基于多融合教學模式的網(wǎng)絡工程教學與實驗仿真

陳瑞志 李昌慶 歐陽斌

摘要：利用思科網(wǎng)絡仿真軟件作為網(wǎng)絡工程等課程的實驗教學平臺，進行線上線下混合、課程思政與專業(yè)知識結合、網(wǎng)絡設備與仿真軟件平臺虛實結合的教學模式。在網(wǎng)絡工程教學與實驗仿真應用，網(wǎng)絡虛擬仿真教學與實驗融合體系的建設等方面進行教學實踐，以培養(yǎng)學生的網(wǎng)絡技術應用能力、工程設計能力、創(chuàng)新思維及能力。

關鍵詞：線上線下混合；設備虛實結合；課程思政；網(wǎng)絡仿真

中圖分類號： TP393? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）34-0074-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

0 引言

網(wǎng)絡工程的實驗實訓，對網(wǎng)絡工程技術人才的培養(yǎng)非常重要。在網(wǎng)絡工程課程教學及實驗過程中，條件比較充足時，可以利用實物，比如路由器、交換器和無線通信設備等，來完成實驗實訓。但是網(wǎng)絡設備種類型號多樣，實驗設備不足是常態(tài)，這時利用網(wǎng)絡仿真軟件來進行實驗實訓，起到了非常重要的作用，彌補了實驗設備不足。這樣的軟件有：Cisco Packet Tracer（簡稱PT） 、Graphical Network Simulator-3（簡稱GNS3） 、華為Enterprise Network SimulationPlatform（簡稱eNSP） 、Network Simulator Version2（簡稱NS2） 、NS3、Optimized Network（簡稱OPNET）等，這些仿真軟件來源于思科、華為等國內外知名企業(yè)，兼顧網(wǎng)絡協(xié)議預研、工程項目仿真、人才實訓培養(yǎng)等多方面目標。

思科公司的網(wǎng)絡模擬器PT，是針對CCNA認證開發(fā)的一款網(wǎng)絡模擬輔助學習工具，為網(wǎng)絡學習者提供了網(wǎng)絡設計、配置、網(wǎng)絡協(xié)議分析和網(wǎng)絡故障排除的學習平臺[1]。該軟件安裝方便，運行時系統(tǒng)消耗小；能模擬大多數(shù)的網(wǎng)絡命令操作，可以利用它完成大多數(shù)網(wǎng)絡基本實驗，比如交換機和路由器的基本配置、三層交換、路由（rip、OSPF、Eigrp） 、DHCP及DHCP中繼、NAT、ACL、帶寬接入DSL、幀中繼等[2]，PT還能完成網(wǎng)絡安全認證等實驗，文獻[3]利用PT軟件仿真撥號認證、PPPOE入網(wǎng)訪問控制、PPPOE+RADIUS+AAA實現(xiàn)服務器集中審計認證用戶入網(wǎng)訪問、包過濾防火墻、ACL+NAT內外網(wǎng)絡不同安全策略、VPN等網(wǎng)絡安全實驗，取得不錯效果。近年來，PT向物聯(lián)網(wǎng)仿真發(fā)展改進，文獻[4]利用PT建立智能養(yǎng)殖場網(wǎng)絡系統(tǒng)模型； 運用多種傳感器、物聯(lián)網(wǎng)服務器、無線網(wǎng)關和微處理器等組成智能養(yǎng)殖場網(wǎng)絡系統(tǒng)，便捷地監(jiān)視和控制電子設備，實現(xiàn)和測試該系統(tǒng)各種功能，達到良好的效果。與其他仿真器一樣，PT 軟件通過簡化的網(wǎng)絡設備和協(xié)議模型，模擬網(wǎng)絡行為和開發(fā)網(wǎng)絡的技巧，用戶可在軟件的圖形界面上直接使用拖曳方法建立網(wǎng)絡拓撲，再根據(jù)功能需要配置設備；并可提供數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡中行進的詳細處理過程，觀察網(wǎng)絡實時運行情況，并可以看到數(shù)據(jù)包發(fā)送與接收的動畫模擬過程[5]。利用PT軟件輔助教學與實驗，增強了網(wǎng)絡教學與實驗的趣味性，提高了學生的興趣，從而也提高了學生學習網(wǎng)絡工程技術的積極性；通過網(wǎng)絡理論教學中把抽象的網(wǎng)絡概念形象地變成可以操作的實例，把枯燥的網(wǎng)絡協(xié)議原理構建仿真實驗，再結合其他有效的教學方法，以提高網(wǎng)絡工程教學質量和效果。因此，PT適合網(wǎng)絡工程等課程線上線下混合的工程設計及技術應用的教學與實驗。

