構建網絡工程專業實踐教學體系

張　杰　張建偉

摘要:本文分析了網絡工程專業的教學目標和實踐教學的現狀,針對網絡工程專業實踐教學特點,構建了一套由實驗、實習、實訓等環節組成的,縱向擺脫對理論課程的依附,橫向與理論課程相互支撐的實踐教學體系,并具體設計了實踐教學平臺的實現方案。實踐證明,該做到現實與虛擬環境結合、校內與校外實習結合,為學生創造了良好的工程項目實踐的環境,很好地培養了學生的工程技術應用技能。

關鍵詞:網絡工程;實踐教學;橫向;縱向

中圖分類號:G642 文獻標識碼:B

1引言

網絡工程專業旨在培養具有計算機網絡基礎知識和抽象思維能力以及計算機網絡軟硬件基本理論和技術,從事計算機網絡信息安全應用、計算機網絡管理和維護、網絡系統設計開發和集成的高層次網絡工程和應用專業技術和科研人才。

網絡工程專業的畢業生應獲得的知識和能力有以下幾方面:

(1) 計算機網絡原理、數據通信系統原理、計算機網絡協議分析、網絡信息安全、計算機網絡管理、網絡操作系統、網站建設及應用開發技術及其他相關的計算機科學與技術等方面的理論知識及應用能力。

(2) 扎實的計算機網絡基礎知識與網絡管理及網絡信息安全應用的專業理論知識與基本技能,以及計算機網絡管理與網絡信息安全應用的設計和開發的初步能力。

(3) 各種計算機網絡、網絡設備、Web應用、網絡數據庫系統的集成和開發以及相關的科研、設計、調試、維護運行和管理的初步能力。

(4) 掌握資料查詢、文獻檢索及運用現代信息技術獲取相關信息的基本方法,具有一定的技術設計、歸納、整理、分析實驗結果、撰寫論文、參與學術交流的能力。

(5) 有較寬的知識面,具有較高的職業素質,包括嚴謹的科學作風、獨立工作和自我知識更新的能力。

要根據網絡工程專業的培養目標,培養出高水平的網絡人才,必須構建一套完善的、高質量的實踐教學體系,包括大型綜合實驗、課程設計、實習實訓、畢業設計等實踐教學環節。使學生掌握近代通信網絡的基本理論及網絡工程的實用技術,理解網絡協議體系、網絡互聯技術、組網工程、網絡性能評估、網絡編程與管理等相關知識,能夠從事網絡編程、網絡規劃、組網設計、網絡工程設計與建設、網絡運行維護及管理、網絡安全防護和性能分析等工作。

但是,長期以來由于各種主觀和客觀因素,網絡工程專業理論與實踐教學之間存在著許多問題,原有的計算機網絡實踐教學已不能滿足計算機網絡技術的發展需求。目前大多數院校網絡工程專業的實驗室建設普遍存在“缺少專用的網絡實驗室”、“網絡實驗所需的軟件和硬件短缺”、“忽視與企業間的合作”等問題。

2網絡工程專業實踐教學體系的結構

2.1網絡工程專業實踐教學的特點

根據當今網絡的應用發展和網絡工程專業的特點,實踐教學體系應有如下特點:

(1) 實驗平臺的復雜性。一個普通的網絡實驗至少要兩臺微機才能構建一個最簡單的網絡環境,而網絡環境太簡單又會使實驗在數量和質量上受到限制。為了取得較好的效果,每組實驗需要多臺微機和相應網絡硬件設備,同時組與組之間也可以構成更大的網絡實驗環境。

(2) 實踐教學的獨特性。網絡實踐教學中的絕大多數實驗,例如“網絡系統集成”、“網絡的規劃和管理”在兩節課的時間內是無法完成的。并且有些實驗與實驗之間是緊密聯系的,例如后面的實驗是在前面實驗的平臺上實現。這給實踐教學的實施提出了很大的難題。

(3) 實踐教學中知識跨度大、實用性強。網絡工程實驗要結合“局域網原理”、“互聯網技術”、“TCP/IP協議”、“協議分析”、“網絡編程”等多門課程來開設實驗,是對網絡工程的實施過程進行模擬仿真,具有很強的實用性。

2.2重組教學體系

根據社會對網絡工程人才需求的變化,以及網絡工程專業的現狀和發展,確定實踐教學內容,以實踐教學內容定位理論教學內容,對整個教學體系的教學內容進行合理取舍。例如:

(1) 合并、壓縮或調整原有課程中陳舊和重復的內容。如壓縮或調整網絡原理中一些比較陳舊的知識,如令牌環網、令牌總線網、FDDI網絡、CSMA/CD、X.25、幀中繼等技術,從而加大實驗學時,增加課程設計和實習環節。

