实践技能的培养,在实践性教学环节上具有一定的优势。新建本科院校正好继承了这一优势。

“计算机网络”是一门理论性和实践性都很强的专业课程。作为该专业本科层次的学生,不但要掌握计算机网络的基本概念、网络体系结构和主要通信协议的原理及工作特点等理论知识,而且要根据应用需要系统地掌握网络设备的性能与配置、网络组建、网络应用、网络安全管理等实践技能。“计算机网络”课程的内容丰富,涉及面广,在内容的选择上不同类型的学校可以根据办学条件和人才培养目标适当调整。由于大部分新建本科院校主要定位为以教学为主要任务的教学型本科院校,强调对基础知识和基本技能的培养,所以“计算机网络”课程实验内容也侧重于对实践环节的训练和掌握。新建本科院校一般都具备开设基础性实验的条件,在师资、实验室等方面甚至具有一定的优势。

2.2新建本科院校“计算机网络”课程实验教学存在的不足

本科教育要求学生能够较扎实地掌握本学科的基础理论、专门知识和基本技能,并具有从事本学科研究的能力。对于新建本科院校来说,一方面需要继续传承原来专科教育在部分专业或教学环节上所具有的优势,另一方面必须尽快适应本科教育的特点和要求,创造有利条件来培养学生的科研能力。但是,作为新建本科院校,无论从规模、综合实力及社会知名度等方面都比不上老牌的教学研究型和研究型大学,属于普通本科院校中的“第三梯队”,学生从事科研的意识和能力相对较弱。

“计算机网络”课程的教学需要根据计算机网络的应用现状及技术的发展特点,有针对性地培养学生从事本领域科学研究的能力。受条件和人才所限,新建本科院校在“计算机网络”课程实验内容的教学中一般缺乏设备先进、功能齐全的网络实验室,也缺乏良好的实验教学体制与体系,更缺乏具有探索性的实验平台。在此环境下,如果要开设高水平具体探索性的实验,则显得有些困难。这一现状,一方面影响了对学生思维空间、创造能力和创新意识的拓展和培养,另一方面影响了本学科的纵深发展,

也不利于学科之间的横向发展。

3新建本科院校“计算机网络”课程实验教学内容的设置

根据实验环境、要求和目的的不同,可将“计算机网络”课程的实验分为探索性实验、验证性实验、设计性实验和综合性实验4种类型,具体实验特点和内容如表1所示。

表1各类实验特点及主要内容

实验分类 实验特点 实验内容

探索性实验 通过寻找证据去获得结论,该结论在实验之前具有较大的模糊性,有时甚至不知道会产生什么结论,其实验目的是为了获取新知识 如新协议的开发、对已有算法或协议的改进等

验证性实验 根据已知的原理或结论寻找其实现过程和方法,所要验证的结论在实验之前已经十分清楚,只要能够找到符合规律的证据,就可以达到实验目的 如协议仿真、网络设备功能配置、网络应用系统功能配置与测试等

设计性实验 在实验之前已经给定实验目的、要求和实验条件,由学生自行设计实验方案并独自完成实验内容,实现实验要求,其目的是运用已掌握的知识去发现问题、解决问题 如网络互联、Web站点开发、单一应用系统的设计与实现、网络安全管理方案设计及实现、网络编程等

综合性实验 实验内容需要综合本课程或与本课程相关的多种知识,是学生在掌握一定的基础理论知识和基本操作技能的基础上,运用各方面的知识对实验技能和实验方法进行综合训练的一种复合性实验,其主要目的是培养学生的综合分析能力、实验动手能力和数据处理等能力 如园区网网络拓扑设计与分析、企业应用系统设计与实现、基于Web的综合应用系统设计与开发、网络综合方案制定等

其中,探索性实验要求学生具备较深的计算机网络理论及编程方面的专业知识,同时一般需要具有一定经验的教师来辅导学生完成实验,所以这类实验主要在研究型或部分教学研究型大学开设。新建本科院校“计算机网络”课程实验内容主要涉及验证性实验、设计性实验和综合性实验3个方面,所开置的主要实验课程如表2所示,不同院校可以根据本校的实际情况有选择地确定具体的实验内容,并适当调整课时分配比例。

表2新建本科院校“计算机网络”课程实验内容及课时分配比例

实验分类 主要实验课程内容 所占总课时比例

验证性实验 ①网线制作与测试②MAC帧结构③ARP/RARP、ICMP、IP、TCP、UDP、SNMP、Telnet、FTP、HTTP、DNS、DHCP、POP3、SMTP协议仿真④交换机和路由器基本功能配置和测试⑤防火墙基本功能配置和测试⑥ACL、NAT、STP功能的配置与测试 40%

设计性实验 ①交换机之间的互联及VLAN的配置和应用②VLAN之间的通信及控制③静态路由和动态路由(主要有RIPv2和OSPF)的配置与测试④DNS、Web、FTP、IM、电子邮件等单应用系统的安装、配置和测试⑤Web站点的开发⑥基于局域网的网络编程⑦网络安全管理方案制定与分析 40%

