基于多融合教學(xué)模式的網(wǎng)絡(luò)工程教學(xué)與實驗仿真

陳瑞志 李昌慶 歐陽斌

摘要：利用思科網(wǎng)絡(luò)仿真軟件作為網(wǎng)絡(luò)工程等課程的實驗教學(xué)平臺，進(jìn)行線上線下混合、課程思政與專業(yè)知識結(jié)合、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與仿真軟件平臺虛實結(jié)合的教學(xué)模式。在網(wǎng)絡(luò)工程教學(xué)與實驗仿真應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真教學(xué)與實驗融合體系的建設(shè)等方面進(jìn)行教學(xué)實踐，以培養(yǎng)學(xué)生的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用能力、工程設(shè)計能力、創(chuàng)新思維及能力。

關(guān)鍵詞：線上線下混合；設(shè)備虛實結(jié)合；課程思政；網(wǎng)絡(luò)仿真

中圖分類號： TP393? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）34-0074-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）

0 引言

網(wǎng)絡(luò)工程的實驗實訓(xùn)，對網(wǎng)絡(luò)工程技術(shù)人才的培養(yǎng)非常重要。在網(wǎng)絡(luò)工程課程教學(xué)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(shè)備等，來完成實驗實訓(xùn)。但是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備種類型號多樣，實驗設(shè)備不足是常態(tài)，這時利用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件來進(jìn)行實驗實訓(xùn)，起到了非常重要的作用，彌補了實驗設(shè)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(nèi)外知名企業(yè)，兼顧網(wǎng)絡(luò)協(xié)議預(yù)研、工程項目仿真、人才實訓(xùn)培養(yǎng)等多方面目標(biāo)。

思科公司的網(wǎng)絡(luò)模擬器PT，是針對CCNA認(rèn)證開發(fā)的一款網(wǎng)絡(luò)模擬輔助學(xué)習(xí)工具，為網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)者提供了網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、配置、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析和網(wǎng)絡(luò)故障排除的學(xué)習(xí)平臺[1]。該軟件安裝方便，運行時系統(tǒng)消耗??；能模擬大多數(shù)的網(wǎng)絡(luò)命令操作，可以利用它完成大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)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(luò)安全認(rèn)證等實驗，文獻(xiàn)[3]利用PT軟件仿真撥號認(rèn)證、PPPOE入網(wǎng)訪問控制、PPPOE+RADIUS+AAA實現(xiàn)服務(wù)器集中審計認(rèn)證用戶入網(wǎng)訪問、包過濾防火墻、ACL+NAT內(nèi)外網(wǎng)絡(luò)不同安全策略、VPN等網(wǎng)絡(luò)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(jìn)，文獻(xiàn)[4]利用PT建立智能養(yǎng)殖場網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型； 運用多種傳感器、物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器、無線網(wǎng)關(guān)和微處理器等組成智能養(yǎng)殖場網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，便捷地監(jiān)視和控制電子設(shè)備，實現(xiàn)和測試該系統(tǒng)各種功能，達(dá)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(luò)設(shè)備和協(xié)議模型，模擬網(wǎng)絡(luò)行為和開發(fā)網(wǎng)絡(luò)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(luò)拓?fù)洌俑鶕?jù)功能需要配置設(shè)備；并可提供數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中行進(jìn)的詳細(xì)處理過程，觀察網(wǎng)絡(luò)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(xué)與實驗，增強了網(wǎng)絡(luò)教學(xué)與實驗的趣味性，提高了學(xué)生的興趣，從而也提高了學(xué)生學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)工程技術(shù)的積極性；通過網(wǎng)絡(luò)理論教學(xué)中把抽象的網(wǎng)絡(luò)概念形象地變成可以操作的實例，把枯燥的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議原理構(gòu)建仿真實驗，再結(jié)合其他有效的教學(xué)方法，以提高網(wǎng)絡(luò)工程教學(xué)質(zhì)量和效果。因此，PT適合網(wǎng)絡(luò)工程等課程線上線下混合的工程設(shè)計及技術(shù)應(yīng)用的教學(xué)與實驗。

