计算机网络课程创新实验教学模式

针对计算机网络课程实验教学困难、教学效果不理想的教学现状，分析了建构主义学习理论，提出了一种基于建构主义理论的计算机网络创新实验教学方法。新方法遵循学习的本质规律，以培养学生创新实践能力为宗旨，通过选择合适的实验主题，并采用层进式的教学模式来激发学生的实验动力，从而提高实验教学效果。

计算机网络实验教学改革建构主义ARP协议计算机网络几乎已经成为当今社会不可或缺的重要组成部分之一。我们很难想象，没有计算机网络的社会将会怎样。由于计算机网络不可替代的社会地位和重要性，《计算机网络》课程已经成为各个高校普遍设置的基础课程之一。尤其针对计算机专业的本科学生而言，计算机网络课程成为了一门重要的必修课。

然而，在该课程实践教学当中，教师和学生往往处于两难的境地。究其原因为《计算机网络》课程中涵盖了大量枯燥难懂的理论、概念和算法。并且，这些网络知识难点又具有强烈的“熟悉的陌生感”，“熟悉”指学生对这些概念和理论的网络上层表象具有切身的体验；“陌生”指学生对网络表象下的基础概念几乎一无所知。实验教学是疏通“熟悉”和“陌生”两者之间的最好方法。本文针对这种教学现状，引入了建构主义教学理论，设计有利于培养学生创新实践能力的计算机网络实验教学模式，以创新实验过程来激发学生对于计算机网络理论和概念的学习兴趣，辅助提高学习效果和解决网络问题的能力。

一、建构主义实验教学思想

建构主义学习理论认为，学习是一种知识的建构过程，这种建构过程以学习者深层次的掌握相关知识并能将其应用于创新实践为最终目标。普遍认为，学习者是知识建构的主体，通过学习者之间的交流和一系列具有明确目的性的自主实践活动，达到对目标知识的切身体验和深刻认识，从而达到知识为我所用的既定目标。从以上阐述可见，建构主义学习理论对于学习活动的认识主要有两方面的倾向：

（1）学习过程是主动的知识建构而不是被动的知识吸收；

（2）学习效果与知识构建的环境有着密切的联系。

根据建构主义的学习理论，实验教学显然是理论教学的重要组成部分。实验教学的设计是否合理，对课程的整体教学效果将会起到决定性的作用。为了达到课程的教学目标，实验内容和实验教学方式必须以建构主义理论为根基来设计。

二、计算机网络创新实验设计案例

基于建构主义学习理论，本文下面将给出一个计算机网络实验内容设计和实验教学模式的案例，以期更直观的阐述本文提出的计算机网络创新实验教学方法。本实验以ARP协议欺骗为主题来设计，知识点涵盖ARP协议、协议分层概念、局域网CSMA/CD协议和网络数据包传输等。ARP欺骗是日常生活当中，学生经常碰到的一个网络问题。以该内容为主题进行实验，有利于激发学生的学习兴趣。

1.ARP协议及其欺骗原理

ARP协议（Address Resolution Protocol），或称地址解析协议，其主要功能为根据目标主机的IP地址来查询其对应的MAC（Media Access Control）物理地址。ARP协议处于网络体系结构的网络层。根据计算机网络体系结构的定义，网络层的数据报必须传递给数据链路层进行打包后才能发送给目的地。数据链路层需要获取目的主机对应的MAC地址才能MAC帧的打包任务。每当网络层有数据报要传输，并且又不知道目的主机MAC地址的时刻，ARP协议将启动来查询目的IP地址对应的MAC地址。在局域网中，所有接收到广播方式ARP查询响应数据包的主机都将缓存查询得到的IP地址和MAC地址对应关系。主机中缓存这些地址对应关系的缓存区称为ARP高速缓存，即ARP列表。每当局域网中主机想要打包MAC帧时，首先查询ARP列表中是否存在目的主机MAC地址，如果存在对应的信息，则直接存列表中获取MAC地址进行打包。否则，发起一轮新的ARP查询，来获取对应的MAC地址信息。

