张扬武 李国和

摘  要：在计算机网络技术高速发展和大学生科学能力培养目标的新形势下，针对当前计算机网络实践教学存在的问题，提出“三位一体”的计算机网络实验课改革方案。从通信、协议和应用三个方面，构建计算机网络实验模块内容体系，综合运用现场实验、线上虚拟环境和虚拟仿真教学手段，充分激发学生的学习兴趣，有效发挥其学习专长，在教学设施投入受限的情况下，积极开展计算机网络实践教学。

关键词：计算机网络；教学改革；实验模块；虚拟仿真；虚拟环境

中图分类号：G642        文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）05-0112-04

Abstract： In the situation of rapid development of computer network technology and the goal of cultivating scientific abilities of college students， the reform plan for computer network experimental courses is proposed to address the problems in current computer network practical teaching. The system of computer network experimental modules is constructed from three aspects： communication， protocol， and application. By comprehensively utilizing on-site experiments， online virtual environments， and virtual simulation teaching methods， the reform plan can fully stimulate students' interest in learning， effectively leverage their learning expertise， and actively carry out computer network practical teaching under limited investment in teaching facilities.

Keywords： computer network; teaching reform; experimental modules; virtual simulation; virtual environment

计算机网络是全国各大高校计算机专业的主干专业课之一，也是其他专业的通识必修课之一。随着计算机网络的广泛发展，作为第五大空间，网络空间概念渐渐地深入人心，同时为了顺应时代变化，强化网络空间治理成为了我国国家战略之一[1]。习近平总书记曾提出关于网络空间的发展目标，为我国治理网络空间能力的提升指明了方向。计算机网络课程教学承担着培养高校学生用计算机网络知识解决网络空间的实际问题的计算能力和计算思维[2]。

网络协议和传输数据凝聚了几十年的计算机网络技术发展成果，而且看不见摸不着，涉及的原理和概念非常抽象复杂。计算机网络课程教学具有知识点多、理论抽象、实践性强等特点，从计算机网络协议、连接方式、数据传输过程、整体架构和应用场景等方面的教与学两个角度来看[3]，都存在不小的难度，将计算机网络的原理、方法和技术的融会贯通应用就更加具有挑战性。借助计算机网络实验课，增强对计算机网络理论学习的体验感，将难以掌握的抽象概念方法和原理具体化和实例化[4]，加强学生的学习兴趣和热情，培养学生的实践动手能力。因此，计算机网络实验课在计算机网络课程教学目标的实现上具有十分重要的地位和作用。

一  计算机网络实验课程的教学现状及存在问题

目前高校计算机网络实验课教学方式有现场实验、线上虚拟实验平台及主机仿真软件等，这些教学方式都存在各自的优缺点，需要根据各高校自身情况和专业培养方案，因地制宜地开展计算机网络实验课教学。

现场实验可以增强计算机网络实验的真实感和现场体验感，有助于提高学生的学习兴趣，促进小组协作完成实验，培养学生的动手实践能力，培养在真实应用场景中的团队合作精神。同时，线下机房实验存在一些不足和困难，实验机房需要较大的投入，配置一定数量的主机终端、交换机路由器等网络设备及各种网络软件[5]，不但初始投入的经费较多，而且后期的机房维护更新都需要持续投入费用。機房的设备场地、人员和管理都受到诸多的外在条件限制。例如，学生根据实验指导设计网络拓扑结构，无法在设备数量上限的情况下动态增加主机终端；在划分冲突域和广播域的要求下，也无法突破网络设备的现实数量进行适应性配置；在固定时限无法完成的实验操作需要在课外完成，传统的现场实验机房无法在时间上提供灵活的实验安排，等等。

线上虚拟实验平台在计算机网络教育培训市场大受欢迎，主要得益于成本低、知识模块化以及随时随地学习。线上虚拟实验平台一般通过web方式提供一个虚拟的主机环境[6]，实验所需要的环境依赖都已具备，在窗口边栏中提供手把手式的实验步骤指导，学生较为容易操作。线上虚拟实验平台根据实验教学目的构造实验模块，学生既可以按照教学进度循序渐进地开展实验，也可以打破原有的顺序，根据自己的知识积累和储备，进行自主地学习。线上虚拟实验平台不再受限于传统的现场实验的场地和管理限制，可以随时随地进行学习，可以利用平时的碎片时间进行学习，可以学习到哪，实验做到哪，思考到哪。线上虚拟实验平台的不足之处在于无法提供现场实验的体验感，不能发挥团队协作精神，老师不能更好地参与指导，实验知识模块弱化了对计算机网络知识体系的整体性把握，对基础知识薄弱和自主性学习较差的学生要求较高。

