面向实践型人才培养的交换与路由课程教学实践

齐建东　高宝

摘要：交换与路由课程是高等学校网络工程专业必修课。文章通过介绍北京林业大学的课程内容、实践条件、实验教学实施方式、授课方式和考核方式，阐述以培养实用型人才为目标，围绕虚拟教学平台开展的理论及实践教学方案。

关键词：交换与路由；实践教学；虚拟实验平台

0 引言

2012年7月，教育部高等学校计算机科学与技术教学指导委员会发布了《高等学校网络工程专业规范（试行）》，这也是首次对网络工程专业内涵等的统一认识与界定。网络工程专业在培养目标上，侧重网络的设计、规划、管理、维护等5大层面。作为构建网络连通性的交换技术和路由技术，是上述专业目标得以实现的基础[2]。交换与路由技术关注于建立网络的连通性，是把各种网络物理设备连接在一起的纽带，是各种网络上层应用得以实施的底层基础。交换与路由课程内容在网络层次模型上的落脚点是TCP/IP模型中的数据链路层和网络层。

顾名思义，交换与路由课程在内容上由交换技术和路由技术两部分组成。其中交换技术研究园区网环境下的数据交换技术，在物理设备上围绕二层、三层交换机展开；路由技术侧重互联网中通信子网的网络连通性，通常属于运营商的管理范围，在物理设备上围绕路由器、三层交换机展开。交换与路由课程的前修课是计算机网络原理课程，是针对计算机网络原理中IP路由、局域网、广域网等章节内容的深化和实践。合理的计算机网络原理的知识结构和知识内容，是交换与路由课程开展的必要支撑。交换与路由课程的后续课包括有网络工程、网络管理、网络安全、网络协议分析等。综上可以看出，交换与路由是一门实践类课程，是在计算机网络原理基础上的应用环节。教育部推出的“卓越工程师教育培养计划”（简称“卓越计划”）旨在培养适应社会经济发展需要的各类型高质量工程技术人才，重点强调培养学生的实践能力。就交换与路由课程而言，与这一目标十分贴切。

1 交换与路由课程内容

北京林业大学网络工程专业在交换与路由知识的学习上，共涵盖两门课程：交换与路由（56学时）、交换与路由综合实验（40学时），理论学习与实践操作并重。两门课程独立考核，总学时数高达96学时，可以反映出交换与路由技术对网络工程专业的重要程度。56个学时的交换与路由课程包含了46学时的理论、10学时的课程实验。理论部分专注原理剖析，主要知识点包括路由协议基础、距离向量路由协议、链路状态路由协议、路径向量路由协议、RIPv1/2路由协议原理、OSPF路由协议原理、BGP路由协议原理、访问控制列表、路由控制、交换基础、交换知识点（VLAN、STP、VTP等）。10学时的课程实验属于针对课堂理论讲解的验证性实验。40学时的交换与路由综合实验课程是对理论学习的综合性实验，从复杂拓扑结构人手、建立分散的知识点之间的关联。

2 交换与路由课程教学过程

2.1 课程特点及教材选用

交换与路由作为网络工程专业的核心课程，不仅在教育科研领域深受重视，在工业界也扮演着重要角色。网络设备生产商中，华为、思科（Cisco）、詹博（Juniper）3家企业占据市场绝大部分份额，也都建立起了面向网络工程师的针对交换和路由方向的网络认证考试。其中，思科公司在网络教育以及网络知识普及上所做出的贡献尤为突出，和国内众多高校合作建立思科网络技术学院。思科出版社也出版发行了各个网络教育层次的教材，但通常以认证为导向。国内也有部分高校出版了“交换与路由”相关教材，但从调研来看，目前还没有成熟度较高的经典教材。鉴于此，我们在为北京林业大学学生授课过程中，参考业界领先的思科网络教育学院教材，在其基础上对内容进行裁剪，形成适合北京林业大学网络工程专业学生特点的教学讲义。自编教材首先要符合本科教学学时数；教学内容上原理和实践并重，既侧重原理，又不能光说不练，但也不以企业认证为目标。教学实践表明，枯燥的网络协议等理论知识，只有和实践操作结合在一起，才会更容易被吸收消化。交换与路由课程与计算机程序设计语言课程有很大的相似性，只记住理论，而不动手实践，便毫无意义。要动手实践，必须依托目前主流网络设备生产商的产品。

