略說計算機的實驗教學(xué)設(shè)計與實踐

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1IPv6下一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實驗教學(xué)環(huán)境選擇

比如設(shè)備的數(shù)量和型號較少，設(shè)備更新慢，難以滿足學(xué)生一人一套設(shè)備的需求，對IPv6相關(guān)新技術(shù)支持不足等。為了克服這些不足以取得良好的教學(xué)效果，不少高校開始探索通過使用虛擬仿真軟件來構(gòu)造虛擬實驗室。虛擬網(wǎng)絡(luò)實驗平臺的引入從根本上突破了傳統(tǒng)實驗教學(xué)實驗設(shè)備數(shù)量少、實驗時間緊張、實驗地點單一的弊端，還具有人機交互能力和可視化程度高等優(yōu)勢，提高了實驗教學(xué)效果。PacketTracer和Dynamips是目前比較流行的兩款網(wǎng)絡(luò)實驗仿真軟件。PacketTracer具有逼真的操作界面，操作簡單，初學(xué)者很容易上手，它提供各種不同型號的交換機、路由器以及各種類型的傳輸介質(zhì)，學(xué)生可根據(jù)實驗自己繪制拓撲圖，進行網(wǎng)絡(luò)實驗。但它是基于軟件的虛擬器，很真實的設(shè)備相比，差距較大。Dynamips通過模擬CISCO路由器的硬件平臺，直接運行真實設(shè)備對應(yīng)的IOS軟件，因此，Dynamips模擬出的是真實的設(shè)備，具有和真實設(shè)備一樣的配置界面和功能。和PacketTracer相比，Dy-namips操作較為復(fù)雜，為了解決這個問題，國外的專家開發(fā)出了GNS3，它是Dynamips的圖形化網(wǎng)絡(luò)模擬工具，它的核心就是Dynamips，他不僅可以模擬Dynamips的所有組網(wǎng)實驗，還具有可視化和拓撲修改簡便等特點，最吸引人的是它可以方便的讓虛擬網(wǎng)絡(luò)接入真實網(wǎng)絡(luò)，相比其他網(wǎng)絡(luò)模擬器具有更好的實驗教學(xué)價值。Scapy是一款強大的交互式數(shù)據(jù)包處理工具、數(shù)據(jù)包生成器、網(wǎng)絡(luò)掃描器、網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)工具和數(shù)據(jù)包嗅探工具。它提供多種類別的交互式生成數(shù)據(jù)包或數(shù)據(jù)包集合、對數(shù)據(jù)包進行操作、發(fā)送數(shù)據(jù)包、包嗅探、應(yīng)答和反饋匹配等等功能，利用它可以很方便的構(gòu)造各種數(shù)據(jù)包用于各種網(wǎng)絡(luò)測試。為了滿足IPv6相關(guān)知識點的實踐教學(xué)需要，我們采用GNS3來模擬路由交換設(shè)備，采用vmwarworkstation安裝虛擬機的方式來模擬復(fù)雜功能網(wǎng)絡(luò)終端或網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，采用VPCS軟件來模擬簡單網(wǎng)絡(luò)終端，采用Wireshark來捕獲和分析網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，采用Scapy來生成各類IPv6測試數(shù)據(jù)包。實踐證明，利用上述軟件，學(xué)生在普通機房就能一人一機輕松完成各類實驗，同時，教師可以把設(shè)計好的各種實驗方案、拓撲分發(fā)給學(xué)生，讓學(xué)生課后在自己的電腦上做進一步的練習(xí)。

2IPv6網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實驗方案設(shè)計

為了取得理想的實驗教學(xué)效果，在實驗內(nèi)容的選取上，一是要較好的覆蓋相關(guān)知識點，二是要設(shè)計好實驗方案，使實驗可操作性強，讓學(xué)生在上機實驗時目標明確。實驗項目的設(shè)計要在已有實驗環(huán)境條件下結(jié)合學(xué)生實際情況來進行，好的實驗項目能夠幫助學(xué)生較好的理解知識，達到理想的教學(xué)效果，在確定實驗項目時宜遵循以下原則:實驗項目的內(nèi)容從簡到難，先從基本設(shè)置開始，解決連通性和基本應(yīng)用問題，再逐步深入到具體協(xié)議的分析，在此基礎(chǔ)上，貼近業(yè)界當前實際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的需求，設(shè)計一些有實用價值的實驗，讓學(xué)生所學(xué)能派上用途。

