新工科背景下基于Packet,Tracer的计算机通信与网络课程实践教学方法探索*
时间：2023-01-25 10:55:04 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
广州工商学院工学院 廖伯勋
计算机通信与网络课程强调实践和应用能力的培养，但由于高校计算机网络实验室存在多种弊端，如实验设备的不足、实验场所有限、实验设备维护麻烦、实验效率低、教师检查实验结果工作量大等问题，高校通常难以满足学生对实验室的需求。为解决以上问题，提出基于Packet Tracer的计算机通信与网络课程仿真实践教学方法，激发学生的学习兴趣，帮助学生完成从被动学习到主动学习的转变。
新工科建设要求创新工程教育方式与手段,落实以学生为中心的理念，增强师生互动，改革教学方法和考核方式，形成以学习者为中心的工程教育模式。推进信息技术和教育教学深度融合，充分利用虚拟仿真等技术创新工程实践教学方式[1]。计算机通信与网络是一门理论性、系统性和实践性很强的课程，概念术语多，原理抽象，学生学习兴趣不高，容易感到枯燥。
Packet Tracer是思科公司专门为网络学习者开发的一款可用于学习网络原理、搭建网络拓扑、配置网络设备、排除网络故障的网络模拟器软件[2]。Packet Tracer有一个活动向导（Activity Wizard）的工具，该工具允许教师创建可自动评分的实验项目，既可用于平时实验考核，也可用于期末课程考试。教师通过Activity Wizard，搭建实验的初始网络（Initial Network）和答案网络（Answer Network）[3]。学生在初始网络中，按照老师发布的任务说明书（Instructions）进行实验操作，完成实验设备之间的连线以及实验设备的配置。Activity自动对学生的操作进行实时评估，显示实验完成进度，给出错误提示，自动评分。本文基于Packet Tracer的Activity Wizard工具，提出一套适用于不同学习阶段的实践教学方法。使用Activity Wizard进行实践教学活动的步骤如下：（1）教师制作实践活动的任务说明书（Instructions）；
（2）教师制作初始网络，学生稍后答题时在初始网络中进行实操；
（3）教师制作答案网络，学生操作后的初始网络将与答案网络进行比对；
（4）教师设置考核点和每个考核点的得分[4]；
（5）教师将该活动的文档（扩展名为.pka）发给学生；
（6）学生实操答题，完成后提交给教师；
（7）教师查看自动评分的结果。
在教学的前期阶段，学生对计算机网络的术语比较陌生，对网络的原理普遍感到过于抽象，容易枯燥，失去学习的兴趣和信心。在这一阶段，最重要的是激发学生的学习兴趣。教师可设计简单的并且大部分学生都容易完成的实验。基础阶段的实验内容，以TCP/IP协议栈中的第一层物理层和第二层数据链路层为主。
如图1所示的实验，可以训练学生如何使用合适的线缆连接各种各样的网络设备。在这个实验中，最容易的是选择要连接的端口（实验说明已明确给出），稍难的是如何选择合适的线缆（需要对直通线和交叉线的使用有正确的认知）以及增加一台设备作为调试终端并使用RS232串口线连接交换机（实验说明未详细给出），较难的是路由器之间需要下电更换模块，然后重新上电启动（实验说明中未提及）。
图1 基础阶段实验项目的初始网络和答案网络Fig.1 The initial network and answer network of the experimental project in the basic stage
在如图2所示中，学生可以查看实验当前的完成进度，学生每做一次正确的操作，完成进度均有一定的增加。这种正向激励，可以让学生处于兴奋的状态中，激励学生不断克服困难，向100%的完成度不断前进。当Completion达到100%时，学生将获得很大的成就感。
图2 完成一个正确的实验操作后的Completion前后对比Fig.2 Completion before and after completion of a correct experimental operation
倘若学生遇到某些关卡实在做不出来，可以点击实验说明的小窗口下面的Activity Result按钮，切换到Assessment Items标签页，查看详细的完成情况。绿色√标记的是已正确完成的操作，红色×标记的是未做或者未正确的操作。比较难的操作的Feedback栏还显示了老师给出的提示，如路由器连接Serial接口的类型有“请确认端口模块是否正确”的提示，如图3所示。
图3 Assessment Items窗口Fig.3 Assessment Items window
Activity可以自动对学生的操作进行评分，老师只须将扩展名为.pka的实验文件发给学生，学生完成实验后将文件交给老师，老师就能直接查看学生的实验得分。不会出现漏打分，错打分的情况，大大减轻了老师的工作量。如图4所示为Activity自动评分的结果。
