基于eNSP的網絡工程實踐教學體系探索

李鳳銀, 禹繼國, 鞠宏偉, 劉曉歡

(1. 曲阜師范大學 信息科學與工程學院, 山東 日照 276826；2. 曲阜師范大學 實驗室與設備處, 山東 日照 276826)

網絡工程專業是我國很多高等院校近幾年開設的新專業,但對于該專業的發展和要求,國內外高等院校并沒有給出一個統一的模式和現成的規范,尤其是在實踐教學方面,更是沒有完整的模板可用,對該專業的實踐教學的改革方面,很多相關專家已經做了較多的嘗試[1-9]。對網絡工程專業的實訓模式進行改革,從根本上強化學生的實踐動手能力培養、提高學生實踐操作的技能,為學生達到一專多能的技術水平打下堅實的基礎,是目前網絡工程專業教育迫切需要解決的問題之一。

1 網絡工程專業實踐教學近狀分析

1.1 驗證型的基礎實驗比重太大

學科基礎課程、專業方向的基礎課程、通識教育的課程、集中實踐性的課程等是目前各高等院校培養方案的設置形式,集中實踐性的課程即相關實驗的制作、課程設計方案和畢業設計論文等是目前各高校主流的培養方案設置。網絡工程課程基本上都是先在課堂上進行理論學習,然后再到實驗室集中做相對應的實驗來驗證理論學習的準確性。實驗課的學時數不能滿足現代的教學要求,如計算機網絡、網絡工程、網絡管理等課程中存在一些龐大復雜的實驗項目,使得學生很難在一次實驗課的上機調試中完成,為了達到教學課時要求的目標,課程設計只能降低難度,從而導致學生應用知識的技能得不到有效的培養。

1.2 設備緊缺限制專業設計型實驗項目實施

能將理論與實踐相結合是衡量一個學生是否合格的基本標準,也是提高學生在激烈競爭的就業市場上的競爭力的有力武器。要想使畢業生在激烈的就業中占有一席之地,關鍵的方法就是增強學生動手技能的培養。但是目前網絡工程實驗室的實驗設備配置資金耗費比較大,各高校在網絡工程設備方面的資金投入遠遠跟不上招生規模和學生能力培養的需求,一些具有原創性、設計性、概括性及靈活性的測試在實驗室里無法實現,導致大學生動手實踐能力較低。

1.3 實驗室的管理不夠靈活

當前網絡工程實驗室的管理依然是上課開門做實驗、下課就關閉的課堂實驗管理模式,限制了學有余力的學生在業余時間設計并實現綜合技能實驗。應該增強實驗室的縱向發展,最大限度地滿足學生對實驗設備的需求,為學生動手實踐能力的培養解決后顧之憂。

1.4 學生的專業興趣缺乏問題

因為在技能發展方面沒有得到更加專業的指導,使得學生很難及時將所學到的理論知識應用到現實生活中,從而使得較大部分的學生對所學的專業感到枯燥乏味。理論是乏味的,只有將理論和實踐聯合在一起,才會使其變得非常具有吸引力,使得學生能夠更好地在專業上找到學習的樂趣、發揮自己的優勢。在這一點上,當前實踐教學改革做得遠遠不夠，需要通過第二課堂激發學生的興趣并通過各種課外活動保持這種興趣。

3 基于eNSP的網絡工程專業實踐教學體系

計算機網絡工程這一科目的實驗制作不同于其他學科的實驗,它是由很多龐大復雜的網絡結構組成,因此完成實驗的要求比較高。特別是受環境、技能等各個方面因素的影響,教學設備的硬件組成相對比較短缺和落后,大多數實驗室的設備都只是一個“PC”機的組合。因此,使得學生練習與網絡測試相關實驗的條件受到限制,縱然是實驗室中有很多與實驗內容相關的網絡設備，也都會因為網絡安全因素的存在使得學生訓練的機會被剝奪。同時,還由于很多學生沒有見過實驗室中的很多相關設備,加上對測試環境十分陌生,經常是把很多的實驗時間白白地浪費掉,使得實驗室的利用效率大大降低。