(2) 根據網絡應用發展的具體情況和人才需求變化,對一些學科理論有重大發展的基礎課程的教學內容進行重組。例如調整組網技術在整體教學中的比例,增加網絡組建、安裝、測試及其工程實施的知識單元比重,增加組網、網絡應用、網絡管理、網絡編程、網絡攻防等工程應用類的課程。

(3) 適時地把一些反映當代計算機技術發展趨勢的內容充實到課程教學中。例如增加P2P技術的應用。

實踐教學體系是以培養學生的技術應用能力為主線,培養學生的知識、能力和素質結構。把網絡工程實踐教學作為一個體系納入網絡工程專業人才的培養方案之中,在人才質量觀、現代工程教育觀、終生教育思想的指導下,圍繞專業培養目標的要求,對不同的實踐教學環節進行系統的完善和實施,從縱、橫兩方面考慮,形成網絡工程專業實踐教學體系結構,如圖1所示。

縱向擺脫實踐教學對理論課程的依附,按照從簡單到復雜、從低級到高級、從單一到綜合,循序漸進地認識規律,整體設計其內容,相對獨立地形成一個有梯度、有層次、有階段性的實踐教學體系;橫向與理論課程相互支撐,有機結合。在各自波浪式前進的過程中不斷出現結合點,以培養具有綜合的思維能力和綜合處理問題能力的復合型人才。

作為網絡工程專業實踐教學體系建設的支撐,主要包括實驗教學平臺、實訓教學平臺、實習基地等的建設。

3實踐教學平臺的構建

3.1網絡實驗平臺的設計和搭建

網絡實驗平臺的設計和搭建遵循系統性、先進性、實用性、開放性、發展性的原則。由于網絡專業的實踐教學課程較多,要組建能夠適合多個課程的網絡實驗平臺是一項復雜的工作。對實驗平臺的規劃、設計、硬件建設、軟件建設以及網絡的使用、擴充等均要以系統的眼光來看待。先進性和實用性是指實驗平臺應盡可能地采用當今流行的先進技術,同時也要兼顧技術的成熟性和實用性。實驗平臺的規劃、設計采用開放技術、開放結構和開放系統組件,有良好的兼容性,以利于在實踐課程進行的過程中網絡平臺的維護和擴展,既能適合學生的公共實驗課程,也能適合學生自主設計的實驗。

基于以上原則以及實驗室的具體實驗設備,設計出總體的網絡實驗平臺的拓撲結構如圖2所示。串口控制服務器CCM(Configure Control Module)是每個實驗組的控制中心,每個實驗組配置一臺CCM作為實驗組的核心設備,通過CCM上的網絡接口將所有的實驗組互聯到實驗室中心交換機上。每個邏輯實驗組分別完成不同類型的實驗,也可以將多個邏輯實驗組合并為一個物理組中,形成綜合實驗組。實驗室管理系統(LinkManager Netcollege)具有可視化網絡拓撲圖和遠程模擬串口登陸設備等功;可以多人共享同一臺設備,以小組方式學習;同時教師還可以實時打斷學生的操作,進行指導教學。實驗室備有思科、華為和神州數碼等多個廠家的高、中、低端設備,供學生完成實踐教學的內容。

實驗作為教學環節,除了應盡量再現網絡環境的真實性外,還要使學生在一個可操作的環境下學習和訓練相關技能,因此,除了硬件環境外,還在PC 機上安裝了路由器模擬軟件、交換機的模擬軟件以及操作系統的模擬軟件、網絡協議的分析軟件等,學生可以方便地利用這些軟件進行各種類型的網絡架構設計和測試。

3.2實訓平臺的設計和搭建

網絡工程專業的實訓主要包括:網絡綜合布線與測試、網絡組建、網絡應用編程、網絡攻防等幾個方面。其中,網絡組建、網絡應用編程實訓環境均是根據每組學生的具體設計方案,提供相應的設備,由學生自主完成獨立的環境搭建、調試和運行;而網絡綜合布線與測試、網絡攻防的實訓環境必須有相對固定的場地和模擬環境,否則,會對使用的網絡構成不可預知的威脅。

