CDIO教育理念引領下的計算機網絡實驗教學體系

李 楠，李玉龍，張華衛

（1.蘭州交通大學 計算機科學與技術國家級實驗教學示范中心，甘肅 蘭州 730070；2.蘭州交通大學 電子與信息工程學院,甘肅 蘭州 730070）

0 引言

中國互聯網絡信息中心發布的第42次《中國互聯網絡發展狀況統計報告》顯示，截至2018年6月，中國網民規模達到8.02億，普及率為57.7%；2018年上半年新增網民2 968萬人，較2017年末增長3.8%[1]，互聯網已經深入到社會生活的各個方面，因此，有必要加強計算機網絡應用人才的培養。計算機網絡課程目前已經成為高校計算機專業的核心課程[2-3]，理論知識點多、技術更新快、學生理解困難，必須通過相配套的實驗課程進行理論知識的鞏固與理解。如何改進實驗課程教學理念，規范實驗教學內容，建立與理論教學相配套的實驗教學體系，更好地為培養應用型創新人才服務，是當前計算機網絡實驗教學中需要考慮的首要問題[4]。

1 CDIO教育理念在計算機網絡實驗教學中的意義

CDIO是由麻省理工學院（MIT）、瑞典皇家工學院等4所大學共同倡導的一整套工程教育理念和實施體系[5]。在CDIO教育理念的指引下，實踐教學應該增加綜合性實驗和開放創新性實驗的數量，充分提升學生的主動性和創新意識；要加強實驗室設備的改造升級，讓更多學生進行實踐操作；創造機會讓學生參與教師的科研項目開發，了解項目開發的整個流程。

2 CDIO引領下計算機網絡實驗教學體系的構建

為了真正在實踐教學中體現“構思—設計—實現—運行”，需要對計算機網絡實驗教學進行一系列的改革。

2.1 加大經費投入，完善實驗室設備

以蘭州交通大學為例，網絡實驗室僅有6個實驗機柜，每個實驗機柜內有4臺交換機、2臺路由器，配有6臺可供實驗的PC機，通常只能分批次地實驗；由于交換機初始化配置端口僅有6個，路由器配有2個以太網口，無法進行相對復雜的綜合性實驗項目。

按照一次安排整班（60人）實驗來計算，還需要增加4個實驗機柜，包括16臺交換機和12臺路由器，同時對于實驗室的每臺路由器均需要增加1個串口模塊。完善設備后，學生都能有充分的動手機會，完成較復雜的綜合性實驗。

2.2 提升教師的實踐教學能力

由于網絡實驗室的教師多數沒有管理網絡工程項目的實踐經驗，教學中無法培養學生對網絡組態和網絡設備的感性認識，僅停留在理論角度，無法做到“學有所用、學以致用”。

我校定期與銳捷、H3C、思科等國內外著名的網絡設備廠商聯系，對教師進行有針對性的培訓，去年組織實驗教師參加了銳捷公司的“園區網項目實戰教師集訓營”培訓，拓寬了教學思路，對提升實踐教學能力大有幫助；同時要求教師積極參與網絡相關的實際工程項目，為實驗教學積累實踐經驗。

2.3 設計虛實結合的計算機網絡實驗教學體系

計算機網絡實驗教學中典型實驗案例不足，導致實驗教學內容過于單一化。實驗主要為基礎驗證性實驗，或者是簡單的設計性實驗（見表1）。在CDIO理念指引下，對計算機網絡實驗教學內容加以優化處理，形成層次化、遞進式的計算機網絡實驗教學體系（見表2）。

表1 傳統計算機網絡實驗項目

表2 新計算機網絡實驗教學體系

（續）表2

基礎驗證性實驗是以知識和動手能力為基礎，讓學生了解各種網絡設備的功能、接口以及各種線纜的連接方式等，學生應針對老師提出的問題，具備通過實際操作將其解決的能力；設計性實驗要求學生在對知識運用的基礎上，可以從不同的角度設計方案，以培養創新思維和創新能力；綜合性實驗則是若干知識點及相關技術相結合的實驗，在做基礎驗證性實驗時，就要讓學生弄清楚問題及解決方法；開放創新性實驗使用的網絡技術都是最新技術，技術復雜程度高，可以引導學生采用虛擬軟件進行實驗，詳細分析計算機網絡數據通信的過程。