3.1 建立基于eNSP的多樣化實踐教學與激勵體系

針對當前網絡工程專業實踐教學模式中存在的問題,對工程實訓模式現狀展開深入研究,對網絡工程專業的實訓模式進行改革,引入基于eNSP的虛擬化教學體系,創建基于eNSP的多樣化實踐教學與激勵體系(見圖1),在當前高校網絡工程實驗設備配置嚴重不足的情況下,結合eNSP仿真器,充分利用現有設備為學生開出足夠多的設計型和綜合型實驗,以增強學生的專業實踐能力,從而增強他們在將來的就業競爭中的優勢,進一步提高學生的就業率和就業滿意度。

圖1 基于eNSP的多樣化實踐教學與激勵體系

3.2 建立“虛實”兩級網絡實驗平臺

基于eNSP的網絡工程虛擬化實驗，是指通過操作計算機軟件模擬出真實環境中所需要的實驗網絡設備,并對要進行的實驗通過網絡組織、部署、設計和測試等實驗方式,搭建“虛”的仿真網絡實驗平臺。有了基于eNSP的虛擬化實驗做基礎,學生就可以充分利用網絡工程專業實驗室的真實儀器設備,開展設計型和綜合型的實驗項目,這部分則構成了“實”的網絡實驗平臺。這種“虛實”兩級網絡實驗平臺機制,既提高了實驗設備的利用率,又激發了學生的實驗積極性和實驗效率。

從教學方法上采用“虛實”兩級管理機制，可以使學生在進入實驗室進行操作前，提前通過虛擬實驗環境了解該實驗所涉及的技術和相關知識,進而在很大程度上提高網絡實驗室的使用效率。

通過“虛實”兩級網絡實驗平臺的構建,更加高效地開展實踐教學活動,更加規范、合理地進行實踐教學管理,有效地提高了計算機網絡工程實驗教學的質量,使理論學習和實踐緊密結合,更好地滿足了本科教育中創新型、實用型技能人才的培養要求。

3.3 基于eNSP的多樣化實踐體系的主要功能

項目組通過引入eNSP仿真器彌補當前工程設備緊缺的問題,將理論與實踐充分結合,形成理論教學→基礎實踐教學→專業課程實踐教學→專項技能訓練→綜合演練→單位實習為主線的實踐動手能力培養模式。同時積極開展學生第二課堂活動,有效激發和引導學生的專業學習興趣。它能夠完成復雜的、設計性的實驗,可以降低實驗成本、提高實驗室利用率。很明顯,網絡工程虛擬化實驗具有低開銷、無破壞性、高效率、無維護等優勢,能夠解決之前提出的網絡工程實驗面臨的不足和困難。通過使用網絡工程虛擬化實驗教學的研究和實踐,取得了良好的效果。

虛擬化實驗教學目標是全面了解整個計算機網絡系統的工作過程和方法、熟練運用網絡中比較關鍵的路由技術和交換技術、整體把握網絡管理和網絡安全常識、熟悉網絡應用的建設過程等。

虛擬化實驗教學通過模擬真正的實驗環境搭建，并在該環境下完成網絡技術方面和網絡實例方面的測試工作,從而使學生能夠達到市場和社會的人才要求。仿真軟件可以使用華為的eNSP、思科的PacketTracer等,從而模擬出 Cisco公司的各種主流的網絡設備,并且按需選用，無需維護費用也無破壞性,更關鍵的是能解決現有實驗設備不足的問題,還能增加網絡實驗的效果。網絡實驗的操作包含實驗前的預習和準備,以及了解所要做的實驗的背景、意義、具體步驟和過程。在進行實驗測試時要求學生檢查實驗、記錄中間結果并解答與實驗相關的題目。測試完成后要求學生對實驗過程進行描述,并制作一份詳細的實驗報告,作為本課程成績的一部分。

虛擬化實驗項目設計從項目內容方面來引起學生的學習興趣和學習動力,是項目改革的重要內容之一,因此,該項目實驗教學內容選取了市場上迫切需要的或者應用比較多的技術理論,并將工程中的一些項目作為虛擬化實驗教學的實驗項目。項目的設計目的,其一就是可以為學生畢業后的就業奠定基礎,另外可以為學生考取職業資格證書打下根基。有了對應的利益，驅使學生提高了學習的積極性和能動性。

