工程教育下的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

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摘要：針對(duì)當(dāng)前計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)不能滿(mǎn)足學(xué)生需求存在的問(wèn)題，在工程教育認(rèn)證背景下，分析探討了網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)方法，提出以L(fǎng)inux系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)組網(wǎng)平臺(tái)，特別是在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容選擇、實(shí)驗(yàn)路由交換設(shè)備、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和方法等方面闡述創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)方案。采用具體實(shí)例和實(shí)驗(yàn)情景，提高了實(shí)驗(yàn)可操作性。設(shè)計(jì)一系列實(shí)驗(yàn)來(lái)加強(qiáng)學(xué)生對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信原理的理解和掌握。對(duì)其他課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)；實(shí)驗(yàn)方案；工程教育認(rèn)證

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中，最重要的內(nèi)容是網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，也就是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信所必需的各個(gè)層次和協(xié)議，它完成了網(wǎng)絡(luò)及其各組成部分功能。工程教育認(rèn)證主要倡導(dǎo)產(chǎn)出導(dǎo)向，它明確傳遞教學(xué)豐富的模式內(nèi)涵。教師應(yīng)提高專(zhuān)業(yè)教學(xué)服務(wù)質(zhì)量去滿(mǎn)足學(xué)生“學(xué)”的需求，進(jìn)而達(dá)到學(xué)生成長(zhǎng)發(fā)展的需求[1]。

1計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀與探索

大多院校都有計(jì)算機(jī)或網(wǎng)絡(luò)專(zhuān)業(yè)的畢業(yè)生，不論是從事網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的研發(fā)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和建設(shè)以及網(wǎng)絡(luò)維護(hù)，都難以在短時(shí)間內(nèi)滿(mǎn)足用人單位的需求。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)授課都還處在演示設(shè)備階段，學(xué)生無(wú)法理解像路由器、交換機(jī)設(shè)備的原理和作用。根本原因在于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程內(nèi)容的抽象性很強(qiáng)，有些教師并沒(méi)有實(shí)際網(wǎng)絡(luò)安裝和調(diào)試的經(jīng)歷。而計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展迅速，實(shí)踐操作性較強(qiáng)。只有加強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng)，建設(shè)專(zhuān)門(mén)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程才能改善目前網(wǎng)絡(luò)教學(xué)現(xiàn)狀。本文結(jié)合高等院校網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)，探討了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配制網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)和管理等網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案?，F(xiàn)代教育模式的不斷創(chuàng)新，教學(xué)內(nèi)容和手段逐步更新，加強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手技能已經(jīng)成為一個(gè)重要教學(xué)組成部分。在多場(chǎng)合實(shí)施實(shí)驗(yàn)教學(xué)，拓展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和方式，全方位的了解學(xué)生學(xué)習(xí)狀況，多方面獲取學(xué)生反饋的實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)果。調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，牢固地掌握計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基本原理和理論知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，對(duì)教師的教學(xué)過(guò)程和學(xué)生的教育過(guò)程都具有指導(dǎo)意義[2-3]。

2計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)現(xiàn)方式

為完成驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)基本理論、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置、設(shè)備組網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)管理實(shí)驗(yàn)，將路由器、交換機(jī)、PC機(jī)等設(shè)備組成一組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)室由實(shí)驗(yàn)臺(tái)構(gòu)成，每個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)就是一個(gè)教學(xué)模塊?？蓪⒆鰧?shí)驗(yàn)的學(xué)生分為多組。一組一個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，學(xué)生在一個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)內(nèi)協(xié)作配合完成網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)。每組的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備有4臺(tái)PC機(jī)、3臺(tái)路由器、1臺(tái)二層交換機(jī)。每三個(gè)小組可以編成一個(gè)區(qū)域?？梢愿鶕?jù)學(xué)生培養(yǎng)方向來(lái)進(jìn)行小組間、區(qū)域間的組合，還可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求在相應(yīng)設(shè)備上擴(kuò)展相應(yīng)的模塊。搭建各種實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)測(cè)試環(huán)境，通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒕W(wǎng)絡(luò)設(shè)備管理等進(jìn)行測(cè)試分析。學(xué)生通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)，能夠直觀(guān)、全方位地了解各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的操作及其應(yīng)用環(huán)境，加深對(duì)網(wǎng)絡(luò)原理、協(xié)議、標(biāo)準(zhǔn)的理解，提高網(wǎng)絡(luò)故障維護(hù)與診斷技能。測(cè)試內(nèi)容可以單獨(dú)進(jìn)行，也可以結(jié)合網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)中增加部分測(cè)試內(nèi)容來(lái)配合網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)，例如VLAN的設(shè)置，VLAN的測(cè)試等。實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容充分結(jié)合當(dāng)前國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)典型應(yīng)用，完全模擬真實(shí)的使用環(huán)境，讓學(xué)生更深入學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)知識(shí)，從而有效提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可以充分考慮到學(xué)生的專(zhuān)業(yè)和發(fā)展方向，有利于培養(yǎng)不同類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò)人才，改進(jìn)教學(xué)方式和科研條件，還將大大促進(jìn)學(xué)校計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教育和科研水平。

