“交换与路由”课程教学方式改革初探

蔡　祥　高　宝　齐建东　赵　方

(北京林业大学信息学院，北京　100083)



“交换与路由”课程教学方式改革初探

蔡祥高宝齐建东赵方

(北京林业大学信息学院，北京100083)

摘要：分析了网络人才应该具备的基本素质，认为网络人才培养应该以应用为主并且兼顾科学研究。“交换与路由”作为网络工程专业核心课程之一，在网络人才的培养过程中起到举足轻重的作用。结合教学过程中的一些思考，指出“交换与路由”课程教学中引以为戒的“课堂上过分强调技术”“理论与实践并行”2种教学方式的不足，认为“交换与路由”课程讲授应当将理论与实际操作相结合，启发和引导学生思考问题。同时，将知识点分解、在实验环节安排排错练习的做法，有效地巩固了学生课堂所学，在教学过程中起到了良好的效果。

关键词：交换与路由；理论与实践；启发式；知识分解；排错练习

计算机网络深刻地影响着人们的日常生活，并早已成为人们获取信息的主要手段。同时，社会各行各业的建设和发展也极度地依赖网络，企事业单位对于组建、维护网络技术型人才的需求还在不断扩大。从2002年开始，已有200多所高等院校设立了网络工程专业[1]，为社会输送了大量的网络建设和维护人才。尽管如此，能够进行网络设备研发和网络协议设计的人才却凤毛麟角。目前，国内骨干网络使用的高性能网络设备(交换机、路由器、防火墙等)基本都来自于Cisco、Juniper、3com等外国公司，虽然华为、中兴、锐捷等国内网络公司在设备研发上奋起直追，并在低端设备市场占有一席之地，但高端先进转发技术的研发相对于国外知名网络公司仍显不足。面对这种现状，作为中国网络人才培养摇篮的高等院校理应奋起直追，培养出适应社会需求的网络人才。

“交换与路由”课程作为网络工程专业重要的核心课程之一，承担着培养符合社会需求的网络人才的重任，其先修课程是“计算机网络”。“计算机网络”侧重网络层次结构和协议设计，而“交换与路由”课程则更加侧重实践技能的培养。笔者结合“交换与路由”课程教学过程中的一些思考，认为本课程应当将理论与实践紧密结合，启发和引导学生将重要的网络分层概念、形式及理论付诸实践，从而帮助学生全面掌握安装、配置、测试和运营局域网及广域网等所需的实践技能，真正做到学以致用，为社会培养出合格的网络工程师，并且为学生继续从事网络设备研发和网络协议设计打下基础。

一、“交换与路由”课程的教学目标

针对北京林业大学“创办国际知名、高水平研究型大学”的办学目标，结合北京林业大学信息学院网络工程专业“应用为主兼顾科学研究”的专业建设目标，以及社会对于网络人才所具备的素质需求，笔者将“交换与路由”课程的教学目标设定如下：①使学生具备设计、实施和维护校园网和企业网的工程能力，为社会提供合格的网络工程师；②使学生具备初步研发交换机和路由器的能力，具备MAC帧和IP分组端到端传输过程所涉及的网络算法和协议的分析能力，从而具备网络算法的初步设计和实现能力，为继续从事网络方向的研究打下坚实基础。

二、“交换与路由”课程教学方式存在的问题

笔者在讲授“交换与路由”课程时，曾尝试采取多种教学方式，以期取得最好的教学效果，其中两种授课方式值得引以为戒。①课堂上过分强调技术。这种教学方式主要参考思科公司网络技术学院CCNA和CCNP认证培训的授课方式。授课教师在课堂上现场演示交换机与路由器中的配置方法，学生通过观察，学习教师的操作步骤，并自行组建网络。这种依靠记住规则和技巧的学习方法，在一定程度上能够让学生掌握交换机与路由器中的操作配置，培养出技术型的人才，但由于教师对网络协议讲解相对欠缺，学生对于交换机、路由器和协议内部的运行机制不甚了解，知其然而不知其所以然，使培养出来的学生不具有更深入的网络技术研究能力和网络设备研发能力。另外，课堂配置演示耗费时间较多，导致教师不能在有限学时内讲完课程内容。②理论与实践并行。这里所说的理论与实践并行，是指理论和实践分开进行，课堂上教师只讲理论，实践练习是在实验课中开展的。这种授课方式导致的直接后果是理论内容枯燥、抽象，面对看不见摸不着的网络协议，很多学生表示不直观、难以在脑子里留下印象，因此很难听懂。