1 多融合教學模式

網(wǎng)絡工程課程教學充分利用并積極建設線上資源，利用思科官網(wǎng)、PT實驗仿真的相關技術論壇、百度文庫、知網(wǎng)平臺等信息檢索，并整合到教案、課件、教學案例、實驗指導等教學資料中。同時也可以上傳自己原創(chuàng)的相關教學與實驗資料到相關平臺，進行共享交流。通過專業(yè)教育與課程思政、線上線下混合、實驗設備與仿真軟件平臺虛實結合等多融合教學模式，如圖1所示。該模式下，有利于師資隊伍建設、教學資料建設、教學活動實施，并達到多方面協(xié)同發(fā)展。通過學生的平時表現(xiàn)、課程實驗仿真、課程設計選題、課題設計與實現(xiàn)、答辯、設計說明書撰寫等環(huán)節(jié)多方面考核和評價學生。以課程思政為引領，鼓勵并有效指導學生積極參與大學生科技項目和學科競賽，著重培養(yǎng)學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)等綜合能力、技能和素質，實現(xiàn)更好的課程目標。

1.1 線上線下混合教學

利用騰迅會議等平臺，采用線上線下混合教學模式進行網(wǎng)絡工程教學與實驗，突破了原來固定機房實驗的限制。線上線下協(xié)同并進，并錄制視頻，供學生回放。根據(jù)課程需要和學生的實際情況，資源科學規(guī)劃、合理整合到相應的教學單元中；提前制作好教案、講稿、實驗指導書等。課前為學生推送講義、預習資料等；課中講解學習中的重點難點、思政整合后的教學內容等知識；課后讓學生回放視頻鞏固、完成作業(yè)和仿真實驗等。在疫情防控或實驗條件不足等情況下，該模式能有效提高學生的參與度和學習積極性，從而提高教學效果。

1.2 發(fā)揮團隊合力，提高教師思政水平

網(wǎng)絡工程授課教師要以身作則，不斷提高思政水平、學習新思想新理念、挖掘課程思政及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)元素，堅持學習貫徹習近平新時代中國特色社會主義思想主題教育，把課程思政教學與專業(yè)教育緊密結合，建設網(wǎng)絡工程課程思政示范課程、加強團隊教師技能培訓、開展課程思政課堂聽課評課議課、團隊備課、“傳幫帶”等活動，進行研課磨課，針對研課磨課中的難題，通過示范教學、專題研討、經(jīng)驗交流等方式進行現(xiàn)場指導，發(fā)揮團隊合力，凝聚智慧，提升課程思政教學效果。

1.3 專業(yè)教育與課程思政融合

針對以實現(xiàn)科技強國教育興國為奮斗目標的國內大好形勢和以美國為首的西方國家對我國科技、經(jīng)濟發(fā)展的打壓的背景下，在網(wǎng)絡工程教學過程中融入與課程相關的國內國外經(jīng)典案例，讓學生認識到網(wǎng)絡工程的發(fā)展情況和應用價值，同時也認識到由于在某些核心技術方面的缺失，受到以美國為首的西方國家在技術上的故意打壓和封鎖，以此增強學生的愛國意識，家國情懷，從而激發(fā)學生的學習熱情。專業(yè)知識充分融入思政元素，探索網(wǎng)絡工程課程知識教育與價值觀教育相結合，從而達到潛移默化、潤物細無聲地感染和影響學生。比如：在介紹網(wǎng)絡工程基礎知識時，不僅要求學生了解網(wǎng)絡工程行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀、發(fā)展方向、學科前沿等，還應融入當前以華為為代表的國內網(wǎng)絡通信設備供應商，遭遇美國的打壓和芯片封鎖后，而竭力沖突技術壁障的事跡。從而鼓勵學生立志解決“卡脖子”現(xiàn)象，努力學習、勇攀高峰，為祖國的建設和發(fā)展奉獻的高貴精神。在工程設計過程中能夠綜合考慮經(jīng)濟、環(huán)境、法律、安全、健康、倫理等制約因素。這些要求都與培養(yǎng)德智體美勞全面發(fā)展的人才培養(yǎng)目標、培養(yǎng)具有習近平新時代中國特色社會主義思想，社會主義核心價值觀、家國情懷、法制意識、社會責任、工匠精神等的大學生的育人目標相吻合。所以將課程思政融入網(wǎng)絡工程課程教學中能更好地實現(xiàn)課程目標。

1.4 課程教學資源建設

綜合專業(yè)培養(yǎng)目標、課程目標、課程知識點和國際國內形勢相關重大事件，深入挖掘思政、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)元素，將專業(yè)課程教學和思政教育有機融合，創(chuàng)新與優(yōu)秀傳統(tǒng)文化相結合，利用虛實相結合的實驗設備平臺，設計和開發(fā)相應的實驗項目，撰寫實驗指導和課程設計參考樣例，無縫融入課程思政元素、突顯創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)元素的教學大綱、教案和教學設計等，并實施于教學活動中，錄制線上線下結合同步授課視頻等。

