陳春生，劉桂江，胡浪濤

（安慶師范大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，安徽安慶246133）

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是本科階段工科專業(yè)的重要課程，是計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的必修課[1]，也是電子信息工科類專業(yè)學(xué)生的必選課[2,3]，有著很大的受眾。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用性、技術(shù)性很強(qiáng)[4]，實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要面臨2個(gè)方面的挑戰(zhàn)。

第一、實(shí)驗(yàn)資源獲取。實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源受設(shè)備、場(chǎng)地、時(shí)間等物理?xiàng)l件的限制，學(xué)生開(kāi)展實(shí)踐性學(xué)習(xí)嚴(yán)重受限，缺乏足夠的靈活性，更缺乏充足的時(shí)間保障。這在很大程度上限制了實(shí)驗(yàn)資源種類及數(shù)量的持續(xù)增長(zhǎng)。特別是疫情防控期間，在“停課不停學(xué)”的要求下，各個(gè)學(xué)校開(kāi)展線上教學(xué)活動(dòng)，但受條件限制，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開(kāi)展和指導(dǎo)得不到保障。

第二、學(xué)習(xí)效果評(píng)估。形成性評(píng)價(jià)是當(dāng)前實(shí)驗(yàn)效果評(píng)估的主要評(píng)價(jià)趨勢(shì)[5]。形成性評(píng)價(jià)高度依賴于學(xué)習(xí)過(guò)程及成效的數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式難以為科學(xué)分析學(xué)生學(xué)習(xí)行為及成效提供細(xì)粒度的過(guò)程性數(shù)據(jù)，這導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)效果評(píng)價(jià)或者非常困難，或者過(guò)于粗糙，特別是難以精確量化。

國(guó)內(nèi)對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究頗多，但基本都是關(guān)于實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[6]、硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)[7]、虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用等。目前還沒(méi)有專門針對(duì)線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究，因此結(jié)合現(xiàn)在的國(guó)內(nèi)形勢(shì)，有必要利用現(xiàn)代化的教學(xué)手段，建設(shè)開(kāi)放的線下線上虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。

1 線上實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)目標(biāo)與方案

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)線上實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)主要研究在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新模式，以滿足任何人、任何時(shí)間、任何地點(diǎn)均可以開(kāi)展實(shí)踐性學(xué)習(xí)為目標(biāo)，突破硬件實(shí)驗(yàn)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化使用的技術(shù)瓶頸，建設(shè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在線軟硬件綜合實(shí)驗(yàn)環(huán)境及在線實(shí)驗(yàn)體系，形成為專業(yè)、地區(qū)乃至全國(guó)提供基于互聯(lián)網(wǎng)的在線實(shí)驗(yàn)資源與服務(wù)的核心能力，實(shí)現(xiàn)基于硬件實(shí)驗(yàn)向在線實(shí)驗(yàn)的轉(zhuǎn)型。

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以“虛實(shí)結(jié)合、能實(shí)不虛”為建設(shè)原則，以“將真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室部署到互聯(lián)網(wǎng)上”為目標(biāo)。綜合設(shè)備硬件環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)通信、多媒體、數(shù)據(jù)庫(kù)等技術(shù)，通過(guò)硬件實(shí)驗(yàn)設(shè)備綜合集成，使學(xué)生能夠遠(yuǎn)程在線完成各類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，不受時(shí)間、空間和內(nèi)容限制。實(shí)現(xiàn)學(xué)生在宿舍在家里進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)，完成遠(yuǎn)程組網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析、網(wǎng)絡(luò)組建設(shè)計(jì)等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并能夠?qū)崿F(xiàn)多人異地聯(lián)合實(shí)驗(yàn)和教師遠(yuǎn)程同步指導(dǎo)與考核。

2 線上實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)環(huán)境

整個(gè)平臺(tái)由服務(wù)器集群與安全防護(hù)、在線實(shí)驗(yàn)設(shè)備組、在線實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)三部分組成。