2．1IPv6網(wǎng)絡(luò)實驗內(nèi)容

選取在實驗內(nèi)容的選取上，遵循由淺入深，循序漸進的原則，把實驗內(nèi)容劃分為基礎(chǔ)性實驗、驗證性實驗、綜合性實驗和探索性實驗四大類。有比較直觀的認識，掌握使用IPv6網(wǎng)絡(luò)的基本方法，結(jié)合掌握的IPv4相關(guān)知識，對比認識IPv6數(shù)據(jù)包格式，使學(xué)生對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議內(nèi)部的實現(xiàn)機制和在網(wǎng)絡(luò)中的實際傳輸情況有感性的認識，為后續(xù)的實驗打下基礎(chǔ)。

(1) 拓撲既可以作為整體進行復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)實驗，也可以只使用局部設(shè)備進行單一實驗。

(2)驗證性實驗:通過這幾個實驗，除了讓學(xué)生掌握網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上IPv6相關(guān)基礎(chǔ)配置方法外，深入了解IPv6路由器請求(RS)、路由器宣告(RA)、鄰居請求(NS)和鄰居宣告(NA)的工作機制與工作細節(jié)。掌握IPv6網(wǎng)絡(luò)無服務(wù)器自動配置、路由器發(fā)現(xiàn)、前綴發(fā)現(xiàn)、地址解析、鄰居不可達檢測、鏈路MTU發(fā)現(xiàn)、下一跳決定和重復(fù)地址檢測等知識點。同時讓學(xué)生理解IPv6全局地址、鏈路本地地址和站點本地地址的功能，它們的作用范圍。

(3)綜合性實驗:通過這部分的實驗，讓學(xué)生掌握小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的配置方法，能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境選擇合適的路由協(xié)議，深入理解RIPng和OSPFv3路由協(xié)議的工作原理。根據(jù)需要，能熟練進行OS-PFv3路由聚合，路由重分布配置。使學(xué)生掌握IPv6手工隧道、IPv6自動隧道、IPv6toIPv4隧道和IPv6ISATAP隧道的配置，了解這幾種隧道協(xié)議的功能，各自的適用場合。掌握IPv6環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)訪問控制列表的配置方法，能根據(jù)訪問控制和網(wǎng)絡(luò)安全的需求，定義和部署合適的訪問控制列表。

(4)提高性實驗:這部分實驗可以讓學(xué)有余力的學(xué)生進行。通過這類實驗，使學(xué)生具備大規(guī)模復(fù)雜IPv6網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)和配置能力。

2．2IPv6網(wǎng)絡(luò)實驗拓撲設(shè)計

(1)拓撲既可以作為整體進行復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)實驗，也可以只使用局部設(shè)備進行單一實驗。

(2)PC1為vmwareworkstation安裝的虛擬機系統(tǒng)，采用PC1和R6可以進行四個基礎(chǔ)性實驗。

(3)由R1、R2和R3設(shè)備組可以組成純IPv6網(wǎng)絡(luò)，完成IPv6靜態(tài)路由協(xié)議、RIPng路由協(xié)議、OS-PFv3路由協(xié)議和IPv6訪問控制列表等實驗，也可以完成幾個探索性實驗。

(4)R4和R5扮演雙協(xié)議棧路由器角色，R4和R5通過IPv4網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，在R4和R5設(shè)備上可以進行各類隧道協(xié)議的實驗，通過配置隧道協(xié)議，讓IPv6網(wǎng)絡(luò)孤島互相連接在一起。

(5)R5和R7也可以構(gòu)成設(shè)備組，通過在R5上配置ISATAP隧道協(xié)議，讓R7下的主機接入IPv6網(wǎng)絡(luò)。

(6)在各類單一實驗完成后，可以讓學(xué)生進行綜合性的實驗，或者讓學(xué)生自己設(shè)計網(wǎng)絡(luò)拓撲進行各類實驗。

3實驗教學(xué)方案實踐

只有經(jīng)過實踐，才能證明設(shè)計的實驗方案科學(xué)與否，能不能達到預(yù)期的目的，能不能得到學(xué)生的認可;也只有經(jīng)過實踐，才能發(fā)現(xiàn)其中的不足之處，才能對方案進行改進與完善。實驗教學(xué)除了向?qū)W生傳授相關(guān)知識外，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生獨立思考，操控網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的技能及解決網(wǎng)絡(luò)工程問題的能力。要達到這些目的，除了因人施教和因材施教，還有很多有效的方法。