1 多融合教學(xué)模式

網(wǎng)絡(luò)工程課程教學(xué)充分利用并積極建設(shè)線上資源，利用思科官網(wǎng)、PT實驗仿真的相關(guān)技術(shù)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(xué)案例、實驗指導(dǎo)等教學(xué)資料中。同時也可以上傳自己原創(chuàng)的相關(guān)教學(xué)與實驗資料到相關(guān)平臺，進(jìn)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(shè)備與仿真軟件平臺虛實結(jié)合等多融合教學(xué)模式，如圖1所示。該模式下，有利于師資隊伍建設(shè)、教學(xué)資料建設(shè)、教學(xué)活動實施，并達(dá)到多方面協(xié)同發(fā)展。通過學(xué)生的平時表現(xiàn)、課程實驗仿真、課程設(shè)計選題、課題設(shè)計與實現(xiàn)、答辯、設(shè)計說明書撰寫等環(huán)節(jié)多方面考核和評價學(xué)生。以課程思政為引領(lǐng)，鼓勵并有效指導(dǎo)學(xué)生積極參與大學(xué)生科技項目和學(xué)科競賽，著重培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)等綜合能力、技能和素質(zhì)，實現(xiàn)更好的課程目標(biāo)。

1.1 線上線下混合教學(xué)

利用騰迅會議等平臺，采用線上線下混合教學(xué)模式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)工程教學(xué)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(jìn)，并錄制視頻，供學(xué)生回放。根據(jù)課程需要和學(xué)生的實際情況，資源科學(xué)規(guī)劃、合理整合到相應(yīng)的教學(xué)單元中；提前制作好教案、講稿、實驗指導(dǎo)書等。課前為學(xué)生推送講義、預(yù)習(xí)資料等；課中講解學(xué)習(xí)中的重點難點、思政整合后的教學(xué)內(nèi)容等知識；課后讓學(xué)生回放視頻鞏固、完成作業(yè)和仿真實驗等。在疫情防控或?qū)嶒灄l件不足等情況下，該模式能有效提高學(xué)生的參與度和學(xué)習(xí)積極性，從而提高教學(xué)效果。

1.2 發(fā)揮團隊合力，提高教師思政水平

網(wǎng)絡(luò)工程授課教師要以身作則，不斷提高思政水平、學(xué)習(xí)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(xué)習(xí)貫徹習(xí)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(xué)與專業(yè)教育緊密結(jié)合，建設(shè)網(wǎng)絡(luò)工程課程思政示范課程、加強團隊教師技能培訓(xùn)、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(jìn)行研課磨課，針對研課磨課中的難題，通過示范教學(xué)、專題研討、經(jīng)驗交流等方式進(jìn)行現(xiàn)場指導(dǎo)，發(fā)揮團隊合力，凝聚智慧，提升課程思政教學(xué)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(biāo)的國內(nèi)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(luò)工程教學(xué)過程中融入與課程相關(guān)的國內(nèi)國外經(jīng)典案例，讓學(xué)生認(rèn)識到網(wǎng)絡(luò)工程的發(fā)展情況和應(yīng)用價值，同時也認(rèn)識到由于在某些核心技術(shù)方面的缺失，受到以美國為首的西方國家在技術(shù)上的故意打壓和封鎖，以此增強學(xué)生的愛國意識，家國情懷，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。專業(yè)知識充分融入思政元素，探索網(wǎng)絡(luò)工程課程知識教育與價值觀教育相結(jié)合，從而達(dá)到潛移默化、潤物細(xì)無聲地感染和影響學(xué)生。比如：在介紹網(wǎng)絡(luò)工程基礎(chǔ)知識時，不僅要求學(xué)生了解網(wǎng)絡(luò)工程行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀、發(fā)展方向、學(xué)科前沿等，還應(yīng)融入當(dāng)前以華為為代表的國內(nèi)網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備供應(yīng)商，遭遇美國的打壓和芯片封鎖后，而竭力沖突技術(shù)壁障的事跡。從而鼓勵學(xué)生立志解決“卡脖子”現(xiàn)象，努力學(xué)習(xí)、勇攀高峰，為祖國的建設(shè)和發(fā)展奉獻(xiàn)的高貴精神。在工程設(shè)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(biāo)、培養(yǎng)具有習(xí)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(zé)任、工匠精神等的大學(xué)生的育人目標(biāo)相吻合。所以將課程思政融入網(wǎng)絡(luò)工程課程教學(xué)中能更好地實現(xiàn)課程目標(biāo)。

1.4 課程教學(xué)資源建設(shè)

