CDIO教育理念引領(lǐng)下的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

李 楠，李玉龍，張華衛(wèi)

（1.蘭州交通大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，甘肅 蘭州 730070；2.蘭州交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730070）

0 引言

中國互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)信息中心發(fā)布的第42次《中國互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展?fàn)顩r統(tǒng)計(jì)報(bào)告》顯示，截至2018年6月，中國網(wǎng)民規(guī)模達(dá)到8.02億，普及率為57.7%；2018年上半年新增網(wǎng)民2 968萬人，較2017年末增長3.8%[1]，互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)深入到社會(huì)生活的各個(gè)方面，因此，有必要加強(qiáng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用人才的培養(yǎng)。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程目前已經(jīng)成為高校計(jì)算機(jī)專業(yè)的核心課程[2-3]，理論知識(shí)點(diǎn)多、技術(shù)更新快、學(xué)生理解困難，必須通過相配套的實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行理論知識(shí)的鞏固與理解。如何改進(jìn)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)理念，規(guī)范實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，建立與理論教學(xué)相配套的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，更好地為培養(yǎng)應(yīng)用型創(chuàng)新人才服務(wù)，是當(dāng)前計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中需要考慮的首要問題[4]。

1 CDIO教育理念在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的意義

CDIO是由麻省理工學(xué)院（MIT）、瑞典皇家工學(xué)院等4所大學(xué)共同倡導(dǎo)的一整套工程教育理念和實(shí)施體系[5]。在CDIO教育理念的指引下，實(shí)踐教學(xué)應(yīng)該增加綜合性實(shí)驗(yàn)和開放創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的數(shù)量，充分提升學(xué)生的主動(dòng)性和創(chuàng)新意識(shí)；要加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的改造升級(jí)，讓更多學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐操作；創(chuàng)造機(jī)會(huì)讓學(xué)生參與教師的科研項(xiàng)目開發(fā)，了解項(xiàng)目開發(fā)的整個(gè)流程。

2 CDIO引領(lǐng)下計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的構(gòu)建

為了真正在實(shí)踐教學(xué)中體現(xiàn)“構(gòu)思—設(shè)計(jì)—實(shí)現(xiàn)—運(yùn)行”，需要對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行一系列的改革。

2.1 加大經(jīng)費(fèi)投入，完善實(shí)驗(yàn)室設(shè)備

以蘭州交通大學(xué)為例，網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室僅有6個(gè)實(shí)驗(yàn)機(jī)柜，每個(gè)實(shí)驗(yàn)機(jī)柜內(nèi)有4臺(tái)交換機(jī)、2臺(tái)路由器，配有6臺(tái)可供實(shí)驗(yàn)的PC機(jī)，通常只能分批次地實(shí)驗(yàn)；由于交換機(jī)初始化配置端口僅有6個(gè)，路由器配有2個(gè)以太網(wǎng)口，無法進(jìn)行相對(duì)復(fù)雜的綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

按照一次安排整班（60人）實(shí)驗(yàn)來計(jì)算，還需要增加4個(gè)實(shí)驗(yàn)機(jī)柜，包括16臺(tái)交換機(jī)和12臺(tái)路由器，同時(shí)對(duì)于實(shí)驗(yàn)室的每臺(tái)路由器均需要增加1個(gè)串口模塊。完善設(shè)備后，學(xué)生都能有充分的動(dòng)手機(jī)會(huì)，完成較復(fù)雜的綜合性實(shí)驗(yàn)。

2.2 提升教師的實(shí)踐教學(xué)能力

由于網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室的教師多數(shù)沒有管理網(wǎng)絡(luò)工程項(xiàng)目的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，教學(xué)中無法培養(yǎng)學(xué)生對(duì)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的感性認(rèn)識(shí)，僅停留在理論角度，無法做到“學(xué)有所用、學(xué)以致用”。

