基于网络仿真平台的《计算机网络技术》实验课程教学改革研究
曹园青
摘 要：文章针对高校《计算机网络技术》实验课程教学中存在的典型问题，进行了教师层面和学生层面的探讨和分析，提出了基于Cisco Packet Tracer网络模拟仿真平台的实验课程教学改革思路，借助模拟软件的低成本性和易操作性，强化学生对网络知识的实践能力，对改善实验课程教学成效起到了积极作用。
关键词：《计算机网络技术》实验课程;网络模拟仿真平台;教学改革
中图分类号：TP393.0;G434 文献标志码：B 文章编号：1673-8454（2021）12-0043-04
一、引言
《计算机网络技术》课程是高校计算机科学与技术专业的基础课程，也是典型的强调实践应用能力的实验课程。该课程的教学目的是使学生掌握计算机网络的发展历史、基本概念、工作原理、实现方法和技术应用等理论知识。与此同时，强化学生网络技能的实践能力也是考察学生对理论内容掌握程度的一个主要方法。
但是，因為理论知识的抽象性、复杂性和难以实现性，导致学生对拓扑结构、网络协议和算法原理的理解性较差，从而严重影响了学生对网络知识学习的主动性。对于教师而言，限于实验设备有限、组织网络实验的难度大、实验效果不理想，导致整体教学效果很难达到预期目标。
二、前期研究
随着计算机科技水平的发展和网络技术的进步，物联网、大数据、云计算和人工智能等新兴IT领域层出不穷，这些领域的正常运作必须要依托于网络基础设施和网络技术。然而，以服务社会为主要目标之一的高校，在《计算机网络技术》课程教学中的实验效果与社会需求、技术现状产生严重脱节，《计算机网络技术》课程的实验教学改革势在必行，也成为广大一线教师近年来的研究热点之一。
《计算机网络技术》课程教学改革方法通常需要对两种典型的教学模式（“自上而下”模式和“自下而上”模式）进行深入分析后再付诸实践[1]。此外，还能以课程在不同技术领域的应用需求为导向，探究《计算机网络技术》与专业技术课程间的相互联系，并针对不同专业领域的《计算机网络技术》课程进行差异化教学，即两级N类教学模式[2]。除了应用需求导向外，以技术问题和企业需求作为主要导向的“双导向”教学模式改革，也能着重培养学生的操作能力[3]，还可以先调研教师和学生在《计算机网络技术》实验课程教学过程中遇到的几种典型问题，再针对网络实验目标、实验内容、实验教学方法和实验考核方式进行实验教学改革[4]。
研究表明，网络技术专业学生毕业后从事的不同工作岗位所需要具备的计算机网络相关技能是不同的，若以此作为依据，重新设计《计算机网络技术》实验课程的教学方法、教学内容和教学过程，然后再进行改革实践和效果反馈，可有效改进教学效果[5]。
由于高校的网络技术实验室普遍存在物理设备短缺、型号更新周期慢、软件版本陈旧等问题，基于教学管理工具的计算机网络辅助教学远程实验平台可以有效提高学生学习的积极性和主动性，并满足基本的实验教学需求[6]。
在当前各高校、各专业广泛开展翻转课堂教学改革的大环境下，将混合学习与深度学习的教学理论加以结合，并基于深度学习的《计算机网络技术》实践课程的混合教学方法，依据学生就业从事工作方向将已有教学内容进行重新组织，构建出翻转课堂下的计算机网络技术实验教学新模型，促进了实验性课程的教学改革[7]。
通过以上相关研究不难看出，很多高校教学人员对《计算机网络技术》实验课程进行了教学改革方面的研究。其大多是关于实验教学的内容、方法、形式、考核机制、评价体系方面的改革，并且确实对提高实验教学效率起到了一定的作用，但对于如何提高实验设备利用率、解决网络协议验证的困难性、满足网络实验操作过程的普适应等问题的研究，还不够深入和全面。
三、《计算机网络技术》课程存在的问题及原因解析
《计算机网络技术》课程是高校计算机类专业的基础必修课程之一，也是网络工程专业的主干核心课程，该课程涵盖了网络基础模块、交换技术模块、出口路由模块、网络安全模块、无线局域网模块和网络规划模块，每个模块所占的课时百分比不等。该课程具有理论抽象性、技术灵活性、协议复杂性、难以操作性、版本更新性等特点，加大了学生学习的困难和教师组织教学的难度。以河套学院为例，《计算机网络技术》课程采用理论知识教学和上机实验操作相结合的混合教学模式。虽然实验教学比例较以前有所提高，但还存在教学过程过于依赖机房的硬件设施和软件条件，从而导致存在以下问题：
1.实验耗时较长
在传统网络机房条件下，组织任何一次网络实验都要重复一些前置必备环节，如网络布线、组网设备配置、客户端IP地址设置、吞吐量测试等。这无疑会把大部分实验时间浪费在前置准备上，而不是网络技术的实践和分析上。
2.设备数量有限
由于一个完整的网络实验是由基本网络拓扑支撑的，而实验拓扑的搭建就需要很多网络节点，网络节点对应到现实环境就是网络设备，特别当组网拓扑复杂时，设备数量就更加短缺。
