基于復(fù)雜工程問題的網(wǎng)絡(luò)專業(yè)綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)

張 進(jìn)，楊 寧，方 曼，虞紅芳，陳偉建，陳 蘋

（電子科技大學(xué)a.英才實(shí)驗(yàn)學(xué)院；b.信息與通信工程學(xué)院；c.教務(wù)處，成都611731）

0 引 言

提高人才培養(yǎng)質(zhì)量是高等教育的永恒主題。隨著信息化時代的到來，在工程教育認(rèn)證的深入探討與推進(jìn)、新工科建設(shè)的提出等背景下，各高校在本科工程教育上開展了很多有益的改革實(shí)踐。大家一致形成的核心理念是本科工程教育要轉(zhuǎn)變模式以學(xué)生為中心，以產(chǎn)出為導(dǎo)向，以能力培養(yǎng)為目標(biāo)［1-4］，基本定位是培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

具體落實(shí)到教學(xué)實(shí)施上，課程教學(xué)是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。課程教學(xué)內(nèi)容的精心設(shè)計(jì)與實(shí)施是體現(xiàn)復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)最重要的部分。特別是實(shí)驗(yàn)課程，一個好的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可以很好地鍛煉學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)專業(yè)知識，培養(yǎng)系統(tǒng)性集成的能力。本文將詳細(xì)介紹網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)中，基于復(fù)雜工程問題的綜合課程設(shè)計(jì)，其實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)，以及實(shí)驗(yàn)開展的具體做法和教學(xué)效果。

1 復(fù)雜工程問題的理解

什么是復(fù)雜工程問題？工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)用如下7個特征進(jìn)行了刻畫。①必須運(yùn)用深入的工程原理經(jīng)過分析才可能解決；② 需求涉及多方面的技術(shù)、工程和其他因素，并可能相互有一定沖突；③ 需要通過建立合適的抽象模型才能解決，在建模過程中需要體現(xiàn)出創(chuàng)造性；④ 不是僅靠常用方法就可以完全解決的；⑤問題中涉及的因素可能沒有完全包含在專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中；⑥問題相關(guān)各方利益不完全一致；⑦ 具有較高的綜合性，包含多個相互關(guān)聯(lián)的子問題［5-6］。

其中第1條是必備的，它指出了復(fù)雜工程問題的本質(zhì)；第2到第7條是可選的，它們可以看作是復(fù)雜工程問題的表象［1-2］。

《標(biāo)準(zhǔn)》的12條畢業(yè)要求中“復(fù)雜工程問題”出現(xiàn)了9次，要將畢業(yè)要求的達(dá)成細(xì)化分解到課程的相應(yīng)教學(xué)活動中，其透出來的要求與“解決復(fù)雜工程問題能力”的要求是一致的［2］。

綜合課程設(shè)計(jì)開設(shè)在網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)的第6學(xué)期，是專業(yè)的綜合性實(shí)驗(yàn)課程［7］，目標(biāo)要求學(xué)生以團(tuán)隊(duì)方式完成課題，進(jìn)行工程設(shè)計(jì)、研究、開發(fā)、集成等能力的基礎(chǔ)訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生掌握網(wǎng)絡(luò)工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)與實(shí)施能力［8］，培養(yǎng)學(xué)生理論與實(shí)踐相結(jié)合的動手能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和溝通交流能力［9］。

本文將以實(shí)驗(yàn)課程中的“大型園區(qū)交換網(wǎng)專題設(shè)計(jì)”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為例，詳細(xì)介紹教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)與實(shí)施如何培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

2 以復(fù)雜工程問題的視角設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的教學(xué)內(nèi)容

基于對復(fù)雜工程問題的理解，課程在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目上要綜合考慮，很好地符合“復(fù)雜工程問題”的特征［10］?！按笮蛨@區(qū)交換網(wǎng)專題設(shè)計(jì)”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目很好地匹配了復(fù)雜工程問題的特征①、②、⑥、⑦。

（1）實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目符合必備特征①需要運(yùn)用深入的工程原理經(jīng)過分析來解決。學(xué)生需要綜合應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)專業(yè)知識和工程知識來分析和解決問題，不是單純的一、兩種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)知識，而是要掌握組網(wǎng)工程設(shè)計(jì)以及網(wǎng)絡(luò)接入控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)原理和工程要素。而且項(xiàng)目設(shè)計(jì)沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)答案，每個項(xiàng)目小組可以采用不同的技術(shù)手段實(shí)施不同的設(shè)計(jì)方案來達(dá)成項(xiàng)目目的。

