摘要：根据当前计算机网络实验教学中存在的问题，结合我院专业特点，对实验方法的选择进行探讨，介绍采用层次渐进法设计实验题目的优点。以一个网络应用程序设计题目为例，对如何采用层次渐进法设计实验题目进行详细说明，并分析了教学效果。
关键词：计算机网络；实验；层次渐进法；网络应用编程
作者简介：高屹，男，副教授，研究方向为计算机应用技术；王琦，女，讲师，研究方向为计算机应用技术。
21世纪是网络信息时代，计算机网络的应用无处不在，越来越多的高校开设计算机网络课程。从研究生到高职高专的各个层次，从计算机网络工程专业到某些文科专业，越来越多的学生需要应用网络技能面对职业甚至生活基本技能的挑战，或就业于相关领域[1]。另一方面，计算机网络是公认比较难学的一门课程，涉及知识内容丰富，技术发展日新月异，由于就业方向及培养目标的不同，不同专业在教学内容和教学方法的选择上差异巨大。
绝大多数计算机网络课程都分为理论教学和实验教学两个部分。对于理论教学的方法，各院校都非常重视，很多专家教师结合各自的专业特点，进行了多方有益的探索，形成了多种比较成熟的教学方法，教学效果也得到了充分保证。针对理论教学内容的探索越来越深入，教学内容已经很好地细分，能够充分适应就业需求。在教材建设方面，以几大经典系列教材为代表[2-3]，优秀教材层出不穷。与此相对应，计算机网络的实验教学还比较薄弱。
计算机网络是一门实践性很强的课程，缺少或者弱化实践环节，整体上很难达到教学效果，这一点已成为共识。与理论教学相比，对实验教学内容及方法的探索起步较晚，还存在一些不同认识，优秀实验教材[4]的数量也要少得多。
1对计算机网络实验教学的探索
计算机网络是一门工程应用特征非常明显的课
程。在进行课程改革时，工科院校应该以提高学生工程应用能力为目的，以市场为导向，形成一个较为完整、系统的实验教学体系[5]。既要保证通过实践验证所学的计算机网络基本理论，又要结合当前计算机网络的最新技术培养学生的综合素质和创新实践能力。
实验教学在实施上以学生的自主操作为主，但同样需要系统的管理与专业的指导。实验教学不是简单的布置题目，教学效果也不能完全依赖学生的发挥。
1.1存在的问题
1) 缺乏权威性实验教材。
一本好的教材对实验教学至关重要。除了丰富的实验选题外，还应该提供完整的技术思路、系统的方法指导和全面的背景知识。但不得不承认，目前权威的实验教材还比较缺乏，教师在教学活动中可参考借鉴的内容相对有限且不系统，造成教学效果基本依赖教师个体的水平和责任心，教学质量难以保证。
2) 对实验教学不够重视。
一直以来，教师往往更注重计算机网络理论教学而轻视了实验教学。由于缺乏教学经验的传承和积累，教师囿于实验室而缺乏对学生就业的预见性，加之缺乏权威教材的指导，开设的实验只是对网络操作系统简单应用的验证性实验，实验内容随意性比较大，针对性较弱，不能满足学生的就业需求。学生缺
少通过实践进行检验和加深对理论知识理解的机会，使学生对学习感到抽象和空洞，难以理解和掌握，教学效果不佳。
3) 实验内容取舍不当。
计算机网络包含的内容极其丰富，从教师的角度看，哪部分内容都很重要，都不想放弃。但内容的过分求全往往会造成学生在做每个实验时都蜻蜓点水，最终难以深入。要想充分利用有限的实验课时，实验内容必须取舍，那种希望通过一门课程的学习，使学生既搞清复杂的网络原理，又学会网络编程，同时还训练各种网络应用技能的愿望是不切实际的。
从实验的功能来看，计算机网络实验一般可分为三种类型：第一类是原理验证型实验，第二类是实践应用型实验，第三类是探索研究型实验[1]。在安排实验内容时，部分院校存在原理验证型实验比重偏大的问题。作为重点工科院校，借助于各类仿真软件和协议分析软件，绝大部分计算机网络的基本原理可以在理论教学中讲解演示清楚，不必再花费大量实验课时进行验证。所以，我们认为重点应放在实践应用型实验上，达到巩固所学内容并延伸思考的目的，利于学生学以致用及创新能力的培养。探索研究型实验的开设对象应该是那些学有余力且特别具有开拓钻研精神的学生，此类实验不应占用过多的统一实验课时，而是以开放性实验或学院资助参赛项目的形式实施。