我校定期與銳捷、H3C、思科等國內(nèi)外著名的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廠商聯(lián)系，對(duì)教師進(jìn)行有針對(duì)性的培訓(xùn)，去年組織實(shí)驗(yàn)教師參加了銳捷公司的“園區(qū)網(wǎng)項(xiàng)目實(shí)戰(zhàn)教師集訓(xùn)營”培訓(xùn)，拓寬了教學(xué)思路，對(duì)提升實(shí)踐教學(xué)能力大有幫助；同時(shí)要求教師積極參與網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的實(shí)際工程項(xiàng)目，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

2.3 設(shè)計(jì)虛實(shí)結(jié)合的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中典型實(shí)驗(yàn)案例不足，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容過于單一化。實(shí)驗(yàn)主要為基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，或者是簡單的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)（見表1）。在CDIO理念指引下，對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容加以優(yōu)化處理，形成層次化、遞進(jìn)式的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系（見表2）。

表1 傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

表2 新計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

（續(xù)）表2

基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)是以知識(shí)和動(dòng)手能力為基礎(chǔ)，讓學(xué)生了解各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的功能、接口以及各種線纜的連接方式等，學(xué)生應(yīng)針對(duì)老師提出的問題，具備通過實(shí)際操作將其解決的能力；設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生在對(duì)知識(shí)運(yùn)用的基礎(chǔ)上，可以從不同的角度設(shè)計(jì)方案，以培養(yǎng)創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力；綜合性實(shí)驗(yàn)則是若干知識(shí)點(diǎn)及相關(guān)技術(shù)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)，在做基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)時(shí)，就要讓學(xué)生弄清楚問題及解決方法；開放創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)使用的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)都是最新技術(shù)，技術(shù)復(fù)雜程度高，可以引導(dǎo)學(xué)生采用虛擬軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，詳細(xì)分析計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信的過程。

由于各個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的特點(diǎn)不同，采用“虛擬軟件+真實(shí)設(shè)備”的方式開展實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，解決實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足或無法進(jìn)行復(fù)雜實(shí)驗(yàn)的缺陷，既能夠提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果，同時(shí)又能使學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力及創(chuàng)新思維得到提升。

2.4 設(shè)計(jì)實(shí)踐項(xiàng)目

CDIO理念強(qiáng)調(diào)的是“做中學(xué)”[6-7]，依托項(xiàng)目案例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)。在實(shí)際的教學(xué)中，以具體的項(xiàng)目為線索，在項(xiàng)目之中體現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生能夠掌握實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的所有環(huán)節(jié)，逐步培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、自學(xué)能力以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。本文以“VLAN間的通信”為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)。該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以2～3人為一個(gè)小組，共同參與實(shí)驗(yàn)的全過程。

2.4.1 設(shè)計(jì)背景

某高校有電信學(xué)院、自動(dòng)化學(xué)院、土木工程學(xué)院、環(huán)境工程學(xué)院，4個(gè)學(xué)院內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)都是獨(dú)立的局域網(wǎng)，為了實(shí)現(xiàn)信息共享，現(xiàn)在要求學(xué)院之間能夠相互通信。

2.4.2 需求分析

各個(gè)學(xué)院自身網(wǎng)絡(luò)應(yīng)便于管理，保持相對(duì)獨(dú)立；利用交換機(jī)、路由器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立局域網(wǎng)之間的通信。

2.4.3 規(guī)劃方案

各個(gè)學(xué)院局域網(wǎng)的獨(dú)立性可以通過VLAN劃分得以保證[8]，在此基礎(chǔ)上，為了解決多個(gè)局域網(wǎng)之間的互連，利用所學(xué)的知識(shí)，可以考慮通過二層交換機(jī)、三層交換機(jī)、路由器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行局域網(wǎng)擴(kuò)展。需要注意不同品牌型號(hào)的交換機(jī)，結(jié)構(gòu)、性能、價(jià)格、配置方式都不同。3種局域網(wǎng)互聯(lián)規(guī)劃方案如圖1所示。