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目要求8～10人1組，根據(jù)專題設(shè)計(jì)背景進(jìn)行項(xiàng)目需求和技術(shù)原理分析，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、?shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)的VLAN/IP編址、專題設(shè)計(jì)需求的驗(yàn)證方案和實(shí)驗(yàn)操作步驟；并依據(jù)設(shè)計(jì)內(nèi)容，綜合運(yùn)用OSPF路由和鏈路冗余技術(shù)，使用實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)設(shè)備配置構(gòu)建一個冗余架構(gòu)的大型園區(qū)交換網(wǎng)絡(luò)，并用隧道和雙協(xié)議棧技術(shù)實(shí)現(xiàn)IPv4園區(qū)網(wǎng)內(nèi)部分IPv6網(wǎng)絡(luò)之間的資源互訪以及部分IPv4主機(jī)對IPv6資源的訪問。

這個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目首先需要學(xué)生深入分析園區(qū)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、VLAN/IP子網(wǎng)、OSPF路由、雙出口接入因特網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)安全、IPv4/v6雙協(xié)議棧和隧道技術(shù)等工程技術(shù)原理，對項(xiàng)目任務(wù)進(jìn)行需求分析，確定設(shè)計(jì)目標(biāo)。

然后根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)施環(huán)境約束（實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的功能、型號和數(shù)量、實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)的軟硬件配置、實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)絡(luò)布線系統(tǒng)等）和項(xiàng)目需求約束（網(wǎng)絡(luò)安全訪問、支持的用戶規(guī)模、通信的可靠性等），充分考慮網(wǎng)絡(luò)工程建設(shè)的需求（項(xiàng)目需求）、造價（拓?fù)溥B接和地址規(guī)劃成本）和工期（課程學(xué)時）要素，設(shè)計(jì)并優(yōu)化項(xiàng)目的設(shè)計(jì)方案、實(shí)施方案和驗(yàn)證方案。

確定方案后，使用相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、線纜和軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)、實(shí)施和驗(yàn)證方案；觀察、記錄、分析項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)過程中的各種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（網(wǎng)絡(luò)設(shè)備或軟件的配置數(shù)據(jù)、運(yùn)行數(shù)據(jù)、調(diào)測數(shù)據(jù)等）；通過運(yùn)行和調(diào)測數(shù)據(jù)進(jìn)行故障排除；檢驗(yàn)實(shí)現(xiàn)結(jié)果是否達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)、滿足項(xiàng)目需求。

（2）實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目符合選擇特征②和⑥需求涉及多方面因素且要平衡多方利益。復(fù)雜工程問題不是復(fù)雜技術(shù)問題，需求涉及多方面的技術(shù)、工程和其他因素，并可能相互有一定沖突。而且問題相關(guān)各方利益不完全一致，需要有所平衡［6］。

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的具體組網(wǎng)設(shè)計(jì)需求在實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中確定規(guī)定，摘要如下：

某企業(yè)集團(tuán)為了加快信息化建設(shè)，將構(gòu)建一個大型園區(qū)網(wǎng)絡(luò)，作為支持該集團(tuán)辦公自動化、供應(yīng)鏈管理以及應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)設(shè)施。為了確保整個信息系統(tǒng)的正常運(yùn)行、安全和發(fā)展，該園區(qū)網(wǎng)絡(luò)的具體組網(wǎng)需求分為5個部分。① 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫枨螅翰捎谩昂诵?接入”二層設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，將分設(shè)在A、C和D樓中的主干網(wǎng)3臺核心三層交換設(shè)備連接成環(huán)形，建成高速、穩(wěn)定、可靠、安全的交換式網(wǎng)絡(luò)。②VLAN和IP編址需求：為實(shí)現(xiàn)企業(yè)所有部門內(nèi)部辦公自動化，提高工作效率和管理服務(wù)水平，采用VLAN進(jìn)行部門間的隔離，并使用VLAN間路由解決部門之間的通信［11］；園區(qū)網(wǎng)內(nèi)部采用A類私有IP地址進(jìn)行IP子網(wǎng)劃分，然后通過NAT技術(shù)訪問Internet。③ 路由需求：為了降低網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)維管理成本，整個園區(qū)網(wǎng)采用多區(qū)域的OSPF路由選擇協(xié)議，并實(shí)現(xiàn)OSPF區(qū)域間路由聚合。④ 安全需求：出于企業(yè)的商務(wù)安全需求，需要對訪問企業(yè)Web服務(wù)器、訪問Internet等部分通信流量進(jìn)行限制。⑤接入互聯(lián)網(wǎng)需求：為了保證網(wǎng)絡(luò)出口穩(wěn)定可靠，企業(yè)分別向ISP-A和ISP-B申請了兩條Internet線路，要求在這兩條線路上實(shí)現(xiàn)基于策略的負(fù)載均衡和冗余備份［12］。