4) 学生体会难以深入。
实验教学是理论教学的延伸，学生不能仅满足于学会或完成，必须要对所做实验有深刻体会。因此实验难度的安排和教师的引导至关重要。每个题目的难度要能够激发学生的主动思考，辅以教师的恰当引导，唤发学生对现有知识理解基础之上的深刻个人体会，并进一步唤醒学生的创新意识。
培养学生解决问题的创新能力是重要的教学目标，它离不开解放思想和独立思考。实验课程必须给学生提供独立思考的机会，兼顾军校的严格管理和鼓励学生个性充分发展。我们主张承认并客观面对学生的个体差异性，在实验内容和难度上不强求一致，而是对每个实验设置多个难度层次。后一层次的工作建立在前一层次完成与思考的基础之上，使每个学生个体都能最大限度地得到深刻的体会，我们称这种方法为层次渐进法。
1.2实验方法的选择
对于计算机网络的实验教学，选择适当的实验方法也是至关重要的。通过广大教师的不断探索，我们近年形成了很多有特色的实验方法，有的注重动手能力培养，有的注重实验室建设，有的注重实验系统和实验平台的应用[6]，有的注重虚拟实验与真实实验相结合[7]，有的注重基本原理与网络产品相结合等。
与实验内容的选择相同，对实验方法的选择也不可求全，以一到两种为宜。选择哪一种实验方法，需要根据专业特点，再综合考虑多方面因素。在开展网络实验的实践中，我院重点考虑了以下三方面的因素：
首先是与理论教学内容相结合。我院选择《计算机网络——自顶向下方法》作为理论教学教材，该书作者具有深厚的网络应用研究背景。在内容安排上，使教师能够在教学早期阶段就开始介绍网络应用程序的开发[2]，对各类网络应用程序和应用级协议的关注度极高。
其次是与学生的就业预期相结合。我院主要培养胜任未来信息化军队领导岗位的高素质新型通信初级指挥人才，学生今后工作中接触计算机网络的方式主要是使用或设计网络应用程序。因此，本课程的定位应该是培养“使用计算机网络的技术人员”。
再次是对学生心理进行深度挖掘。青年学生知识面广，接受新鲜事物快，但他们不盲从，如果不事先认同，很难真正调动他们深入研究的积极性。作为学生，他们缺少科研攻关的经历，对于在学术上如何克服困难完成任务还缺少必要的心理预见。
综合上述因素，我们选择以网络应用编程为主要实验内容，这样与教材的知识契合度高。主要采用软件编程的实验方法，为学生将来作为技术人员使用网络打好基础。我们使用层次渐进法设计实验题目，以适应学生学习能力的个体差异性，避免因难度不当造成的心理落差。
我们不认为软件编程方法“难以保证教学质量的一致性，无法实现网络实验的基本功能[1]”。由于学生学习能力的个体差异性，教学质量很难“一致”，其实也不必强求“一致”，重要的是通过加强组织管理和恰当引导，充分发挥学生的主观能动性，在确保每个学生都能达到基本教学要求的基础上，将每个学生的个体能力发挥至最大，真正做到既传授知识，又培养能力。
1.3层次渐进法的实践
在我院计算机网络的实验教学实践中，除少量的原理验证型实验题目为公共科目外，学生主要完成实践应用型实验，具体说就是完成一个网络应用的设计与实现。
我们设计了多个网络应用题目，学生可以自主选择其一，每个题目都使用层次渐进法设置多级目标。这样既便于教师引导，又便于学生克服困难完成任务，提高教学质量。
下面就以一个实际题目为例，说明如何运用层次渐进的方法设计题目，并对实践效果加以分析。
2层次渐进的题目设计
本题目要求使用Socket编程，实现客户/服务器模式的客户端和服务器端程序，它们之间的通信使用TCP协议。具体实验目标被划分为10个层次，每一层目标的完成将是开始下一层工作的基础。希望学生能够充分发挥主观能动性，克服困难，不断进步。通过本题目的实践，希望每个学生都能在自己的能力和努力范围内取得最大程度的提高。
除第1层外，其他各层都不提供示例程序。各层次的功能要求如表1所示。
