CDIO教育理念引领下的计算机网络实验教学体系

李 楠，李玉龙，张华卫

（1.兰州交通大学 计算机科学与技术国家级实验教学示范中心，甘肃 兰州 730070；2.兰州交通大学 电子与信息工程学院,甘肃 兰州 730070）

0 引言

中国互联网络信息中心发布的第42次《中国互联网络发展状况统计报告》显示，截至2018年6月，中国网民规模达到8.02亿，普及率为57.7%；2018年上半年新增网民2 968万人，较2017年末增长3.8%[1]，互联网已经深入到社会生活的各个方面，因此，有必要加强计算机网络应用人才的培养。计算机网络课程目前已经成为高校计算机专业的核心课程[2-3]，理论知识点多、技术更新快、学生理解困难，必须通过相配套的实验课程进行理论知识的巩固与理解。如何改进实验课程教学理念，规范实验教学内容，建立与理论教学相配套的实验教学体系，更好地为培养应用型创新人才服务，是当前计算机网络实验教学中需要考虑的首要问题[4]。

1 CDIO教育理念在计算机网络实验教学中的意义

CDIO是由麻省理工学院（MIT）、瑞典皇家工学院等4所大学共同倡导的一整套工程教育理念和实施体系[5]。在CDIO教育理念的指引下，实践教学应该增加综合性实验和开放创新性实验的数量，充分提升学生的主动性和创新意识；要加强实验室设备的改造升级，让更多学生进行实践操作；创造机会让学生参与教师的科研项目开发，了解项目开发的整个流程。

2 CDIO引领下计算机网络实验教学体系的构建

为了真正在实践教学中体现“构思—设计—实现—运行”，需要对计算机网络实验教学进行一系列的改革。

2.1 加大经费投入，完善实验室设备

以兰州交通大学为例，网络实验室仅有6个实验机柜，每个实验机柜内有4台交换机、2台路由器，配有6台可供实验的PC机，通常只能分批次地实验；由于交换机初始化配置端口仅有6个，路由器配有2个以太网口，无法进行相对复杂的综合性实验项目。

按照一次安排整班（60人）实验来计算，还需要增加4个实验机柜，包括16台交换机和12台路由器，同时对于实验室的每台路由器均需要增加1个串口模块。完善设备后，学生都能有充分的动手机会，完成较复杂的综合性实验。

2.2 提升教师的实践教学能力

由于网络实验室的教师多数没有管理网络工程项目的实践经验，教学中无法培养学生对网络组态和网络设备的感性认识，仅停留在理论角度，无法做到“学有所用、学以致用”。

我校定期与锐捷、H3C、思科等国内外著名的网络设备厂商联系，对教师进行有针对性的培训，去年组织实验教师参加了锐捷公司的“园区网项目实战教师集训营”培训，拓宽了教学思路，对提升实践教学能力大有帮助；同时要求教师积极参与网络相关的实际工程项目，为实验教学积累实践经验。

2.3 设计虚实结合的计算机网络实验教学体系

计算机网络实验教学中典型实验案例不足，导致实验教学内容过于单一化。实验主要为基础验证性实验，或者是简单的设计性实验（见表1）。在CDIO理念指引下，对计算机网络实验教学内容加以优化处理，形成层次化、递进式的计算机网络实验教学体系（见表2）。

表1 传统计算机网络实验项目

表2 新计算机网络实验教学体系

（续）表2

基础验证性实验是以知识和动手能力为基础，让学生了解各种网络设备的功能、接口以及各种线缆的连接方式等，学生应针对老师提出的问题，具备通过实际操作将其解决的能力；设计性实验要求学生在对知识运用的基础上，可以从不同的角度设计方案，以培养创新思维和创新能力；综合性实验则是若干知识点及相关技术相结合的实验，在做基础验证性实验时，就要让学生弄清楚问题及解决方法；开放创新性实验使用的网络技术都是最新技术，技术复杂程度高，可以引导学生采用虚拟软件进行实验，详细分析计算机网络数据通信的过程。