3計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

3.1實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備

完成實(shí)驗(yàn)需要的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備設(shè)置和連接方式，旨在為學(xué)生準(zhǔn)備一個(gè)新型有效的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。實(shí)驗(yàn)中基本設(shè)備由一組工作站，集線(xiàn)器和路由器組成。每個(gè)組分配一個(gè)獨(dú)立的機(jī)組，包括4個(gè)工作站，3個(gè)路由器，1個(gè)管理型交換機(jī)和1個(gè)IPKVM。這里重點(diǎn)是KVM交換機(jī)能夠控制2到8服務(wù)器和設(shè)備，它使用一個(gè)鍵盤(pán)、一個(gè)鼠標(biāo)和一臺(tái)顯示器控制多臺(tái)服務(wù)器。學(xué)生利用這個(gè)設(shè)備通過(guò)他們的單鍵盤(pán)、鼠標(biāo)和顯示器來(lái)控制不同的工作站和路由器。IPKVM交換機(jī)可以從互聯(lián)網(wǎng)的任何地方進(jìn)行控制，管理員不必親自到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行控制，用戶(hù)可以遠(yuǎn)程訪(fǎng)問(wèn)實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)。

3.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備組成架構(gòu)

實(shí)驗(yàn)架構(gòu)描述：每個(gè)組的配置包括4個(gè)Linux工作站、2個(gè)客戶(hù)端、3個(gè)路由器、1個(gè)交換機(jī)和1個(gè)IPKVM交換機(jī)。IPKVM是訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備的起點(diǎn)，能夠連接到工作站、路由器和交換機(jī)。每個(gè)工作站都貼上了設(shè)備所在組的編號(hào)，工作站的編號(hào)，所有工作站都安裝了教學(xué)用的Linux操作系統(tǒng)。每個(gè)工作站都有兩個(gè)USB接口，一個(gè)串口和兩個(gè)10/100M以太網(wǎng)接口eth0和eth1。每個(gè)路由器都貼上了設(shè)備所在組號(hào)和路由器編號(hào)，每個(gè)路由器上都安裝了操作系統(tǒng)。每個(gè)路由器上有兩個(gè)10Mbps接口和一個(gè)WAN接口。交換機(jī)連接所有工作站和路由器，可以使用VLAN概念創(chuàng)建自定義網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。每個(gè)設(shè)備組連接拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1描述。拓?fù)鋱D中描繪了每個(gè)組正在使用的拓?fù)溥B接。通過(guò)IPKVM集中管理所有工作站和路由交換設(shè)備。工作站通過(guò)串口仿真程序minicom配置路由器和交換機(jī)。

3.3實(shí)驗(yàn)軟件工具

本實(shí)驗(yàn)方案需要學(xué)生連接到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。IPKVM是幫助學(xué)生集中控制所有工作站的設(shè)備。圖1顯示了IPKVM通過(guò)KVM交換機(jī)連接到所有工作站的方式。在成功連接到IPKVM后，需要熟悉安裝在工作站上的Linux操作系統(tǒng)了。在應(yīng)用該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)時(shí)，將在整個(gè)實(shí)驗(yàn)室中使用一些工具進(jìn)行連接、數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。比如Telnet是用于在遠(yuǎn)程主機(jī)上執(zhí)行命令的遠(yuǎn)程登錄程序。Ping是一個(gè)簡(jiǎn)單的工具來(lái)檢查調(diào)試IP網(wǎng)絡(luò)的可達(dá)性。無(wú)論何時(shí)更改網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，ping都可用于測(cè)試配置。網(wǎng)絡(luò)流量生成器是允許單個(gè)UNIX工作站或服務(wù)器模擬由多個(gè)網(wǎng)絡(luò)工作站生成的網(wǎng)絡(luò)流量的應(yīng)用程序。它使用兩個(gè)獨(dú)立的程序，即traf⁃server和trafclient來(lái)執(zhí)行流量生成。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析器是為了觀(guān)察網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的行為，來(lái)監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)流量的工具。從網(wǎng)卡捕獲流量并以可讀格式顯示信息的工具稱(chēng)為數(shù)據(jù)包嗅探器或網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析器。一種常見(jiàn)的數(shù)據(jù)包嗅探器是Wireshark?？梢愿鶕?jù)源IP地址，目標(biāo)IP地址，端口號(hào)，協(xié)議等特征過(guò)濾顯示的數(shù)據(jù)包。Wireshark是一個(gè)具有圖形用戶(hù)界面的協(xié)議分析器，可以通過(guò)在提示符處輸入Wireshark來(lái)啟動(dòng)。它是在實(shí)驗(yàn)室用于數(shù)據(jù)包嗅探和分析的主要工具。

4結(jié)束語(yǔ)

提高學(xué)生理解計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)理論知識(shí)和鍛煉實(shí)踐動(dòng)手能力是開(kāi)設(shè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)課的主要目的。因此，在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)，在內(nèi)容選擇與難度把握方面應(yīng)緊緊圍繞這個(gè)目標(biāo)，讓各個(gè)層次的學(xué)生均得到提高。此外，實(shí)驗(yàn)課的組織管理也很重要，應(yīng)采取合適的方法，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，正確地引導(dǎo)學(xué)生，激發(fā)他們的思考潛能。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中發(fā)展是持續(xù)不斷的，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)也必須隨之發(fā)展。本文在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中對(duì)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)方法進(jìn)行了一點(diǎn)探索。以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為目標(biāo),以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)知識(shí)和技術(shù)為核心內(nèi)容展開(kāi)教學(xué)過(guò)程,實(shí)驗(yàn)設(shè)備架構(gòu)選擇和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)造形式更加簡(jiǎn)潔,更直觀(guān)體現(xiàn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備操作系統(tǒng)的實(shí)質(zhì),適應(yīng)現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢(shì)。教學(xué)過(guò)程中堅(jiān)持以學(xué)生為主的引導(dǎo)式教學(xué)方法的推進(jìn)。是學(xué)生積極主動(dòng)學(xué)習(xí)，愿意思考和探索,對(duì)知識(shí)理解更深刻。

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作者：鐘輝 董潔 單位：沈陽(yáng)建筑大學(xué)信息與控制工程學(xué)院