摘  要： 針對當前實驗教學存在的問題提出了一種解決方案，并根據(jù)新的實驗環(huán)境進行了教學模式的探索。利用WEB等技術以及Dynamips 等軟件構建在線實驗室，主要包括路由協(xié)議、重構TCP三次握手、重構HTTP的交互過程、重構路由路徑等實驗項目。研究在線實驗室網(wǎng)絡環(huán)境下學生的學習心理、教師的教學心理，及其他們之間的關系，探索相容相長的教學模式。
關鍵詞： 在線實驗室；實驗教學；教學模式；網(wǎng)絡環(huán)境

    當前，國家大力提倡培養(yǎng)適應社會發(fā)展需要的具有創(chuàng)新思維、實踐能力的高素質人才，同時，國家提倡建設學習型社會，鼓勵終身學習。在信息時代，如何培養(yǎng)適應信息技術高速發(fā)展的人才是大學教育面臨的一個重要問題，其中加強實驗教學是一種有效的途徑，而在當前的教學中，實驗教學是一個薄弱環(huán)節(jié)，主要存在以下問題[1-5]。
    (1)在當前的實驗教學中普遍采用3種方法：①利用上課時間在實驗室做實驗，由于設備數(shù)量有限，無法滿足人手一臺設備，實驗效果有限；②純虛擬實驗，主要利用軟件模擬實驗設備和環(huán)境。這種方法中實驗設備工作過程過于理想，并且學生做實驗是一個被動接受的過程，實驗步驟、內容都是預先設定好的，觀察到的結果太過理想化，無法達到通過實驗發(fā)現(xiàn)問題、思考問題、解決問題的目的，不利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力；③學生自己購買儀器做實驗，這種方法不僅給學生在經(jīng)濟上造成困難且缺乏教師指導，實驗效果無法保證。
    (2)實驗設備更新較慢。由于各種客觀原因，不可能采購所有新技術的實驗設備，并且數(shù)量也不可能太多，因此教學和實驗內容普遍滯后于當前技術的發(fā)展[6]。
    (3)實驗測試設備少、更新慢。隨著當前信息技術的飛速發(fā)展，對測試設備的要求越來越高，并且在一些創(chuàng)新型實驗中，需要用到一些特殊用途的測試設備，一般實驗室無法滿足該要求。
    實驗設備在整個實驗體系結構中占據(jù)著重要的位置，因為缺乏符合教育理念的實驗設備而會導致實驗教學方法陳舊、實驗內容脫節(jié)于技術發(fā)展等問題，正是為了解決這一反應鏈中的根本問題——實驗設備問題，本文提出了構建可編程的、網(wǎng)絡化的實驗平臺方案，并以此為依托探索信息類課程模塊式、開放式、網(wǎng)絡化的實驗教學方法。
    當前，國內外已經(jīng)有一些科研單位進行了與網(wǎng)絡化實驗室相關的研究，但僅僅限于如何利用虛擬儀器技術構建遠程測量系統(tǒng)，無法實現(xiàn)對遠程實驗室設備的編程控制，例如美國Illinois大學的Nmrscope系統(tǒng)[7]、西班牙大學的電子儀器虛擬工作臺[8]、卡耐基-梅隆大學的虛擬實驗室[9]和意大利帕瓦多大學的遠程虛擬教育實驗室[9]。國內的一些大學也開展了相關的研究，如清華大學利用虛擬儀器構建了汽車發(fā)動機檢測系統(tǒng)以及四川大學基于虛擬儀器的設計思路[4，5]。但到目前為止，關于在線實驗室建設的相關研究還不多。
1 系統(tǒng)實現(xiàn)
    本論文主要分為實驗平臺的搭建和新教學方法的探索兩部分。其中新教學方法的探索在后面闡述，下面以4個實驗項目為例闡述系統(tǒng)的基本實現(xiàn)思想。
1.1 路由協(xié)議實驗的實現(xiàn)思想
    如圖1所示，在線虛擬網(wǎng)絡實驗平臺的軟件體系機構為三層架構：后臺服務器、應用服務器、客戶端[4]，采用了瀏覽器/服務器(B/S)的網(wǎng)絡計算模式。客戶端完成與用戶的交互、拓撲網(wǎng)絡的設計以及虛擬設備的配置交互。應用服務器可以置于網(wǎng)絡中的任何位置，運行在任何操作系統(tǒng)上，處理客戶端實驗網(wǎng)絡拓撲配置，完成客戶端與后臺服務器之間的通信轉接。后臺服務器采用Dynamips 軟件模擬實際的設備，通過采用應用服務器生成拓撲所需要的參數(shù)，管理和維護需要模擬的設備[4]。