由于各个实验项目的特点不同，采用“虚拟软件+真实设备”的方式开展实验项目，解决实验设备不足或无法进行复杂实验的缺陷，既能够提高实验教学的效果，同时又能使学生的实践动手能力及创新思维得到提升。

2.4 设计实践项目

CDIO理念强调的是“做中学”[6-7]，依托项目案例进行实验教学活动。在实际的教学中，以具体的项目为线索，在项目之中体现教学目标和教学内容，学生能够掌握实验项目的所有环节，逐步培养学生的实践能力、自学能力以及团队协作能力。本文以“VLAN间的通信”为例进行实验项目设计。该实验项目以2～3人为一个小组，共同参与实验的全过程。

2.4.1 设计背景

某高校有电信学院、自动化学院、土木工程学院、环境工程学院，4个学院内部网络都是独立的局域网，为了实现信息共享，现在要求学院之间能够相互通信。

2.4.2 需求分析

各个学院自身网络应便于管理，保持相对独立；利用交换机、路由器等网络设备，实现独立局域网之间的通信。

2.4.3 规划方案

各个学院局域网的独立性可以通过VLAN划分得以保证[8]，在此基础上，为了解决多个局域网之间的互连，利用所学的知识，可以考虑通过二层交换机、三层交换机、路由器等网络设备进行局域网扩展。需要注意不同品牌型号的交换机，结构、性能、价格、配置方式都不同。3种局域网互联规划方案如图1所示。

图1 “VLAN间的通信”规划方案

2.4.4 设计网络拓扑图与网络布局图

网络拓扑图反映网络中各实体间的结构关系，用于解释原理；网络布局图用于描述网络设备的实际布线情况。在布局设计中，学生可以集思广益，体现创新性。在规划设计后，学生需要使用Visio软件画图；指导教师审阅后，修改完善；学生要利用Packet Tracer模拟器进行设备选型、连线、配置及仿真调试；各小组学生答辩，讲解自己的设计方案及仿真过程；最后对所有设计方案进行评价，选出好的设计方案供其他小组参考学习。这种方式可以增强学生的团队协作能力，培养学生的创新能力。

2.4.5 实施阶段

学生动手制作网线，使用网络测试仪测试，从制作质量、通信情况等方面进行评比，提高学生的实践操作能力和竞争意识；学生通过查找资料了解H3C、思科、锐捷等各种网络设备的特点，小组内讨论学习，选择其中一种设备进行配置，最终测试各个局域网之间是否可以正常通信。

2.4.6 估算项目成本

学生要对整个项目中所用到网络设备、网线、水晶头的数量及价格进行计算，培养学生在设计方案选取时的成本意识。

2.4.7 修改设计报告

实验报告书写时要注意书写格式及规范化的语言，实验教师通过答疑、QQ等方式多次对设计报告进行修改。

2.5 实施过程和结果并重的考核方式

科学合理的实验考核方式，能够较好地反映学生对知识的掌握程度和实践操作水平，激发学生的创新思维和创新意识，教师也能在考核过程中总结经验，持续改进和完善实验教学。

计算机网络实验成绩包括平时成绩（55%）+实验报告（45%），平时成绩包括实验预习成绩（10%）、考勤成绩（5%）、实验操作成绩（30%）和答疑成绩（10%）4部分，其中，答疑成绩包括学生对所做实验的延伸操作及创新发挥。这种过程和结果并重的实验考核评价方式，要求学生重视实验的全过程，能够调动学生学习的积极性，提升学生的实践操作能力及创新能力，明显改善实验教学效果。

3 结语

在响应国家对高校应用型人才培养的要求下，基于CDIO工程的教育理念，对计算机网络课程的实验教学内容进行归类和优化，改善实验环境，增加师资力量，运用多种实验教学方法及手段，同时采取过程和结果并重的考核评价方式，逐步形成新的实验教学体系，以进一步提高学生的实践操作能力、团队协作能力及创新意识。我校计算机科学与技术专业学生一年多的教学实践表明，重构的计算机网络实验教学体系行之有效，对于培养创新应用型人才具有重要意义。