由于各個實驗項目的特點不同，采用“虛擬軟件+真實設備”的方式開展實驗項目，解決實驗設備不足或無法進行復雜實驗的缺陷，既能夠提高實驗教學的效果，同時又能使學生的實踐動手能力及創新思維得到提升。

2.4 設計實踐項目

CDIO理念強調的是“做中學”[6-7]，依托項目案例進行實驗教學活動。在實際的教學中，以具體的項目為線索，在項目之中體現教學目標和教學內容，學生能夠掌握實驗項目的所有環節，逐步培養學生的實踐能力、自學能力以及團隊協作能力。本文以“VLAN間的通信”為例進行實驗項目設計。該實驗項目以2～3人為一個小組，共同參與實驗的全過程。

2.4.1 設計背景

某高校有電信學院、自動化學院、土木工程學院、環境工程學院，4個學院內部網絡都是獨立的局域網，為了實現信息共享，現在要求學院之間能夠相互通信。

2.4.2 需求分析

各個學院自身網絡應便于管理，保持相對獨立；利用交換機、路由器等網絡設備，實現獨立局域網之間的通信。

2.4.3 規劃方案

各個學院局域網的獨立性可以通過VLAN劃分得以保證[8]，在此基礎上，為了解決多個局域網之間的互連，利用所學的知識，可以考慮通過二層交換機、三層交換機、路由器等網絡設備進行局域網擴展。需要注意不同品牌型號的交換機，結構、性能、價格、配置方式都不同。3種局域網互聯規劃方案如圖1所示。

圖1 “VLAN間的通信”規劃方案

2.4.4 設計網絡拓撲圖與網絡布局圖

網絡拓撲圖反映網絡中各實體間的結構關系，用于解釋原理；網絡布局圖用于描述網絡設備的實際布線情況。在布局設計中，學生可以集思廣益，體現創新性。在規劃設計后，學生需要使用Visio軟件畫圖；指導教師審閱后，修改完善；學生要利用Packet Tracer模擬器進行設備選型、連線、配置及仿真調試；各小組學生答辯，講解自己的設計方案及仿真過程；最后對所有設計方案進行評價，選出好的設計方案供其他小組參考學習。這種方式可以增強學生的團隊協作能力，培養學生的創新能力。

2.4.5 實施階段

學生動手制作網線，使用網絡測試儀測試，從制作質量、通信情況等方面進行評比，提高學生的實踐操作能力和競爭意識；學生通過查找資料了解H3C、思科、銳捷等各種網絡設備的特點，小組內討論學習，選擇其中一種設備進行配置，最終測試各個局域網之間是否可以正常通信。

2.4.6 估算項目成本

學生要對整個項目中所用到網絡設備、網線、水晶頭的數量及價格進行計算，培養學生在設計方案選取時的成本意識。

2.4.7 修改設計報告

實驗報告書寫時要注意書寫格式及規范化的語言，實驗教師通過答疑、QQ等方式多次對設計報告進行修改。

2.5 實施過程和結果并重的考核方式

科學合理的實驗考核方式，能夠較好地反映學生對知識的掌握程度和實踐操作水平，激發學生的創新思維和創新意識，教師也能在考核過程中總結經驗，持續改進和完善實驗教學。

計算機網絡實驗成績包括平時成績（55%）+實驗報告（45%），平時成績包括實驗預習成績（10%）、考勤成績（5%）、實驗操作成績（30%）和答疑成績（10%）4部分，其中，答疑成績包括學生對所做實驗的延伸操作及創新發揮。這種過程和結果并重的實驗考核評價方式，要求學生重視實驗的全過程，能夠調動學生學習的積極性，提升學生的實踐操作能力及創新能力，明顯改善實驗教學效果。

3 結語

在響應國家對高校應用型人才培養的要求下，基于CDIO工程的教育理念，對計算機網絡課程的實驗教學內容進行歸類和優化，改善實驗環境，增加師資力量，運用多種實驗教學方法及手段，同時采取過程和結果并重的考核評價方式，逐步形成新的實驗教學體系，以進一步提高學生的實踐操作能力、團隊協作能力及創新意識。我校計算機科學與技術專業學生一年多的教學實踐表明，重構的計算機網絡實驗教學體系行之有效，對于培養創新應用型人才具有重要意義。