2.2 网络实验室实践条件

截止2012年，北京林业大学网络工程实验室有25台Cisco 2821路由器、12台Cisco Catalyst2950二层交换机、13台Cisco Catalyst 3650三层交换机、一台PC服务器。设备数量总体较少，以一个标准班30人计算，也不足以让每个学生都在一个较大的拓扑上进行操作。实验室的建设需要一个过程，在资金投入有限、设备不能立即到位的前提下，我们划分了两个阶段，充分利用网络实验的教学资源，具体做法是：课程初期，让学生在网络实验室中了解、认知网络物理设备，用较少的设备就可以完成一些基本的验证性实验；课程后期：我们把网络设备整合成5套拓扑，每个拓扑由5台路由器和2台三层交换机组成，可以满足交换与路由课程全部教学内容的实验要求。实验室采取开放策略，学生可以预约时间随时操纵物理设备。教学实践表明，这种方案一定程度上弥补了由于设备数量不足所带来的教与学的困境。

2.3 构建虚拟平台

在熟悉对网络物理设备的连接、配置以后，课上的理论讲解、课下的自主学习，都切换到Dynamips虚拟平台。Dynamips仿真了部分型号思科路由器硬件环境，加载真实的思科网络操作系统iOS，类似于VMware、VirtualBox等可以加载PC操作系统。Dynamips启动以后，通过Telnet方式连接Console口来登录路由器，之后的操作就和登录到真实物理设备完全一致了。基于此，我们编写了如何构建网络虚拟平台的教学文档，内容涵盖了GNS3、Dynamips、Wireshark、Vware、VirtualBox、JUNOS、PIX防火墙、ASA、IDS，全面讲解了在GNS3集成环境下，各网络软件的配置、使用，在学期初就下发给学生并组织集体学习。在GNS3环境下，借助于Dynamips等虚拟机，学生可以在自己的笔记本电脑上构建一个包含二层交换机、三层交换机、帧中继交换机、ATM交换机、路由器、防火墙、IDS等设备较完整的Intemet环境。GNS3提供了以鼠标拖曳方式构建拓扑，在网络运行中，也可以动态地改变拓扑结构，具有较强的灵活性。96学时的教学实践表明，Dynamips实验环境可以支撑本科阶段交换与路由课程中路由部分的全部内容、交换部分的大部分内容。学生可以不受时间、实验室的限制，自主学习。endprint

2.4 课堂教学

课堂教学由两部分组成：理论讲解、现场实验验证。教师在课堂环境现场实验来验证协议原理及交互过程是本课程教学的特色之一。其中理论讲解环节采用多媒体方式，围绕路由协议原理的分析、协议特性进行讲解；鼓励学生把笔记本电脑带进教室，既可以做电子笔记，动手能力强的学生还可以随时跟进教师的课堂实验验证；鼓励学生进行问题攻击，在攻击性问题的讲解过程中，往往能让全部学生都集中注意力。在动手实践环节，每次讲解完一个知识点，马上就当场实验验证。路由协议的工作原理，反映在路由协议的数据包封装上，而GNS3环境下Dynamips和Wireshark做了很好的集成，直接在拓扑结构的链路上实施数据包捕获，可以查看协议的交互完整过程和数据包封装细节。把枯燥的协议和鲜活的协议数据包有机结合在一起，提升了学生学习积极性。不仅是记住原理，还要启发学生这个协议是怎么实现的，和生活中哪些场景有关联。