綜合專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)、課程目標(biāo)、課程知識點和國際國內(nèi)形勢相關(guān)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(xué)和思政教育有機融合，創(chuàng)新與優(yōu)秀傳統(tǒng)文化相結(jié)合，利用虛實相結(jié)合的實驗設(shè)備平臺，設(shè)計和開發(fā)相應(yīng)的實驗項目，撰寫實驗指導(dǎo)和課程設(shè)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(xué)大綱、教案和教學(xué)設(shè)計等，并實施于教學(xué)活動中，錄制線上線下結(jié)合同步授課視頻等。

1.5 學(xué)習(xí)活動

采用教學(xué)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(jìn)行線上和線下實時視頻教學(xué)，并根據(jù)需要進(jìn)行視頻錄制，便于學(xué)生重播觀看尚需理解透徹的內(nèi)容。實驗實訓(xùn)課需要實時監(jiān)控學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)，及時解答學(xué)生疑問，進(jìn)行更加有效的實驗實訓(xùn)指導(dǎo)。激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)自主性、主動性，通過“第二課題”“第三課堂”，鼓勵學(xué)生積極參與大學(xué)生科技項目和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)科競賽等活動，使得學(xué)習(xí)更加有的放矢，學(xué)以致用。

2 PT網(wǎng)絡(luò)工程虛擬仿真實驗與教學(xué)應(yīng)用

2.1 PT進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)工程教學(xué)與實驗仿真的一般辦法

網(wǎng)絡(luò)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(yīng)專項實驗，聯(lián)動計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與應(yīng)用等課程的基本實驗。通過實驗實踐演示和講解讓學(xué)生更能理解網(wǎng)絡(luò)協(xié)議工作基本原理、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的運行機制。讓學(xué)生上機驗證，進(jìn)一步理解和鞏固概念和原理知識。其次，結(jié)合多個知識點和融合多個基本專項實驗，開發(fā)一些設(shè)計型、綜合型的實驗案例，進(jìn)一步提高學(xué)生設(shè)計和創(chuàng)新能力。再次，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)工程項目或虛擬項目，從選題、需求分析，規(guī)劃設(shè)計，到仿真實現(xiàn)；最后撰寫課程設(shè)計說明書，完成網(wǎng)絡(luò)工程課程設(shè)計。網(wǎng)絡(luò)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?qū)Вˋctivity Wizard） ，設(shè)定多套網(wǎng)絡(luò)工程實驗任務(wù)，通過設(shè)計考核要求指導(dǎo)文檔、用變量設(shè)置試卷序列號或其他隨機考核內(nèi)容等設(shè)置，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)工程技術(shù)自動考核系統(tǒng)。讓學(xué)生在約束的時間范圍內(nèi)上機完成初始化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑渲茫ㄏ到y(tǒng)自動計時），考核結(jié)束后與“答案網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹北葘?，活動向?qū)鶕?jù)知識點的正誤自動評分[6]。當(dāng)然，這種方式也可以用于平時的實驗實訓(xùn)，任課老師可以根據(jù)學(xué)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(xué)生進(jìn)行自主訓(xùn)練，從而增加了自覺學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)工程技術(shù)的時間，提高學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)技能的積極性。

2.2 PT網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實驗教學(xué)體系與內(nèi)容

在虛擬環(huán)境下，可以突破傳統(tǒng)單一網(wǎng)絡(luò)硬件實驗條件的限制，可以全面考慮網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)建、網(wǎng)絡(luò)工程設(shè)計與仿真、應(yīng)用軟件開發(fā)等多重因素，構(gòu)建培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和工程實踐能力為核心的網(wǎng)絡(luò)工程實驗教學(xué)體系。從網(wǎng)絡(luò)工程課程設(shè)計選題、課題需求分析、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計、仿真實現(xiàn)、設(shè)計說明書撰寫等整個網(wǎng)絡(luò)工程的實戰(zhàn)訓(xùn)練，提升了學(xué)生實驗技能和創(chuàng)新能力，使學(xué)生得到系統(tǒng)的工程能力訓(xùn)練。根據(jù)需求分析進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計階段時，構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)模型是網(wǎng)絡(luò)邏輯設(shè)計的關(guān)鍵步驟，需要理解并掌握運用網(wǎng)絡(luò)邏輯設(shè)計方法構(gòu)造符合需求的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋄7]。通過分層設(shè)計整體概括網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在接入層、匯聚層和核心層的功能劃分，通過組件設(shè)計進(jìn)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(nèi)部邏輯關(guān)系，配置網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實現(xiàn)相應(yīng)功能，并按策略實現(xiàn)互聯(lián)互通。通過一系列的學(xué)習(xí)和綜合訓(xùn)練，對學(xué)生網(wǎng)絡(luò)工程應(yīng)用能力、工程設(shè)計能力、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力等，進(jìn)行訓(xùn)練和培養(yǎng)，并鼓勵他們積極參與網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用項目開發(fā)，參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目。表1為網(wǎng)絡(luò)工程虛擬仿真實驗教學(xué)體系，僅供參考。