笔者之所以将以上二种授课方式着重提出，是因为这二种方式是“交换与路由”课程普遍采用的授课方式，这一点可以通过目前市场上“交换与路由”课程的教材看出。目前“交换与路由”课程的教材主要分为二类，一类教材的内容与“计算机网络”教材内容高度重叠，大篇幅阐述网络协议，对于交换机和路由器结构、网络拓扑分析以及操作配置交换机和路由器的方法介绍较少，因而无法培养学生实施网络工程的能力；另一类教材是交换机和路由器配置指南，主要讨论常见交换机和路由器设备的配置方法及过程，对于交换机和路由器的结构，交换式以太网、互联网相关算法和协议的工作原理及实现过程很少涉及。这样虽然可以使学生具有一定的设计、实施校园网和企业网的能力，但无法使学生具有交换机、路由器的研发能力，以及网络协议的分析、设计和实现能力。

因此，笔者认为本课程最恰当的授课方式应当是将理论与实践紧密结合，启发和引导学生思考问题。同时，通过将知识点分解，在实验时安排排错练习巩固课堂所学。

三、“交换与路由”课程教学方式的改革

(一)理论教学与实际操作相结合

对于“交换与路由”这种实践性强的课程，学生动手操作能力的培养是不可或缺的，但为了培养网络研究型人才，理论知识的深入剖析又必不可少。因此，笔者认为理论和实践应相辅相成，在实验的过程中要对理论知识进行验证，加深对理论知识的理解；在熟知理论知识后，又可指导实验。

北京林业大学信息学院为网络工程专业组建了专用网络实验室，其网络设备包括25台Cisco 2821路由器、12台Cisco Catalyst 2950二层交换机和13台Cisco Catalyst 3650三层交换机。学生在实验课堂上可以针对特定的网络协议进行配置练习，课堂以外学生也可以通过网络模拟环境进行练习。笔者在教学过程中主要用到二种模拟环境，即Packet tracer和GNS3软件。Packet tracer软件是由Cisco公司发布的辅助学习工具，为网络课程初学者提供设计和配置网络的练习，学生使用该软件可以观察数据包在网络中传递交换的详细过程和网络的实时运行情况。GNS3软件则是另一款具有图形化界面的网络虚拟软件，它弥补了Packet tracer软件模拟路由技术的不足。如果学生结合数据抓包软件Wireshark一起使用，可以方便抓取协议数据包并进行路由协议的分析和学习，从中推断并验证路由协议的工作过程和原理。

教师在课堂上，通过先理论后实践的方法当堂演示，可以取得相得益彰的效果。例如，在讲解生成树协议时，学生普遍能够接受该算法的运行规则，但是当讲解每vlan生成树协议时，大部分学生就表示难以理解。这是由于虚拟局域网vlan和生成树协议2个相关知识点刚刚讲完，学生只从逻辑上梳通了内容，但是深刻理解和熟练运用还需要练习和沉淀。而每vlan生成树协议又是虚拟局域网vlan和生成树协议结合产生的新协议，因此学生不好理解。此时，笔者通过Pacekt tracer软件，在课堂上搭建模拟环境进行展示，让学生直观地看到不同vlan的数据流、每vlan协议不同的传输路径，学生马上就能对应上理论知识，理解每vlan生成树的工作原理。

(二)从问题入手，注重启发和引导学生思考

学生对于符合自己认知水平，具有逻辑推进的知识点容易接受，但对于突然出现的理论和概念则难以形成印象[2]。因此，笔者在讲授“交换与路由”课程时，采用启发和引导学生思考的方式解决问题，然后再引出要讲授的课程内容。