網路綜合布線實訓室具備知識學習、技能訓練和工程實踐三部分的功能。知識學習部分利用教師通過對各種資料、圖像、錄像、樣品等的講解,整體呈現綜合布線系統工程所涉及的各種知識和產品;技能訓練部分主要通過訓練裝置鍛煉學生對各種布線產品的基本安裝和操作的基本技能;工程實踐部分分為實際工程項目教學和模擬工程項目教學,相對于實際工程項目這種實習型的教學,模擬工程項目實踐教學是在經過深化設計的模擬布線工程環境中,給學生提供布線工程涉及的各個子系統和路由的設計、管理、安裝等全方位的訓練,具體實訓環境結構如圖3所示。網絡綜合布線與測試實訓環境集“教、學、做”為一體,是一個校內生產性實訓基地,從演示實踐教學、基本技能訓練實踐教學、工程項目實訓實踐教學三個層面為網絡綜合布線技術課程教學提供了整套實踐教學解決方案,充分體現了技能教學的特點。

網絡攻防的實訓環境如圖4所示,使用安全沙盒的模擬環境。安全沙盒是進行網絡安全攻擊和防御的模擬平臺,使用虛擬技術以及簡單的設備模擬復雜、繁多的計算機系統、網絡環境。網絡沙盒具有虛擬化技術、實驗包技術、虛擬系統動態遷移技術。虛擬化技術是指在主操作系統上虛擬出不同的虛擬服務器,每個應用層的實驗程序運行在獨立的軟件環境中,同時啟動多項安全實驗,最大限度發揮系統資源的使用率;實驗包技術是指把一個攻防實驗所需要的所有組件,包括運行環境、主服務程序、非公有工具、技術幫助文檔等通過加密技術組成一個完整的實驗包,可以方便地進行管理和加載;虛擬系統動態遷移技術是指攻防平臺和課件平臺分離,教師通過控制臺可以為學生開啟各種計算機及網絡安全教學課程的實驗環境,學生可以在實驗環境中進行各種計算機及網絡安全的攻防實驗,獨立隔離的網絡環境不會對其他網絡造成危害,并且可以最大限度地利用系統資源,提供盡可能多的服務。

3.3校企合作和實習基地

在重視校內實踐教學的同時,加強校企合作和校外實習基地的建設也是網絡工程專業實踐教學的一個重要環節。校企合作是培養工程應用型人才,縮短教學與就業之間距離的一個重要渠道,在網絡實驗室的建設中,與多家網絡廠商和企業合作,培養了一批雙師型教師,使實驗室具有了培養國家計算機網絡管理員、計算機網絡工程師、Cisco網絡工程師、華為3COM網絡工程師等的專業培訓和考核能力。這樣,不但便于教師根據網絡應用的變化及時更新和完善教學體系,也有利于學生就業競爭力的提高。

網絡實習教學是加強網絡專業知識教育,增加學生對網絡技術的感性認識、實踐能力、創新能力的重要綜合性訓練環節。實習基地也是培養學生創新精神和實踐能力的重要場所, 是學生了解社會和企業的橋梁。依托校園網,建立校內的網絡控制中心實習基地和綜合布線實習基地,在這兩個實習基地中,學生能夠完成真實的網絡設計、組建和維護工作;其次,與有關企業聯合,建立了二十多個校外實習基地,保證一定名額的輪崗實習和頂崗實習,充分保障了學生高質量的完成實習任務,使學生由“知識型”向“知識能力型”轉變。

4結束語

在構建網絡工程專業實踐教學體系時,我們將原來服務于理論教學的實踐教學,從理論教學體系中分離出來,形成相對獨立的實踐教學體系,形成兩條主線的教學體系。同時大幅度提高實踐教學學時的比例,把實驗、實習、實訓、課程設計和畢業設計等各個實踐環節有效地配合和銜接起來,通過各類實驗培養學生的工程技術應用能力。

在校內實驗室的管理上,我們采用固定課時、預約課時、開放課時等多種模式相結合的管理方法,方便學生完成課內、課外以及遠程實驗。實踐結果表明,該實施方案有利于促進該專業的實踐教學環節的實施,能夠達到提高教學質量,為社會培養高質量的網絡工程技術及網絡應用人才的目的。

參考文獻:

[1]教育部高等學校電子信息科學與電氣信息類基礎課程教學指導分委員會. 電子信息科學與電氣信息類基礎課程教學基本要求(匯編)[Z]. 2004,8.

[2] 劉志軍. 改革模擬實驗教學和考試方法的嘗試[J]. 電氣電子教學學報,2000,22(3):100-103.

[3] 鄂大辛. 開放實驗的研究與實踐[J]. 實驗技術與管理,2003,20(2):116-119.

[4] 華為技術培訓中心. 華為網絡學院系列教程[M]. 北京:華為技術有限公司.

[5] 神州數碼網絡技術學院. 現代網絡信息技術[M]. 北京:北京科學技術出版社.