每個實驗項目設計為實例、技術要求、實驗內容、實驗步驟等4個方面。案例指該實驗在企業或市場中的使用場景,以激發學生對項目實施的期盼。技術要求就是本項實驗所用到的關鍵技術,并將其作為實驗前的預備知識,有助于學生快速而有針對性地完成實驗。實驗內容給出實驗要求、實驗目的等信息，而實驗步驟則包括實驗的詳細過程和注意事項,也包括實驗的中間結果、實驗的預期目標和思考題等。

經過較長時間對虛擬化網絡工程實驗的研究和探索,目前已經概括出以下較為經典的實驗項目:VLAN 設計、配置與管理、WLAN；STP生成樹協議；路由器技術配置和管理；案例:路由器實現VLAN間通信；PPP(point to point protocol)數據鏈路層協議與安全PAP,CHAP；幀中繼Frame Relay；網絡地址轉換(NAT)；ACL 配置；DHCP中繼配置等。

通過近年來在我校網絡工程專業學生中實施“虛實”兩級實踐教學體系的結果來看,在實驗制作的過程中學生的學習興趣很高,在不懂時能夠相互交流,快而準確地完成應用性實驗,且該方法能夠在低成本和低維護成本的前提下完成實驗,有效地克服了學校實驗資源不足的難題。

4 實踐教學體系的保障措施

為了保障本課題中基于eNSP的多樣化實踐教學體系的正確實施,需要在教師培養、開放專業實驗室和學生興趣引導等方面做出大力支持,為多樣化實踐教學體系的順利實施添磚加瓦。

4.1 加強教師實踐能力的培養

在教學過程中,教師的主要工作不在于教,而在于指導。對于教師的培養是以教學為前提,以提高教學質量為目標。因此,要按照增強教師的教學能力為目的來制定和安排、實施師資培養計劃,以此轉變一向只注重學歷、忽視教學能力的培養和培訓狀況。

采用輪訓的方式,讓每一位教師都有參加短時間培訓學習的經歷,增加他們的能力,并且在某些學校項目上與一些實力較強的大公司建立長久的合作關系,讓教師能夠接觸到生產實踐,學習到更新的知識和技術,提高他們的實踐能力。同時,要求教師充分利用校外實訓基地,并邀請實訓基地的專業技術人員指導教師。

4.2 成立興趣小組、開展第二課堂

通過成立多個興趣組和開展第二課堂,采用實用的技術培養學生的個人優勢,指導學生主動參加到工程實踐和技術服務中,更快地進入專業角色,實現培養目標。

人才終將走入市場,市場更傾向于有能力的人才,而今的中國市場,更加關注有經驗、有能力的人。要是能為學生設計一些相類似的第二課堂,由專業教師引導,讓學生能夠在課上搞一些新花樣,做出一些有意義的設計,則能增強學生的動手能力,積累實踐經驗。

4.3 開放學院專業實訓室

為增強學生的實踐能力,向學生開放專業實訓室,使學生在平時的課余時間可以在導師的指導下有計劃地參與實施一些工程項目,也可以根據自身的需求到實驗室豐富知識和實驗鍛煉,進一步練習網絡及網絡管理技能。學生在開放實驗室內的實踐活動包括下面幾類:

(1) 學生自己設計并創建簡單的網絡拓撲,由相關的指導教師給予幫助和引導；

(2) 在教師的引導下多人合作創建相對復雜的網絡,隨時對其進行更改；

(3) 獨立完成書本上知識點的理論學習與其實驗驗證；

(4) 加入到教師實施的工程項目的制作中,獲得一些在課堂上和一般實驗課上無法接觸到的知識。

5 結語

地方本科院校中網絡工程專業的學生受到教學環境有限和教學設備不足以及維護開銷等方面的限制,使得他們無法追上網絡發展的需要和社會人才的需求。通過探究和實踐,建設的網絡虛擬實驗平臺在很大程度上解決了很多問題,能夠實現花費少、變化多樣、滿足市場需求的網絡實驗。

References)

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