“交换与路由”课程涉及大量网络协议，而网络协议又普遍被学生认为是枯燥难懂的。网络协议的工作原理反映在协议的报文封装上[3]，因此教师要想将协议的算法及其工作流程讲清楚，就必须将协议的报文字段进行逐个分析。而根据笔者多年的教学经验，只要将协议报文呈现出来，学生听课的积极性就下降一半。学生普遍认为，在考试前将报文背熟，就可以应付考试，课堂上没必要跟着教师分析协议报文。殊不知，教师在分析报文的过程中往往会结合自己对该协议的认识和理解，将算法的形成、工作过程和控制字段有机地结合起来，让协议的主要算法变得更容易理解。因此，笔者认为，教师在讲解网络协议时，不应该急于将陌生的协议报文展示给学生，而是应该剖析协议要解决的问题，启发引导学生自己动手解决该问题。例如，在讲解不同vlan数据跨交换机的转发机制过程中，首先，教师启发引导学生分析存在的问题，即如何让另一台交换机识别数据包所属的vlan。其次，学生通过思考，根据自己已学知识，提出2种解决方法，即①将连接交换机链路的2个端口都置于数据包所属的vlan上；②在数据包中添加标志该数据包所属vlan的控制字段。最后，教师根据学生提出的2种解决方法引出解决该问题的网络协议—vlan中继协议(802.1q)，并且分析该协议的报文格式。这种讲课方式不仅符合逻辑，而且还顺理成章。

(三)构建知识点库，引导学生自学

“交换与路由”课程的知识点琐碎繁多，涉及到很多网络协议，并且很多内容相互独立，自成体系。教师在讲解时一般按照模块化方式讲解，很少涉及其他模块知识点，因此难以及时为学生复习巩固前面所学的知识。很多学生课堂上表示听得明白，但课后又普遍反映“学到后面忘了前面”。面对“交换与路由”课程内容繁多而课时有限的问题，笔者首先想到抓住重点、缩减内容的解决方法。然而，某些知识点在当前计算机网络中普遍使用，从适用性角度来看，每个知识点都是重点，简单地删减是不妥的。为此，笔者和教研室其他教师按照网络内容，对知识点进行了模块化分解，形成了知识点库，并在教学过程中将模块化分解的内容及时发放给学生，让他们课下练习。另外，笔者还根据网络技术的发展，及时地对知识点库的内容进行了增补。

(四)指导学生进行排错练习

笔者在教学初期安排实验的方法是：给出网络拓扑结构，提出实验目标，要求学生在设备上进行配置，以达到网络的连通性。为了达到从实践中学习的目的，笔者参照Cisco公司的CCNP和CCIE认证考试模式，在“交换与路由”实验课程中加入了排错练习，在交换机和路由器上进行错误的配置，尤其在容易混淆和不易掌握的知识点上制造错误，使网络拓扑不能正常通信，让学生找出错误并排除，恢复网络的连通性。这样一来，学生就无法从别处直接获取解决问题的答案，必须运用所学的理论知识，判断错误的源头，并进行错误排除。这样做不仅巩固了理论知识，而且还练习了配置命令。

四、“交换与路由”课程教学方式改革的效果

“交换与路由”是一门强调实践动手能力培养的课程。在网络建设和维护型人才的培养上，北京林业大学已经取得了一些成绩，为社会输送了一批优秀的网络工程师。然而，随着社会对网络人才基本素质要求的提高，具备网络设备研发以及网络协议设计和实现的研究型人才已经被社会所需要。因此，作为讲授“交换与路由”课程的教师，如何培养出符合社会需求的网络人才，需要探索的路还很长。笔者通过二轮课程讲授之后，学生的反馈意见良好。一方面在实践课堂上，学生能快速、准确地配置网络，并且能够积极讨论问题，向教师请教；另一方面在最后期末闭卷考试时，学生作答情况良好，考试成绩呈现出平均75分左右的正态分布。更为最重要的是，用人单位对我校网络工程专业所培养学生的肯定，2014年毕业的网络工程专业学生，除去5名学生继续读研深造外，其余学生全部就业。

资助项目：北京林业大学2011年教改项目“软件工程专业方向人才培养方案建设的研究”，项目编号BJFU201161。

参考文献

[1]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.

[2]李慧勤，李红君.现代启发式教学的内涵与实施[J].中国高等教育，2008(10)：21-23.

[3]齐建东，高宝.面向实践型人才培养的“交换与路由”课程教学实践[J].计算机教育，2014(7)：50-53.

(责任编辑孙艳玲)