综合性实验 ①设计一个包含二层交换机、三层交换机、路由器和防火墙的小型局域网,并完成相关配置及测试②设计一个包含DNS、FTP、Web、电子邮件等系统的综合网络应用平台,并完成相关软件的安装、配置和整个系统的测试③开发一个包含页面、文件下载、在线交流等基本功能的小型Web应用系统④设计一个具有安全管理功能的小型局域网,并能够模拟可能发生的网络攻击过程 20%

4新建本科院校“计算机网络”课程实验室的建设

4.1网络硬件实验室

网络硬件实验室主要为学生完成相关的网络基础和综合性实验提供真实的网络环境,供学生自行设计网络,并在实验室完成全部的连接、配置和测试等操作,从而让学生直观、全方位地了解相关网络设备和应用环境,加深对计算机网络概念、原理、协议、标准的理解,提高学生计算机网络的应用技能和实际操作能力,为将来的就业提供竞争优势。

由于需要配备与真实网络相同的硬件设备,网络硬件实验室设备的一次性投资较大,所以在建设时一定要立足本校的教学需要,并结合组网的多样性和设备的标准化来制定实验室建设方案。实验室应能够模拟当前大部分网络应用环境,基础设备包括二层和三层交换机、路由器、防火墙、服务器和无线设备(无线AP、无线交换机等),同时在条件许可的情况下可提供数字语音设备和网络管理软件。

4.2网络仿真实验室

验证性实验的开设要求学校提供相应的网络仿真实验环境,通过仿真软件使学生能够清楚地理解和掌握网络的内部结构和协议,并通过编辑各种协议的数据包深入学习计算机网络的内部原理。目前,可供本科院校“计算机网络”课程实验教学选择的网络仿真软件较为丰富,其中有些是由专业软件公司开发的商用软件,也有一些是高校和研究机构根据教学科研需要自行开发的软件。

对于绝大部分本科院校来说,网络仿真软件至少应提供以太网帧结构、ARP/RARP、IPv4/IPv6、ICMP、UDP/TCP、SNMP、DHCP、DNS、NAT、HTTP/HTTPS、Telnet、FTP、SMTP/POP3/IMAP、NetBIOS、RIP、OSPF等主要网络协议的仿真,另外还有必要提供ARP地址欺骗、ICMP重定向、TCP/UDP端口扫描、网络冲突与广播风暴、网络环路等主要安全问题的仿真。对于以网络工程为专业方向或专业特色的技术应用型本科院校,网络仿真实验室还应为不同的网络拓扑结构、路由设计、业务配置等设计方案提供

模型建立,并通过模拟获取定量网络性能预测数据,为方案的验证和比较提供可靠的依据等功能。

4.3虚拟网络实验室

与网络硬件实验和网络仿真实验室相比,虚拟网络实验室具有成本低、效率高、开放性好、实验操作安全等特点,并能够快速响应实验需求,实现交互式的实验环境。新建本科院校可通过以下两种技术来构建虚拟实验室。

(1) 虚拟机。虚拟机(Virtual Machine,VM)是指运行在物理计算机上的由软件模拟出来的具有完整功能的计算机或网络设备,每台虚拟机都有与真实计算机相同的独立的网卡、CPU、内存、光驱等硬件设备,都可以拥有计算机系统的所有资源。目前的主流虚拟机软件主要有VMware 、Virtual PC和Hyper-V。利用虚拟机几乎可以在一台或少量的计算机上综合完成DNS、Web、FTP、电子邮件等应用系统的各种设计性和综合性实验,像VMware还可以完成RAID、VLAN、ACL、NAT、集群等实验。

(2) 网络模拟器。网络模拟器是指通过软件方式来构造一个虚拟的网络实验环境,可在一台计算机上实现对特定网络设备的虚拟配置,以及进行网络互联和网络拓扑结构的规划和配置。目前主流的网络模拟器软件有RouterSim、Sybex Virtual Lab、Cisco Flash Lab、Cisco网络模拟器GNS、Boson Netsim、NS-2、PacketTracer、HW-RouteSim、华为路由模拟器等。

除此之外,引导学生熟练地掌握像Sniffer、MRTG、木马扫描等网络工具软件的使用,对部分实验内容的完成及学生实践技能的培养很有意义。

5结束语

“计算机网络”是一门理论性和实践性都很强的课程。为了让学生更好地掌握这门课程所要求的知识,在教学内容和教学环节上都必须进行科学的安排,使学生在深入理解计算机网络基本理论的同时,能够通过严格的实践训练来掌握计算机网络的应用知识。本文针对新建本科院校的特点,从实验内容的确定到实验室的建设,详细分析了“计算机网络”课程实验教学的设计和实施方法,具有较强的适用性和指导性。

参考文献:

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[2] 张泉方,等. 计算机网络基础课程教学改革的探索与实践[J]. 计算机教育,2008(10):141-142.

[3] 李馥娟. 计算机网络实验教程[M]. 北京:清华大学出版社,2007