摘  要： 針對(duì)當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問(wèn)題提出了一種解決方案，并根據(jù)新的實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行了教學(xué)模式的探索。利用WEB等技術(shù)以及Dynamips 等軟件構(gòu)建在線實(shí)驗(yàn)室，主要包括路由協(xié)議、重構(gòu)TCP三次握手、重構(gòu)HTTP的交互過(guò)程、重構(gòu)路由路徑等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。研究在線實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下學(xué)生的學(xué)習(xí)心理、教師的教學(xué)心理，及其他們之間的關(guān)系，探索相容相長(zhǎng)的教學(xué)模式。
關(guān)鍵詞： 在線實(shí)驗(yàn)室；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；教學(xué)模式；網(wǎng)絡(luò)環(huán)境

    當(dāng)前，國(guó)家大力提倡培養(yǎng)適應(yīng)社會(huì)發(fā)展需要的具有創(chuàng)新思維、實(shí)踐能力的高素質(zhì)人才，同時(shí)，國(guó)家提倡建設(shè)學(xué)習(xí)型社會(huì)，鼓勵(lì)終身學(xué)習(xí)。在信息時(shí)代，如何培養(yǎng)適應(yīng)信息技術(shù)高速發(fā)展的人才是大學(xué)教育面臨的一個(gè)重要問(wèn)題，其中加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一種有效的途徑，而在當(dāng)前的教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，主要存在以下問(wèn)題[1-5]。
    (1)在當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中普遍采用3種方法：①利用上課時(shí)間在實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)，由于設(shè)備數(shù)量有限，無(wú)法滿足人手一臺(tái)設(shè)備，實(shí)驗(yàn)效果有限；②純虛擬實(shí)驗(yàn)，主要利用軟件模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備和環(huán)境。這種方法中實(shí)驗(yàn)設(shè)備工作過(guò)程過(guò)于理想，并且學(xué)生做實(shí)驗(yàn)是一個(gè)被動(dòng)接受的過(guò)程，實(shí)驗(yàn)步驟、內(nèi)容都是預(yù)先設(shè)定好的，觀察到的結(jié)果太過(guò)理想化，無(wú)法達(dá)到通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、思考問(wèn)題、解決問(wèn)題的目的，不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力；③學(xué)生自己購(gòu)買儀器做實(shí)驗(yàn)，這種方法不僅給學(xué)生在經(jīng)濟(jì)上造成困難且缺乏教師指導(dǎo)，實(shí)驗(yàn)效果無(wú)法保證。
    (2)實(shí)驗(yàn)設(shè)備更新較慢。由于各種客觀原因，不可能采購(gòu)所有新技術(shù)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，并且數(shù)量也不可能太多，因此教學(xué)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容普遍滯后于當(dāng)前技術(shù)的發(fā)展[6]。
    (3)實(shí)驗(yàn)測(cè)試設(shè)備少、更新慢。隨著當(dāng)前信息技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)測(cè)試設(shè)備的要求越來(lái)越高，并且在一些創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)中，需要用到一些特殊用途的測(cè)試設(shè)備，一般實(shí)驗(yàn)室無(wú)法滿足該要求。
    實(shí)驗(yàn)設(shè)備在整個(gè)實(shí)驗(yàn)體系結(jié)構(gòu)中占據(jù)著重要的位置，因?yàn)槿狈Ψ辖逃砟畹膶?shí)驗(yàn)設(shè)備而會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法陳舊、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容脫節(jié)于技術(shù)發(fā)展等問(wèn)題，正是為了解決這一反應(yīng)鏈中的根本問(wèn)題——實(shí)驗(yàn)設(shè)備問(wèn)題，本文提出了構(gòu)建可編程的、網(wǎng)絡(luò)化的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)方案，并以此為依托探索信息類課程模塊式、開(kāi)放式、網(wǎng)絡(luò)化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。
    當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有一些科研單位進(jìn)行了與網(wǎng)絡(luò)化實(shí)驗(yàn)室相關(guān)的研究，但僅僅限于如何利用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建遠(yuǎn)程測(cè)量系統(tǒng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的編程控制，例如美國(guó)Illinois大學(xué)的Nmrscope系統(tǒng)[7]、西班牙大學(xué)的電子儀器虛擬工作臺(tái)[8]、卡耐基-梅隆大學(xué)的虛擬實(shí)驗(yàn)室[9]和意大利帕瓦多大學(xué)的遠(yuǎn)程虛擬教育實(shí)驗(yàn)室[9]。國(guó)內(nèi)的一些大學(xué)也開(kāi)展了相關(guān)的研究，如清華大學(xué)利用虛擬儀器構(gòu)建了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)以及四川大學(xué)基于虛擬儀器的設(shè)計(jì)思路[4，5]。但到目前為止，關(guān)于在線實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的相關(guān)研究還不多。
1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
    本論文主要分為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建和新教學(xué)方法的探索兩部分。其中新教學(xué)方法的探索在后面闡述，下面以4個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為例闡述系統(tǒng)的基本實(shí)現(xiàn)思想。
1.1 路由協(xié)議實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)思想
    如圖1所示，在線虛擬網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的軟件體系機(jī)構(gòu)為三層架構(gòu)：后臺(tái)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、客戶端[4]，采用了瀏覽器/服務(wù)器(B/S)的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算模式?？蛻舳送瓿膳c用戶的交互、拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)以及虛擬設(shè)備的配置交互。應(yīng)用服務(wù)器可以置于網(wǎng)絡(luò)中的任何位置，運(yùn)行在任何操作系統(tǒng)上，處理客戶端實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑渲?，完成客戶端與后臺(tái)服務(wù)器之間的通信轉(zhuǎn)接。后臺(tái)服務(wù)器采用Dynamips 軟件模擬實(shí)際的設(shè)備，通過(guò)采用應(yīng)用服務(wù)器生成拓?fù)渌枰膮?shù)，管理和維護(hù)需要模擬的設(shè)備[4]。