3.设备型号少
对于异构型的网络实验，单一的设备型号会妨碍实验的正常进行，实验室采购的网络设备的品牌、版本、型号都满足不了日益严格的实验教学需求。
4.实验耗资大
对于大部分高校而言，建设一个网络实验室的投资是多方面的，如网络设备、组网线材、客户端电脑、外设耗材等。此外，随着网络技术的发展，设备的更新速度的加快，耗资随之会与日俱增，与学校的客观条件相悖，虽然有些高校采用虚实结合模拟网络实验室，在一定程度上缓解了硬件网络设备的成本，但是虚拟机宿主服务器的维护成本开销不菲，也严重阻碍了计算机网络实验教学的发展。
5.网络协议验证的困难性
计算机技术是依托于各种网络协议而存在的，而网络技术的验证在传统的网络实验室只能依靠Wireshark软件，或者是一些简单的ping命令、tracert命令等来实现，这对于简单的网络协议还能勉强使用，但随着网络协议的越加复杂，这些工具无疑会力不从心。
通过对本校数学与计算机系物联网工程专业的两个班共80名学生和相关教师进行已修课程《计算机网络技术》的调研和访谈。调研报告发现，对于学生而言，造成课程教学效果不好的原因有：理论抽象、算法纷杂、协议种类多、基础不扎实、课外学习时间少等，如图1所示。对于教师而言，造成课程教学效果不如预期的原因有：协议难以验证、实验耗时长、实验设备短缺、实验成本高、学生学习兴趣激发困难等因素，如图2所示。
四、基于模拟仿真器的教学改革
将计算机实验教学过程中遇到的问题加以解决的方法之一就是利用网络模拟仿真工具。网络模拟工具是根据数学建模和对应算法来仿真网络协议的工作原理和网络行为，并通过构建虚拟的网络模型来搭设组网拓扑，很好地解决了物理环境的客观因素限制，达到了优化网络参数和提高教学效果的目的。
1.网络仿真软件
主流的网络仿真器包括eNSP、Cisco Packet Tracer和OPNET等，具体性能如下：
（1）eNSP（Enterprise Network Simulation Platform）是一款由华为提供的免费的、可扩展的、图形化操作的网络仿真工具平台，主要对企业网络路由器、交换机进行软件仿真，完美呈现真实设备实景，支持大型网络模拟，让广大用户有机会在没有真实设备的情况下能够模拟演练，学习网络技术。
（2）Cisco Packet Tracer 是由Cisco公司发布的一个辅助学习工具，为学习思科网络课程的初学者去设计、配置、排除网络故障提供了网络模拟环境。用户可以在软件的图形用户界面上直接使用拖曳方法建立网络拓扑，并可提供数据包在网络中行进的详细处理过程，观察网络实时运行情况。
（3）网络仿真软件OPNET 是美国MIL3 公司的产品，目前OPNET 是世界上较先进的网络仿真开发和应用平台，在第三方权威机构（如Network World 等）评选的“世界级网络仿真软件”排名中位居前列。
综合对比以上三款网络模拟仿真软件的性能，如表1所示，Cisco Packet Tracer由于其易部署、界面简单、操作容易等优点，更适合用在网络实验室，在《计算机网络技术》课程中辅助学生进行网络技术的学习和组网协议的模拟仿真。下面，笔者基于这款软件进行课程教学改革的设计。
2.教学目的改革
物理网络设备和网络模拟软件两者之间的关系不是矛盾对立的，而是相辅相成的。但以网络仿真工具为基础的网络实验室具有可以突破物理条件有限的限制，可以更加合理地规划教学目的。比如，由于物理设备短缺造成的学生对知识点的“理解”层面的教学目标，可以提升到“掌握”的层次。教学改革前和改革后的效果提升显著。此外，可以对仿真软件的功能模块进行扩展，从而灵活提高对应教学目标。比如，对于IPv6这类协议复杂但实际应用较少的知识点，可以将教学目标设置为“理解”。对于VLAN这类无论在工程组网还是在理论方面都比较多的技术，应将教学目标设为“掌握”。为了完成预期的教学目标，还需对教学过程进行相应的调整。
3.教学方法改革
（1）合理调整教学先后顺序
很多计算机网络教材的知识点排布基本都是按照二层网络技术、三层网络技术、局域网技术、广域网技术和网络安全技术等顺序编排，或者按照OSI七层参考模型自下而上的顺序进行编写，这样很多教师的传统教学就遵循教材的知识点顺序来组织。但基于网络模拟仿真器的实验教学过程，必须从实践组网工程的角度出发，从仿真器的工作原理角度考虑，理论结合实践去重新编排教学顺序、组织教学过程。一方面，有利于学生熟练仿真软件的操作;另一方面，由易到难的以工程案例为导向的教学过程，为学生以后进行更复杂的网络实验打下了坚实的基础。
（2）灵活安排实验教学和理论教学的时间比例