ARP协议简单高效，但存在很大的安全隐患。ARP欺骗的原理可以简单的描述为：局域网中所有主机打包发送数据包都需要目的MAC地址信息。根据ARP协议的工作原理，主机获取目的MAC地址的方式是查询ARP列表或者进行ARP查询。基于此，只要局域网中有一台主机发送伪造的IP地址与MAC地址对应关系，就将对局域网的通信情况造成干扰，即实现ARP欺骗。ARP欺骗的症状主要表现为：操作系统提示主机IP地址冲突、网络中主机上不了网、主机之间的通信中断等。

2.创新实验设计

首先，由于ARP协议原理较为简单，其又具备网络协议的大部分特征，作为一个教学实验的协议案例从协议规模上来考虑是非常合理的。其次，ARP协议欺骗攻击实现起来技术比较简单，产生的网络异常症状十分明显，便于学生进行实践操作。再次，学生日常生活中可能经常碰到由于ARP欺骗攻击造成的这种网络现象，容易引起学生的共鸣和兴趣。所以，综合上述考虑，作为计算机网络创新实验的主题之一是比较合适的。具体的实验效果也证实学生们对该主题的实验内容充满了兴趣和实践动力。

基于ARP欺骗这个实验主题，如何引入建构主义学习理论，设计创新型的实验内容和教学模式是问题的关键。经过多年实验教学实践，我们设计了计算机网络课程创新实验教学模式。新的计算机网络实验教学以合适的实验内容、建构主义理论和创新型实验教学模式为基础来开展，具体的实验活动采用层进式推进。创新实验教学包含层进关系的四大部分：验证型实验、提高型实验、综合型实验和创新型实验。下面，我们以ARP欺骗为实验主题，分别针对这4个部分实验内容和教学方法进行阐述。

（1）验证型实验。首先明确实验的目标知识点，设定实验验证内容和方法，进行验证实验。在ARP欺骗实验中，给出ARP协议相关的理论和概念、介绍ARP欺骗的原理及其应用的网络工具软件Wireshark的使用方法。给出明确的实验指导书，先让学生按照实验指导书的步骤完成验证实验内容。

（2）提高型实验。在完成基础知识的验证以后，教师可以提出一些具有思考性的问题，引导学生自己探寻问题答案。例如，学生验证了ARP欺骗的原理和方法，教师可以在此基础上提问：“针对欺骗攻击方法，我们有什么方法可以进行欺骗的发现和防御？”这样，在品尝验证实验中获取的网络攻击成就感的同时，学生将会充满兴趣的去寻找问题的答案。通过这个阶段的实验，学生可以对前面学习的知识点有个更深入的认识。

（3）综合型实验。前面两个阶段实验内容的开展，都借助于现有的一些工具软件来实现。这个阶段将结合网络编程技术和相关的硬件知识，引导学生编写网络应用程序，仿真实现类似于前面的实验内容。例如，可以基于WinPcap开发包，编写相应的网络程序来实现接收和发送ARP数据包的功能。通过编程实现，学生将会对协议的细节有个直观的了解，可以更具体的感知协议的原理及其现实存在。

（4）创新型实验。建构主义学习理论认为，学习知识的最终目标是解决一些新的实践问题。在这个阶段，教师可以引导性的提出一些实践思路，让学生自己设定实验内容，发现一些有趣的新问题，并通过实践来解决问题。通过这个过程的实验，可以让学生体验到网络基础理论知识的重要性，并提高学生的创新实践能力。例如，教师可以提出引导性的问题：“基于ARP协议原理，我们是否能够自主设计新的攻击策略？”“是否可以根据我们前面学习的网络知识，思考其它协议的漏洞，提出攻击及其防御的策略？”等等。

三、结语

计算机网络实验，是学习计算机网络理论知识必不可少的实践活动，是课堂教学的有益补充。遵循学习规律的本质来设计对应的计算机网络实验教学方法，是提高实验教学效果的重要途径。本文基于建构主义学习理论，提出了一种新的实验教学模式和方法。新方法通过选择合适的实验主题，采用层进式的教学模式，并采用问题启发和兴趣激励的模式来激发学生的实验动力，最终培养解决问题的创新能力。通过多年的教学实践表明，该方法普遍受到学生的认可，能够取得预期的教学效果。

参考文献：

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基金项目：浙江省实验教学示范中心建设项目资助；项目编号：SB1105001-E。

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