仿真软件利用模拟技术构造与真实实验一样的实验情境，在搭建网络时，通过拖拉相应设备图标模拟真实终端和网络设备，通过在仿真软件中进入相应设备配置界面模拟真实应用场景中的网络设置，仿真软件中的设备是真实存在的，配置命令也是一致的。仿真软件支持较多的硬件设备和传输介质，不要求购买相应设备，减少了机房建设费用，节省了后期的维护开支[7]。仿真软件实验操作将物理上操作转变为仿真软件界面中的编辑操作，提高了实验效率，降低了部署难度。仿真软件的缺陷在于缺少网络设备和终端、网络连接以及网络数据传输的真实体验感，仿真软件对协议数据的封装模拟在有些情况下与真实的网络通信存在不一致情况，仿真软件所支持的设备和协议受到软件开发商的限制，其内部工作原理对学生是一个认知障碍。

二  “三位一体”的计算机网络实验课改革方案

OBE（outcome-based education）教育理念強调教学活动的实施要以学生的学习成果为导向，计算机网络的教学要通过实验课达到学生应该具备的能力，培养学生利用计算机网络知识解决实际工程问题的科学素养。计算机网络包含通信、协议和资源三要素，要想深入透彻地掌握相关原理、技术和方法，必须要依靠实践教学。实验课教学是提高学生计算机网络实践能力的必要路径，计算机网络实验课内容涉及到网络组网、协议分析和应用开发等范围，通过梳理支撑理论教学的内容和分析概念学识依赖关系，确立相关模块所包含的实验内容，各个模块覆盖内容见表1。

各个模块对应的能力要求、知识准备和环境要求各不一样。网络组网模块对学生的网络工程实践能力有较高要求，现场实验操作更能增强体验感，知识准备更侧重记忆和重复。协议分析模块要求学生具备数学思维和逻辑思考能力，可以降低对现场实验的依赖性。应用开发模块强调应用需求，考察学生的综合分析和判断能力，是以结果为导向的教学理念的输出。能力综合利用现场实验、线上虚拟环境以及仿真软件，针对不同的实验内容和模块，开展“三位一体”的计算机网络实验课内容体系的构建，如图1所示。图1中的圆形表示计算机网络实验模块组，包括网络组网、协议分析和应用开发；方框表示实验教学活动，包括现场实验、线上虚拟环境和仿真软件；箭头表示从实验模块到实验教学活动的处理过程和步骤。

步骤1是将网络组网模块中的各个实验，全部提交给现场实验环节评估，根据实验要求、内容和环境，考虑各个高校的自身实际教学设施和条件，通过专业实验室，创造条件地支持具备开展现场实验的实验。步骤2对步骤1中不能安排的实验进行评估，在不具备专业实验室的现实情况下，通过公共实验室线上虚拟环境，设计交互性强的实验。步骤3对步骤1和步骤2中不能安排的实验进行评估，在不具备专业实验室和公共实验室的实际情况下，通过仿真软件，安排自主性强的实验。步骤1、步骤2和步骤3将网络组网模块中各个实验的实验要求、实验内容和实验条件结合起来，因地制宜，通过分析和评估，实现较为合适的实验教学方式的分配，见表2。

网络组网模块的实践教学可以帮助学生更好地了解和掌握网络互联中的通信概念，步骤4转到协议分析模块，通过此模块的实验，有助于学生加强对计算机网络三要素当中的协议这一概念的理解。步骤5分析协议分析模块中的各个实验，从中挑选出适合实验室操作又能体现真实场景的实验，比如以太局域网中MAC协议。步骤6根据协议的控制信息和工作模式，从中挑选出适合线上虚拟环境又能展现工作模式的实验，比如TCP协议的三次握手过程。步骤7根据协议的访问机制，从中挑选出适合虚拟仿真又能实现多点访问的实验，比如ARP协议的广播请求和应答。协议分析模块各个实验对应的教学方式见表3。

步骤8转到应用开发模块，通过此模块的实验，有助于学生加强对计算机网络三要素当中的资源这一概念的理解，通信是实现计算机网络的手段，协议是计算机网络的语言，资源则是计算机网络的目的，资源共享是由应用层体现出来的，应用开发模块是为用户层服务的，包含的实验为常用的应用层服务配置。步骤9分析应用开发模块中的各个实验，从中选择适用局域网操作的实验，比如访问控制列表配置实验。步骤10选择适合线上虚拟环境的实验，比如WEB服务器配置实验。步骤11根据实验所需的网络设备环境，从中适用虚拟仿真的实验，DHCP服务器配置实验。应用开发模块各个实验对应的教学方式见表4。