2.1 線上實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件環(huán)境

服務(wù)器集群由若干臺(tái)服務(wù)器組成，服務(wù)器集群上運(yùn)行的計(jì)算資源管理系統(tǒng)、管理虛擬機(jī)等計(jì)算資源對(duì)接用戶預(yù)約請(qǐng)求，保證虛擬機(jī)合理分配。安全防護(hù)部分主要包括部署防火墻、入侵檢測(cè)系統(tǒng)和安全審計(jì)系統(tǒng)，保證整個(gè)平臺(tái)的安全性。

在線實(shí)驗(yàn)硬件部分可以有多個(gè)設(shè)備組，每組設(shè)備包括：虛擬機(jī)4臺(tái)、交換機(jī)2臺(tái)、路由器2臺(tái)和連線組網(wǎng)設(shè)備1臺(tái)。每臺(tái)虛擬機(jī)通過(guò)console線直接連接交換設(shè)備。通過(guò)Vmware Workstation軟件的遠(yuǎn)程共享虛擬化技術(shù)，對(duì)每組虛擬機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程共享，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)名學(xué)生異地遠(yuǎn)程在線聯(lián)合實(shí)驗(yàn)，教師也可以同步遠(yuǎn)程在線對(duì)學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)和考查。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)線上實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)線上實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)

2.2 線上實(shí)驗(yàn)平臺(tái)軟件環(huán)境

在線網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)是整個(gè)平臺(tái)的核心部分，由用戶權(quán)限管理、實(shí)驗(yàn)資源管理、實(shí)驗(yàn)預(yù)約和實(shí)驗(yàn)編排等功能模塊組成。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)軟件環(huán)境有以下主要特點(diǎn)。

（1）管理系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)模式，系統(tǒng)部署在本地服務(wù)器，升級(jí)及維護(hù)方便，學(xué)生通過(guò)瀏覽器登陸實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

（2）實(shí)驗(yàn)全過(guò)程數(shù)字化管理。管理系統(tǒng)記錄每個(gè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，并以圖表的形式可視化展示給教師，其中包括每個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟的消耗時(shí)間、每個(gè)實(shí)驗(yàn)的總完成時(shí)間，以及在線實(shí)驗(yàn)時(shí)間分布等，完整匯集了學(xué)生在整個(gè)培養(yǎng)階段的學(xué)習(xí)過(guò)程數(shù)據(jù)。

（3）實(shí)驗(yàn)資源管理。教師能夠自建實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，導(dǎo)入、導(dǎo)出實(shí)驗(yàn)資源，并進(jìn)行后臺(tái)預(yù)覽和標(biāo)記分類。以MOOC課程理念梳理和組織實(shí)驗(yàn)?zāi)K和知識(shí)點(diǎn)，通過(guò)課程文案的設(shè)計(jì)、課程視頻的錄制、在線習(xí)題、在線實(shí)驗(yàn)、考試題庫(kù)等的設(shè)計(jì)，構(gòu)建完善的在線網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源庫(kù)。有力地支持了MOOC 實(shí)驗(yàn)課程的開(kāi)設(shè)，將初步形成一個(gè)比較完整的在線網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)體系。

（4）實(shí)驗(yàn)作業(yè)管理。教師布置的實(shí)驗(yàn)任務(wù)可以包含任意多個(gè)實(shí)驗(yàn)；教師能夠從后臺(tái)進(jìn)入學(xué)生正在進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，遠(yuǎn)程同步指導(dǎo)或檢查；支持教師在線評(píng)閱實(shí)驗(yàn)報(bào)告、撰寫評(píng)閱意見(jiàn)和評(píng)分。

（5）全方位支持在線考試。一場(chǎng)考試任意多套試卷，支持按照“IP地址”或者“學(xué)號(hào)”分發(fā)試卷。并支持IP地址綁定、訪問(wèn)控制、替考檢測(cè)等。