图 4 自动评分结果 Fig.4 Automatic scoring results
这一阶段的时间教学应体现一定的高阶性，具备一定挑战度。经过了前期的学习，学生对基本概念、术语、原理已有比较清晰认知，已基本能运用网络协议理论去指导实践了。这一阶段的实践教学内容对应TCP/IP协议栈中的第三层网络层、第四层运输层以及第五层应用层，涉及的具体实践内容包括VLAN、IP地址、ARP、静态路由、RIP、OSPF、DNS、DHCP等。以静态路由的配置实验为例。
3.1 实验目的
（1）掌握PC接口IP地址信息的配置。
（2）掌握路由器接口IP地址信息的配置。
（3）掌握静态路由的配置。
3.2 实验内容
（1）为各PC配置合适的IP地址信息，为后期测试做准备。
（2）为路由器接口配置合适的IP地址信息，以实现直连网段互通。
（3）为各路由器配置正确的静态路由，以实现全网互通。
3.3 实验拓扑
静态路由配置实验拓扑结构如图5所示。
图5 静态路由配置实验拓扑Fig.5 Static route configuration experimental topology
3.4 IP地址规划
在本阶段将考核学生对所学理论知识的灵活运用。例如表1所示配置PC的IP地址时，实验说明只给出了PC所属的网段，并未直接给出具体的IP地址。以配置PC1的IP地址信息为例，学生需要根据分配给PC1的网络地址块172.16.11.0/25，首先计算出子网掩码为255.255.255.128，将网络地址172.16.11.0与掩码255.255.255.128做与运算，得出网络地址为172.16.11.0；
根据25bit网络位计算出主机位为7bit，最小可指派IP为172.16.11.1，最大可指派IP地址为172.16.11.126，在这个范围内任意取一个地址指派给PC1，取另一个地址指派给R1的F0/0接口。为了实现跨越网络的通信，PC1还必须设置网关（实验指导书未明确说明）为R1的F0/0接口的IP地址。因为以上计算出来的IP地址并非唯一答案，所以要求老师在设计活动向导的时候，必须使用正则表达式对答案的范围进行限定，在某一范围内的值均正确。这样设计出来的实验项目，具有很大的灵活度。
表1 设备所属网段规划Tab.1 Planning of the network segment to which the device belongs
学生虽然通过计算得到正确的值，但不一定能一次就正确地完成实验。Packet Tracer模拟器的活动向导提供了调试功能，学生在任何时候都可以通过相关的命令对实验配置进行测试。例如，可以使用ping命令测试连通性，通过show ip route查看路由表，通过show ip interface brief查看路由器接口的IP地址信息。
这一阶段应体现学生对所学知识的综合运用能力。老师可通过Packet Tracer模拟器的活动向导功能，设计综合性的实验测试题，来考核学生的综合实操能力。考核的内容应涵盖TCP/IP协议栈中五个层次的内容。与上一阶段不同的是，在考试的Activity中，必须设置锁定“View Assessment Items”，禁止学生查看得分情况，同时锁定“Reset Activity”，以免学生误触该按钮导致Activity被重置。为了防止学生拷贝其他同学的Activity，可在Instructions中插入代码“”（test1是事先定义的随机变量），以随机生成“试卷编号”。
新工科建设对计算机通信与网络课程的实践教学提出了更高的要求，根据多年的教学和研究，提出基于Packet Tracer的Activity Wizard工具进行实践教学项目设计的方法，满足基础、进阶和考试等不同阶段的不同教学需求。Packet Tracer的Activity Wizard也有不足的地方，它一般只能制作验证型和综合型的实践项目，在设计性实验方面存在短板。今后努力的方向是如何更好地开发设计型的实验项目。
引用
[1]唐灯平,凌兴宏,魏慧.新工科背景下的计算机网络类课程实践教学模式探索[J].计算机教育,2019(1):72-75.
[2]姚友军.制作Packet Tracer行动向导实例指导实验实现自动评价[J].现代信息科技,2020,4(22):177-184.
[3]陈滨.基于思科模拟器构建网络实验课程考核系统的探索[J].信息与电脑,2019(14):55-57.
[4]宋白玉,曹燕.浅谈Cisco Packet Tracer的Activity Wizard功能在网络类课程实训中的应用[J].电脑知识与技术,2018,14(35):102-105.
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