圖1 “VLAN間的通信”規(guī)劃方案

2.4.4 設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D與網(wǎng)絡(luò)布局圖

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D反映網(wǎng)絡(luò)中各實(shí)體間的結(jié)構(gòu)關(guān)系，用于解釋原理；網(wǎng)絡(luò)布局圖用于描述網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的實(shí)際布線情況。在布局設(shè)計(jì)中，學(xué)生可以集思廣益，體現(xiàn)創(chuàng)新性。在規(guī)劃設(shè)計(jì)后，學(xué)生需要使用Visio軟件畫圖；指導(dǎo)教師審閱后，修改完善；學(xué)生要利用Packet Tracer模擬器進(jìn)行設(shè)備選型、連線、配置及仿真調(diào)試；各小組學(xué)生答辯，講解自己的設(shè)計(jì)方案及仿真過程；最后對(duì)所有設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，選出好的設(shè)計(jì)方案供其他小組參考學(xué)習(xí)。這種方式可以增強(qiáng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

2.4.5 實(shí)施階段

學(xué)生動(dòng)手制作網(wǎng)線，使用網(wǎng)絡(luò)測試儀測試，從制作質(zhì)量、通信情況等方面進(jìn)行評(píng)比，提高學(xué)生的實(shí)踐操作能力和競爭意識(shí)；學(xué)生通過查找資料了解H3C、思科、銳捷等各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的特點(diǎn)，小組內(nèi)討論學(xué)習(xí)，選擇其中一種設(shè)備進(jìn)行配置，最終測試各個(gè)局域網(wǎng)之間是否可以正常通信。

2.4.6 估算項(xiàng)目成本

學(xué)生要對(duì)整個(gè)項(xiàng)目中所用到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、網(wǎng)線、水晶頭的數(shù)量及價(jià)格進(jìn)行計(jì)算，培養(yǎng)學(xué)生在設(shè)計(jì)方案選取時(shí)的成本意識(shí)。

2.4.7 修改設(shè)計(jì)報(bào)告

實(shí)驗(yàn)報(bào)告書寫時(shí)要注意書寫格式及規(guī)范化的語言，實(shí)驗(yàn)教師通過答疑、QQ等方式多次對(duì)設(shè)計(jì)報(bào)告進(jìn)行修改。

2.5 實(shí)施過程和結(jié)果并重的考核方式

科學(xué)合理的實(shí)驗(yàn)考核方式，能夠較好地反映學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握程度和實(shí)踐操作水平，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識(shí)，教師也能在考核過程中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，持續(xù)改進(jìn)和完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)成績包括平時(shí)成績（55%）+實(shí)驗(yàn)報(bào)告（45%），平時(shí)成績包括實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)成績（10%）、考勤成績（5%）、實(shí)驗(yàn)操作成績（30%）和答疑成績（10%）4部分，其中，答疑成績包括學(xué)生對(duì)所做實(shí)驗(yàn)的延伸操作及創(chuàng)新發(fā)揮。這種過程和結(jié)果并重的實(shí)驗(yàn)考核評(píng)價(jià)方式，要求學(xué)生重視實(shí)驗(yàn)的全過程，能夠調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提升學(xué)生的實(shí)踐操作能力及創(chuàng)新能力，明顯改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

3 結(jié)語

在響應(yīng)國家對(duì)高校應(yīng)用型人才培養(yǎng)的要求下，基于CDIO工程的教育理念，對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行歸類和優(yōu)化，改善實(shí)驗(yàn)環(huán)境，增加師資力量，運(yùn)用多種實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法及手段，同時(shí)采取過程和結(jié)果并重的考核評(píng)價(jià)方式，逐步形成新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，以進(jìn)一步提高學(xué)生的實(shí)踐操作能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力及創(chuàng)新意識(shí)。我校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生一年多的教學(xué)實(shí)踐表明，重構(gòu)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系行之有效，對(duì)于培養(yǎng)創(chuàng)新應(yīng)用型人才具有重要意義。