实际上，将现场实验、线上虚拟环境和虚拟仿真三种实验教学手段融为一体，形成“三位一体”的计算机网络实验课内容体系，充分考虑计算机网络实验课程特点和学生的学习规律，合理利用多元化教学资源和教学手段。“三位一体”的计算机网络实验课的学习是一次科学实践和创新思维的迭代过程。网络工程模块从具体网络实施入手，既锻炼学生的实践能力，又引起学生的学习兴趣，还启发学生对计算机网络内部世界的思考。协议分析模块引导学生从计算机网络的网络工程表象出发，探索计算机网络的内部世界，获得计算机网络知识的提升，训练了对计算机网络内部世界认知的抽象逻辑思维。应用开发模块是知识的学以致用，将计算机网络知识用于实际问题的解决，在实践中检验知识、原理和方法。一次迭代学习就是认识、知识和实践的进阶过程，经过一次迭代学习之后，再重新学习一次，实现不断的迭代学习。

三  计算机网络实验课程改革实践

不同的高等院校其自身环境和实验室条件各自不一样。理工科院校一般都配置专门的计算机实验室，提供给本专业或者是相关专业的学生使用共享实验室，并且实验课也由专门的实验指导老师来上。理工科院校在硬件和软件各个方面都给予了大力支持，从学生培养目标和课程受众的规模效应来说，理工科院校对于计算机网络实验室和师资的投入是合理的，符合高等教育发展目标。而文科高校面临的情形却大不一样，培养目标和办学定位将计算机网络课程作为一种辅助工具论，并没有融合到本专业的培养方案中，甚至有部分文科专业教授反对在文科高校开设这种他们所认为的工具性质课程，甚至于经常宣称“歪门邪术”影响到自己的本专业的“正道”的培养。这种无用的论调会减少文科高校对计算机网络课程教学的投入，尤其实验室的投入。

計算机网络实验教学内容复杂繁琐，涉及到的路由器交换机等网络设备设施都比较昂贵，并经常改变网络拓扑结构和操作系统访问权限。计算机网络的改变网络拓扑和访问权限的实验需求将会影响到其他计算机课程，即使在理工科院校，专业实验室也不是专门为计算机网络课程建设的，需要考虑其他课程的使用要求。改变网络拓扑和网络环境配置还会增添管理人员的排斥情绪，不利于计算机网络实验教学的开展。

不同的学生群体对计算机网络知识存在不同的兴趣点和学习特长，在长期的教学实践中，可以发现有的学生擅长数据分析，有的学生专注配置操作，还有的学生积极尝试学以致用。同样的教学方法、教学内容和教学模式，培养的学生却各有不同，不是所有学生都能够掌握计算机网络知识体系，这些情况都是值得思考的。考虑高等院校的办学实际和计算机网络实践教学的特点，计算机网络实践教学改革需要聚焦学生自主解决网络工程和应用领域中的实际问题，不仅要让学生知道学什么，更重要的是要让学生明白自己的专长，人尽其才，充分地激发学生的学习兴趣和挖掘学生的自主学习能力。

四  结束语

实践教学是计算机网络课程教学中的非常重要的环节，是计算机网络课程学习的一个重要方面。“三位一体”的计算机网络实验课改革方案，针对高等院校的办学实际和计算机网络实践教学的特点，将实验内容分成三个模块组，采用现场实验、线上虚拟环境和虚拟仿真开展针对性的实践教学，将利用学校教学资源、发挥学生专长和反复迭代学习结合起来，充分激发学生的学习热情，努力培养学生的解决计算机网络实际问题的能力，切实改善课程教学效果。

参考文献：

[1] 章曙光，孙巧云，袁碧贤，等.计算机网络基础课程思政教学改革探索与实践[J].高教学刊，2022（3）：127-130.

[2] 刘丹丹，余琍，牛晓光，等.基于OBE理念的计算机网络课程教学改革[J].计算机教育，2023（3）：159-163.

[3] 谢希仁.计算机网络[M].8版.北京：电子工业出版社，2021：10-16.

[4] 孙伟峰，张丽君，姚琳.新时代下计算机网络课程“三新”探索及实施[J].软件导刊，2022（7）：27-32.

[5] 谢逸，王盛邦.面向新工科的计算机网络教学现状分析与改革[J].计算机教育，2022（6）：203-207.

[6] 王娜娜.SPOCs模式下计算机网络课程教学方法改革策略[J].高师理科学刊，2022（6）：99-103.

[7] 刘阳.计算机网络混合式教学改革[J].计算机教育，2023（5）：144-148.

[8] 孙伟峰，唐敏，姚琳.面向过程的计算机课程高效线上教学方案研究——以计算机网络课程为例[J].软件导刊，2020（12）：147-151.

[9] 吴继明，钟群锋，曾碧卿.虚拟仿真技术在计算机组成原理实验教学中的应用[J].计算机教育，2019（3）：34-38.

[10] 吴雨芯，蔡婷.工程教育专业认证背景下计算机专业教学质量评价体系构建[J].高教学刊，2019（12）：52-55.