表1各层次功能要求
层次功能要求
第1层完成最基本的通信功能。通信是单向的，由客户端向服务器发送一个固定的字符串“Hello”，服务器成功接收后显示该字符串。客户端与服务器分别结束运行。
第2层将通信改为双向。客户端输入一个任意字符串，向服务器发送；服务器接收后，增加一个后缀“_yes”并回传；客户端接收后显示。
第3层增加循环控制功能，可多次输入、发送并回传。客户端在发送后对字符串进行判断，服务器在接收后对字符串进行判断，如果是某个特殊字符串，如“exit”，则退出循环，结束运行。
第4层客户端向服务器发送一个指定文件。文件按“块”读取和传输，需要有辅助信息帮助服务器确定文件传输的开始和结束，这可以视为应用层协议的雏形。
第5层增加多线程功能。使服务器可以同时接收多个客户传送的文件。
第6层增加控制功能，允许一个客户发送多个文件。初始建立的TCP连接为控制连接，负责传递控制命令和文件信息；文件传输时建立新的数据连接，传输文件数据。
第7层将文件的传输改为双向，允许客户从服务器取文件。
第8层设计一个简单的应用层文件传输协议。在上一层基础之上，增加文件列表、创建子目录、改变子目录和删除文件等命令，形成一个较为完整的应用层文件传输协议——SFTP(Simple File Transfer Protocol)。
第9层实现SFTP。
第10层阅读RFC959，学习FTP协议的有关细节。研究一个开源的FTP系统。了解实用程序的编程风格，学习几个关键环节的实现方法。
注：每层都需要分别实现客户和服务器两个程序。开始时服务器监听，等待客户的连接。连接成功后继续完成上述功能。
3教学效果
在我院的计算机网络实验课程中，上述题目占用8个学时，从实施结果看，绝大多数学生都能够完成6至9层功能，取得了令人满意的教学效果。下面我们从各层的难度入手，对教学效果进行分析：
第1层只要掌握最常用的几个Socket函数即可完成，我们还给出了示例程序，几乎没有难度，仅仅是工作的一个起点。从第1层到第4层，各层之间的难度增加很小，各层增加的程序不过10行。所有学生都能在课内完成前4层，这其实也是该题目的最低要求。
单纯从编程的角度来看，第4层到第5层是一个较大的台阶，因为相当一部分学生没有多线
程编程的经验。我们采取的措施是：在实验指导书中讲解多线程编程的方法，提供多线程编程示例，给出多线程编程方法与本层功能结合的相关提示。借助这些参考知识，绝大多数学生能够实现第5层功能。
与前几层相比，从第5层到第9层的难度增加仍然很小，一旦突破第5层，第6至第9层都可以顺利完成。但这几层间的工作量增加较大，每层的实现需要一定时间。最终，有约1/4的学生能够进行到第9层。试想一下，如果不是采用层次渐进法，而是直接将第9层功能作为实验题目来布置，恐怕只有极少数非常优秀的学生才能够完成。
该题每一层比上一层的难度都有所增加，但增加部分都集中在单一技术点上，便于学生的学习研究，不至于被困难所吓倒。当课程结束，总结所做内容时，学生就会发现逐层难点的解决就构成了一个完整的科研攻关过程，从而初步形成一定的科研攻关经验与心理承受力。
实施层次渐进法以来，没有学生能够在课内完成全部10层任务，避免了个别学生在实验课中所有可能产生的盲目自信情绪。事实上，对任何人来说，第10层本身就很难在短时间内完成。
实验成绩按所达到的层次确定。前几层占分数比例比较大，后几层虽然难，所占分数却比较少，有利于大家共同提高，整体达到基本教学效果。这个措施还在一定程度上杜绝了编程实验中常有的抄袭和复制现象。
采用层次渐进法具有以下效果。
1) 增强学生的自信心。
课程结束时，无论停止在哪一层，学生对下一层的实现都会有一定想法，虽然还没做，但他们知道假以时日是能够做出来的。这样就避免了太难的实验题目吓退学生的学习兴趣与积极性，使不同层次的学生都有信心亲自动手解决问题，充分发挥实验教学的功能。
2) 为学生创新意识的培养创造条件。