1.2 重構TCP三次握手和重構HTTP交互過程實驗項目的實現(xiàn)
    重構TCP三次握手即服務器端捕獲客戶端訪問服務器時所經(jīng)歷的TCP三次握手過程，將三次握手的報文按照協(xié)議的格式展現(xiàn)給實驗者，這樣不僅可以加深實驗者對TCP三次握手過程的理解，還可以加深對TCP/IP協(xié)議棧內容的理解。
    HTTP是應用層的一個重要協(xié)議，當前很多應用都是基于HTTP協(xié)議的。重構HTTP交互實驗項目的目的是幫助實驗者理解這一重要協(xié)議，本文所述在線實驗室就是以WEB的形式基于HTTP協(xié)議的應用程序，因此把實驗者訪問服務器的HTTP交互過程捕獲下來，并以圖表的形式按照時間序列展現(xiàn)給實驗者，這樣可以讓實驗者看到訪問過程在計算機網(wǎng)絡中運行的報文細節(jié)，達到加深理解的目的，即“所做即所見”。
    上述兩個實驗項目的共同思想是利用服務器端的捕獲程序抓包然后解析出來，系統(tǒng)的架構如圖2所示，整個系統(tǒng)由主界面和測試界面構成。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。

    當用戶登錄到主界面之后，服務器端程序將啟動SharpPcap，根據(jù)收到的請求解析出用戶的地址，然后開啟一個線程偵聽這個地址的網(wǎng)絡端口，接著用戶訪問測試界面。訪問的目的就是發(fā)送一次遠程請求，使得服務器能夠捕獲數(shù)據(jù)包，后臺使用抓包程序和解析程序能夠生成對應協(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，點擊抓獲數(shù)據(jù)文件按鈕，后臺服務將解析后的離線數(shù)據(jù)發(fā)送到客戶瀏覽器，在主界面窗口顯示。
1.3 重構路由路徑
    在計算機網(wǎng)絡中，客戶端訪問服務器端需要經(jīng)過中間很多跳的路由器。重構路由路徑實驗項目的目標就是將客戶端訪問服務器端所經(jīng)過的路由路徑利用拓撲發(fā)現(xiàn)技術重新構建出來，加深實驗者對路由協(xié)議選擇路徑的理解。主要通過反向的tracert和ping等方法進行路由重構。
2 教學模式的探索
2.1 研究方法
    先搭建實際的實驗平臺，然后在此基礎上測試、評估教學方法。主要采用抽樣調查、理論分析、模擬實驗相結合的方法進行研究。
    在研究新的教學方法對學生的學習效果和心理以及教師的教學心理的影響中，設計調查問卷，隨機抽樣進行調查，得到大學生的心理特征，并進行歸納和演繹，探討大學生的心理特點，結合基于網(wǎng)絡環(huán)境的實驗學習的本質特征，分析大學生基于網(wǎng)絡環(huán)境的實驗學習的特殊性，進行教學模擬實驗，跟蹤教學效果，并根據(jù)實驗進行修正，最終形成基于網(wǎng)絡環(huán)境的實驗學習的教學策略。
    在TRIZ理論與基于網(wǎng)絡環(huán)境的實驗學習的融合研究中，采用理論分析方法，將TRIZ理論與網(wǎng)絡學習相結合，形成新型的創(chuàng)新性人才培養(yǎng)方案，通過教學實驗進行驗證。
2.2 技術路線
    實現(xiàn)以上思想的基本步驟是：設計大學生學習心理問卷→抽樣調查廣州大學生學習心理特征→探討大學生學習心理特征→分析大學生進行網(wǎng)絡學習的特殊性→模擬教學實驗驗證→計算機網(wǎng)絡課程網(wǎng)絡學習的特殊要求→課程間的聯(lián)系分析→課程體系適合網(wǎng)絡學習的整合→教學實踐驗證→TRIZ理論與網(wǎng)絡學習的相生相克原理分析→TRIZ理論與研究性學習融合分析→教學實驗驗證。
    本文充分分析了計算機網(wǎng)絡等技術的優(yōu)勢，在此基礎之上提出構建可編程、網(wǎng)絡化的在線實驗平臺的方案。利用計算機網(wǎng)絡拓展實驗平臺的使用范圍，實現(xiàn)異地遠程在線面向實際設備的實驗。
參考文獻
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