1.5 學習活動

采用教學方法有講授法、工程項目法、虛擬仿真實驗等，以分享屏、連麥等多種形式進行線上和線下實時視頻教學，并根據(jù)需要進行視頻錄制，便于學生重播觀看尚需理解透徹的內容。實驗實訓課需要實時監(jiān)控學生學習狀態(tài)，及時解答學生疑問，進行更加有效的實驗實訓指導。激發(fā)學生學習自主性、主動性，通過“第二課題”“第三課堂”，鼓勵學生積極參與大學生科技項目和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學科競賽等活動，使得學習更加有的放矢，學以致用。

2 PT網(wǎng)絡工程虛擬仿真實驗與教學應用

2.1 PT進行網(wǎng)絡工程教學與實驗仿真的一般辦法

網(wǎng)絡工程課程涉及的基本概念、基本原理和協(xié)議比較多、利用PT開發(fā)出對應專項實驗，聯(lián)動計算機網(wǎng)絡技術與應用等課程的基本實驗。通過實驗實踐演示和講解讓學生更能理解網(wǎng)絡協(xié)議工作基本原理、網(wǎng)絡設備的運行機制。讓學生上機驗證，進一步理解和鞏固概念和原理知識。其次，結合多個知識點和融合多個基本專項實驗，開發(fā)一些設計型、綜合型的實驗案例，進一步提高學生設計和創(chuàng)新能力。再次，根據(jù)網(wǎng)絡工程項目或虛擬項目，從選題、需求分析，規(guī)劃設計，到仿真實現(xiàn)；最后撰寫課程設計說明書，完成網(wǎng)絡工程課程設計。網(wǎng)絡工程考核可以根據(jù)需要，教師可以利用PT擴展（Extensions） 中活動向導（Activity Wizard） ，設定多套網(wǎng)絡工程實驗任務，通過設計考核要求指導文檔、用變量設置試卷序列號或其他隨機考核內容等設置，構建網(wǎng)絡工程技術自動考核系統(tǒng)。讓學生在約束的時間范圍內上機完成初始化網(wǎng)絡拓撲配置（系統(tǒng)自動計時），考核結束后與“答案網(wǎng)絡拓撲”比對，活動向導會根據(jù)知識點的正誤自動評分[6]。當然，這種方式也可以用于平時的實驗實訓，任課老師可以根據(jù)學生的實際情況，開發(fā)不同難度、知識覆蓋比較全面的樣題，讓學生進行自主訓練，從而增加了自覺學習網(wǎng)絡工程技術的時間，提高學習網(wǎng)絡技能的積極性。

2.2 PT網(wǎng)絡虛擬仿真實驗教學體系與內容

在虛擬環(huán)境下，可以突破傳統(tǒng)單一網(wǎng)絡硬件實驗條件的限制，可以全面考慮網(wǎng)絡應用場景設計、網(wǎng)絡拓撲結構構建、網(wǎng)絡工程設計與仿真、應用軟件開發(fā)等多重因素，構建培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神和工程實踐能力為核心的網(wǎng)絡工程實驗教學體系。從網(wǎng)絡工程課程設計選題、課題需求分析、網(wǎng)絡規(guī)劃設計、仿真實現(xiàn)、設計說明書撰寫等整個網(wǎng)絡工程的實戰(zhàn)訓練，提升了學生實驗技能和創(chuàng)新能力，使學生得到系統(tǒng)的工程能力訓練。根據(jù)需求分析進行規(guī)劃設計階段時，構造網(wǎng)絡模型是網(wǎng)絡邏輯設計的關鍵步驟，需要理解并掌握運用網(wǎng)絡邏輯設計方法構造符合需求的網(wǎng)絡拓撲[7]。通過分層設計整體概括網(wǎng)絡系統(tǒng)在接入層、匯聚層和核心層的功能劃分，通過組件設計進一步劃分不同功能需求獨立的組件。最后通過各個組件的內部邏輯關系，配置網(wǎng)絡設備實現(xiàn)相應功能，并按策略實現(xiàn)互聯(lián)互通。通過一系列的學習和綜合訓練，對學生網(wǎng)絡工程應用能力、工程設計能力、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力等，進行訓練和培養(yǎng)，并鼓勵他們積極參與網(wǎng)絡應用項目開發(fā)，參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目。表1為網(wǎng)絡工程虛擬仿真實驗教學體系，僅供參考。