2.5 分解实验

交换与路由在教学内容上，各章节的知识点相对独立，自成体系。以路由为例，在讲解完路由基本原理，让学生了解了DV型路由协议、LS路由协议、PV型路由协议的基本原理以后，就可以独立讲解RIP、OSPF、路由控制、ISIS、BGP等各个协议。各个协议在知识结构上相互独立，通过路由控制把各个协议重新组合在一起，进行互操作。为此，我们为每个章节都单独给出了分解实验，并且给每个实验文档加以4位数字的编号，同一类型知识点文档的数字中第一个数字相同，学生可以快速索引到关于相关知识点的文档。除了分解实验之外，会提供给学生一个综合的拓扑，可以有机地把分解知识组合在一起，即知识点模块化、系统化。通过阅读大量的分解实验文档，也可以培养学生自主学习的良好习惯。以BGP路由协议的学习为例，属性是BGP协议的核心，也是BGP强大的选路能力的重要支撑，这部分作为学习重点。我们设定了同一个拓扑结构，根据具体需求，不断调整各种属性，来实现不同的选路，而每种属性都做了实验分解。

2.6 考核环节

交换与路由课程在教学效果评估上，采取了阶段考核方式。整个学期在交换与路由理论课环节包括3个阶段性考试，依次按30%、30%、40%的计分比例汇入总成绩。各阶段考试均采用无纸化方式，提供拓扑结构、需求分析的pdf文档，学生根据需求完成配置，并回答若干关键问题。为防止抄袭，每个学生在配置拓扑结构时，都要把自己的学号作为接口IP地址中4个十进制数中的一个。3个阶段的考试，可以让学生整个学期都保持对这门课程的预习、复习和课外的实践操作，从而在知识点的掌握、认知能力的提高上，有很大的促进作用。

3 交换与路由教学总结

3.1 存在的问题

在教学实践过程中，最大的问题就是课程进度滞后于大纲安排，分析原因如下：①不习惯教师边讲解理论边做实验的教学方式。许多学生已经习惯被动地“收听”，而本课程要求边听课边做电子笔记，涉及实验还要动手实践，精神和注意力高度集中，如果中间某个环节跟不上，就会造成脱节。教学方式、教学风格的变化需要重新形成并建立一种新的学习习惯，这需要一个适应过程。②部分学生对前修课程计算机网络的基础知识掌握不扎实，具体表现在：对TCP/IP层次模型了解不充分，对数据包的流动过程以及所涉及的协议没有一个清晰的认识，对IPv4私有地址、公有地址、组播地址、广播地址了解不充分。③全英文多媒体课件使部分学生阅读理解起来会有一定的困难。交换与路由是在网络工程专业大三第一学期开设，大部分学生已经通过了大二下学期的英语四级考试，但仍然有部分学生跟不上节奏。

3.2 收获

从教学反馈来看，主要包含以下两点：从学生层面看，一定程度上改变了学生的学习观念。理论和实验并重的教学方式，学习强度大，让课程学习真正成为一个持续地过程，学习不再是为了考试，避免了考前临时突击的现象。从教师层面看，摸清了学生在前修课计算机网络课程上所欠缺和掌握不扎实的知识点，使得网络教研组教师之间课程交流内容更加明确，进而对专业培养目标的定位也逐渐清晰。

4 结语

作为一门以实践应用为导向的课程，交换与路由课程的建设是一个逐步深化的过程。下一步要做的工作包括：总结教学经验，在不断完善自编教学讲义的基础上，规划出版教材；继续扩充分解实验的数量，网络教研组的教师共同讨论，使实验内容能够跟上网络技术的快速变化；外出调研，多和其他同行交流，不断提高本课程的教学质量。

参考文献：

[1]教育部高等学校教学计算机科学与技术指导委员会.网络工程专业规范（试行）[M].北京：高等教育出版社，2012：1.

[2]徐明，曹介南，姚丹霖，等.网络工程专业课程体系研究与实践[J].计算机教育，2009（19）：115-118.

[3]齐建东，袁津生.基于开源软件构建计算机网络课程的实践教学[J].中国林业教育，2011（2）：57-60.

（见习编辑：刘丽丽）endprint