從以上設(shè)計(jì)需求中可以看到，這個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目需要綜合運(yùn)用多種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)：VLAN及VLAN間通信技術(shù)、OSPF的區(qū)域與路由聚合技術(shù)、IPv6編址、隧道和雙協(xié)議棧技術(shù)、訪問控制列表（ACL）技術(shù)、策略路由技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換（NAT）技術(shù)；同時還要在特殊的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行驗(yàn)證，即使用固定分布在不同實(shí)驗(yàn)臺機(jī)柜中的多個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供應(yīng)商（華為、銳捷、思科）的不同類型、不同型號的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（二層交換機(jī)、三層交換機(jī)、路由器等）。因此，在方案設(shè)計(jì)中要綜合考慮技術(shù)、工程、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等多方面的因素，認(rèn)識、理解實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)與實(shí)際網(wǎng)絡(luò)之間的差異［13］，以及不同網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廠商的設(shè)備配置和運(yùn)行差異。例如：① 在拓?fù)湓O(shè)計(jì)時，要考慮實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)布線環(huán)境對項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的約束，基于實(shí)際網(wǎng)絡(luò)布線工程中的樓宇間布線原則，以盡量少的網(wǎng)絡(luò)布線成本（線纜數(shù)量、線纜長度）設(shè)計(jì)機(jī)柜間的設(shè)備連接拓?fù)洹＂谠贗P網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時，要綜合考慮實(shí)驗(yàn)室設(shè)備數(shù)量及其位置分布情況與項(xiàng)目中的信息點(diǎn)分布需求，以盡量少的地址消耗代價和實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量進(jìn)行IP聚合編址設(shè)計(jì)。

這個項(xiàng)目讓學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的構(gòu)建設(shè)計(jì)中，有體現(xiàn)知識、技術(shù)、方法等的綜合應(yīng)用［6］。同時與工程實(shí)際吻合，除了技術(shù)問題，還要考慮安全問題，綜合用戶便捷使用、全面覆蓋以及經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等多方利益，追求一定目標(biāo)下的平衡。另外分組方式開展實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在小組工作方式下學(xué)習(xí)協(xié)作、溝通、表達(dá)、組織［14］。

（3）符合選擇特征⑦包含多個相互關(guān)聯(lián)的子問題。網(wǎng)絡(luò)工程本身包含了眾多相互關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)：網(wǎng)絡(luò)及通信子系統(tǒng)、服務(wù)器及存儲子系統(tǒng)、軟件子系統(tǒng)、環(huán)境支撐子系統(tǒng)；每個子系統(tǒng)又包含眾多相互關(guān)聯(lián)的子問題。

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要針對其中的網(wǎng)絡(luò)及通信子系統(tǒng)，涉及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋯栴}、VLAN/IP編址問題、路由問題、網(wǎng)絡(luò)安全問題、雙出口接入互聯(lián)網(wǎng)問題、IPv4/v6共存環(huán)境下的通信問題等。所有這些子問題均相互關(guān)聯(lián)，需要綜合運(yùn)用有效的技術(shù)手段來實(shí)現(xiàn)滿足項(xiàng)目設(shè)計(jì)需求的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。例如：項(xiàng)目的安全需求中要求“安全部和財務(wù)部不能訪問Internet”，這一需求可以有兩種實(shí)施方案：①僅考慮單一的安全問題——在某些路由器上使用ACL技術(shù)過濾掉這兩個部門發(fā)往Internet的IP分組，或者是Internet發(fā)往這兩個部門的IP分組。②關(guān)聯(lián)安全問題與接入互聯(lián)網(wǎng)問題——在接入互聯(lián)網(wǎng)的路由器上配置NAT可轉(zhuǎn)換的內(nèi)網(wǎng)地址池不包括這兩個部門。如果采用方案②，在配置NAT可轉(zhuǎn)換的內(nèi)網(wǎng)地址池時，還需要關(guān)聯(lián)考慮接入互聯(lián)網(wǎng)的雙出口負(fù)載均衡和冗余備份問題：是用NAT技術(shù)、還是用策略路由技術(shù)實(shí)現(xiàn)雙出口負(fù)載均衡和冗余備份［15］？