在实验的后半段，有些学生已经不再按实验指导
书规定的层次要求往下做，而是根据个人的优势和愿望自由发挥。例如，有的学生本身具有MFC的编程基础，他们将SFTP客户端实现为标准的窗口界面，所实现的系统界面精美、使用方便。事实上，凡是做到第6层以上的学生，都会对后续工作产生一些想法，有时比我们想告诉他们的还要多。课后，还有学生继续选择相关的开放性实验项目，课程实验起到了很好的基础性作用。
3) 促进理论教学。
事实上，越是达到较高层次的学生，产生的创新想法越多，也越是感慨基本原理学习的重要性，因为他们正是从一个个基本问题的解决中一步步前行的。学生不仅可以通过实验加深理解计算机网络的相关理论，还可以在理论中寻求解答，提高学习的内在动力，提高课堂教学质量。
4结语
计算机网络中的变革是持续不断的[2]，计算机网络教学也必须跟上网络技术的发展。笔者选择计算机技术中的网络应用程序编程为突破口，对网络实验课程的教学方法进行了一点探索。希望以此为基础继续探索，也希望对兄弟院校有所帮助。
参考文献：
[1] 陈鸣,胡谷雨,周雷,等. 计算机网络课程教学的思考与创新[J].高等教育研究学报,2008,31(2):66-68.
[2] James F. Kurose,Keith W. Ross.计算机网络：自顶向下方法(原书第4版)[M]. 陈鸣，译.北京:机械工业出版社,2010.
[3] 谢希仁. 计算机网络[M].4版. 大连:大连理工大学出版社,2004.
[4] 陈鸣,常强林,岳振军. 计算机网络实验教程从原理到实践[M]. 北京:机械工业出版社, 2007.
[5] 温志萍. 基于培养工程应用型人才的“计算机网络”课程教学改革[J]. 计算机教育,2008(22):12-15.
[6] 全成斌,徐明伟,赵有健,等. 计算机网络实验课程体系探索[J]. 计算机教育,2008(24):9-11.
[7] 罗芳琼. 高校计算机网络实验教学研究[J]. 福建电脑,2011,27(1):32-34.
Thoughts and Practice on Experimental Teaching of Computer Network
GAO Yi, WANG Qi
(Institute of Communications Engineering, PLA University of Science & Technology, Nanjing 210007, China)
Abstract: This paper mainly analyzes problems in current experimental teaching of computer network. On a basis of the special features of our institute, it introduces the advantages of designing experiment titles by adopting progressive level method as well as discusses about the options of experimental methods. Taking the title design of a network application as an example, this paper explains in detail how to design the experiment title by adopting progressive level method and makes an analysis of its teaching effects.
Key words: computer network; experiment; progressive level method; web application programming