计算机网络课程实验教学思路

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0引言

计算机网络是网络工程专业的专业核心课程，是一门兼具理论性和实践性的课程。随着该课程在计算机学科中的地位越来越重要，大部分高等院校的网络工程专业将其总课时定在48~64学时，而其中的实验课时定在12~16课时。计算机网络的实验课程与其他实验课程不同，对实验环境要求较高，对原理的理解非常重要。如何为学生们上好计算机网络的实验课程，成为许多高等院校教师们研究的重点课题。文章从两个方面探讨在网络工程专业中计算机网络实验课程的教学改革。

（1）计算机网络实验课程不是一门独立的课程。网络工程专业中的计算机网络原理课程是网络安全、网络工程、网络编程等专业核心课程的前导课程，在网络工程专业的课程体系中属于专业基础核心课程。同理，计算机网络实验课程也是上述专业核心课程的实验前导课程。因此，计算机网络实验课程在课程内容的设置上，应摒弃大而全的指导思想，重点在于引导学习者理解计算机网络原理中体系结构思想，了解网络工程专业的课程体系结构。

（2）计算机网络的实验课程应协调与相应原理课程的衔接，在内容和模式上辅助学习者加深对网络原理的认知和理解。当前，计算机网络原理课程在教学模式与内容上主要采用“自顶向下”和“自底向上”两种方式，如果计算机网络实验课程同样在内容与模式上与原理课程相对应，实验课程的设置紧跟原理课程需求，不仅可以消除对计算机网络原理的抽象感，还可以使原理课程教学达到最好的效果。

1计算机网络实验课程在专业课程体系中的地位

计算机网络实验课程是培养技能型、应用型人才的基础，也是网络工程专业所有专业核心课程实验的基础。通过对大多数应用型本科院校关于计算机网络实验教学改革方面的文章进行分析，可得出以下结论：应用型高等院校在如何搞好计算机网络实验教学的过程中，大多采用建立宽口径、分层次、突出前沿的实验教学体系思路，将实验类型设置成基础验证型实验、配置操作型实验、编程设计型实验、综合提高型实验四大类，详见表1。在计算机网络实验课时非常有限的情况下，做到面面俱到是一件艰难的任务，即使采用网络仿真模拟器的形式来增加学生课后练习的时间，也很难保证达到所要求的实验效果。因此首先应明确，无论是原理课程，还是实验课程，高等院校网络工程专业的计算机网络课程都属于该专业的核心基础课程，一般开在第二学年的第四学期，或者第三学年的第五学期。它为后续学期的专业核心课程（如网络工程技术、网络安全技术、网络编程技术、网络操作系统等）打下坚实基础。仔细分析表1不难发现，第一大类基础验证型实验中，部分实验内容可以放在网络操作系统实验课程中；第二大类配置操作型实验中，部分实验内容可以放在网络工程技术实验课程中；第三大类编程设计型实验，部分实验内容可以放在网络编程技术课程中。许多应用型本科院校在第四学年专门开设了一门综合实训课程，表1中的第四大类实验更是可以放在网络工程专业的综合实训课程中进行。计算机网络原理课程的教学目的是使学习者了解计算机网络的基本概念、网络体系结构模型以及网络协议工作原理等。因此，计算机网络实验课程的设置，首先应明确该门课程在整个网络工程课程体系中的位置与作用；其次，应结合该门课程原理课程的教学模式与内容，以达到通过实验辅助理论教学，提高学习者动手能力的目的。