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目允許每個小組自行選擇適當(dāng)?shù)募夹g(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，但是要求學(xué)生在設(shè)計(jì)方案討論環(huán)節(jié)中能夠?qū)Σ煌募夹g(shù)方案進(jìn)行一定程度的評價（小組互評）。

3 以解決復(fù)雜工程問題為目的的教學(xué)實(shí)施效果

從前面介紹的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目內(nèi)容中，不難看出學(xué)生完成復(fù)雜工程問題項(xiàng)目的難度和挑戰(zhàn)，課題都是綜合性的，難度比較大。課程科學(xué)安排教學(xué)環(huán)節(jié)，配備有經(jīng)驗(yàn)的助教，在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上給予指導(dǎo)；教師和助教觀察學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的過程，聽他們自己講設(shè)計(jì)，講實(shí)驗(yàn)步驟，講實(shí)驗(yàn)過程，對大的方向進(jìn)行糾正，細(xì)節(jié)不做過多地評判讓他們自己去體驗(yàn)；創(chuàng)造良好的討論氛圍，采用合理的考核評價，這些都是積極推動學(xué)生能力培養(yǎng)的有效舉措。

課程分為方案設(shè)計(jì)、方案實(shí)現(xiàn)、課程設(shè)計(jì)報告以及技能評估4個環(huán)節(jié)，有劃分很細(xì)的評分細(xì)則。既有方案的主觀評價、也有細(xì)分的功能性指標(biāo)評價；既有老師的評價、助教的評價、也有學(xué)生的小組互評，組內(nèi)成員的貢獻(xiàn)度評價，并在不同的環(huán)節(jié)組合不同的評價方式；既有形成性評價、又有結(jié)果性評價［16］，項(xiàng)目方案的實(shí)現(xiàn)效果最終要以拍攝一個視頻展示出來，非常直觀。項(xiàng)目需求分析和方案設(shè)計(jì)階段，要組織每組進(jìn)行匯報答辯，用小組互評的方式給出建議，考慮不周全的部分老師和助教會及時提醒，這樣小組可以及時調(diào)整。

有的項(xiàng)目小組可以分工合作，充分發(fā)揮每個成員的優(yōu)勢，體現(xiàn)集體的智慧，最后的方案設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)常常讓老師都大為贊賞。這極大地鼓舞了學(xué)生的自信心，他們在展示自己作品的時候由衷地感到自豪，部分優(yōu)秀的學(xué)生甚至在自己上這門課程的時候就下定決心第二年要擔(dān)任課程助教，用自己的經(jīng)驗(yàn)去指導(dǎo)和影響下一個年級的學(xué)弟學(xué)妹們。圖1是一個項(xiàng)目小組的網(wǎng)絡(luò)方案設(shè)計(jì)原理圖。

圖1 某學(xué)生項(xiàng)目小組的網(wǎng)絡(luò)方案設(shè)計(jì)原理圖

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目使用主流廠商的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行方案實(shí)施，很多相關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的配置、軟件的安裝調(diào)試、各種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)原理都需要學(xué)生去自學(xué)完成。雷子昂同學(xué)在談到課程感受時說：“雖然在Packet Tracer模擬器上實(shí)現(xiàn)的功能能夠正常運(yùn)行，但是真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備還是和模擬器有很大區(qū)別，我們花了很多時間在研究和測試不同設(shè)備的命令使用方法上。實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)了一些沒有預(yù)料的問題，這個時候需要我們上網(wǎng)查找資料、主動學(xué)習(xí)知識，從而鍛煉了我們自主學(xué)習(xí)和適應(yīng)變化的能力?！眲㈥柾瑢W(xué)說：“這次實(shí)驗(yàn)鍛煉了我們的實(shí)踐能力，并且在整個實(shí)驗(yàn)過程中，我們認(rèn)識到了一個團(tuán)隊(duì)的重要性。每個人都有自己的任務(wù)，同時與其他隊(duì)員密切交流，才能保證整個團(tuán)隊(duì)任務(wù)的高效完成?！?/p>

4 結(jié) 語

網(wǎng)絡(luò)專業(yè)綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)一直走在教學(xué)改革的前沿，成為網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)提升實(shí)踐能力最為重要的課程之一。經(jīng)過10多年的建設(shè)，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境也在不斷完善和優(yōu)化。近幾年對于支撐“復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)”，符合工程教育改革理念，老師們下足了功夫。學(xué)生普遍反映這門實(shí)驗(yàn)課程收獲很大，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目任務(wù)量大、涉及面廣、持續(xù)時間長，可以極大提高學(xué)生的動手實(shí)戰(zhàn)能力。