2.3 運用PT網(wǎng)絡工程教學與實驗的優(yōu)點

網(wǎng)絡仿真在網(wǎng)絡協(xié)議預研、網(wǎng)絡工程項目設計前的預測等方面具有無比比擬的優(yōu)勢。利用思科PT軟件搭建網(wǎng)絡工程課程實驗平臺，結合理論知識，開發(fā)綜合型和創(chuàng)新型的實驗案例，在網(wǎng)絡工程教學實踐中取得良好的效果。

1） 解決了網(wǎng)絡概念抽象、網(wǎng)絡協(xié)議復雜難以理解的問題。網(wǎng)絡工程中網(wǎng)絡通信協(xié)議與原理、通信設備工作機制與作用等知識復雜、枯燥，令人難以理解。利用PT軟件構建與理論知識相結合的實驗，把抽象理論、乏味知識轉化為直觀可見的實驗操作，并可提供數(shù)據(jù)包詳細處理過程，觀察網(wǎng)絡實時或模擬的運行情況，可以看到數(shù)據(jù)包發(fā)送與接收的動畫模擬效果。使學生在動手操作效果觀察過程中完成網(wǎng)絡概念的理解和掌握。

2） 實驗環(huán)境搭建簡易、門檻低，降低實驗成本，彌補實驗設備不足的問題。在網(wǎng)絡工程實驗設備缺乏下，利用PT軟件虛擬出多種類型的、不同型號的數(shù)量充足的網(wǎng)絡設備，降低了實驗成本，解決了網(wǎng)絡實驗經(jīng)費緊張、設備不足的問題。

3） 培養(yǎng)學生學習網(wǎng)絡工程的興趣，提高了學生網(wǎng)絡工程實踐能力。利用PT進行網(wǎng)絡工程教學，理論結合實踐，學生能夠充分參與驗證、設計，甚至創(chuàng)新實驗，并且能夠直觀檢驗成果，從而增強了學習信心，提高了學習興趣，促使他們更加自主、自覺地學習。

4） 便于對網(wǎng)絡工程實驗結果進行考核，傳統(tǒng)的筆試難于反映學生的實踐能力[8]， PT提供了創(chuàng)建網(wǎng)絡工程考核自動評分系統(tǒng)的機制，統(tǒng)一考核、自動組卷、自動分析反饋考試結果，節(jié)省大量的人力和物力，對維護考核的公平性、合理性和科學性起到重要作用。

總之，網(wǎng)絡仿真廣泛用于網(wǎng)絡教學實踐，特別適用于中大型網(wǎng)絡工程的設計與仿真；當然，PT模擬器并不能完全代替真實的物理環(huán)境。PT在網(wǎng)絡工程教學與實驗中使用，能夠激發(fā)學生興趣，提高教學效果；并降低了網(wǎng)絡工程實驗成本，能夠較好地滿足應用型網(wǎng)絡工程教學設計和實踐的需要，為后續(xù)網(wǎng)絡工程技術的學習打下堅實的基礎。

3 結論

本文闡述了專業(yè)教育與課程思政、線上線下、實驗設備虛實結合的多融合的網(wǎng)絡工程應用教學模式，進行教學師資團隊、教學資料建設、教學活動實施等，對于培養(yǎng)學生網(wǎng)絡工程綜合素質起到了重要的促進作用。最后，介紹了利用PT構建網(wǎng)絡仿真教學與實驗的一般方法，提出網(wǎng)絡工程虛擬仿真實驗教學參考體系并分析了運用PT網(wǎng)絡工程教學與實驗良好效果。

參考文獻：

[1] 胡云.基于不同版本的Cisco Packet Tracer實驗結果比較[J].成都大學學報（自然科學版），2016，35（1）：64-66.

[2] 趙圓圓，陳瑞志.網(wǎng)絡工程設計與實踐[M].西安：西北工業(yè)大學出版社， 2016.

[3] 陳瑞志，江嵐.網(wǎng)絡與安全工程應用與仿真[M].西安：西北工業(yè)大學出版社，2015.

[4] 陳瑞志，吳克儉，李春紅，等.智能養(yǎng)殖場網(wǎng)絡設計及仿真[J].實驗室研究與探索，2023，42（1）：132-135，183.

[5] 張新艷.基于虛擬仿真軟件的實驗教學探索：以網(wǎng)絡工程實訓課程為例[J].網(wǎng)絡安全技術與應用，2020（6）：118-120.

[6] 鐘文基，董英.利用Packet Tracer制作自動評分系統(tǒng)[J].電腦知識與技術，2017，13（13）：81-82.

[7] 胡勝紅，胡長坤，譚生龍.面向工程思維能力培養(yǎng)的網(wǎng)絡工程仿真實訓教學[J].計算機教育，2014（4）：87-90.

[8] 楊春花，劉娟.思科Packet Tracer仿真軟件在網(wǎng)絡技能考核中的應用[J].網(wǎng)絡與信息，2011，25（7）：48-49.

【通聯(lián)編輯：王 力】