（6）便捷的輔助功能。包括根據(jù)知識(shí)點(diǎn)分布、難度分布、使用頻度的自動(dòng)抽題組卷功能，自動(dòng)評(píng)分功能，一鍵下載學(xué)生答卷、導(dǎo)出成績(jī)單的一鍵歸檔功能，可以將歷次作業(yè)、實(shí)驗(yàn)、考試、平時(shí)成績(jī)進(jìn)行加權(quán)匯總的功能等。

圖2 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)線上實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)

3 線上實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為專業(yè)人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)之一，針對(duì)其技術(shù)復(fù)雜、發(fā)展迅速、工程性實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，構(gòu)建多層次的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)課程知識(shí)的理解，掌握關(guān)鍵技術(shù)。課程重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生網(wǎng)絡(luò)技術(shù)核心知識(shí)理解與應(yīng)用能力、工程實(shí)踐能力、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的理解與應(yīng)用能力、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)能力。

針對(duì)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求，構(gòu)建三個(gè)層次的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：

（1）基礎(chǔ)認(rèn)知階段，主要是基本原理實(shí)驗(yàn)，包括入門實(shí)驗(yàn)、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層等，在此階段重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生對(duì)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)核心知識(shí)的理解和學(xué)生實(shí)際應(yīng)用能力；

（2）進(jìn)階綜合實(shí)驗(yàn)階段，主要是研究型實(shí)驗(yàn)，包括RIP協(xié)議、OSPF協(xié)議等，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生對(duì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的理解與應(yīng)用能力和網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)踐能力；

（3）高階創(chuàng)新階段，分創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)踐兩個(gè)層次，包括組播、Ipv6、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)組建等實(shí)驗(yàn)，主要培養(yǎng)少數(shù)優(yōu)秀學(xué)生對(duì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的研究與設(shè)計(jì)能力。

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目如表1所示，實(shí)驗(yàn)一到七的內(nèi)容涉及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的基本原理，實(shí)驗(yàn)八到十一為綜合與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)部分。實(shí)際教學(xué)中可以根據(jù)教學(xué)需求選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。可以訪問(wèn)遠(yuǎn)程在線計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，遠(yuǎn)程預(yù)約實(shí)驗(yàn)設(shè)備，通過(guò)遠(yuǎn)程組網(wǎng)、配置交換機(jī)、路由器、分析截獲報(bào)文等方式完成實(shí)驗(yàn)。

表1 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)，結(jié)合現(xiàn)代化技術(shù)，建設(shè)開(kāi)放性虛實(shí)結(jié)合的線上實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)建設(shè)完整的教學(xué)資源，支持課程建設(shè)，建成一個(gè)比較完整的在線網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)體系。

根據(jù)線上實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開(kāi)放性和共享性特點(diǎn)，能夠取得如下實(shí)驗(yàn)效果：

（1）形成師生之間互助的學(xué)習(xí)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)。學(xué)生利用碎片化的時(shí)間來(lái)學(xué)習(xí)，實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)投入顯著增加，提高了時(shí)間的利用率。利用在線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)良好的互操作性，建立遠(yuǎn)程在線實(shí)時(shí)互動(dòng)機(jī)制，安排教師和助教遠(yuǎn)程在線實(shí)時(shí)指導(dǎo)，鼓勵(lì)學(xué)生之間互助探討。有利于形成一個(gè)學(xué)生之間、師生之間互助的學(xué)習(xí)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)。

（2）為學(xué)生行為的大數(shù)據(jù)分析提供基礎(chǔ)?；谟?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和MOOC課程，可以獲得學(xué)生網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)的細(xì)粒度學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)微觀教學(xué)活動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行持續(xù)量化分析，追蹤學(xué)生的能力培養(yǎng)過(guò)程，使獲得學(xué)生專業(yè)能力培養(yǎng)規(guī)律性認(rèn)識(shí)成為可能。這有助于微觀量化分析的教學(xué)研究方法的形成。