对于网络课程的实验课与理论课的排布方式有两种，分别是交叉式和集中式。交叉式指的是上一节理论课，再穿插一节实验课，这样做的优点是学生可以趁热打铁，及时把刚学到的网络知识应用到实验环节，缺点就是各知识点之间的串接和融会贯通比较差，容易产生知识碎片。集中式指的是上半学期上理论课，下半学期上实践课，集中式的优点是学生的理论知识系统性强，连贯性好，实验技能因为时间比较集中，所以对网络设备的操作也比较熟练，但缺点就是学习到的网络知识得不到及时的实验练习，导致到了后半学期的实验教学环节，大部分网络知识点已经遗忘而無从下手。而网络模拟仿真软件可以很好地克服上述缺点，不用受刻板老套的课程表和有限的机房实验物理环境的限制，可以让学生很好地利用自己的课外时间来完成实验课，从而营造出良好的“学中有做，做中有学”的教学环境。
（3）采用以项目驱动为导向的教学方法
在传统的计算机网络教学模式中，通常采用灌输式方法将抽象的难以理解的网络知识传授给学生，这样“重教轻学”的教学方法不利于学生对知识的接收，更难以培养学生的创新能力。因此，构建主义学者提出应该增强学生学习主动性的观点，认为学生是在自己已有知识和经验的基础上，建立自己新知识体系的过程。项目驱动教学法就是在此基础上产生的，项目设计就是这种教学方法的核心。
项目设计的基本原则如下：首先，对项目进行可行性的评估判断，且以学生的实际知识体系为出发点，进行项目难易程度的设定;其次，确保项目的经典性。项目中设计的网络协议必须和教学重点契合，且和人才培养方案保持一致;最后，项目的设计难度需要有梯度性。由易到难，从简单的网络协议项目到复杂的组网工程项目，让学生由浅入深地进行项目实验。
4.教学评价改革
所谓教学评价，是指依据教学目标，对合理的评价标准进行制定，并将所有可以利用的技术手段加以运用，对整个教学过程中出现的问题、现象以及教学效果进行客观的评定和判断，从而为教师提供教学反馈的过程。依据评价内容进行分类，可把教学评价分为两类，即过程性评价和成果性评价。过程性评价指的是学生的出勤、作业、小组讨论、实验报告和综合性课程设计等环节的表现。成果性评价指的是学生的期中考试和期末考试成绩。
在传统的课程教学体系中，通常将过程性评价和成果性评价的比例设置为七比三（专科教学），或者是一比一（本科教学）。但基于网络模拟仿真软件的计算机课程教学评价方法，应该在传统的评价方法基础上进行调整和改革。具体调整方法如下：
（1）教学评价的主要内容应该更加多样化，如将学生的课前预习程度、课堂教学参与程度、实践项目的完成情况、团队合作情况、组织协调情况、实验成果完成情况和汇报能力等纳入过程考核范畴。
（2）教学评价的方法应该更具灵活性，比如除了传统的作业、考勤方法之外，应该适当加入随堂问题、课程测验、项目演示、实验报告等评价方法。
（3）灵活调整评价比例，可以考虑将平时成绩的比例设置较高（由之前的50%调整为60%），将期末考试成绩设低一些（由之前的50%调整为40%），教学评价改革前后的总评成绩组成占比如图3所示。其中，平时成绩的详细比例应设为：项目参与情况由之前的30%调整为50%，出勤情况由之前的30%调整为10%，作业情况由之前的20%调整为10%，课堂参与情况由之前的20%调整为30%，教学评价改革前后的平时成绩组成占比如图4所示。
五、结语
《计算机网络技术》课程是高校计算机类专业的基础必修课，针对课程实验教学环节出现的典型问题，进行了教学改革的初探，通过相关的实践表明，基于网络模拟仿真软件的《计算机网络技术》课程教学改革，不仅有助于提升教学效果，也利于学生掌握理论知识的同时加强网络项目实践能力，为其他计算机实验类课程提供了良好的借鉴。
参考文献：
[1]王涛，吴振强，任平安.自顶向下还是自底向上？——论计算机网络原理课程教学模式[J].计算机教育，2011（24）：65-68.
[2]薛文生，薛涛，王明明，等.计算机网络课程的分级分专业教学模式[J].计算机教育，2019（4）：16-20.
[3]曹辉，张成姝，戴酉.计算机网络原理课程教学探索[J].教育教学论坛，2018（27）：248-249.
[4]阮晓龙，许成刚，賀路路.计算机网络原理课程实验教学体系的改革[J].中国现代教育装备，2018（19）：22-24.
[5]楼程伟，陈丽红.基于工作过程的高职《计算机网络原理》课程教学改革实践[J].电脑知识与技术，2019（13）：182-183.
[6]刘素转，王晓娜，吴卫江.计算机网络原理实验课程教学改革与实践[J].教育教学论坛，2019（32）：116-117.
[7]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.
（编辑：李晓萍）
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