2.3 運用PT網(wǎng)絡(luò)工程教學(xué)與實驗的優(yōu)點

網(wǎng)絡(luò)仿真在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議預(yù)研、網(wǎng)絡(luò)工程項目設(shè)計前的預(yù)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(luò)工程課程實驗平臺，結(jié)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(luò)工程教學(xué)實踐中取得良好的效果。

1） 解決了網(wǎng)絡(luò)概念抽象、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議復(fù)雜難以理解的問題。網(wǎng)絡(luò)工程中網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議與原理、通信設(shè)備工作機制與作用等知識復(fù)雜、枯燥，令人難以理解。利用PT軟件構(gòu)建與理論知識相結(jié)合的實驗，把抽象理論、乏味知識轉(zhuǎn)化為直觀可見的實驗操作，并可提供數(shù)據(jù)包詳細(xì)處理過程，觀察網(wǎng)絡(luò)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(xué)生在動手操作效果觀察過程中完成網(wǎng)絡(luò)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(shè)備不足的問題。在網(wǎng)絡(luò)工程實驗設(shè)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(luò)設(shè)備，降低了實驗成本，解決了網(wǎng)絡(luò)實驗經(jīng)費緊張、設(shè)備不足的問題。

3） 培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)工程的興趣，提高了學(xué)生網(wǎng)絡(luò)工程實踐能力。利用PT進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)工程教學(xué)，理論結(jié)合實踐，學(xué)生能夠充分參與驗證、設(shè)計，甚至創(chuàng)新實驗，并且能夠直觀檢驗成果，從而增強了學(xué)習(xí)信心，提高了學(xué)習(xí)興趣，促使他們更加自主、自覺地學(xué)習(xí)。

4） 便于對網(wǎng)絡(luò)工程實驗結(jié)果進(jìn)行考核，傳統(tǒng)的筆試難于反映學(xué)生的實踐能力[8]， PT提供了創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)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(jié)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(xué)性起到重要作用。

總之，網(wǎng)絡(luò)仿真廣泛用于網(wǎng)絡(luò)教學(xué)實踐，特別適用于中大型網(wǎng)絡(luò)工程的設(shè)計與仿真；當(dāng)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(luò)工程教學(xué)與實驗中使用，能夠激發(fā)學(xué)生興趣，提高教學(xué)效果；并降低了網(wǎng)絡(luò)工程實驗成本，能夠較好地滿足應(yīng)用型網(wǎng)絡(luò)工程教學(xué)設(shè)計和實踐的需要，為后續(xù)網(wǎng)絡(luò)工程技術(shù)的學(xué)習(xí)打下堅實的基礎(chǔ)。

3 結(jié)論

本文闡述了專業(yè)教育與課程思政、線上線下、實驗設(shè)備虛實結(jié)合的多融合的網(wǎng)絡(luò)工程應(yīng)用教學(xué)模式，進(jìn)行教學(xué)師資團隊、教學(xué)資料建設(shè)、教學(xué)活動實施等，對于培養(yǎng)學(xué)生網(wǎng)絡(luò)工程綜合素質(zhì)起到了重要的促進(jìn)作用。最后，介紹了利用PT構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)仿真教學(xué)與實驗的一般方法，提出網(wǎng)絡(luò)工程虛擬仿真實驗教學(xué)參考體系并分析了運用PT網(wǎng)絡(luò)工程教學(xué)與實驗良好效果。

參考文獻(xiàn)：

[1] 胡云.基于不同版本的Cisco Packet Tracer實驗結(jié)果比較[J].成都大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2016，35（1）：64-66.

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

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

[4] 陳瑞志，吳克儉，李春紅，等.智能養(yǎng)殖場網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(xué)探索：以網(wǎng)絡(luò)工程實訓(xùn)課程為例[J].網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)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(shù)，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(luò)工程仿真實訓(xùn)教學(xué)[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(luò)技能考核中的應(yīng)用[J].網(wǎng)絡(luò)與信息，2011，25（7）：48-49.

【通聯(lián)編輯：王 力】