3．1基于以小組為實驗單位的網(wǎng)絡(luò)實驗團隊

作為一種正常現(xiàn)象，在一個班級中學(xué)生之間在學(xué)習(xí)能力、掌握知識能力等方面存在差異，容易讓我們忽視的是，能力強，學(xué)習(xí)好的同學(xué)往往喜歡就不清楚的問題向老師提問，學(xué)得差的同學(xué)反而比較“悶”，這些同學(xué)要么是還沒有發(fā)現(xiàn)實驗課程中的樂趣，要么是不習(xí)慣和教師交流。要解決這個問題，比較好的辦法是進行分組實驗，教師在劃分小組時應(yīng)注意強弱合理搭配，以強幫弱。實驗過程中鼓勵弱勢學(xué)生積極參與，讓能力強、表現(xiàn)欲強的學(xué)生擔任組長，輔導(dǎo)同組同學(xué)，這樣做可以調(diào)動學(xué)生參加實驗的積極性，讓他們在實驗過程中獲得樂趣和別人的認可，同時也增強了學(xué)生的協(xié)調(diào)能力和團隊合作精神。在實踐過程中要注意和傳統(tǒng)分組實驗的差別，傳統(tǒng)分組實驗要么是因為實驗設(shè)備的限制，要么是因為實驗內(nèi)容比較多，需要多人的協(xié)作而不得不分組。在我們的實驗方案中采用了虛擬實驗平臺，不存在這些限制，采用分組的目的是讓弱者變強，強者更強。在實驗過程中要靈活動態(tài)的進行考核，避免分組流于形式。

3．2增加實驗趣味，提高學(xué)生興趣

增加實驗趣味是實驗過程中的重要一環(huán)，要在實驗講解過程中引入真實網(wǎng)絡(luò)中的各類問題，讓這些問題與實驗結(jié)合在一起，要讓學(xué)生覺得他們所學(xué)內(nèi)容能有實際用途。在教學(xué)過程中，利用學(xué)校已經(jīng)部分接入CER-NET2的優(yōu)勢，向?qū)W生展示了IPv6網(wǎng)絡(luò)的各種強大功能。比如學(xué)生看到我們能在線流暢的觀看高清電影、電視頻道，能以極高的網(wǎng)速在2分鐘內(nèi)下載一部高清電影，他們的熱情和興趣立即被激發(fā)出來了。我們順勢向?qū)W生介紹下一代IPv6網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的情況，在發(fā)展過程中碰到的一些問題，解決的方法，涉及到的一些技術(shù)，實驗中學(xué)習(xí)到的知識能派上什么用途，這樣做讓學(xué)生對學(xué)習(xí)充滿了期待。

3．3理論教學(xué)與實驗教學(xué)

要緊密結(jié)合在課程的教學(xué)中，理論是基礎(chǔ)，是源泉;實驗是理論的應(yīng)用，是驗證，是理解。兩者雖有不同處，但又相輔相成，兩者都是能力的培養(yǎng)。教師必須讓讓學(xué)生明白理論教學(xué)和實驗教學(xué)的目的和關(guān)系，即理論學(xué)習(xí)理解實驗驗證再理解綜合性實驗思考設(shè)計性(提高性)實驗再學(xué)習(xí)的過程，完成對理論知識學(xué)習(xí)和實踐技能的培養(yǎng)。在實驗項目的次序安排上，應(yīng)該把簡單的、趣味性高的項目安排在前面，讓學(xué)生能容易的進入狀態(tài)每個實驗項目都要提前做好相關(guān)指導(dǎo)手冊，要讓學(xué)生明確做什么，怎么做，結(jié)果是什么，怎么驗證結(jié)果的正確與否。關(guān)注學(xué)生在實驗過程中出現(xiàn)的一些共性問題，要及時的解決這些問題。

4結(jié)語

本文對實驗環(huán)境搭建、實驗內(nèi)容的選擇、實驗拓撲的設(shè)計和實驗教學(xué)實踐幾個方面的內(nèi)容進行了闡述。所設(shè)計的實驗教學(xué)方案在多個網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)的班級里進行了實踐。通過實驗，學(xué)生加深了對IPv6相關(guān)知識的理解，掌握了必要的技能，可以熟練對IPv6網(wǎng)絡(luò)進行配置。考核成績表明，本方案達到了預(yù)期的目標。實踐表明，在計算機網(wǎng)絡(luò)類課程的實驗教學(xué)中，如果實驗硬件條件缺乏，可以通過充分利用各種網(wǎng)絡(luò)仿真軟件、模擬軟件來突破實驗條件的限制，以達到相同的或更好的教學(xué)效果。

作者：李樹軍 單位：鹽城師范學(xué)院