2“自底向上”的教学模式与实验课程的结合

目前，计算机网络原理课程普遍采用两种教学模式：“自底向上”和“自顶向下”，即基于OSI参考模型和TCP/IP参考模型的混合层次结构，由底层（物理层）向高层（应用层），或者由高层（应用层）向底层（物理层）展开讲解。两种教学模式各有特点。“自底向上”教学模式一般采用Tanenbaum编著的教材《ComputerNetworks（4thEdition）》是计算机网络的经典教材之一，属于典型的“自底向上”教学组织形式。该模式的特点在于强调通信原理，注重物理层与数据链路层的具体实现技术，注重计算机网络发展历史，内容包含较为全面。因此，在此基础上的计算机网络实验课程的内容设置，从底层的基础实验作为起点较为符合原理课程的需求。“自底向下”的教学模式对学习者的基础理论要求较高，强调通信原理基础理论的重要性。网络工程专业学生尚未学习过，或者刚刚开始学习通信原理课程，在对底层基础技术细节理解中感觉难度较大，实验验证的难度也较大。因此，第一次实验内容建议以增强学生的自信心和兴趣为主，例如网线制作与网络连接实验，鼓励学生大胆尝试用自己动手制作的网线进行电脑间的连接。实验虽然简单，但却非常容易激发学生的兴趣，同时也引导学生了解计算机网络诞生的目的。第二次实验开始于原理课程讲解数据链路层的知识，重点在于理解数据帧的概念以及了解网络中间设备的知识。建议实验内容以计算机网络的中间设备以及数据帧的概念为主，例如采用多台电脑通过网线接入集线器或交换机，进行交换机配置。使学生了解到数据帧既可以在总线结构的网络上进行总线广播，使总线上所有的终端都可以接收到数据帧；也可以通过网络中间设备进行转发，使互连的多台电脑可以接收到数据帧。当原理课程进入到网络层知识的讲解时，协议分析的重要性凸显出来。第三次实验内容建议以使用协议分析器进行数据包捕获、流量监控、IP报头分析为主，直观地将复杂与抽象的网络协议展现在学生面前，强调网络协议在计算机网络体系结构中的重要性，加深对计算机网络理论知识的理解。当“自底向上”的原理课程讲解到网络传输层时，原理课程重点在于介绍TCP协议与UDP协议的各自特点，因此，第四次实验设置建议使用协议分析器捕获HTTP协议，分析其中的TCP三次握手的连接过程的，以及四次握手的关闭过程，帮助学生理解TCP协议与UDP协议二者之间的相同与不同之处。计算机网络的最后一层是应用层，建议第五次实验内容重点分析应用层的协议，例如通过Socket的基本知识与某种高级语言结合，去实现某个经常使用的应用软件或命令，比如实现Ping命令。鼓励学生通过实验了解如何用程序实现Ping命令的运行过程，尤其是实现Ping请求与应答报文，进一步加深理解网络通信的具体实现过程。通过上述每一层的实验内容设置，可以较好地帮助学生从底层开始，逐步向上深入理解计算机网络的体系结构与协议的重要性，理解计算机网络的基本知识与工作原理，使实验课程和原理课程的教学模式达到良好契合。

3“自顶向下”的教学模式与实验课的结合

“自顶向下”的教学模式从计算机网络的体系结构上来看，内容组织形式正好相反，从网络的体系结构概述开始，依次到网络的应用层、运输层、网络层、数据链路层、物理层，较为经典的教材是Kurose&Ross编著的《ComputerNetworking：ATop-DownApproach（5thEdition）》，属于典型的“自顶向下”教学组织形式。“自顶向下”教学模式的特点是注重应用，以Internet为对象，强调理论联系实际应用，内容重点突出。实验内容的设置以结合Internet应用为主，教学方式以激发学生热情，提高学生学习热情为目的。本着实验的目的是为了理论知识学习服务的指导思想，笔者所在学校的网络工程专业，在采用“自顶向下”的教学模式前提下，第一次实验内容的设置通常是利用某种高级语言，结合Socket函数，设计大多数学生在Internet应用中曾经用过的应用软件。例如用于文件处理的FTP客户端应用程序设计，实验题目看似较难，但对于已经是本科三年级的学生来说，在学习计算机网络课程之前通常已经学过高级语言程序设计、面向对象程序设计、操作系统、数据库原理等课程，只需在实验课上稍微补充一些Socket函数的知识，并且不需要复杂的网络底层知识，在简单的硬件设备（例如PC）上，就可以实现该实验。在实验教师的指导下，学生们自己动手设计并实现了一个网络应用程序，并且该网络应用与现实生活中的网络应用结合，极大地激发了学生对计算机网络后续课程学习的热情与兴趣。通过第一次实验，学生对网络应用层的理论知识也有了初步理解，例如学生们在设计FTP客户端程序时，注意到FTP服务器使用熟知端口来提供服务，而客户端使用临时端口来发送请求，在程序设计过程中，需仔细设计不同的端口号。同时，对应用层的其他协议也能很好地掌握，学习能力较好的学生甚至利用课余时间练习设计其他协议的客户端，如HTTP、POP3等。随着原理课程的逐步深入，同第二节中“自底向上”的教学模式一样，每一层设计一个实验内容，紧随原理课程的进度与要求。实验内容的设置遵循3个原则：①实验不求多而全，但要力求使每个实验有代表性和启发性，能够启发学生解决一类问题或能触类旁通，促进学生思考；②每个实验都紧紧围绕原理课程的知识进行设计，争取做到边讲解边做实验验证；③实验项目的设计虽然有一定的难度，但能增加学生学习的自信心与兴趣。

4结语

计算机网络是理论与实践结合非常紧密的课程，其中实验课程又是培养学生理论联系实际的重要环节。笔者提出并实践了上述实验课程的改革内容，从学生的反馈来看，普遍对实验内容设置较为满意，同时也提出了不少意见和建议。我们在文中所提方案可以运用在普通高等院校网络工程专业的计算机网络实验课程中，对实验教学质量的提高提供有益补充。

作者：胡静 赵雷 王小刚 单位：上海电机学院电子信息学院