1.2 重構(gòu)TCP三次握手和重構(gòu)HTTP交互過(guò)程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)
    重構(gòu)TCP三次握手即服務(wù)器端捕獲客戶端訪問(wèn)服務(wù)器時(shí)所經(jīng)歷的TCP三次握手過(guò)程，將三次握手的報(bào)文按照協(xié)議的格式展現(xiàn)給實(shí)驗(yàn)者，這樣不僅可以加深實(shí)驗(yàn)者對(duì)TCP三次握手過(guò)程的理解，還可以加深對(duì)TCP/IP協(xié)議棧內(nèi)容的理解。
    HTTP是應(yīng)用層的一個(gè)重要協(xié)議，當(dāng)前很多應(yīng)用都是基于HTTP協(xié)議的。重構(gòu)HTTP交互實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的目的是幫助實(shí)驗(yàn)者理解這一重要協(xié)議，本文所述在線實(shí)驗(yàn)室就是以WEB的形式基于HTTP協(xié)議的應(yīng)用程序，因此把實(shí)驗(yàn)者訪問(wèn)服務(wù)器的HTTP交互過(guò)程捕獲下來(lái)，并以圖表的形式按照時(shí)間序列展現(xiàn)給實(shí)驗(yàn)者，這樣可以讓實(shí)驗(yàn)者看到訪問(wèn)過(guò)程在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行的報(bào)文細(xì)節(jié)，達(dá)到加深理解的目的，即“所做即所見(jiàn)”。
    上述兩個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的共同思想是利用服務(wù)器端的捕獲程序抓包然后解析出來(lái)，系統(tǒng)的架構(gòu)如圖2所示，整個(gè)系統(tǒng)由主界面和測(cè)試界面構(gòu)成。其中抓包模塊流程如圖3所示，數(shù)據(jù)的分析的流程如圖4所示，顯示模塊如圖5所示。

    當(dāng)用戶登錄到主界面之后，服務(wù)器端程序?qū)?dòng)SharpPcap，根據(jù)收到的請(qǐng)求解析出用戶的地址，然后開(kāi)啟一個(gè)線程偵聽(tīng)這個(gè)地址的網(wǎng)絡(luò)端口，接著用戶訪問(wèn)測(cè)試界面。訪問(wèn)的目的就是發(fā)送一次遠(yuǎn)程請(qǐng)求，使得服務(wù)器能夠捕獲數(shù)據(jù)包，后臺(tái)使用抓包程序和解析程序能夠生成對(duì)應(yīng)協(xié)議包的數(shù)據(jù)，并且以文本的形式存放在本地文件系統(tǒng)中。之后用戶回到主頁(yè)，點(diǎn)擊抓獲數(shù)據(jù)文件按鈕，后臺(tái)服務(wù)將解析后的離線數(shù)據(jù)發(fā)送到客戶瀏覽器，在主界面窗口顯示。
1.3 重構(gòu)路由路徑
    在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，客戶端訪問(wèn)服務(wù)器端需要經(jīng)過(guò)中間很多跳的路由器。重構(gòu)路由路徑實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的目標(biāo)就是將客戶端訪問(wèn)服務(wù)器端所經(jīng)過(guò)的路由路徑利用拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)技術(shù)重新構(gòu)建出來(lái)，加深實(shí)驗(yàn)者對(duì)路由協(xié)議選擇路徑的理解。主要通過(guò)反向的tracert和ping等方法進(jìn)行路由重構(gòu)。
2 教學(xué)模式的探索
2.1 研究方法
    先搭建實(shí)際的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，然后在此基礎(chǔ)上測(cè)試、評(píng)估教學(xué)方法。主要采用抽樣調(diào)查、理論分析、模擬實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法進(jìn)行研究。
    在研究新的教學(xué)方法對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和心理以及教師的教學(xué)心理的影響中，設(shè)計(jì)調(diào)查問(wèn)卷，隨機(jī)抽樣進(jìn)行調(diào)查，得到大學(xué)生的心理特征，并進(jìn)行歸納和演繹，探討大學(xué)生的心理特點(diǎn)，結(jié)合基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的本質(zhì)特征，分析大學(xué)生基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的特殊性，進(jìn)行教學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)，跟蹤教學(xué)效果，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行修正，最終形成基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的教學(xué)策略。
    在TRIZ理論與基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的融合研究中，采用理論分析方法，將TRIZ理論與網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)相結(jié)合，形成新型的創(chuàng)新性人才培養(yǎng)方案，通過(guò)教學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。
2.2 技術(shù)路線
    實(shí)現(xiàn)以上思想的基本步驟是：設(shè)計(jì)大學(xué)生學(xué)習(xí)心理問(wèn)卷→抽樣調(diào)查廣州大學(xué)生學(xué)習(xí)心理特征→探討大學(xué)生學(xué)習(xí)心理特征→分析大學(xué)生進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的特殊性→模擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證→計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的特殊要求→課程間的聯(lián)系分析→課程體系適合網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的整合→教學(xué)實(shí)踐驗(yàn)證→TRIZ理論與網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的相生相克原理分析→TRIZ理論與研究性學(xué)習(xí)融合分析→教學(xué)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
    本文充分分析了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，在此基礎(chǔ)之上提出構(gòu)建可編程、網(wǎng)絡(luò)化的在線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的方案。利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓展實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的使用范圍，實(shí)現(xiàn)異地遠(yuǎn)程在線面向?qū)嶋H設(shè)備的實(shí)驗(yàn)。
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